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IV B族金属氧化物HfO_2和ZrO_2薄膜的制备、表征和性质研究

作　者: 唐文涛
导　师: 应质峰
学　校: 复旦大学
专　业: 光学
关键词: HfO2 ZrO2 等离子体辅助反应脉冲激光沉积光学性质电学性质高K材料低温沉积
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文的主要内容是金属氧化物薄膜HfO2和ZrO2的制备及相应的样品表征和性质研究。我们摸索发展了一种制备HfO2和ZrO2的薄膜的新方法,利用等离子体辅助反应脉冲激光沉积的方法进行样品的制备。主要研究了薄膜的光学性质及电学性质,对薄膜的结构及界面性质、薄膜的光学常数及带宽、薄膜的电容-电压特性以及漏电流-电压特性做了较深入的研究。同时还对薄膜进行了退火处理,并由此研究薄膜的热稳定性以及光学性质和电学性质的变化。我们对氧气进行电子回旋共振(ECR)微波放电产生高活性的氧等离子体,以此作为活性的氧气氛。在ECR氧等离子体气氛中用脉冲激光烧蚀(PLA)金属铪靶或锆靶产生PLA铪或锆等离子体,利用PLA铪或锆等离子体和ECR氧等离子体的相互作用形成金属氧化物先驱物,在衬底上沉积金属氧化物薄膜。沉积过程中衬底没有辅助的加热装置,在等离子体轰击下衬底温度低于80℃。脉冲激光烧蚀是利用高强度的脉冲激光束对靶材进行烧蚀并产生PLA等离子体,以此把靶材料转移到衬底上并凝聚、成核、形成膜层,这种薄膜沉积方法称为脉冲激光沉积(PLD),至今已有很多成功的应用。ECR微波放电是目前最有效的低气压放电技术,可以产生密度高、电离度高、均匀稳定的等离子体,称为ECR等离子体。我们把基于PLA的PLD方法和ECR微波放电技术结合起来,发展成为一种新的薄膜制备技术,即ECR等离子体辅助反应脉冲激光沉积技术。该方法有利于化合物的形成及化合物薄膜的制备。我们还发现,利用该技术并采取适当的措施可以有效地避免衬底的氧化,在硅衬底上制备不含氧化硅过渡层的氧化物薄膜。金属氧化物薄膜HfO2和ZrO2具有很好的光学性质,它们都在很宽的光谱范围内具有很好的透射性,具有相对较高的损伤阈值,并且具有很好的热稳定性及机械稳定性。所以这两种薄膜在光学领域有重要的应用。不仅如此,HfO2和ZrO2薄膜在微电子中也具有很好的应用潜力,因为它们具有相对高且适中的介电常数(K),相对较宽的禁带宽度,以及与Si有合理的带隙偏移,并且高温时在Si衬底上具有很好的热稳定性。特别是HfO2和ZrO2被普遍认为是替代传统栅极材料SiO2成为下一代互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)器件的高K栅介质材料,而HfO2薄膜在CMOS器件中已得到了成功应用。在摸索发展金属氧化物薄膜HfO2和ZrO2制备的新方法,成功制备HfO2和ZrO2薄膜样品的基础上,对所制备的样品进行了结构和光学表征以及电学性质测试,同时也考察了薄膜在N2环境中经不同温度退火的各种变化。主要使用傅立叶变换红外(FTIR)光谱和Raman散射光谱对薄膜的结构和膜层与衬底间的界面进行了表征。结果表明,常温生长的薄膜以单斜晶态为主并存在少量的无定形结构,但高温退火后向晶体转化。生长在Si衬底上的薄膜没有SiOx界面层出现,并直至900℃高温都表现出很好的热稳定性,在1200℃退火后有SiOx界面层形成。使用椭圆偏振光谱表征了薄膜的光学性质,并得出膜层厚度和薄膜的折射率(n)及消光系数(k)等光学常数,表明高温退火改进薄膜的光学性质。而透射光谱表明生长在石英衬底上的薄膜从250nm至2500nm的光谱范围内表现出很好的透射性,尤其在近红外的透射率为80%以上。同时,薄膜在200nm附近存在一个短波限吸收边,根据光学带隙的确定可以推断出薄膜具有直接带隙结构,HfO2和ZrO2薄膜的带隙宽度分别为5.65eV和5.95eV,且因退火而变。我们测量了薄膜的电容-电压(C-V)性质,并得到了薄膜的介电常数K及平带电压Vfb等参数,退火后薄膜的性质有所改进。而薄膜的漏电流-电压(I-V)特性测量表明,常温生长的薄膜呈现很小的漏电性,但退火后漏电流有所增大。本文摸索了一种制备IVB族金属氧化物HfO2和ZrO2薄膜的新方法,该方法具有一定优越性,制备得到了具有很好光学和电学性质的薄膜,制备的薄膜还具有良好的热稳定性,并可避免在薄膜和衬底之间氧化硅界面层。这方面的工作还有待于深入,制备方法还有待于完善,薄膜的性质也有待于优化,以适应光学和微电子领域对优异性能的HfO2和ZrO2薄膜的需要。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
第一章引言  10-14
  1.1 HfO_2和ZrO_2薄膜简介  10-13
  1.2 本文的研究内容和安排  13-14
第二章脉冲激光沉积系统及HfO_2和ZrO_2薄膜的制备  14-21
  2.1 等离子体辅助反应脉冲激光沉积  14-18
    2.1.1 脉冲激光烧蚀  14-15
    2.1.2 脉冲激光沉积  15-16
    2.1.3 电子回旋共振微波放电  16-18
    2.1.4 等离子体辅助反应脉冲激光沉积  18
  2.2 薄膜的制备  18-19
  2.3 薄膜的表征  19-21
第三章 HfO_2和ZrO_2薄膜的结构与光学性质  21-42
  3.1 HfO_2薄膜的结构与光学性质  21-31
    3.1.1 HfO_2薄膜的原子力显微镜(AFM)形貌观察  21-22
    3.1.2 HfO_2薄膜的傅立叶转换红外光谱(FTIR)测量和分析  22-25
    3.1.3 HfO_2薄膜的椭圆偏振光谱测量和分析  25-27
    3.1.4 HfO_2薄膜的透射光谱测量和分析  27-31
  3.2 ZrO_2薄膜的结构与光学性质  31-40
    3.2.1 ZrO_2薄膜的Raman光谱和分析  31-33
    3.2.2 ZrO_2薄膜的傅立叶转换红外光谱(FTIR)测量和分析  33-35
    3.2.3 ZrO_2薄膜的椭圆偏振光谱测量和分析  35-36
    3.2.4 ZrO_2薄膜的透射光谱测量和分析  36-40
  3.3 本章小结  40-42
第四章 HfO_2和ZrO_2薄膜的电学性质  42-53
  4.1 HfO_2薄膜的电学性质  43-48
    4.1.1 HfO_2薄膜的C-V特性测量  43-47
    4.1.2 HfO_2薄膜的I-V特性测量  47-48
  4.2 ZrO_2薄膜的电学性质  48-52
    4.2.1 ZrO_2薄膜的C-V特性测量  48-51
    4.2.2 ZrO_2薄膜的C-V特性测量  51-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章总结与展望  53-56
参考文献  56-60
致谢  60-61
后记  61-62

IV B族金属氧化物HfO_2和ZrO_2薄膜的制备、表征和性质研究

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