（凝聚态物理专业论文）射频磁控溅射hfo2薄膜的电学特性及室温弱铁磁性研究.pdf

i - 、， 、 i r 飞 黼 目录 慵 奇( ， l 3 3 薄膜成分和界面微结构探测和分析2 2 3 3 1h f 0 2 s i 界面性质t e m 测试与分析2 2 3 3 2h f 0 2 s i 界面性质，s 测试与分析2 3 3 3 3h f 0 2 s i 界面反应动力学过程探究2 4 3 4 本章小结2 5 第4 章射频磁控溅射h f 0 2 薄膜室温弱铁磁性研究2 6 4 1 引言：。2 6 4 1 1 固体物质磁性的基本特征和类型2 6 4 1 2 氧化物薄膜弱铁磁性研究现状2 8 4 1 3 本章工作研究目的和内容31 4 2 薄膜的制备及后处理3 l 4 3 薄膜的室温铁磁性测试与分析3 2 4 3 1 薄膜饱和磁矩的各向异性3 2 4 3 2 沉积氛围及退火温度对薄膜弱铁磁性的影响3 3 4 4h f 0 2 薄膜弱铁磁性来源探讨3 4 4 4 1 氧空位对h f 0 2 薄膜弱铁磁陛的贡献3 4 4 4 2 晶格( 晶界) 缺陷对h f 0 2 薄膜弱铁磁性的贡献3 4 4 5 本章小结3 6 第5 章结论与展望3 7 参考文献3 9 硕士期间发表论文及参加学术活动情况4 7 致谢4 8 枫 “p q 西南大学硕士学位论文 摘要 射频磁控溅射h f 0 2 薄膜的电学特性及室温弱铁 磁性研究 凝聚态物理专业硕士研究生：陈显峰 指导教师：邱晓燕 摘要 随着硅基半导体集成电路集成度的迅猛提高，其基本组成单元金属氧化物 半导体场效应晶体管( m o s f e t s ) 的沟道长度已缩短至u 4 5 n m 。根据i t r sr o a d m a p 2 0 0 9 年公布的发展规划，在采用新结构、引入新材料的前提下，m o s f e t s 将在 2 0 2 0 年进入1 4 n m 技术时代。为保持其高的栅极电容，原有的s i 0 2 s i o x n v 栅介质层 厚度也随之相应减薄。但是当其厚度减d , 至l j l n m 时，出现的漏电流增大，驱动电 流减小以及硼( 磷) 杂质隧穿导致的器件可靠性下降等问题，使得传统s i 0 2 s i o x n v 栅介质层已经不能满足下一代m o s f e t s 的要求，寻找新型栅介质材料成为当务之 急。在众多的候选材料中，h f 0 2 因其优良的电学性能以及与当前硅基半导体工艺 较好的兼容性，有望替代s i 0 2 s i o x n v 成为下一代m o s f e t s 的栅介质候选材料。 本文采用射频磁控方法沉积制备h f 0 2 薄膜，研究不同沉积氛围( 纯a r ，a r + 0 2 和a 州2 ) 和后退火处理对其电学性能的影响。利用a g i l e n t 4 2 9 4 a 高精密阻抗分析 仪和k e i t h l e y 2 4 0 0 数字万用表测试其m o s 电容器结构的电学性能；利用高分辨电镜 和x 射线光电子能谱观测其界面微结构。实验测试结果表明，在纯心氛围室温沉积 的h f 0 2 薄膜具有相对较好的电学性能( 有效介电常数晶一1 7 7 ；平带电压 o 3 6v ； 1v 栅电压下的漏电流密度- - 4 1 5 x 1 0 ae r a - 2 ) 。高分辨透射电镜观测和x 射线光电 子能谱深度剖析表明，在非晶h f 0 2 薄膜和s i 衬底之间生成了非化学配比的h f s i j o v 和h f s i 算混合界面层。该界面层的出现降低了薄膜的有效介电常数，而界面层中的 电荷捕获陷阱则导致薄膜电容电压曲线出现顺时针的回线。 此外，我们还研究了射频磁控溅射制备h f 0 2 薄膜的室温弱铁磁性。本文通过 改变沉积后退火氛围以及后退火温度，对h f 0 2 薄膜中以氧空位为主的缺陷实施干 预，再利用振动样品磁强计( v s m ) 测试不同制备条件和后退火处理后薄膜的磁化 曲线。x 射线光电子能谱深度剖析测试表明，缺氧氛围( 纯时和a r + n 2 ) 中沉积 薄膜是高度氧配比不足的h f o x 电薄膜：其饱和磁矩明显高于富氧氛围( a r + 0 2 ) 沉积薄膜的饱和磁矩。高真空退火处理使得薄膜的饱和磁矩增大；而纯氧氛围中 的退火处理却使得薄膜的饱和磁矩急剧减小。h f o x 2 薄膜弱铁磁性对沉积后退火 氛围的灵敏反应表明薄膜中的氧空位是其弱铁磁性主要来源之一。 