氧化銥薄膜的脈沖激光沉積、結構控制及其性能研究.pdf

1、IrO2薄膜具有導電性好，耐腐蝕能力強，并能有效的阻擋高溫下元素間(O、Zr、Pb、Ti等)的擴散等特點，已成為高密度動態(tài)隨機存儲器(DRAMs)和非揮發(fā)性鐵電隨機存儲器(FeRAMs)電極的優(yōu)選材料。而且，作為pH電極材料，IrO2薄膜能夠彌補傳統(tǒng)玻璃電極存在的阻抗高、易破損、在高堿性情況下存在“鈉誤差”以及對100℃以上的溶液pH值不能有效測量的缺陷。 論文基于脈沖激光沉積(PLD)技術，設計了兩種IrO2薄膜的制備方法(即

2、通過先沉積Ir薄膜再后續(xù)氧化和在氧的氣氛中，原位反應沉積IrO2薄膜)，分別在Si(100)、SiO2/Si(100)以及石英玻璃襯底上制備IrO2薄膜。重點研究了氧分壓、襯底溫度、激光輸出能量、靶-襯底間距等PLD工藝參數(shù)和后續(xù)退火對其結構和性能的影響，以得到高質量的IrO2薄膜，并基于其應用背景，對Si(100)上沉積的IrO2薄膜在高溫低氧以及高于100℃的酸堿溶液中的穩(wěn)定性進行了研究。 結果表明：在Si(100)上沉積的

3、Ir薄膜表面粗糙度都低于1nm，對其在空氣中、700～850℃范圍內(nèi)氧化后發(fā)現(xiàn)：除IrO2外，還有Ir存在。得到的IrO2薄膜表面粗糙度隨氧化溫度的升高逐漸增大；襯底材料對薄膜的表面結構影響較大，通過對襯底的預處理，可有效改善薄膜的表面結構，在750℃、SiO2/Si(100)上氧化的IrO2薄膜的表面粗糙度為3.7nm(1×1μm)。 以Ir為靶材，采用PLD在Si(100)上原位反應沉積IrO2薄膜的過程中，工藝參數(shù)對于薄膜

4、的物相和結構影響很大。通過分析氧分壓、襯底溫度和激光輸出能量得到了IrO2薄膜的最佳制備條件：氧分壓20Pa、襯底溫度500℃、激光輸出能量140mJ。在此條件下沉積的IrO2薄膜沿(101)取向生長，厚度均勻，界面清晰，與硅襯底表面結合良好，其表面粗糙度為3.9nm，室溫電阻率為41μΩ·cm。 對Si(100)上沉積的IrO2薄膜在600～750℃范圍內(nèi)退火后，IrO2薄膜的晶粒沒有明顯長大，但是顆粒與顆粒之間結合更緊密，顯

5、示出IrO2薄膜對溫度良好的結構穩(wěn)定性。適當?shù)耐嘶鹛幚砜梢蕴岣逫rO2薄膜的導電性能，在750℃空氣中退火30min后，其電阻率達到最小值37μΩ·cm。在25～500℃范圍內(nèi)，IrO2薄膜的高溫電阻率隨著溫度的升高呈線性關系逐漸增大，呈現(xiàn)出類似金屬的導電特征。而且，退火以后，這種線性關系更明顯，其電阻率也趨于穩(wěn)定，顯示出IrO2薄膜的導電性能隨溫度變化的穩(wěn)定性。 通過對樣品進行電阻率和Hall效應聯(lián)合測量發(fā)現(xiàn)，在250～400

6、℃沉積的IrO2薄膜載流子的類型為p型；但是，沉積溫度較高(500℃)時或在更高溫度退火處理后，以電子導電為主。晶粒間界在IrO2薄膜的導電機制中發(fā)揮重要的作用。 IrO2薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較高的透過率，且隨薄膜厚度的減小，其透過率增加，在400～800nm波長范圍內(nèi)，可達80％(厚度為65nm)。提高沉積溫度以及退火處理都可以減少薄膜表面的缺陷，從而降低對光的吸收和散射，因而可以提高IrO2薄膜的透過率。 對Si(

7、100)襯底上沉積的IrO2薄膜在1Pa氧分壓環(huán)境中的穩(wěn)定性研究表明：IrO2能夠在低于650℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，與熱力學計算結果基本一致。退火后，IrO2薄膜表面結構保持不變，顯示出IrO2薄膜在此條件下良好的穩(wěn)定性；在此溫度范圍內(nèi)退火后，IrO2薄膜的電阻率有所升高，但是增幅都在10μΩ·cm以內(nèi)。能夠滿足IrO2薄膜在DRAMs中對于底電極材料的使用要求。 對Si(100)上沉積的IrO2薄膜在pH=3和pH=10的溶