La基稀土高介电系数(k)栅介质材料的同步辐射研究

晶体管的不断小型化要求采用新型栅介质材料替代传统的SiO2栅介质，探寻和研究新高介电系数(k)栅介质材料已经成为影响器件小型化的关键问题之一。近些年来，稀土基高k材料由于其高的介电系数、宽的带隙和好的热稳定性等优点引起人们浓厚的兴趣。在本课题中，我们成功地利用激光脉冲沉积方法（PLD）生长了La-Hf基，La2Zr2O7,HfO2,LaLuO3, Gd2O3薄膜，利用同步辐射相关实验方法，并结合密度泛函计算对其结构、界面和介电性质进行了研究。获得的主要研究结果如下：.1．生长条件对La2Hf2O7/Si界面有重要影响，界面主要由La和Hf的硅氧化物组成，缺氧气氛下生长时界面有Hf的硅化物生成，显著影响其C-V电学特性。采用在氧气氛中生长和后退火处理可以有效的抑止Hf硅化物的生成，明显改善了C-V特性。.2．深入理解La2Hf2O7体系静态介电常数的来源以及它和晶格动力学的关联。对静态介电常数最主要的贡献的三个红外模式分别来源于La2O’链的振动，和 HfO6八面体中氧离子的移动，显示其静态介电常数与pyrochlore结构中两种相互穿插的子网格（La2O’链和HfO6 八面体）密切相关。非晶态La2Hf2O7薄膜中虽然具有更大的无序度，但它具有晶态相同的最近邻局域结构。非晶La2Hf2O7薄膜介电常数的来源归因于其对晶态La2Hf2O7的最近邻局域结构和基本红外声子模式的保持。.3．利用同步辐射红外谱学和X射线吸收精细结构(XAFS)研究LaxHf(1-x)Oy (x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7,y=2-x/2)薄膜的组份依赖。10% La/(La+Hf)原子比的薄膜具有立方HfO2结构，同时也具有最大的介电常数。更多的La原子引入使薄膜非晶化，而且介电常数随着La原子的含量增加而增大。XAFS结果揭示了非晶薄膜具有相似的局域结构，但对静态介电常数贡献最大的红外声子模式频率移向更低的值，这是导致其介电常数组份依赖的主要原因。.4．研究了HfO2，La2Zr2O7，LaLuO3薄膜的结构、红外声子模式和介电性质的关联，比较了晶态和非晶态薄膜，以及体材料间的差别，并解释了其差异的原因。. 这些结果对于为深入理解稀土基高k栅介质材料的生长、结构特征和介电性质的来源提供了物理依据，对其做为潜在的高k候选材料具用重要意义。