关键词：h f 0 2 薄膜；介电性能；弱铁磁性；界面微结构；射频磁控溅射 i 西南大学硕士学位论文摘要 d i e l e c t r i cp r o p e r t i e sa n dw e a k f e r r o m a g e n e t i s mo f h f 0 2f i l m sd e p o s i t e db yr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x i a o y a nq i u a u t h o r ：x i a n f e n gc h e n a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e di n t e g r a t i o no fs i - b a s e di n t e g r a t ec i r c u i t ( i c ) ，t h ec h a n n e ll e n g t h o fc o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ( m o s - f e t s ) h a sb e e nr e d u c e dd o w nt o4 5 n mn o w a n di tw i nb er e d u c e dt o1 4 n mi n2 0 2 0 ， a c c o r d i n g t ot h e p r e d i c t i o n o fl a t e s ti n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a p f o r s e m i c o n d u c t o r s ( i t r s ) i no r d e rt ok e e ps u f f i c i e n tg a t ec a p a c i t a n c e ，t h et h i c k n e s so f t r a d i t i o n a l s i 0 2 s i o x n yg a t ed i e l e c t r i cl a y e rs h o u l db er e d u c e dd o w nt o ln ma n d b e l o w a sar e s u l t , as e r i e so ft e c h n o l o g i c a li s s u e ss u c h 缌e x c e s sd i r e c tl e a k a g ec u r r e n t , s m a l ld r i v ec u r r e n ta n dd e g r a d a t i o no fd e v i c er e l i a b i l i t yc a u s e db yt h et u n n e l i n go f b o r o n ( p h o s p h o r ) d o p a n t s ，m a k ei ti n e v i t a b l et or e p l a c et r a d i t i o n a ls i 0 2 s i o x n yg a t e d i e l e c t r i c sw i t hh i g h - kd i e l e c t r i c s a m o n gm a n yc a n d i d a t e s ，h f 0 2i so n eo ft h em o s t p r o m i s i n ga p p l i e dh i g h km a t e r i a l sd u et o i t s g o o dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dp e r f e c t d i e l e c t r i cp e r f o r m a n c e s d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl i f 0 2f i l m sd e p o s i t e db yr a d i o f r e q u e n c y ( r f ) m a g n e t r o n s p u a e r i n gi nd i f f e r e n ta m b i e n th a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ya g i l e n t4 2 9 4 a p r e c i s i o n i m p e d a n c ea n a l y z e r i ti s d e m o n s t r a t e dt h a td i e l e c t r i c p r o p e r t i e so fh f 0 2f i l m d e p o s i t e da tr o o mt e m p e r a t u r e ( r t ) i np u r ea ra m b i e n t ( e f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ti s a b o u t17 7 ；f l a tb a n dv o l t a g ei s0 3 6va n dl e a k a g ec u r r e n td e n s i t yi sa b o u t4 15 10 3 ac m - za t1v g a t ev