论文部分内容阅读
随着科学技术的不断发展,人们对光电子器件、半导体器件在性能和尺寸上要求越来越高,从而引发对纳米薄膜材料的研究热潮。氧化铪（HfO2）薄膜因具备透射率高、光学带隙大、介电常数高和热稳定性好等优点,成为人们关注的材料。本文以HfO2薄膜为研究对象,采用原子层沉积（ALD）制备了结构缺陷少和致密性好的薄膜,改善薄膜的光学性能,增加介电性能、减小漏电流密度和介电损耗,再结合微波退火（MWA）热处理的薄膜质量较高,且具有更好的电学性能和稳定性。（1）采用ALD制备HfO2薄膜,研究了衬底温度和沉积周期数对薄膜性能的影响。结果表明,衬底温度大于200°C时可产生足够的能量使薄膜结晶。所制备的HfO2薄膜具有良好的减反射性能;从可见光到近红外光谱范围的折射率随温度的升高而增大,相比非晶态,结晶后的HfO2薄膜变得更加致密,290°C薄膜的均匀性和致密性最好。随着沉积周期数的增加,薄膜的生长速率基本不变,约为0.13nm/cycles;薄膜粗糙度随沉积周期增加而变大,Sq从1.85nm到7.93nm;薄膜生长过程有三个过程:聚集生长、岛状生长和成核生长;随着周期数增加,HfO2薄膜的折射率逐渐增大,透过率略有降低。带隙随着周期数增加也不断增加,从500周期数的5.56eV增加到2000周期数的5.82eV。薄膜的光致发光的发光带随周期数增加向长波偏移0.01eV。在2000周期数时HfO2薄膜有最大介电常数43.8,同时抗击穿电压越大,漏电流密度也小。（2）采用不同氧源制备了HfO2薄膜并对其性能进行了表征。结果表明,当周期数大于1000时,同一周期H2O作为前驱体氧源比O3作为氧源制备出的HfO2薄膜的结晶性更好,且表面粗糙度更大。这是由于水作为氧源前驱体时,表面形成结晶颗粒,而臭氧作为氧源前驱体时,表面只出现颗粒聚集而未形成晶体,处于非晶态;由于H2O作为氧源前驱体制备的薄膜HfO2具有更大的密度和晶粒尺寸、结晶度更高,因此折射率更大;O3前驱体制备的HfO2薄膜具有更好的透射率,其最大光学带隙为5.9eV。（3）研究了微波退火温度和时间对HfO2薄膜性能的影响。结果表明,随退火时间增加,薄膜的结晶度增加,表面粗糙度降低且出现单斜相结构;反射率在可见光区域出现减反射最低点,折射率受微波退火时间影响不大,在近紫外到近红外波段折射率为1.99-2.25。在沉积态时薄膜的最大介电常数14.2,随着微波退火时间增加,离子极化率降低,进而导致薄膜介电常数减小。当退火温度为350°C时,开始出现多晶态,升高至450°C时,薄膜出现单斜相晶体结构的特征峰,表明薄膜已转变为多晶态。随着微波退火温度增加,折射率增大,透射率降低,带隙从5.76eV降至5.54eV。另外,微波退火还导致HfO2薄膜光致发光峰值红移0.03eV。