氧化铱薄膜的脉冲激光沉积、结构控制及其性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:chenliu2009
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IrO2薄膜具有导电性好,耐腐蚀能力强,并能有效的阻挡高温下元素间(O、Zr、Pb、Ti等)的扩散等特点,已成为高密度动态随机存储器(DRAMs)和非挥发性铁电随机存储器(FeRAMs)电极的优选材料。而且,作为pH电极材料,IrO2薄膜能够弥补传统玻璃电极存在的阻抗高、易破损、在高碱性情况下存在“钠误差”以及对100℃以上的溶液pH值不能有效测量的缺陷。 论文基于脉冲激光沉积(PLD)技术,设计了两种IrO2薄膜的制备方法(即通过先沉积Ir薄膜再后续氧化和在氧的气氛中,原位反应沉积IrO2薄膜),分别在Si(100)、SiO2/Si(100)以及石英玻璃衬底上制备IrO2薄膜。重点研究了氧分压、衬底温度、激光输出能量、靶-衬底间距等PLD工艺参数和后续退火对其结构和性能的影响,以得到高质量的IrO2薄膜,并基于其应用背景,对Si(100)上沉积的IrO2薄膜在高温低氧以及高于100℃的酸碱溶液中的稳定性进行了研究。 结果表明:在Si(100)上沉积的Ir薄膜表面粗糙度都低于1nm,对其在空气中、700~850℃范围内氧化后发现:除IrO2外,还有Ir存在。得到的IrO2薄膜表面粗糙度随氧化温度的升高逐渐增大;衬底材料对薄膜的表面结构影响较大,通过对衬底的预处理,可有效改善薄膜的表面结构,在750℃、SiO2/Si(100)上氧化的IrO2薄膜的表面粗糙度为3.7nm(1×1μm)。 以Ir为靶材,采用PLD在Si(100)上原位反应沉积IrO2薄膜的过程中,工艺参数对于薄膜的物相和结构影响很大。通过分析氧分压、衬底温度和激光输出能量得到了IrO2薄膜的最佳制备条件:氧分压20Pa、衬底温度500℃、激光输出能量140mJ。在此条件下沉积的IrO2薄膜沿(101)取向生长,厚度均匀,界面清晰,与硅衬底表面结合良好,其表面粗糙度为3.9nm,室温电阻率为41μΩ·cm。 对Si(100)上沉积的IrO2薄膜在600~750℃范围内退火后,IrO2薄膜的晶粒没有明显长大,但是颗粒与颗粒之间结合更紧密,显示出IrO2薄膜对温度良好的结构稳定性。适当的退火处理可以提高IrO2薄膜的导电性能,在750℃空气中退火30min后,其电阻率达到最小值37μΩ·cm。在25~500℃范围内,IrO2薄膜的高温电阻率随着温度的升高呈线性关系逐渐增大,呈现出类似金属的导电特征。而且,退火以后,这种线性关系更明显,其电阻率也趋于稳定,显示出IrO2薄膜的导电性能随温度变化的稳定性。 通过对样品进行电阻率和Hall效应联合测量发现,在250~400℃沉积的IrO2薄膜载流子的类型为p型;但是,沉积温度较高(500℃)时或在更高温度退
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