o l t a g e ) a r eb e a e r t h a nt h o s eo ff i l m sd e p o s i t e di na r + n 2o ra r + 0 2 m i x e da m b i e n t i n v e s t i g a t e db yu s i n gh i g h - r e s o l u t i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dx - r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y , t h eu n s t o i c h i o m e t r i ch f s i x o ym i x e dw i t hh f s i xi n t e r f a c i a l l a y e r sa l ef o u n dt oe x i s tb e t w e e ns t o i c h i o m e t r i ca m o r p h o u sh f 0 2f i l m sa n ds i ( 10 0 ) s u b s t r a t e s t h e s eu n s t o i c h i o m e t r i ci n t e r f a c i a ll a y e r s 、析t hl o w - ka l er e s p o n s i b l ef o rt h e d e c r e a s eo fe f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fh f 0 2f i l m sa n dt h ec l o c k w i s eh y s t e r e s i so f c a p a c i t a n c e v o l t a g ec u r v e so fm o sc a p a c i t o rs t r u c t u r e s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee f f e c t so fd e p o s i t i o n a n n e a l i n ga m b i e n ta n dt e m p e r a t u r e o nt h eu n e x p e c t e dw e a kf e r r o m a g n e t i s mo fh f 0 2f i l m sd e p o s i t e db yr fm a g n e t r o n i i 西南大学硕士学位论文 摘要 s p u t t e r i n gh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a tm a g n e t i cm o m e n t so fh f 0 2 f i l m sd e p o s i t e di no x y g e n - d e f e c t i v ea m b i e n t ( p u r ea ra n da t + n 2 ) a l eb i g g e rt h a n t h o s eo ff i l l s d e p o s i t e di no x y g e n - r i c ha m b i e n t ( a i q - 0 2 ) m o r e o v e r , a n n e a l i n g t r e a t m e n t si no x y g e n - d e f e c t i v ea m b i e n ti n d u c ei t ss i g n i f i c a n ti n c r e a s ew i t ha n n e a l i n g t e m p e r a t u r e o nt h ec o n t r a r y , a n n e a l i n gt r e a t m e n t si np u r eo x y g e na t m o s p h e r ea r e r e s p o n s i b l ef o ri t ss h a r pd e c r e a s e x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yd e p t hp r o f i l i n g i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a th f 0 2f i l l sd e p o s i t e di no x y g e n - d e f e c t i v ea m b i e n t ( p u r ea r a n da t + n 2 ) a l en o n - s t o i c h o m e t r i c a l h f o x 5 ，从而具有足够高的电子跃迁势垒，减小隧 穿电流。 ( 5 ) 能与新型栅电极材料化学性能相匹配。 ( 6 ) 材料制备过程以及使用的栅电极要与c m o s 工艺流程有很好的兼容性。 ( 7 ) 材料的电学性质具有较高的可靠性和稳定性。 1 3 常见的高介电栅介质候选材料体系简介 根据上述l l i g h 尼材料的选择标准，选择新的h i g h - 栅介质候选材料来替代s i 0 2 从上世纪9 0 年代开始就成为研究的热点。虽然至今还没有找到一种在性能和制备 工艺方面完全优于s i 0 2 的材料，但经过研究者们近二十年来的努力，还是取得了 振奋人心的研究成果。常见报道的1 1 i g h 榭料主要有以下几类： ( 1 ) 单一的金属( 氮) 氧化物：s i 3 n 4 6 - 7 】和s i o x n v 【8 】；i i i a 族金属氧化物( a l 9 - 1 0 】 和g a 1 1 - 1 2 1 的氧化物) ；i i i b 族金属氧化物( 包括y 2 0 3 【1 3 1 4 】和镧系的l a 2 0 3 【1 5 】、 p r 2 0 3 【1 6 】、c e 0 2 【1 7 1 、g d 2 0 3 【1 8 1 以及e r 2 0 3 【1 9 2 0 1 ) ；v b 族金属氧化物t a 2 0 5 【2 1 之3 1 ；i v b 族金属氧化物( t i 0 2 2 4 - 2 5 1 、z r 0 2 2 6 - ” 和h f 0 2 【2 舡2 9 1 ) 等。 ( 2 ) 薄膜堆栈结构：为了尽可能减少沉积的h i g h - d | 才料与s i 衬底发生界面反应， 可先在s i 衬底表面沉积一层具有高带隙、低氧扩散率和高的抗晶化温度的缓冲层 ( 如s i 0 2 、s i n x o ，或a 1 2 0 3 ) 形成1 1 i g h k 缓冲层s i 的堆栈结构，目前研究较多的堆 栈结构有t i 0 2 s i 0 2 【引、h f a i o s i 0 2 【3 们、h f a i o h f 0 2 【3 、h f r a o x n y a i o x n y 和 h f r a o x n y t a o x n y 3 2 等。 ( 3 ) 伪二元合金氧化物体系：将介电常数较低但结晶温度较高的s i 0 2 或 舢2 0 3 与介电常数较高但结晶温度较低的金属氧化物混合，组成伪二元合金体系 m s i o 或m - a 1 。o ，其中有m = z r 3 3 、h f l 3 4 1 、l a t 3 5 1 、t i 3 6 、t a 3 刀等。 在诸多h i g h - k 材料中，h 们2 以及相应的堆栈结构和伪二元合金体系因具有适 宜的物理化学性质和优异的电学性能，而引起了人们广泛的关注，成为最有应用 前景的l l i g h 榭料之一。表1 1 是h f 0 2 与之相关的物理性质简介： 4 西南大学硕士学位论文第l 章绪论 表卜1h f 0 2 与h i g h - k 栩d 介质应用有关的物理化学性质 介电常数 带隙e g ( e v )a e 。( c v ) 1 0 0 0 k 时，与s i 反应的结晶温度( ) 晶体结构 垡! 坠自蜜丝! 堑型巴2 1 2 h f o ， 2 0 2 55 7i 4 + 4 7 6 4 8 3 s 1 4 0 0 m ，t 或c - 3 1 _ _ 一 注：m 为单斜相。t 为四方相，c 为立方相 如表1 1 所示，h f 0 2 具有较大的介电常数( 2 0 2 5 ) 和带隙( 5 7e v ) ，对s i 的导带 偏移a e 。大于l e v ，且在s i 表面具有很好的热力学稳定性。此外，h u b b a r d 等人【3 8 l 利 用热力学数据计算证明，在1 0 0 0 k 的高温下，h f 0 2 与硅发生界面反应的吉布斯g i b b s 自由能都是较大的正值，这表明h f 0 2 在s i 表面具有很好的热力学稳定性。不同工 艺条件对h f 0 2 薄膜的电学性能有较大的影响。总的来说，h 幻2 的介电常数为2 0 - 2 5 ，漏电流比相同电容等效厚度s i 0 2 的器件要低2 - 4 个数量级。 虽然h f 0 2 满足h i g h - k 栅介质候选材料的诸多条件，但是也存在一些弱点： ( 1 ) h f 0 2 薄膜的结晶温度较低( 4 0 0 ) ，经c m o s 常规的高温后退火处理后 容易形成多晶结构。 ( 2 ) h f 0 2 s i 界面态密度较大，为1 0 1 0 1 2c m 2 ，大于s i 0 2 s i 的界面态密 度1 0 1 0e m 2 ，从而导致平带电压漂移和电滞回线也较为明显【3 9 - 4 0 1 。 ( 3 ) h f 0 2 薄膜具有较高的氧扩散率。在有氧的环境中，氧容易扩散透过薄膜 与硅反应生成二氧化硅界面层，并且与s i 衬底易反应形成铪硅化物，导致e o t 增加。 ( 4 ) 沟道载流子迁移率偏低。