溶膠-凝膠法制備鋯摻雜二氧化鉿基納米薄膜的工藝及性能研究.pdf

1、以HfO2和ZrO2為基的二元氧化物材料因具有高介電常數(shù)（High-k），在微電子領(lǐng)域早已成為研究熱點(diǎn)并被實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用，已廣泛取代SiO2作為金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管柵介質(zhì)和動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)電容器介質(zhì)。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，使用特殊工藝制備的HfO2基薄膜具有優(yōu)異的鐵電性質(zhì)。若采用該類鐵電材料取代Pb(Zr，Ti)O3(PZT)、SrBi2Ta2O9(SBT)和(Bi1-xLax)4Ti3O12(BLT)等傳統(tǒng)的鈣鈦礦

2、結(jié)構(gòu)基鐵電材料來制備鐵電半導(dǎo)體器件如鐵電非易失性存儲器，預(yù)計(jì)在存儲密度和性能方面或?qū)⒂兄卮笸黄啤?br>　　本論文以納米薄膜材料的相變理論為指導(dǎo)，采用對設(shè)備條件要求不高、操作簡單的純水基溶膠-凝膠法制備HfxZr1-xO2(x=0、0.5、1)薄膜。實(shí)驗(yàn)中，對純水基溶膠-凝膠法制備工藝進(jìn)行了探索和優(yōu)化，利用熱重/差熱同步分析儀分析溶膠的熱性能;利用甩膠法制備薄膜;利用原子力顯微鏡(AFM)以及掃描電鏡(SEM)測定薄膜的表面形貌;利用X

3、射線反射(XRR)法對薄膜厚度、密度及表面粗糙度進(jìn)行分析;利用掠入射X射線衍射(GIXRD)法對薄膜物相進(jìn)行分析;利用X射線光電子能譜(XPS)分析薄膜各元素含量和化學(xué)鍵結(jié)合情況;利用鐵電性能測試分析儀對薄膜電容器的極化曲線、漏電流密度等電性能進(jìn)行測試。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純水基溶膠-凝膠法可實(shí)現(xiàn)對薄膜厚度的精確控制。表面AFM形貌圖顯示薄膜表面光滑、平整且無明顯的氣孔和微裂紋。XPS結(jié)果顯示薄膜各元素含量比符合化學(xué)計(jì)量比。GIX

4、RD結(jié)果顯示60.0nm的ZrO2薄膜在550℃-600℃發(fā)生晶化，室溫下呈四方相，60.0nm厚的HfO2薄膜在600℃-700℃發(fā)生晶化，室溫下呈單斜相。由于表面能效應(yīng)，薄膜厚度與相組成密切相關(guān)，隨著薄膜厚度的增加，Hf0.5Zr0.5O2薄膜在室溫下的結(jié)晶相由四方相逐漸向單斜相轉(zhuǎn)變。ZrO2的添加有助于HfO2四方相的穩(wěn)定，在12.9nm以下，Hf0.5Zr0.5O2薄膜在室溫下完全結(jié)晶為四方相。相組成與薄膜介電常數(shù)密切相關(guān)，反映