ⅣB族金屬氧化物HfO2和ZrO2薄膜的制備、表征和性質(zhì)研究.pdf

1、本文的主要內(nèi)容是金屬氧化物薄膜HfO2和ZrO2的制備及相應(yīng)的樣品表征和性質(zhì)研究。我們摸索發(fā)展了一種制備HfO2和ZrO2的薄膜的新方法,利用等離子體輔助反應(yīng)脈沖激光沉積的方法進(jìn)行樣品的制備。主要研究了薄膜的光學(xué)性質(zhì)及電學(xué)性質(zhì),對薄膜的結(jié)構(gòu)及界面性質(zhì)、薄膜的光學(xué)常數(shù)及帶寬、薄膜的電容一電壓特性以及漏電流一電壓特性做了較深入的研究。同時(shí)還對薄膜進(jìn)行了退火處理,并由此研究薄膜的熱穩(wěn)定性以及光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)的變化。
　　我們對氧氣進(jìn)行

2、電子回旋共振(ECR)微波放電產(chǎn)生高活性的氧等離子體,以此作為活性的氧氣氛。在ECR氧等離子體氣氛中用脈沖激光燒蝕(PLA)金屬鉿靶或鋯靶產(chǎn)生PLA鉿或鋯等離子體,利用PLA鉿或鋯等離子體和ECR氧等離子體的相互作用形成金屬氧化物先驅(qū)物,在襯底上沉積金屬氧化物薄膜。沉積過程中襯底沒有輔助的加熱裝置,在等離子體轟擊下襯底溫度低于80℃。脈沖激光燒蝕是利用高強(qiáng)度的脈沖激光束對靶材進(jìn)行燒蝕并產(chǎn)生PLA等離子體,以此把靶材料轉(zhuǎn)移到襯底上并凝聚、

3、成核、形成膜層,這種薄膜沉積方法稱為脈沖激光沉積(PLD),至今已有很多成功的應(yīng)用。ECR微波放電是目前最有效的低氣壓放電技術(shù),可以產(chǎn)生密度高、電離度高、均勻穩(wěn)定的等離子體,稱為ECR等離子體。我們把基于PLA的PLD方法和ECR微波放電技術(shù)結(jié)合起來,發(fā)展成為一種新的薄膜制備技術(shù),即ECR.等離子體輔助反應(yīng)脈沖激光沉積技術(shù)。該方法有利于化合物的形成及化合物薄膜的制備。我們還發(fā)現(xiàn),利用該技術(shù)并采取適當(dāng)?shù)拇胧┛梢杂行У乇苊庖r底的氧化,在硅襯

4、底上制備不含氧化硅過渡層的氧化物薄膜。
　　金屬氧化物薄膜HfO2和ZrO2具有很好的光學(xué)性質(zhì),它們都在很寬的光譜范圍內(nèi)具有很好的透射性,具有相對較高的損傷閾值,并且具有很好的熱穩(wěn)定性及機(jī)械穩(wěn)定性。所以這兩種薄膜在光學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。不僅如此,HfO2和ZrO2薄膜在微電子中也具有很好的應(yīng)用潛力,因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬Ω咔疫m中的介電常數(shù)(K),相對較寬的禁帶寬度,以及與Si有合理的帶隙偏移,并且高溫時(shí)在Si襯底上具有很好的熱穩(wěn)定性。特

5、別是HfO2和ZrO2被普遍認(rèn)為是替代傳統(tǒng)柵極材料SiO2成為下一代互補(bǔ)型金屬一氧化物一半導(dǎo)體(CMOS)器件的高K柵介質(zhì)材料,而HfO2薄膜在CMOS器件中已得到了成功應(yīng)用。
　　在摸索發(fā)展金屬氧化物薄膜HfO2和ZrO2制備的新方法,成功制備HfO2和ZrO2薄膜樣品的基礎(chǔ)上,對所制備的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和光學(xué)表征以及電學(xué)性質(zhì)測試,同時(shí)也考察了薄膜在N2環(huán)境中經(jīng)不同溫度退火的各種變化。主要使用傅立葉變換紅外(FTIR)光譜和Ram

6、an散射光譜對薄膜的結(jié)構(gòu)和膜層與襯底間的界面進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,常溫生長的薄膜以單斜晶態(tài)為主并存在少量的無定形結(jié)構(gòu),但高溫退火后向晶體轉(zhuǎn)化。生長在Si襯底上的薄膜沒有SiOx界面層出現(xiàn),并直至900℃高溫都表現(xiàn)出很好的熱穩(wěn)定性,在1200℃退火后有SiOx界面層形成。使用橢圓偏振光譜表征了薄膜的光學(xué)性質(zhì),并得出膜層厚度和薄膜的折射率(n)及消光系數(shù)(k)等光學(xué)常數(shù),表明高溫退火改進(jìn)薄膜的光學(xué)性質(zhì)。而透射光譜表明生長在石英襯底上的薄膜從

7、250nm至2500nm的光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出很好的透射性,尤其在近紅外的透射率為80％以上。同時(shí),薄膜在200nm附近存在一個(gè)短波限吸收邊,根據(jù)光學(xué)帶隙的確定可以推斷出薄膜具有直接帶隙結(jié)構(gòu),HfO2和ZrO2薄膜的帶隙寬度分別為5.65eV和5.95eV,且因退火而變。我們測量了薄膜的電容一電壓(C-V)性質(zhì),并得到了薄膜的介電常數(shù)K及平帶電壓Vfb等參數(shù),退火后薄膜的性質(zhì)有所改進(jìn)。而薄膜的漏電流一電壓(I-V)特性測量表明,常溫生長的薄