各种高七绝缘材料包括各类铪基薄膜，由于材 料本身的声子振动会引起的载流子散射，从而导致载流子迁移率降低。低载流子 迁移率严重影响晶体管驱动电流，使得晶体管的开关性能受到影响。 大量研究结果表明，向h f 0 2 中分别掺杂触2 0 3 ，s i 0 2 ，t a 2 0 5 ，n 等可以在一 定程度上改善上述问题。同时这些新型铪基高尉料在抗硼渗透能力、热稳定性以 及抑制漏电流等方面优于1 4 _ f 0 2 的性能，且结晶温度可提高到1 1 0 0 以上1 4 1 4 7 1 ，完 全能满足c m o s 后退火工艺要求。 1 4 本文研究工作目的、意义和内容 综上所述，随着硅基微电子科学与技术的发展，集成电路集成度的进一步提 高，寻找和发展一种能取代s i 0 2 的新高介电栅介质材料已成当务之急。科研工作 者们在多年的大量基础研究中发现，h f 0 2 以及相应的伪二元( 或多元) 合金体系具 有优异的电学性能，能够满足高介电栅介质材料的多项选标准，将成为最有应用 前景的h i g h 4 d 咦选材料。除本征性质之外，界面性质是影响薄膜电学性能的关键 因素之一，所以获得无中间界面层的干净平整h i g h - k s i 界面是1 1 i g h 跗料研究工作 西南大学硕士学位论文第1 苹绪论 者坚持不懈奋斗的目标。而另一方面，为了让该l l i g h 榭料体系能够具有工业化 应用，寻找既能保持薄膜最佳电学性能又能与现在c m o s 制备工艺流程兼容的最 优化制备条件是h i g h 榭料研究的一个重点。因此研究与现在c m o s 制备工艺流程 兼容的最优化制备条件及在此制备条件下的1 1 i g h k s i 界面性质是很有必要的。本 文的研究工作就围绕这个研究重点而展开。 我们利用射频磁控溅射系统在n 型低阻s i ( 1 0 0 ) 衬底上室温下沉积h f 0 2 薄膜， 对比研究了不同沉积氛围( 纯a r ，a r + 0 2 和a 州2 ) 中沉积的h i d 2 薄膜的电学性 能，寻找最优化制备条件。并利用高分辨透射电镜和x 射线光电子能谱深度剖析 观测分析了h f 0 2 s i 的界面微结构。 此外，我们还发现在蓝宝石衬底上室温下沉积的h f 0 2 薄膜具有室温弱铁磁 性。我们通过改变沉积后退火氛围以及温度，对h f 0 2 薄膜中以氧空位为主的缺陷 实施干预，研究其对薄膜弱铁磁性的影响。利用x 射线光电子能谱深度剖析测试 研究缺氧氛围( 纯心和a r + n 2 ) 中沉积的薄膜成分；磁性测量表明在缺氧气氛( 纯 舡和a 州2 ) 沉积h f o x 2 薄膜的饱和磁矩明显高于富氧氛围( a r + 0 2 ) 沉积薄膜 的饱和磁矩。高真空中的退火处理使得薄膜的饱和磁矩增大；而纯氧氛围中的退 火处理却使得薄膜的饱和磁矩急剧减小。h 幻心薄膜弱铁磁性对沉积后退火氛围 的灵敏反应表明薄膜中的氧空位是薄膜弱铁磁性的主要来源之一。 本文内容共分为五章，具体安排如下： 第一章绪论。对h i g h - k 材料的研究背景以及当前的研究进展作了一个全面 的介绍。阐述了本文研究工作的目的、意义和主要内容。 第二章薄膜制备，形貌微结构观察分析和电学性能测试。对射频磁控溅射沉 积制备薄膜的工艺、薄膜形貌表征、界面微结构观察分析以及电学和磁学性能测 试等仪器原理和方法进行介绍说明。 第三章不同氛围溅射h f 0 2 栅介质薄膜的电学性能和界面微结构观测分析。 对比研究了不同沉积氛围下制备h f 0 2 薄膜的电学性能、界面性质，并分析了其界 面反应动力学过程。 第四章磁控溅射h i d 2 薄膜室温铁磁性研究。观测研究发现射频磁控溅射 h f 0 2 薄膜具有室温弱铁磁性。研究了其弱铁磁性与沉积氛围和退火条件( 退火温 度、退火氛围) 的关系，并对其铁磁性来源进行了初步的探讨分析。 第五章结论与展望。 最后是攻读硕士学位期间发表的论文和致谢。 6 西南大学硕士学位论文第2 章薄膜制备，形貌微结构观察分析和电学性能测试 第2 章薄膜制备，形貌微结构观察分析和电学性能测试 2 1 薄膜制备工艺 高枷介质薄膜的制备方法有很多种，常见的大致可以分为两类。一类是物理 气相沉积( p v d ) 方法，包括有溅射 法( s p u t t e r i n g ) 4 8 4 9 1 、脉冲激光沉积法( p l d ) 【5 0 l 、 激光分子束p , 延( l a s e r - m b e ) ”1 等。另一类是化学气相沉积法( c v d ) ，一般用金属 有机源气相沉积( m o c v d ) 【5 2 】和原子层化学气相沉积( a l c v d ) 【5 3 1 。此外，有报道 称还有热蒸发法【5 4 1 ，湿氧化法【5 5 】等其它制备方法。在本文研究工作中，我们根据 现有的实验条件，采用射频磁控溅射来制备h f 0 2 薄膜薄膜。下面简要介绍射频磁 控溅射的制备原理和方法。 2 1 1 射频( r f ) 磁控溅射系统以及原理简介 磁控溅射的工作原理是指电子在龟场e 的作用下，在飞向基片过程中与氩原 子发生碰撞，使其电离产生出a r 离子和新的电子；新电子飞向基片，a r 离子在电 场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，从靶材溅射出原子或分子团。 