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Ta或La掺杂HfO2薄膜结构及其性能研究
引言
高k介电常数材料应用于半导体器件制造中，其与传统氧化物的具有的优越性质，比如尺寸效应问题更小、子阱泄漏电流更少等，因此正得到越来越多的关注。其中，掺杂是使得材料的性能得到提升的一个方法。HfO2材料是一种高k介电材料，其掺杂后的性能调控已经展现了广泛的应用前景。
本文采用Ta和La掺杂HfO2(HLH)氧化物作为研究对象，研究其结构与性能。从材料结构，电学性能和热稳定性能等方面对HLH氧化物进行研究。对于掺杂Ta和La的HfO2氧化物，其与掺杂只用La的HfO2氧化物相比较，其在一定比例内，使得其结晶度更优，介电常数更高。此外，Ta掺杂HfO2氧化物在退火后，保有较好的电学性能，优于La掺杂的HfO2氧化物，表明掺杂Ta的氧化物具有更好的热稳定性能。
材料与方法
采用射频磁控溅射法，在额定温度下制备不同掺杂量的HfO2氧化物薄膜。其中，作为掺杂材料的Ta和La的比例分别为0%，5%，10%和15%。制备工艺条件的具体参数见表1。
表1.制备HfO2氧化物薄膜制备工艺条件
掺杂元素气体流量/sccm产生的靶面温度/℃沉积压力/mTorr沉积速率/hr
Hf5040054
Ta2.5/5.0/7.5/12.540054
La2.5/5.0/7.5/12.540054
O23040054
分别对制备好的样品进行物理性质表征和分析。通过X光衍射分析（XRD），原子力显微镜（AFM），电学测试系统和热循环测试系统对其进行多方位分析，获得结构和性能数据，并探讨几种不同掺杂浓度的HfO2氧化物的电学特性和热稳定性能。
结果和分析
1.X光衍射分析
图1.多晶HLH氧化物的XRD图谱
从图1中，可以看出，单相HfO2氧化物和HLH氧化物的单晶衍射峰的强度有所增加，而对于旋转杂化化合物，其衍射峰的强度变得更弱，且头部的宽度也有所增加。从这些结果可以看出，HfO2氧化物和HLH氧化物的掺杂元素引起了衍射谱线的变化，相应材料的结晶度也有所改变。
2.原子力显微镜（AFM）
采用原子力显微镜对HfO2和HLH氧化物进行表面形貌观察。图2展示了样品表面形态的典型原子力显微镜图像。其中，第一个行向为HfO2氧化物的原子力显微镜图像，第二个行向为Ta掺杂HLH氧化物的原子力显微镜图像，第三个行向为La掺杂的HLH氧化物的原子力显微镜图像。
图2.氧化物表面形貌的原子力显微镜图像
从图2中可以看出，样品表面均具有平坦的纳米级表面形貌。同时，掺杂元素的加入也导致了表面凹凸。
3.电学特性
通过电学测试系统对样品进行测试，观察其电学特性的变化。图3展示了HLH氧化物中，HfO2氧化物和Ta掺杂HLH氧化物的电容电压(hysteresis)曲线。
图3.氧化物的电容电压(hysteresis)曲线
从图3中可以得到，掺杂Ta和La的HfO2氧化物表现出具有容易观测到的回滞现象的典型曲线。对于旋转杂化化合物和HfO2氧化物，其回滞现象更加弱。
4.热稳定性能
实验分别以300℃，500℃，700℃和900℃为退火温度对HfO2和HLH氧化物退火，并最终测试其电学性能。
图4.处理状态不同的HLH氧化物的电容电压曲线。
从图4中可以看出，与La掺杂的HfO2氧化物相比，Ta掺杂的HfO2氧化物保持有着较好的电学性能，说明其具有更好的热稳定性能。
结论
通过HfO2氧化物作为基材料，通过不同浓度的Ta和La的掺杂元素，制备并进行多方面的测试，得出以下结论：
1.通过XRD测定，掺杂元素引起了衍射谱线的变化，相应材料的结晶度也有所改变。
2.原子力显微镜观察发现，样品表面均具有平坦的纳米级表面形貌。同时，掺杂元素的加入也导致了表面凹凸。
3.电学特性实验发现，掺杂Ta和La的HfO2氧化物表现出具有容易观测到的回滞现象的典型曲线。对于旋转杂化化合物和HfO2氧化物，其回滞现象更加弱。
4.热稳定性能实验证实，与La掺杂的HfO2氧化物相比，Ta掺杂的氧化物保持有着较好的电学性能，说明其具有更好的热稳定性能。
综上所述，通过对HfO2氧化物进行Ta和La的掺杂元素制备，该材料具有优异的热稳定性能和电学性能，因此有望在实际应用中被广泛应用。