Author Affiliations
Abstract
1 School of Integrated Circuits, Peking University, Beijing 100871, China
2 Beijing Advanced Innovation Center for Integrated Circuits, Beijing 100871, China
3 Key Laboratory of Optoelectronics Technology, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
The finding of the robust ferroelectricity in HfO2-based thin films is fantastic from the view point of both the fundamentals and the applications. In this review article, the current research status of the future prospects for the ferroelectric HfO2-based thin films and devices are presented from fundamentals to applications. The related issues are discussed, which include: 1) The ferroelectric characteristics observed in HfO2-based films and devices associated with the factors of dopant, strain, interface, thickness, defect, fabrication condition, and more; 2) physical understanding on the observed ferroelectric behaviors by the density functional theory (DFT)-based theory calculations; 3) the characterizations of microscopic and macroscopic features by transmission electron microscopes-based and electrical properties-based techniques; 4) modeling and simulations, 5) the performance optimizations, and 6) the applications of some ferroelectric-based devices such as ferroelectric random access memory, ferroelectric-based field effect transistors, and the ferroelectric tunnel junction for the novel information processing systems.
ferroelectricity HfO2-based thin films physical mechanism characterization modeling and simulation applications Journal of Semiconductors
2023, 44(5): 053101
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海200083
2 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海200083
利用热原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)技术在不同深宽比GaAs衬底上进行了Al2O3/HfO2复合薄膜的沉积。通过对其表面和能谱进行分析发现，沉积温度对复合薄膜的摩尔比具有较大的影响。随着深宽比的增大，其沉积表面和沟槽内会出现残留物；随着ALD沉积温度的上升，其沉积表面和沟槽内的残留物减少，摩尔比趋向均匀。当深宽比为22并利用150 ℃的低沉积温度时，表面及底面基本无残留物。但当深宽比为425时，150 ℃沉积明显有大量残留物。只有当温度升高到300 ℃时，表面和沟槽里复合薄膜的残留物才被明显消除。ALD技术可以实现各种器件结构的全方位钝化，这是其他化学气相沉积法无法比拟的。
Al2O3/HfO2复合薄膜 原子层沉积 能谱分析 Al2O3/HfO2 composite films atomic layer deposition energy dispersive spectrum analysis
强激光与粒子束
2020, 32(7): 071002
1 中国计量科学研究院 纳米新材料计量研究所， 北京 100029
2 太原理工大学 表面工程研究所， 山西 太原 030024
HfO2薄膜厚度达到纳米级别时，其光学性质会发生变化。光谱椭偏仪能够同时得到纳米尺度薄膜的厚度和光学常数，但是由于测量参数的关联性，光学常数的结果不准确可靠。本文采用溯源至SI单位的掠入射X射线反射技术对纳米尺度HfO2薄膜厚度进行准确测量，再以该量值为准确薄膜厚度参考值。利用光谱椭偏仪测量HfO2膜厚和光学常数时，参考膜厚量值，从而得到对应相关膜厚的薄膜准确光学参数。研究了以Al2O3作为薄膜缓冲层的名义值厚度分别为2，5，10 nm 的超薄HfO2薄膜厚度对光学性质的影响。实验结果表明，随着HfO2薄膜厚度的增加，折射率也逐渐增大，在激光波长632.8 nm下其折射率分别为1.901，2.042，2.121，并且接近于体材料，而消光系数始终为0，表明纳米尺度HfO2薄膜在较宽的光谱范围内具有较好的增透作用，对光没有吸收。
纳米尺度 HfO2 薄膜 掠入射 X 射线反射技术 光谱椭偏 厚度和光学表征 nanoscale HfO2 thin films grazing incidence X-ray reflectivity spectroscopic ellipsometry characterization of thickness and optical properti
1 西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室, 陕西 西安710049
2 西安交通大学 微电子学院, 陕西 西安710049
基于半导体仿真软件Silvaco TCAD对薄膜晶体管(TFT)进行器件仿真, 并结合实验验证, 重点分析不同绝缘层材料及结构对TFT器件性能的影响。仿真及实验所用薄膜晶体管为底栅电极结构, 沟道层采用非晶IGZO材料, 绝缘层采用SiNx和HfO2多种不同组合的叠层结构。仿真及实验结果表明: 含有高k材料的栅绝缘层叠层结构较单一SiNx绝缘层结构的TFT性能更优; 对SiNx/HfO2/SiNx栅绝缘层叠层结构TFT, HfO2取40 nm较为合适; 对含有高k材料的3层和5层绝缘层叠层结构TFT, 各叠层厚度相同的对称结构TFT性能最优。本文通过仿真获得了TFT性能较优的器件结构参数, 对实际制备TFT器件具有指导作用。
