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掺杂对ZrO_2信息功能薄膜的影响及其性质研究

王骁栋  
【摘要】:本论文主要工作分为两部分: 第一部分是利用Leybold LAB600sp磁控溅射系统采用射频与直流磁控共溅射的方法制备了不同组分的Si-ZrO2复合薄膜。实验中,Si的掺杂组分的改变有两种方法实现:一是通过固定ZrO2靶以及Si靶的溅射功率、改变Si靶靶头的倾角角度来实现,并得到了不同温度下退火的样品;利用X射线光电子谱(XPS)表征了不同组分Si-ZrO2复合薄膜的化学组成,研究了不同组分对Si-ZrO2复合薄膜光学性质的影响以及不同退火温度对相同组分Si-ZrO2复合薄膜光学性质的影响。通过研究发现随着Si的少量掺入使Si-ZrO2复合薄膜的折射率小于纯ZrO2薄膜,消光系数大于纯ZrO2薄膜,随着Si掺杂量的增加,不同组分Si-ZrO2复合薄膜的折射率随之增大,不同组分Si-ZrO2复合薄膜的消光系数也随之增大,500℃以下退火对本实验中所制备样品薄膜的结构影响甚小,反映在测量波段,不同组分的Si-ZrO2复合薄膜的折射率与消光系数变化趋势几乎没有变化。二是通过固定ZrO2靶以及Si靶的溅射功率,依靠实验室自主设计的制备楔形组分样品辅助系统来实现在一片衬底上实现横向组分渐变的不同组分Si-ZrO2复合薄膜样品。利用X射线光电子谱(XPS)表征了同一片样品上横向范围内各点Si、ZrO2的百分含量,并在此基础上,研究了Al/不同组分Si-ZrO2/Al的信息功能薄膜的Ⅰ-Ⅴ特征参数,研究发现,在Si掺杂较少(Si/Zr相对百分比20%)的情况下,Si-ZrO2复合信息功能薄膜器件能实现稳定的开关状态,且Roff/Ron比纯ZrO2信息功能薄膜器件大百至千倍以上,这样给在实际生产应用中存储器提供了更大的容错比。Si-ZrO2复合信息功能薄膜器件从高阻态转变成低阻态所需要的SET电压随着Si掺杂量的增加而增大,高低两个稳定的阻态比也随Si掺杂量的增加而增大,这是由于Si含量的增加导致Si-ZrO2复合薄膜整体的电阻率有明显增加所引起的。 第二部分是利用Leybold LAB600sp磁控溅射系统采用直流磁控溅射方式,使Zr靶在不同氧氛围下反应溅射,制备出不同氧化程度的ZrOx薄膜。ZrOx薄膜的不同氧化程度的控制是通过固定溅射气体-氩气的流量、而改变反应气体-氧气的流量来实现的。利用X射线光电子谱(XPS)表征了不同氧化程度的ZrO、薄膜,用X射线衍射(XRD)来表征不同氧化程度的ZrOx薄膜的结构。通过椭圆偏振光谱仪研究了不同氧化程度的ZrOx薄膜的光学性质。研究了Al/不同氧化程度的ZrOx/Al的信息功能薄膜的Ⅰ-Ⅴ特征参数,研究发现氧化越充分的ZrOx信息功能薄膜器件越能提供稳定的开关效应以及更好的耐久性,这是由于Al的金属活泼性比Zr强使得Al与ZrOx接触后在两者界面上形成一层AlOx过渡层,当由器件从低阻态转变为高阻态(Reset)过程中,由电流密度急剧升高所产生的较大焦耳热的促使下,具有较多氧空位的氧化不充分的样品比具有较少氧空位的氧化充分样品更难俘获与氧空位数目相对应的AlOx过渡层中的氧离子,使之成功转换成高阻态。


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