中文摘要：

最近,铪铝氧(HfAlOx)薄膜"d0铁磁性"的发现使得其成为独特的具有铁磁性的二元介电材料体系之一。本项目以探索HfAlOx薄膜"d0铁磁性"物理机制为主线，目标是探究在金属-氧化物-半导体（MOS）电容器结构中集成其"d0铁磁性"和介电性的可行性。主要研究内容如下（1）从薄膜的界面微结构入手，通过研究薄膜制备工艺（薄膜制备方法与条件，后处理过程等）对薄膜"d0铁磁性"的影响，寻找决定薄膜铁磁性的关键因素；（2）构建合理的二元分子模型，利用第一原理计算HfAlOx材料体系的能态密度以及磁距和电荷分布，尝试从理论上解释其"d0铁磁性"来源。（3）在充分了解HfAlOx薄膜"d0铁磁性"的基础上，致力于寻找在同一个MOS电容器结构中薄膜既具有可观的饱和磁矩同时又保持良好介电性能的最优化制备条件，为其在场效应晶体管栅介质应用方面同时实现"双调控"（电调控和磁调控）提供实验佐证。

结论摘要：

非磁性氧化物薄膜中缺陷诱导的铁磁性（defect-induced magnetism，简称DIM）是本世纪初新发现的一类完全有别于传统铁磁体(Fe,Co,Ne等)磁性质的室温弱铁磁现象。本项目以HfO2/HfAlOx薄膜为研究体系，重点研究了其室温DIM特性及物理机制，并探讨了在同一个金属-氧化物-半导体(MOS)电容器结构中实现其可观的DIM饱和磁矩与良好介电性能共存的可能性。本项目实施三年来，主要研究内容及取得的研究成果如下 (1) 利用射频磁控溅射, 通过对比和调控制备参数（沉积氛围/功率，后退火温度/氛围，衬底/电极种类等），确定了在硅和应变锗硅衬底上制备完全化学配比HfO2/HfAlOx薄膜的优化制备条件。 (2) 对比研究了分别沉积在硅与应变锗硅衬底上HfO2/HfAlOx薄膜的介电性能，界面微结构以及界面反应动力学过程，发现硅衬底表层锗原子的掺入有效地抑制了薄膜与硅衬底的界面反应，减少了低介电常数二氧化硅的形成，有效地提高了薄膜的有效介电常数，平带电压等各项介电性能； (3) 研究了制备工艺（沉积功率/氛围，膜厚，退火温度/氛围,不同衬底）对HfO2/HfAlOx薄膜室温DIM的影响。蓝宝石衬底上薄膜DIM饱和磁矩最大，锗硅衬底上次之，硅衬底上则观测不到明显的DIM. 沉积/退火氛围中氧含量的多少对薄膜DIM饱和磁矩的大小影响明显；而沉积/退火温度则更多地影响DIM饱和磁矩的各向异性。HfO2/HfAlOx薄膜的DIM主要来源于薄膜体内的氧空位，界面缺陷也有一定贡献；而高温退火过程中薄膜的择优取向结晶，以及薄膜与衬底热膨胀系数不同产生的热应力是导致薄膜DIM各向异性的根本原因。 (4) 薄膜的DIM与优良的介电性能是此消彼长的一对矛盾体，无法在蓝宝石和硅衬底上共存。但是在掺锗硅衬底上，通过整合二者的优化制备条件，我们成功在同一个MOS电容器结构中实现了二者的共存。但由于无掺杂HfO2/HfAlOx薄膜DIM的饱和磁矩过小（~10-5emu），所以暂未观测到二者之间的耦合效应。本项目中关于掺锗硅基底上HfO2/HfAlOx薄膜界面微结构以及界面反应动力学过程的研究为新一代掺锗硅基MOS场效应晶体管研究积累了大量实验数据；而在同一个MOS电容器结构中薄膜DIM与介电性能的共存也为未来“磁电双控”晶体管研究提供了新的研究思路。