钇掺杂氧化铪薄膜结构和介电及铁电性能研究

发布时间：2022-08-08 13:54

　　作为具有代表性的高介电常数材料,氧化铪已被广泛应用于微电子工业。最近采用特殊工艺制备的掺杂氧化铪薄膜被发现具有显著的铁电性质,这一新型铁电材料与硅基CMOS集成电路工艺良好的兼容性,使其对于集成铁电学的发展具有重要意义,氧化铪基铁电薄膜的研究将带来铁电存储器研究的新突破。研究显示,氧化铪基薄膜的介电性能主要取决于相结构。为了调控薄膜的电学性能,需要研究氧化铪的相变机制。目前人们只单纯依赖实验寻找相变所需的掺杂浓度、薄膜厚度以及沉积温度等工艺参数,这无疑会延长研发周期和提高研发成本。此外,现阶段高质量氧化铪基铁电薄膜的制备方法多为原子层沉积法（ALD）,成本高且不易获得大面积的薄膜。因此,研究溅射法制备高质量超薄氧化铪基薄膜并系统地研究薄膜的相变机制是非常必要的。本文利用中频孪生靶反应磁控溅射法制备不同成分的氧化铪基薄膜,系统地研究反应气体比例、沉积气压、衬底温度、掺杂浓度等工艺参数对薄膜的成分、结构、表面形貌和介电及铁电性能的影响,对薄膜的相变机制进行了初步分析。此外,本文还利用沉积金属铪缓冲层的方法,抑制氧化物薄膜与硅衬底之间的界面氧化层厚度,以达到优化叠层薄膜器件的电学性能的目的。... 

【文章页数】：124 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1. 绪论
    1.1 引言
    1.2 氧化铪的结构与性质
        1.2.1 氧化铪的晶体结构
        1.2.2 氧化铪的性质
    1.3 氧化铪基high-k薄膜的研究及应用现状
        1.3.1 集成电路中金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅介质
        1.3.2 动态随机存储器的电容介质
        1.3.3 薄膜晶体管的栅介质
        1.3.4 HfO_2基high-k薄膜相变研究及发展现状
    1.4 新型氧化铪基铁电薄膜的发现及研究现状
        1.4.1 HfO_2基薄膜铁电性能的发现
        1.4.2 HfO_2基新型铁电薄膜的应用价值
        1.4.3 HfO_2基铁电薄膜的相变机制及研究现状
    1.5 HfO_2薄膜的制备方法
    1.6 论文的研究意义及内容
        1.6.1 研究意义
        1.6.2 研究内容
2. 样品的制备及表征
    2.1 实验原理及相关物理基础
    2.2 实验设备及工艺条件
    2.3 样品的物理性能表征方法
        2.3.1 厚度分析——台阶仪/X射线反射(XRR)
        2.3.2 元素及化学结构状态分析——X射线光电子能谱(XPS)/傅里叶红外光谱法(FTIR)
        2.3.3 表面形貌分析——原子力显微镜(AFM)/扫描电子显微镜(SEM)
        2.3.4 微观结构和组织分析——透射电子显微镜(TEM)
        2.3.5 晶体结构分析——X射线衍射(XRD)
    2.4 样品的电性能表征
        2.4.1 MIS电容结构的制备
        2.4.2 漏电流机制
        2.4.3 薄膜P-V测试
3. HfO_2基薄膜的结构与介电性能研究
    3.1 引言
    3.2 氧氩比对HfO_2薄膜的化学结构及介电性能的影响
    3.3 沉积气压对HfO_2薄膜的结构及介电性能的影响
    3.4 衬底温度对HfO_2薄膜的晶体结构及介电性能的影响
    3.5 本章小结
4. Y掺杂HfO_2薄膜的结构及介电性能研究
    4.1 引言
    4.2 Y掺杂浓度对HfO_2薄膜的结构及介电性能的影响
        4.2.1 Y掺杂浓度对HfO_2薄膜的成分及化学结构的影响
        4.2.2 Y掺杂浓度对HfO_2薄膜结构的影响及热力学分析
        4.2.3 Y掺杂浓度对HfO_2薄膜的介电性能的影响
    4.3 衬底温度对Y掺杂HfO_2薄膜的结构和介电性能的影响
    4.4 本章小结
5. Y掺杂HfO_2基铁电薄膜的结构和性能研究
    5.1 引言
    5.2 金属Hf缓冲层对Y掺杂HfO_2基薄膜铁电性能的影响及理论分析
    5.3 衬底温度对Y掺杂HfO_2基薄膜的结构和铁电性能的影响
    5.4 本章小结
6. 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3671630