半导体器件仿真 薄膜晶体管 绝缘层 氮化硅 二氧化铪 叠层结构 semiconductor device simulation thin film transistor insulation layer SiNx HfO2 overlapping structure
1 中国航天科工飞航技术研究院天津津航技术物理研究所天津市薄膜光学重点实验室, 天津 300308
2 哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国防科技重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
氧化铪是高激光损伤阈值薄膜领域内一种重要的高折射率材料，其禁带宽度和Urbach带尾宽度直接影响到薄膜的吸收和激光损伤阈值。针对离子束溅射沉积法制备的氧化铪薄膜，以基板温度、离子束电压、离子束电流和氧气流量为主要制备参数，提出了基于正交实验的光学带隙调整方法，并采用Cody-Lorentz介电常数模型表征了薄膜的禁带宽度和带尾宽度。研究结果表明，当置信概率为90%时，在影响氧化铪薄膜禁带宽度的制备因素中，影响权重从大到小依次为基板温度、离子束电流和氧气流量，采用低基板温度、中等离子束电流和低氧气流量制备参数组合，可以获得高禁带宽度的氧化铪薄膜；对带尾宽度影响最大的制备参数是基板温度，其他参数影响不显著，在高基板温度下可以获得较低的带尾宽度，这表明氧化铪薄膜的无序度较低。
材料 氧化铪薄膜 离子束溅射 光学带隙 调整方法
成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610000
利用电子束蒸发技术制备了氧化铪薄膜, 并分别用氧气氛下退火和激光预处理两种后处理方法对样品进行了处理。介绍了两种后处理工艺和相关的设备, 测试分析了样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值。对比了两种后处理方法对降低吸收和提高激光损伤阈值的效果, 讨论了它们的作用原理。实验结果表明,激光预处理能有效降低样品的吸收值, 提高样品的抗激光损伤阈值。采用一步法(50%初始损伤阈值)预处理后, 三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13 J/cm2提升到15 J/cm2; 采用两步法(依次50%、80%初始损伤阈值)预处理后, 三倍频氧化铪薄膜的损伤阈值从13 J/cm2提升到17.5 J/cm2 , 损伤几率曲线整体向高通量区域平移。
HfO2薄膜 镀膜技术 后处理 薄膜参数测量 薄膜光学特性 激光损伤阈值 HfO2 film coating technology post-treatment thin film parameter measurement film optical property laser induced damage threshold 光学 精密工程
2016, 24(12): 3000
1 西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 710021
2 中科院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
3 飞秒光电科技(西安)有限公司，陕西 西安 710119
在纯氧条件下，采用直流磁控溅射技术在单晶硅基片上沉积氧化铪(HfO2)薄膜，并研究了沉积过程中基片温度对薄膜结构和性能的影响规律。利用X射线衍射仪(XRD)和X射线能谱(XPS)表征了薄膜的晶体结构和组分，利用原子力显微镜(AFM)观察薄膜表面形貌，利用纳米力学测试系统表征了薄膜的纳米硬度和弹性模量。结果表明: 磁控溅射制备的HfO2薄膜样品呈(111)择优生长，其晶粒尺寸随着基片温度的升高而增大，但其晶型并不发生转变。随着基片温度的增加，基片中的硅元素向薄膜内扩散，影响了薄膜的化学计量比。沉积薄膜的表面形貌和力学性能亦受到其结构和组分变化的影响。在200 ℃条件下制备的HfO2薄膜纯度高，O、Hf元素化学计量达到了1.99，其表面质量和力学性能均达到了最佳值，随着基片温度升高至300 ℃以上，薄膜纯度下降，表面质量和力学性能均产生劣化。
HfO2薄膜 磁控溅射 晶体结构 组分 纳米力学性能 HfO2 thin film magnetron sputtering crystal structure component surface topography nano-mechanical properties
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
充氧口位置直接影响了真空室内的氧气分布，进而对薄膜的光学性能造成重要影响。为了研究充氧口位置对HfO2薄膜性质的影响，在2个典型的充氧口位置采用电子束蒸发技术在石英基底上沉积了HfO2单层膜，并结合紫外-可见光分光光度计和X射线光电子能谱仪研究了不同充氧口位置下制得的HfO2薄膜的光学性能和化学成分。实验结果表明，将充氧口设置在基片附近更有利于得到致密性好、氧化充分的HfO2薄膜。根据实际真空室的构造建立简化的模型，应用k-ε二次方程湍流模型对镀膜过程中的氧气分布进行了三维数值模拟计算。模拟计算的结果很好地解释了实验结果。
薄膜 HfO2薄膜 充氧口位置 k-ε模型 电子束蒸发 数值模拟 中国激光
2016, 43(10): 1003001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院强激光材料重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
用电子束蒸发技术在晶体及激光陶瓷两种基底上沉积了氧化铪（HfO2）单层膜，采用掠角X射线衍射（GIXRD）技术和纳米划痕仪对薄膜的晶向结构和力学特性进行了研究。实验结果表明，HfO2薄膜在单晶晶体和多晶陶瓷基底上均呈现多晶态结构，均呈（020）面择优生长，陶瓷基底上薄膜的择优取向更明显。膜基结合较差的晶体-HfO2体系上薄膜的衍射峰较多，膜基结合较好的陶瓷-HfO2体系上薄膜的衍射峰较少。对比两个基底和其上薄膜的X射线衍射(XRD)结果发现，晶体基底的单晶结构与其上薄膜的多晶结构晶态差异较大，导致其膜基间有较大的残余应力，所以其膜基结合力也较差，这种弱结合力导致基底对薄膜的束缚作用较小，其上薄膜具有更多的衍射峰；陶瓷基底的多晶结构与其上薄膜的多晶结构差异较小，导致其上薄膜的择优生长更强，更有效地消除了残余应力，所以陶瓷-HfO2体系的膜基结合力较晶体-HfO2体系好，这种较强的结合力限制了薄膜向更多HfO2晶向的发展，其上薄膜衍射峰较少。
薄膜 晶向结构 结合力 激光陶瓷 晶体