在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子 会受到电场和磁场作用，沿着e ( 电场) x b ( 磁场) 所指的方向漂移，简称e x b 漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在 靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离 子体区域内，并且在该区域中电离出大量的a t 来轰击靶材，从而实现高的沉积 速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在 电场e 的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量 很小，致使基片温度升高较低。 制备纳米薄膜的方法通常是采用直流磁控溅射( d c ) 法和射频磁控溅射( i 心) 法。直流磁控溅射利用的是直流辉光放电，初始电子加速碰撞心形成氩离子和另 一个电子( a 过程) ，而氩离子在电场作用下加速碰撞阴极( 靶材) 也会形成二次电子 发射( y 过程) ，当放电达到稳定后进入辉光放电阶段。磁控靶源溅射金属和合金靶 材很容易，点火和溅射很方便。这是因为靶( 阴极) ，等离子体，和被溅零件真 空腔体可形成回路，但若溅射绝缘体如陶瓷靶则将形成断路。于是人们采用高频 电源，回路中加入很强的电容。这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。带电粒子 在电极间往复振荡并相互碰撞电离，电极无需与等离子体接触也能维持放电，这 就是射频磁控溅射。本实验中我们采用的是绝缘h f 0 2 靶，所以使用射频磁控溅射。 7 西南大学硕士学位论文第2 章薄膜制各，形貌微结构观察分析和电学性能测试 2 1 2 薄膜厚度和沉积速率的标定 我们利用d e k t a k6 m 型光学台阶仪来标定薄膜的沉积厚度。将二分之一衬底 面积大小的硅片抛光面向下覆盖紧压在硅衬底上。沉积薄膜后，轻轻移走覆盖在 衬底上的硅片，这样就得到了一个只有一半衬底上沉积有薄膜的可供光学台阶仪 测试的样品。图2 1 是d e k t a k6 m 型光学台阶仪示意图，在水平内移动样品，让 触针在有台阶处跳跃，然后用机械、光学或电学方法放大信号读出。触针的针尖 处可装曲率半径为o 2 2 5 1 m a 的金刚石( 本论文中使用的针尖曲率半径为2 5 u x n ) 。 在垂直方向上的最大放大信号为1 0 0 万倍，能分辨出1 0 a 的厚度变化。实验证明， 磁控溅射沉积薄膜的速率与沉积参数，特别是氛围压强密切相关，所以对于不同 制备条件下沉积的薄膜，需要重新标定薄膜的生长速率。而在固定的沉积参数条 件下，磁控溅射沉积薄膜的厚度与时间满足线性关系。 图2 - 1d e k t a k6 m 型光学台阶仪示意图 由于沉积氛围不同，三种氛围中沉积h f 0 2 薄膜的速率和厚度也各不相同。利 用d e k t a k6 m 光学台阶仪标定三种氛围中沉积l h 所得到的h f 0 2 薄膜的厚度，除以 时间求出每秒钟的沉积厚度，然后通过控制成膜时间使得在三种氛围中沉积的薄 膜厚度基本相同( 厚约1 0r i m ) 。 2 2 薄膜结构形貌、成分表征方法 2 2 1x 射线衍射分析( ) 原理简介 h i g h - k 材料一个重要的选择标准就是具有高的结晶温度，能承受c m o s 工艺 中的高温后退火过程而保持非晶均匀状态，因此我们需要标定薄膜的结晶温度以 及晶体结构。当一束单色x 射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的 晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射x 射线波长有相同数量级，故由不 2 西南大学硕士学位论文第2 章薄膜制备，形貌微结构观察分析和电学性能测试 同原子散射的x 射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强x 射线衍射，衍射线在 空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是x 射线衍射的基本原理。 衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：2 d s i n 0 - - r 试。式中：九是 x 射线的波长；o 是衍射角；d 是结晶面间隔；n 是整数。波长九可用已知的x 射 线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出 的衍射x 射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此 即定性分析。