工作气压对Y掺杂HfO2结构及电学性能的影响

目的 基于Y掺杂高纯铪靶和钛靶的反应磁控溅射方法,在Si(100)基底上沉积掺杂Y氧化铪薄膜,以及TiN/X-HfO2/TiN三层异质结构,探究Y掺杂对氧化铪基异质结构铁电性的影响。方法 针对反应磁控溅射制备的Y掺杂HfO2薄膜和异质结构,分别采用白光干涉仪、掠入射X射线衍射(GIXRD)、X 光电子能谱仪(XPS)和铁电分析仪,对薄膜的沉积速率、退火后薄膜的晶体结构、掺杂元素组分及含量,以及HfO2基异质结薄膜P-E电滞回线和I-V曲线进行测量。结果 在相同工艺条件下,薄膜的沉积速率随着工作气压的增大呈先增大后减小的趋势,在工作气压为1.1 Pa时沉积速率达到最高值。XRD结果表明,薄膜经过退火后存在正交相(o相)和单斜相(m相)。当工作气压为0.7 Pa时,所制备HYO薄膜在28°~30°内代表o(111)相的衍射峰最强,具有最佳的铁电性。随着工作气压的增大,代表m(111)相的衍射峰强度逐渐下降。采用XPS分析了薄膜中各元素的化学状态和含量,在工作气压为0.7 Pa时,Y的掺杂浓度(物质的量分数)为5.6%,铁电分析结果表明,在工作气压从0.7 Pa增至1.3 Pa的过程中,Y掺杂的HfO2基异质结的电滞回线逐渐收缩。在工作气压为0.7 Pa时,剩余极化强度Pr的最大值为14.11 µC/cm²,矫顽场Ec约为1 MV/cm。结论 利用Y掺杂高纯铪靶反应磁控溅射制备的掺杂铁电薄膜,在工作气压0.7 Pa下得到的薄膜经过700 ℃退火后具备良好的铁电性能。