Tailoring structural and optical properties of Si-doped HfO2 thin films via target composition and plasma environment
Loading...
Date
2025
Authors
Khomenkov, Dmytro
Ponomaryov, Semyon
Portier, Xavier
Melnichuk, Lyudmyla
Khomenkova, Larysa
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Optical and structural properties of as-deposited Si-doped HfO2 thin films were investigated as a function of target composition, substrate temperature (100…500 C), and plasma environment. The films were deposited on Si (100) substrates by RF magnetron sputtering from composite Si:HfO2 targets in either pure argon or argon–hydrogen plasma. The Si content in the films was varied by adjusting the target composition, the hydrogen fraction in the plasma, and the total pressure. TEM, FTIR, ellipsometry, and Auger electron spectroscopy revealed that the Si-doped films maintained chemical uniformity and dense amorphous structure. For deposition in pure Ar plasma at a total pressure of 0.04 mbar, increasing Si incorporation led to formation of homogeneous amorphous films with a refractive index higher than that of pure HfO2 (2.42 vs. 1.98 at 1.95 eV). Deposition in Ar-H2 plasma enabled further raise of the refractive index up to 2.75 through variation of the hydrogen flow rate. An even higher refractive index up to 3.4 was achieved by lowering the total pressure to 0.02 mbar and/or by increasing the substrate temperature. However, the latter resulted in a reduced film growth rate. The extended structure–zone model provided a consistent framework to interpret the observed film morphologies, linking adatom mobility, ion bombardment, and film densification to the deposition parameters. The novelty of this work is in demonstrating that hydrogen-assisted reactive sputtering enables in situ control of the Si content during deposition without need to modify the target composition. These findings show that the microstructure and optical response of Si-doped HfO2 films can be systematically tailored, offering a route for designing high-index amorphous coatings suitable for optical and microelectronic applications
Description
Оптичні та структурні властивості тонких плівок HfO2, легованих Si, були досліджені в залежності від хімічного складу мішені, температури підкладки (100…500 °C) та складу газової плазми. Плівки були нанесені на кремнієві підкладки з орієнтацією (100) методом радіочастотного магнетронного розпилення композитної мішені Si:HfO2 у аргоновій або аргон-водневій плазмі. Вміст Si у плівках змінювався шляхом регулювання складу мішені, потоку водню та загального тиску у камері. Методами просвічуючої електронної мікроскопії, спектроскопії ІЧ-поглинання, спектральної еліпсометрії та Оже електронної спектроскопії показано, що плівки HfO2, леговані Si, є щільними, аморфними та однорідними за хімічним складом. При осадженні в плазмі чистого аргону при загальному тиску 0,04 мбар збільшення вмісту кремнію у мішені сприяє утворенню однорідних аморфних плівок з показником заломлення до 2,42 (при 1,95 еВ), що перевищує показник заломлення чистого HfO2 (1,98 при 1,95 еВ). Реактивне осадження в аргон-водневій плазмі дозволяє підвищити показник заломлення до 2,75 шляхом збільшення частки водню у загальному потоці газів. Показано, що зростання показника заломлення до 3,4 можна досягти за рахунок зниження загального тиску у камері до 0,02 мбар та/або підвищення температури підкладки. Однак останнє приводить до зниження швидкості росту плівки. Застосовано модель структурних зон для інтерпретації залежності морфології плівок від умов осадження, яка враховує рухливість адатомів, іонне бомбардування поверхні підкладки та процес формування однорідної плівки. Новизна цієї роботи полягає в демонстрації того, що реактивне розпилення з використанням водню дозволяє контролювати вміст кремнію у легованих плівках in situ під час осадження без необхідності варіації складу мішені. Показано, що варіація режимів напилення дозволяє керувати мікроструктурою та оптичними властивостями плівок HfO2, легованих Si. Запропоновані підходи відкривають можливість для створення аморфних покриттів на основі легованого HfO2 з змінним показником заломлення, придатних для мікро- та оптоелектронного застосування.
Keywords
HfO2, Si-doped HfO2, magnetron sputtering, thin films, ellipsometry, FTIR, TEM, Auger spectroscopy, article, HfO2, легування, кремній, магнетронне розпилення, тонкі плівки, еліпсометрія, спектроскопія ІЧ-поглинання, просвічуюча електронна мікроскопія, Оже електронна спектроскопія
Citation
Tailoring structural and optical properties of Si-doped HfO2 thin films via target composition and plasma environment / D. V. Khomenkov, S. S. Ponomaryov, X. Portier, L. Yu. Melnichuk, L. Yu. Khomenkova, F. Gourbilleau, O. V. Melnichuk // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2025. - Vol. 28, No 4. - P. - 441-448. - https://doi.org/10.15407/spqeo28.04.441