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摘 要

随着集成电路的飞速发展，大部分集成器件的尺寸也趋于微型化，传统场效应晶体管的栅介质材料由于其不能承受的隧穿漏电流和可靠性的问题，导致其发展前景受到限制。而近些年来，高介电常数材料因为具有较弱的直接隧穿效应和较强的电场强度，受到了科研工作者的广泛关注。HfO₂薄膜作为一类非常重要的功能性薄膜材料，可以满足作为栅介质层的需求，而成为研究的热点之一。

本文采用脉冲激光沉淀（PLD）的技术，围绕HfO₂基薄膜的制备以及掺杂等问题开展系列研究，通过工艺优化，调控HfO₂基薄膜电学输运性质。探究适于构建负电容场效应晶体管（NCFET）的绝缘栅层的工艺以及参数。

关键词：场效应晶体管 HfO₂ 高介电常数 绝缘栅层

Abstract

With the rapid development of high-performance information industry, various electronic components tend to be miniaturized.. Because of the unbearable tunneling leakage current and reliability of gate dielectric materials of traditional field effect transistors, their development prospects are limited. In recent years, high dielectric constant materials have attracted extensive attention of researchers because of their weak direct tunneling effect and strong electric field strength. As a kind of very important functional thin film material, HfO2 thin film meets the requirements of gate dielectric material and becomes a research hotspot.

In this paper, the pulsed laser deposition (PLD) technique is used to prepare HfO2-based thin films. The aim is to study the doping and other issues, and to control the electrical transport properties of HfO2-based thin films by optimizing the process window. The technology and parameters of the insulating gate suitable for the construction of negative capacitance field effect transistor (NCFET) are explored.

Key words: field effect transistor； HfO2； insulated gate with high dielectric constant

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1HfO2薄膜的科研背景和研究发展状况 1

1.2本论文的研究背景和研究内容 2

第二章HfO₂薄膜的制备工艺及结构和性能分析方法 4

2.1常用薄膜制备方法 4

2.2脉冲激光沉淀（PLD）制备方法简介 5

2.2.1脉冲激光沉淀系统 5

2.2.2制备HfO₂过程中操作PLD的流程 7

2.2.3薄膜的生长过程 8

2.3X射线衍射分析（XRD） 9

2.4双电测数字式四探针测试仪 10

第三章HfO₂薄膜的生长研究及其性能测试 12

3.1HfO₂薄膜工艺参数的探索 12

3.1.1制备薄膜的不同工艺参数 12

3.1.2影响薄膜的参数 12

3.1温度对HfO₂薄膜的影响 13

3.1压强对薄膜结构的影响 17

3.1本章小结 17

第四章薄膜的电学性质分析 17

4.1不同基片下薄膜的电阻率 18

4.2温度对HfO₂薄膜电阻率的影响 21

4.2.1SiO₂/Si基片上的HfO₂薄膜电阻率 21

4.2.2Pt基片上HfO₂薄膜的电阻率 21

4.3本章小结 22

第五章 结论 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1HfO2薄膜的科研背景和研究发展状况

随着社会经济的迅猛发展，信息技术产业也随之发展，材料科学和电子元器件的发展进步也成为了必然要求。材料科学和电子元器件作为电子产业发展的基础学科，电子材料和电子器件的质量不仅决定也带动现在信息技术产业的发展。为了增加电子元器件的速度和效率并且降低能耗和生产成本，集成度作为集成电路的重要参数也势必要增加，故而各类晶体管的尺寸要减小。上个世纪八十年代后，随着技术的不断革新，元器件的栅极得到了缩小，所以晶体管的尺寸也在缩小，这大幅度增加了电子元器件发展的速度，但是在这导致在强电场下电子的隧穿效应也越来越明显，电子元器件的可靠性和稳定性也因为这些效应在一定程度上受到了影响。根据 ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor）提出的国际半导体技术蓝图，栅极氧化层的厚度将缩减之1nm以下。^[1]随着栅极层厚度的缩减，传统的材料的应用受到限制。这就要求新的材料来替换SiO₂材料作为场效应晶体管的栅极介质。而过度金属氧化物的材料因为其本身的性能限制，会导致其作为栅介质材料的热稳定性较差，界面和氧化物会引起较大的泄漏电流，其作为栅介质薄膜材料的前景很小。因此在电子与材料领域中，要不断拓展寻找高介电常数材料的研究。

HfO₂薄膜作为一类非常重要的功能性薄膜材料，早在上个世纪 80年代开始，HfO₂薄膜就受到了科研人员的关注，但是受限于各种原因比如技术水平不够，因此其作为栅极介质的发展很慢。直到近些年，薄膜制备技术越来越先进，制备薄膜的方式也多样化。薄膜与半导体的在技术上不兼容的问题也得到了初步解决，所以HfO₂薄膜成为材料科学前沿的关注点。铁电材料具有：压电性、介电性、铁电性、热释电性等性质，可以用来制作随机存取存储器、移相器、热释电探测器、压控滤波器等领域。^[2]

HfO₂薄膜由于其作为栅介质材料的优异性能，是目前电子材料领域的主要研究方向。相比较SiO₂材料而言，HfO₂薄膜的的介电常数较高，禁带宽度也较大，导致其具有良好的稳定性，所以它与Si衬底能够更好的兼容。HfO₂薄膜的应用无疑可以使得电子元器件的微小化、三维化进一步发展。

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