Ta或La掺杂HfO2薄膜结构及其性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cheng8023jiajia
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在多种多样的电介质材料中,高介电常数(高k)材料起着至关重要的作用,而在众多高k栅介质材料中,HfO2凭借其介电常数较高、禁带宽度较大及热稳定性良好的优势,很有希望作为替代SiO2的新型高k栅介质材料。但是由于纯HfO2薄膜的结晶化温度比较低(范围400-600℃),结晶化的HfO2栅介质薄膜不利于器件的性能,所以,为了提高HfO2薄膜的结晶化温度,近些年,以HfO2材料为基础而研究与发展的多元栅介质薄膜得到了越来越多的学者的关注。  本实验采用反应射频磁控溅射技术制备了HfTaO和HfLaO两个系列的薄膜。通过固定Hf靶射频入射功率、改变Ta靶射频入射功率制备出不同[Ta]/[Hf+Ta]原子比(0-72%)的HfTaO薄膜,同样,对于HfLaO薄膜,通过固定Hf靶射频入射功率、改变La靶射频入射功率调节了薄膜中的[La]/[Hf+La]原子比(0-37%)。分别采用X-射线荧光光谱(XRF)、电子探针仪(EPMA)、X-射线衍射(XRD)分析仪、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见光分光光度计对薄膜的成分、结构、表面形貌、热学稳定性和光学特性进行了表征,主要研究结果有:对于HfTaO薄膜,随着Ta的掺杂量的增加,薄膜结构为:单斜相(Ta:0-3%)→非晶态(Ta:3-72%);经过高温退火处理后,薄膜结构为:单斜相(Ta:10%)→Hf6Ta2O17正交相(Ta:26%和50%)→非晶态(Ta:72%),对应于Ta掺杂量为10%、26%、50%的HfTaO薄膜样品的结晶化温度依次为800℃、900℃、950℃,HfTaO薄膜的热稳定性明显优于纯HfO2薄膜。薄膜折射率随着Ta掺杂量的增加而依次增加,而薄膜光学带隙却具有相反的变化趋势。对于HfLaO薄膜,随着La的掺杂量的增加,薄膜结构为:HfO2单斜相(La:0%)→La2Hf2O7立方相(La:17%)→非晶态(La:25-37%),经过高温退火处理后,薄膜结构均为La2Hf2O7立方相(La:17-37%),对应于La元素掺杂量为25%、33%、37%的HfLaO薄膜样品的结晶化温度依次为850℃、900℃、950℃,HfLaO薄膜的热稳定性也明显优于纯HfO2薄膜。随着La元素掺杂量的增大,HfLaO薄膜样品的平均表面粗糙度减小,薄膜光学带隙减小,分别为5.96eV(HfO2)、5.90eV(La:17%)、5.87eV(La:25%)、5.80eV(La:33%)、5.77eV(La:37%)。
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