从衍射x 射线强度的比较，可进行定量分析。 x r d 方法被广泛地应用于结晶材料的晶体结构表征和物相分析。本文用 ) a m 测试薄膜的结晶温度范围同时判断结晶相的成分和晶型。x i m 测试所用仪器 为德国布鲁克d 8a d v a n c ex 射线衍射仪，光源为c u k 口线，管压为4 0 k v ，管流 为4 0 m a ，2 0 角度扫描范围为5 8 0 0 。 2 2 2 透射电子显微镜( t e m ) 原理简介 薄膜与s i 衬底之间的界面结构是除l l i g h k 材料本征特性之外影响其电学性能 的最重要因素之一。观测分析薄膜的界面性质是本文研究工作的重点也是难点。 图2 2j e m 2 0 1 0 型高分辨分析透射电子显微镜外观照片 透射电子显微镜( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t e m ) 是以电子束为光源， 电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电 压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前t e m 的分辨力可达0 2 n m 。 电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源， 用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成 厚度约5 0 n m 左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机( u l t r a m i c r o t o m e ) 制 9 西南大学硕士学位论文第2 章薄膜制备，形貌微结构观察分析和电学性能测试 作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍，由电子照明系统、电磁透镜成像 系统、真空系统、记录系统、电源系统等5 部分构成。 我们用厄m 2 0 1 0 型高分辨透射电镜( h i 玎e m ) ( 如图2 2 所示) 观测薄膜和 界面微结构。厄m 2 0 1 0 透射电镜最高加速电压为2 0 0 k v ，晶格分辨0 1 4 n m ，点 分辨率可达0 2 3 n m ，最高放大倍数可达15 0 万倍。 2 2 3x 射线光电子能谱仪( s ) 原理简介 我们用x 射线光电子能谱仪( x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ，简称x p s ) 进行 薄膜和界面层的成分以及结构分析。x p s 使用高能x 射线( 通常是m g 或砧的特征 k a 射线，能量分别为1 2 5 3 6 e v 和1 4 8 6 6 e v ) 作为激发光源，从原子核心壳层( 原子 轨道) 或价壳层打出光电子，其动能e 七由电子能量分析器测定。根据e i n s t e i n 光电 定律： e b = 办) ，一e k( 2 1 ) 在已知入射光电子能量鲫的情况下，可以确定电子的结合能风。由于各种元素都 有其特征的电子结合能，因此在能谱图中就会出现特征谱线。即使是周期表中相 邻的元素，它们同一能级的电子结合能相差也较大，因此我们可以根据这些特征 谱线在能谱图中的结合能位置来鉴定元素种类。由于原子核心电子结合能与其所 处的化学环境有关，所以根据x p s 能谱还可判别处于不同化学环境的同种原子， 反映原子的化学环境，即化合物结构。由于x 射线光电子可以携带原子外层电子 的信息，因而对元素的化学价态特别敏感，根据不同价态之间的结合能化学位移 可以确定元素的成键状态，因而可以利用来确定薄膜以及界面层的元素成分的具 体化合价态。 需要指出的是，x p s 是一个适用于表面分析的探测技术，其有效分析深度取 决于从样品内逸出的光电子的平均自由程，一般只有几个纳米。所以x p s 只能探 测分析薄膜表面的成分结构。对于较厚的薄膜，需要使用x p s 深度剖析技术，即 结合触离子束刻蚀技术，逐层刻蚀薄膜多次进行x p s 测试直至刻蚀到界面层， 才能获得界面成分的化合价态信息。 本文x p s 测试所用的分析仪器为美国t h e r m o 公司的e s c a l a b2 5 0 型x 射 线光电子能谱仪( x p s ) 。由于x p s 测试中试样未释放电荷可能会使电子结合能 产生偏差，故用真空系统中最常见的有机污染无定形碳的c l s 的结合能2 8 4 8 e v 作样品结合能的荷电校正。 2 2 4 振动样品磁强计( v s m ) 原理简介 振动样品磁强计是一种具有较高灵敏度的磁性测量仪器。其主要工作原理如 l o 西南大学硕士学位论文 第2 章薄膜制各，形貌微结构观察分析和电学性能测试 下：信号发生器产生的功率信号加到振动子上，使振动子驱动杆作周期性运动， 从而带动粘附在振杆下端的样品作同频率同相位振动，扫描电源供