高K金属氧化物薄膜残余应力的尺度效应

选择典型高K金属氧化物薄膜体系，掌握可调制薄膜残余应力的关键技术及工艺规律，特别是注重纳米尺度下薄膜残余应力的尺度效应以及尺度变化对薄膜组织结构、表面界面特性及电学特性等的演变规律及其关联。具体体现在：（1）通过研究不同类型的高K金属氧化物薄膜材料，建立纳米尺度高K金属氧化物薄膜残余应力的实验表征与分析框架；（2）改进固体电子论分析方法，确定电子状态参量与薄膜残余应力的相关性；（3）揭示纳米尺度范围金属氧化物薄膜残余应力的变异规律及其尺度效应的物理机制；（4）探索经典固体电子论应用于纳米尺度高K金属氧化物薄膜的可行性，为纳米尺度高K金属氧化物薄膜材料残余应力的可调制及电学性能的理论研究和最终建立薄膜器件服役环境下的特征性能评测技术奠定实验和理论基础。

在项目的研究过程中均按照计划书的要求执行，完成了计划书的研究内容。.具体体现在：（1）选择典型的高K金属氧化物Al2O3和HfO2薄膜，完成了该薄膜的优化制备工艺方案，并在此基础上进行了薄膜的I-V、C-V电学性能测试；掌握了残余应力的正确表征方法以及对薄膜制备工艺的依赖性规律；（2）针对Al2O3薄膜进行了表面形貌及颗粒尺寸的分析，研究认为表面形貌及颗粒尺寸对薄膜残余应力及电学性能均有明显的影响；（3）对气相沉积薄膜的残余应力产生机制进行了理论分析；（4）同时针对高K金属氧化物Al2O3薄膜残余应力进行对比研究，选择电子束蒸发和磁控溅射两种方法制备Al2O3薄膜和HfO2薄膜，研究结果表明制备方法及工艺参数对高K薄膜的残余应力调控至关重要，主要体现在基体温度和薄膜厚度对Al2O3薄膜残余应力的影响，在较大薄膜厚度时，残余应力差值随着膜厚增加明显，几乎呈现线性变化规律，由此可见在减小薄膜体系的缺陷之外，还应该注重薄膜的尺度效应对薄膜残余应力的影响，研究中同时也对薄膜的残余应力与结合强度之间的相互影响关系进行了探讨；（5）掌握了工艺参数及后续退火处理对HfO2薄膜残余应力的影响规律，重点针对HfO2薄膜区别于Al2O3薄膜的特点，通过XPS表征分析了HfO2薄膜中氧含量与制备过程中氧分量的规律，研究表明高K薄膜残余应力的变化与表面状态及微结构的改变可能有关，并在实验基础上对薄膜的生长进行了理论分析；（6）在该研究中关注到表面粗糙度的尺度变化对残余应力的影响，研究的主要结果可在一定程度预测表面粗糙度与拉应力之间的关系，研究表明粗糙表面产生较高的拉应力是由于在相邻晶粒表面之间倾向于平面接触。