Er2O3高k栅介质材料的分子束外延生长、结构及其物理特性

论文摘要

微电子工业的发展，对集成电路密度和性能提出了越来越高的要求，栅介质层的厚度也随之变得越来越薄。由于栅介质氧化层的直接隧穿而引起的静态功率损耗随之成指数形式增长，传统的SiO2栅介质正日益趋于它的极限。各种各样的高k材料被用来研究作为SiO2栅介质的可能的替代物质，由于高k材料拥有比较高的介电常数，使这些材料在保持同样高的电容量的同时还可以有相对于SiO2栅介质比较大的厚度，这样就降低了由直接隧穿引起的漏电流从而保持了器件的性能。近年来，在CMOS（Completement Metal Oxide Semiconductor，补偿式金属氧化物半导体）器件应用方面，为了寻找一种合适的栅介质材料替代SiO2，很多种高k材料，如HfO2，Y2O3和Pr2O3等被广泛研究。据报道，氧化铒也可能是一种很有应用前景的栅介质，但以往的研究主要集中在多晶厚薄上，单晶薄膜和它的许多性质还未见报道。在这篇论文里，我们主要研究单晶Er2O3的生长及其特性。我们研究了Er2O3薄膜在Si（001）和Si（111）衬底上的生长。Er2O3薄膜在Si（001）上的外延关系为Er2O3（110）／／Si（001），Er2O3[001]／／Si[110]或者Er2O3[110]／／Si[110]。Er2O3薄膜在Si（111）上的外延关系为Er2O3（111）／／Si（111）。在较低的温度和较低的氧气压下在薄膜内易生成硅化铒。基于生长过程中可能的化学反应，我们对衬底温度和氧气分压给Er2O3单晶薄膜生长造成的影响也进行了系统的研究。实验结果还发现，氧化了的Si衬底可以有效抑制硅化铒的生成。而且，在氧化了的Si衬底上生长的Er2O3单晶薄膜的表面粗糙度和结晶度明显好于生长在清洁的Si衬底上的Er2O3薄膜。利用光电子能谱对在Si衬底上外延生长的Er2O3薄膜相对于Si的能带偏移进行了研究。结果显示，Er2O3／Si的价带和导带偏移分别为3.1±0.1eV和3.5±0.3eV。Er2O3的禁带宽度为7.6±0.3eV。仅从这一角度来看，Er2O3相对于Si由于其比较大而且对称的价带和导带偏移而可能成为一种很有应用前景的高k栅介质材料。用同步辐射光电子能谱的方法对Er2O3薄膜在Si衬底上的初始生长情况作了研究，因为初始生长形成的界面在整个栅介质中起着举足轻重的作用（界面层的存在会降低栅介质总的介电常数）。实验结果显示，即使在非常低的衬底温度下（室温），非常薄的Er2O3薄膜和Si衬底之间就存在一个界面层。我们用Er对Si氧化的促进作用进行了解释。对金属/Er2O3／p-Si的FN隧穿进行了研究。FN隧穿是MOS结构在高电场下的一种基本的隧穿过程。在金属／Er2O3／p-Si结构中我们发现了FN的空穴隧穿，通过FN直线的斜率可以得到空穴的有效质量为0.05m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 MOSFET的按比例缩小
• 1.3 栅介质的按比例缩小
• 1.3.1 栅介质的漏电流和功率损耗
• 2的极限问题'>1.3.2 SiO₂的极限问题
• 2作为栅介质的必要性及其特性需求'>1.4 用高k材料代替SiO₂作为栅介质的必要性及其特性需求
• 1.4.1 高介电常数与高k/Si界面势垒
• 1.4.2 高k材料与在Si上的热稳定性
• 1.4.3 高k材料与Si的界面质量
• 1.4.4 高k材料的薄膜形态
• 1.4.5 工艺兼容性
• 2O₃'>1.5 高k材料Er₂O₃
• 参考文献
• 2O₃薄膜的生长技术和表征技术'>第二章 Er₂O₃薄膜的生长技术和表征技术
• 2.1 分子束外延技术
• 2.2 设备
• 2.3 薄膜生长
• 2.3.1 Si片清洗
• 2O₃薄膜的生长'>2.3.2 Er₂O₃薄膜的生长
• 2.4 表征技术
• 2.4.1 原位检测装置
• 2.4.2 材料特性测试
• 参考文献
• 2O₃薄膜的生长及其结构和电学特性'>第三章 Er₂O₃薄膜的生长及其结构和电学特性
• 3.1 实验方法
• 2O₃在Si（001）衬底上的生长'>3.2 单晶Er₂O₃在Si（001）衬底上的生长
• 2O₃在Si（111）衬底上的外延生长以及SiO₂层对Er₂O₃生长的影响'>3.3 Er₂O₃在Si（111）衬底上的外延生长以及SiO₂层对Er₂O₃生长的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2O₃/Si的能带偏移'>第四章 Er₂O₃/Si的能带偏移
• 4.1 XPS实验方法
• 2O₃/Si能带偏移的原理'>4.2 用XPS方法确定Er₂O₃/Si能带偏移的原理
• 2O₃/Si价带偏移的确定'>4.3 Er₂O₃/Si价带偏移的确定
• 2O₃的禁带宽度和Er₂O₃/Si的导带偏移的确定'>4.4 Er₂O₃的禁带宽度和Er₂O₃/Si的导带偏移的确定
• 4.5 讨论
• 2O₃/Si的价带偏移'>4.6 利用SRPES确定Er₂O₃/Si的价带偏移
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 2O₃初始生长情况的SRPES研究'>第五章 Er₂O₃初始生长情况的SRPES研究
• 5.1 SRPES实验方法
• 2O₃的初始生长情况探索'>5.2 Er₂O₃的初始生长情况探索
• 5.2.1 Er对Si氧化的催化作用
• x的反应'>5.2.2 Er和SiO_x的反应
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₃/p-Si结构的FN隧穿'>第六章 Al（Pt）/Er₂O₃/p-Si结构的FN隧穿
• 6.1 场发射（FN隧穿）的基本理论
• 2O₃/p-Si结构FN隧穿研究的必要性'>6.2 金属/Er₂O₃/p-Si结构FN隧穿研究的必要性
• 6.3 实验方法
• 2O₃/p-Si结构的FN空穴隧穿'>6.4 金属/Er₂O₃/p-Si结构的FN空穴隧穿
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