【摘 要】
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氧化铪（HfO2）是一种简单的二元金属氧化物,具有宽带隙、高介电常数、高折射率、高透射、高抗激光损伤和高熔点等特点,在光电器件领域有着广阔的应用前景。自2007年英特尔公司首次将Hf O2作为高介电栅极材料以来,Hf O2已经被工业界视为标准的栅极介电材料,并广泛用于先进的金属-氧化物-半导体场效应晶体管内。Hf O2具有优异的铁电和阻变性能,以及与CMOS工艺兼容性良好等优点,在逻辑器件和非易失
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氧化铪（HfO2）是一种简单的二元金属氧化物,具有宽带隙、高介电常数、高折射率、高透射、高抗激光损伤和高熔点等特点,在光电器件领域有着广阔的应用前景。自2007年英特尔公司首次将Hf O2作为高介电栅极材料以来,Hf O2已经被工业界视为标准的栅极介电材料,并广泛用于先进的金属-氧化物-半导体场效应晶体管内。Hf O2具有优异的铁电和阻变性能,以及与CMOS工艺兼容性良好等优点,在逻辑器件和非易失存储器上应用广泛。Hf O2具有多种晶体结构,十分有利于对其性能调控。此外,利用元素掺杂（例如Si、Al、Gd或Y）还可调控其相结构进而改变其性能。其中,铝掺杂Hf O2作为一种优异的高介电材料,具有漏电流密度低、稳定性好、与CMOS工艺兼容性好等优点,在下一代集成电路和非易失存储器件中表现出良好的潜在应用价值。本文采用原子层沉积（ALD）制备了薄膜均匀致密的掺杂Hf O2薄膜,并对其微结构和电学性能进行了研究。主要研究内容和结果如下:（1）采用ALD可控制备高质量的铝掺杂HfO2薄膜,通过对其结构、组分及形貌进行表征测试,研究了掺杂浓度及掺杂方式对薄膜性能的影响。结果表明,随着掺杂浓度的增加,退火后薄膜的晶粒长大;ALD制备的掺杂薄膜具有良好的表面形貌,且掺杂浓度的提高会使薄膜的粗糙度增加,这与掺杂引起的薄膜相变有关。此外,O2环境下退火的薄膜粗糙度要优于N2气氛下退火的薄膜;随着掺杂浓度的增加,薄膜的非晶格氧缺陷增加,元素的特征峰向高结合能方向偏移。（2）通过对不同工艺制备的高质量薄膜器件进行I-t,Tafel,MC-V,Mott-Schottky测试,研究了器件的电学性能。结果表明,随着薄膜厚度增加,器件的漏电流减小,耗尽区电容强度也随之减小,电荷俘获能力减弱;三明治结构的器件在高含量Al掺杂时漏电流较大,这说明Hf O2薄膜具有比Al2O3薄膜更小的漏电流。此外,32A+64H+32A三明治结构工艺器件具有更大的滞回窗口和更好的稳定性;而对于多层堆叠结构,4（16A+16H）工艺器件则具有更好的电荷俘获性能和更大的滞回窗口。通过对上述两种结构的器件性能对比,结果表明:32A+64H+32A三明治结构器件的电学性能和存储性能好,稳定性也更好。氧空位浓度的增加是引起器件具有更好的电荷俘获性能和更大的存储窗口的原因。
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