釔摻雜氧化鉿薄膜的溶膠-凝膠制備工藝及性能研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)SiO2材料已越來(lái)越不能適應(yīng)MOS器件對(duì)柵極材料的要求，而HfO2基薄膜憑借其高的介電常數(shù)(high-k)、較寬的帶隙等優(yōu)點(diǎn)已成為研究熱點(diǎn)，并已被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中代替SiO2作為柵介質(zhì)材料。近年來(lái)的研究表明，對(duì)HfO2納米薄膜摻雜適量的元素（Al、Si、Y等）能觀察到顯著的鐵電性，且相比于傳統(tǒng)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基鐵電材料，HfO2基薄膜與硅基半導(dǎo)體有良好的兼容性，使其能被制造為速度快、功耗低的非易失性鐵電

2、存儲(chǔ)器。
　　本論文研究釔摻雜氧化鉿薄膜的溶膠-凝膠制備工藝及其性能，主要分析釔元素和薄膜的厚度對(duì)氧化鉿薄膜相變影響及對(duì)薄膜電學(xué)性能影響。實(shí)驗(yàn)中，使用熱重分析(TGA)和差示掃描量熱法(DSC)分析溶膠在加熱時(shí)的分解情況;使用X射線反射率測(cè)量(XRR)對(duì)薄膜的厚度進(jìn)行測(cè)量，并分析其密度和表面粗糙度;利用X射線光電子能譜(XPS)分析薄膜中各元素的含量、比例及原子結(jié)合方式;利用掠入射X射線衍射(GIXRD)對(duì)薄膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析;最

3、后用鐵電測(cè)試儀測(cè)量薄膜極化曲線和漏電流，以分析薄膜的介電常數(shù)和薄膜的質(zhì)量。
　　結(jié)果表明，溶膠-凝膠法制備的12.9 nm厚的薄膜，Y摻雜量在1.75 mol％時(shí)是相變臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)，Y摻雜量少于臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)薄膜為單斜相，高于臨界點(diǎn)薄膜變?yōu)榱⒎较?，Y摻雜量為1.75 mol％左右時(shí)為兩相共存。2.50 mol％Y摻雜量的薄膜相變存在臨界轉(zhuǎn)變厚度，該厚度為18.4 nm左右，低于此厚度薄膜為立方相，高于此厚度薄膜為單斜相。這說(shuō)明，在薄膜

4、很薄的情況下（達(dá)到納米量級(jí)）只需少量的Y摻雜量，即引入少量的氧空位，就能與表面能的共同作用在室溫下穩(wěn)定立方相。薄膜中的鍵結(jié)合方式是Hf-O鍵和Y-O鍵，同時(shí)證明，薄膜中Y的理論含量與實(shí)際含量幾乎一致。通過(guò)不同鍍膜周期制備的釔摻雜的氧化鉿薄膜的電學(xué)性能優(yōu)于通過(guò)濃縮或稀釋改變?nèi)苣z濃度制備的薄膜;薄膜不同晶體結(jié)構(gòu)會(huì)得到不同的介電常數(shù);使用不同鍍膜周期制備的薄膜在場(chǎng)強(qiáng)1MV/cm下漏電流密度在10-6，10-7 A/cm2數(shù)量級(jí)，表明獲得了高質(zhì)