论文总字数：16057字

摘 要

随着半导体工艺技术的不断改进与发展，传统MOS器件绝缘栅氧化层SiO₂已经不能再满足新型半导体器件的需求，这就需要研究新型栅介质材料。HfO₂作为一种铁电氧化物材料，具有高介电常数、热稳定性好、与传统半导体工艺兼容等优异特性而备受广泛关注。本文利用脉冲激光沉积（PLD）技术制备了系列HfO₂:Al薄膜，利用X射线衍射、四探针等技术系统地研究了Al组分对HfO₂:Al薄膜结构和电学性质的影响，为构建和研究新型低功耗场效应晶体管提供参考。

关键词：HfO₂薄膜 栅极介质 脉冲激光沉积 结构 电学性质

Abstract

Nowadays, with the continuous development of the times and the continuous improvement of technology, the traditional gate dielectric oxide SiO₂ can no longer meet the requirements. However, HfO₂ attracts attention due to its higher dielectric constant and better stability than SiO₂. This article has been the development status and social needs as the background, introduced the nature of HfO₂, outlined some of the previous research results, and the use of pulsed laser deposition technology prepared at different temperatures HfO₂ film and doped with different Al composition of HfO₂ film, The X-ray diffraction technique and four-probe measurement method were used to analyze the structure and electrical properties. It was found that the compositional structure was affected by the growth time. The half-hour growth time made the other peaks besides the silicon peak not be obvious. Its electrical conductivity is greatly affected by the preparation method, impurity quality and temperature. With the incorporation of Al components, it exhibits electrical conductivity, and when the Al composition increases, electrical conductivity increases.

Key Words:HfO₂ thin films Gate dielectric Pulsed laser deposition structure Electrical properties

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 HfO₂材料的基本性质及应用 2

1.3 HfO₂的研究进展 3

1.4 常见的薄膜制备方法 5

1.5脉冲激光沉积技术 5

1.5.1 PLD技术原理 5

1.5.2 脉冲激光沉积的优势与不足 6

1.5.3 关于脉冲激光沉积技术的历史、应用及未来展望 6

1.5.4 本文所用设备 7

1.5.5 本文研究意义 8

第二章 HfO₂薄膜的制备及物性研究 9

2.1 HfO₂薄膜的制备 9

2.1.1 基片的安装过程 9

2.1.2 抽真空过程 9

2.1.3 温度的调节 10

2.1.4 激光器的调节及使用 10

2.1.5 镀膜过程 11

2.1.6 镀膜结束工作 11

2.2 HfO₂薄膜的物性表征与分析 11

2.2.1 HfO₂薄膜结构表征分析 11

2.2.2 HfO₂的电学性能表征分析 14

第三章 Al元素掺杂百分比对HfO₂薄膜的结构和电学性能的影响 16

3.1 Al掺杂HfO₂薄膜的制备 16

3.2 HfO₂:Al薄膜Al组分对结构的影响 16

3.3 Al掺杂百分比对HfO₂薄膜电学性能的影响 17

全文总结 19

致谢 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1 引言

自我国步入信息时代到现在，信息产业发展非常之快，更多各种各样的信息融入我们的生活，使我们的生活丰富多彩，信息不止为我们的生活带来便利，也为社会生产提供了很大的帮助。各国在大力发展信息产业的同时，我国也不例外，再加上社会发展与科技进步的需要，我国积极争取突破新技术，拓展新市场，这便使得其中的电子信息行业发展外出了巨大的一步。现如今，我国在努力成为网络强国，而电子信息行业这支力量的崛起无疑大力使我国向目标迈出了一大步。如果说电子信息产业是茁壮成长的大树，那么电子科学与技术便是它的根基，前者主要靠后者带动发展，可以应用到许多领域。

在我们的生活生产中，半导体材料和介电材料，这两种电子材料扮演着非常重要的角色，同时也不得不提到两种薄膜材料。一是介质薄膜，它有良好的绝缘性质，利用这种性质，它可以在半导体集成电路作为绝缘层，再加上它的介电性能不错，例如二氧化硅（SiO₂）可以用作MOS管的栅介材料^[1]。而在如今的信息化时代，无时无刻不在进行着信息的交流，有的介质薄膜具有铁电效应可以作为铁电薄膜材料^[2]，可以进行信息的存储，传递，这也让其在存储器的运用中大放光彩。二是半导体薄膜，这种薄膜的种类非常多，由于工艺和材料不同，其用处也非常广泛。

随着集成电路频繁的更新换代，再加上超级大规模集成电路一批接一批的生产并且投入使用，促使人们在半导体材料加工方法和工艺的优化上进行了大量的思考和实践，生产技术方面也做了大大地改进措施，然后就是材料本身，MOS管的栅极材料自身的要求也要更高，以满足当今发展和生产需求。由于现代化需要，MOS晶体管既要满足功能需求，也要更小，更轻便，导致尺寸逐渐减小，传统的栅极介质材料SiO₂因其厚度已经减小到不能再小，面临快要被淘汰的境地，所以要想发展，当下燃眉之急是要找到一个SiO₂的替代者，而且这个替代材料不仅要满足能作为MOS管栅介材料的基本要求，更要比SiO₂的性质还要稳定，介电常数还要高，这是首要考虑的问题。时间不长，人们就发现了一种材料，它的名称叫氧化铪（HfO₂），经过研究发现，这种带有金属氧化物电性质的材料不仅拥有着很高的介电常数，还具备着很宽的带隙，所以，当其一问世，立刻就受到了国内外学者的关注，人们纷纷议论HfO₂是最有可能取代SiO₂材料，而现如今这些材料已经被发现用于取代SiO₂了^[3]。这么说是因为栅介材料换成氧化铪后，介质层厚度增加了，隧穿减小，要承受的电场强度减少，这样就可以从根本上解决氧化硅作为栅介材料的问题弊端。

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