《HfAlOx介電薄膜d0鐵磁性與介電性的集成可行性探究》是依託西南大學，由邱曉燕擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：HfAlOx介電薄膜d0鐵磁性與介電性的集成可行性探究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：邱曉燕
- 依託單位：西南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
最近,鉿鋁氧(HfAlOx)薄膜d0鐵磁性的發現使得其成為獨特的具有鐵磁性的二元介電材料體系之一。本項目以探索HfAlOx薄膜d0鐵磁性物理機制為主線，目標是探究在金屬-氧化物-半導體（MOS）電容器結構中集成其d0鐵磁性和介電性的可行性。主要研究內容如下：（1）從薄膜的界面微結構入手，通過研究薄膜製備工藝（薄膜製備方法與條件，後處理過程等）對薄膜d0鐵磁性的影響，尋找決定薄膜鐵磁性的關鍵因素；（2）構建合理的二元分子模型，利用第一原理計算HfAlOx材料體系的能態密度以及磁距和電荷分布，嘗試從理論上解釋其d0鐵磁性來源。（3）在充分了解HfAlOx薄膜d0鐵磁性的基礎上，致力於尋找在同一個MOS電容器結構中薄膜既具有可觀的飽和磁矩同時又保持良好介電性能的最最佳化製備條件，為其在場效應電晶體柵介質套用方面同時實現雙調控（電調控和磁調控）提供實驗佐證。
結題摘要
非磁性氧化物薄膜中缺陷誘導的鐵磁性（defect-induced magnetism，簡稱DIM）是本世紀初新發現的一類完全有別於傳統鐵磁體(Fe,Co,Ne等)磁性質的室溫弱鐵磁現象。本項目以HfO2/HfAlOx薄膜為研究體系，重點研究了其室溫DIM特性及物理機制，並探討了在同一個金屬-氧化物-半導體(MOS)電容器結構中實現其可觀的DIM飽和磁矩與良好介電性能共存的可能性。本項目實施三年來，主要研究內容及取得的研究成果如下： (1) 利用射頻磁控濺射, 通過對比和調控制備參數（沉積氛圍/功率，後退火溫度/氛圍，襯底/電極種類等），確定了在矽和應變鍺矽襯底上製備完全化學配比HfO2/HfAlOx薄膜的最佳化製備條件。 (2) 對比研究了分別沉積在矽與應變鍺矽襯底上HfO2/HfAlOx薄膜的介電性能，界面微結構以及界面反應動力學過程，發現矽襯底表層鍺原子的摻入有效地抑制了薄膜與矽襯底的界面反應，減少了低介電常數二氧化矽的形成，有效地提高了薄膜的有效介電常數，平帶電壓等各項介電性能； (3) 研究了製備工藝（沉積功率/氛圍，膜厚，退火溫度/氛圍,不同襯底）對HfO2/HfAlOx薄膜室溫DIM的影響。藍寶石襯底上薄膜DIM飽和磁矩最大，鍺矽襯底上次之，矽襯底上則觀測不到明顯的DIM. 沉積/退火氛圍中氧含量的多少對薄膜DIM飽和磁矩的大小影響明顯；而沉積/退火溫度則更多地影響DIM飽和磁矩的各向異性。HfO2/HfAlOx薄膜的DIM主要來源於薄膜體內的氧空位，界面缺陷也有一定貢獻；而高溫退火過程中薄膜的擇優取向結晶，以及薄膜與襯底熱膨脹係數不同產生的熱應力是導致薄膜DIM各向異性的根本原因。 (4) 薄膜的DIM與優良的介電性能是此消彼長的一對矛盾體，無法在藍寶石和矽襯底上共存。但是在摻鍺矽襯底上，通過整合二者的最佳化製備條件，我們成功在同一個MOS電容器結構中實現了二者的共存。但由於無摻雜HfO2/HfAlOx薄膜DIM的飽和磁矩過小（~10-5emu），所以暫未觀測到二者之間的耦合效應。 本項目中關於摻鍺矽基底上HfO2/HfAlOx薄膜界面微結構以及界面反應動力學過程的研究為新一代摻鍺矽基MOS場效應電晶體研究積累了大量實驗數據；而在同一個MOS電容器結構中薄膜DIM與介電性能的共存也為未來“磁電雙控”電晶體研究提供了新的研究思路。
