题目：ALD制备HfO2、ZnO纳米薄膜的结构与光、电性能研究

摘  要

半导体器件的集成化和小型化对栅极绝缘层性能提出了更高要求。高介电氧化物做为替代SiO2的潜在材料，成为目前微电子领域的研究热点之一。提高绝缘栅层的介电常数，对MOSFET等微电子器件的工作特性至关重要。本课题针对HfO2介电薄膜，结合光学性能较好的宽禁带半导体ZnO，通过两种氧化物薄膜的交替沉积，制备了HfO2/ZnO复合纳米薄膜，研究了界面对复合薄膜介电性能的影响，以及薄膜介电、光学性能随ZnO层厚度的变化规律，具有科学意义与应用价值。

本论文采用原子层沉积方法，首先研究制备了HfO2、ZnO薄膜，获得了沉积工艺对氧化物薄膜结构及性能的影响规律。结果表明，HfO2、 ZnO薄膜的结晶度随沉积温度降低或脉冲时间缩短而下降，且脉冲时间对ZnO结晶度的影响更加显著。此外，沉积工艺对薄膜的光学带隙影响不大，制备的HfO2、ZnO薄膜的光学带隙分别为5.5 eV和3.2 eV。

在上述获得HfO2与ZnO单层膜沉积工艺的基础上，交替沉积制备了HfO2/ZnO复合纳米薄膜。通过XRD、TEM组织结构观察分析，获得了多层膜界面对薄膜结构的影响，并结合薄膜的介电频谱、C-V特性及紫外/可见光谱，获得了HfO2/ZnO界面数量、完整性对薄膜介电性能及光性能的影响规律，发现尽管介电频率特性相对于单层膜发生变化，完整的异质界面诱发Maxwell-Wagner弛豫效应，从而极大程度地提高了薄膜介电常数。同时薄膜的光学带隙由于量子尺寸效应发生蓝移，最大可达3.5 eV；而界面不完整时，复合薄膜的介电常数低于HfO2单层膜，且光学带隙为3.2 eV，没有尺寸效应。

为进一步获得ZnO层对复合薄膜的介电、光性能的影响规律，HfO2子层固定为1.7 nm时，研究了不同ZnO层厚度时，复合薄膜的介电频谱、阻抗特性及紫外/可见光谱特性。研究发现，复合薄膜厚度固定为90 nm时，随ZnO厚度增加的同时异质界面数量降低，薄膜的介电常数仍有大幅提高，ZnO厚度增加到13.6 nm时，介电常数达330，表明对于复合薄膜ZnO厚度相对于界面数量，对介电常数的影响更加显著，同时截止频率随ZnO厚度增加而升高，高介电常数可持续至 ~ 106 Hz，基于Maxwell-Wagner弛豫效应分析得出，复合薄膜中存在的导电子层是提高介电相关特性的关键因素。