论文题目: 硅基高κ材料的分子束外延生长
论文类型: 博士论文
论文专业: 凝聚态物理
作者: 徐闰
导师: 蒋最敏
关键词: 高材料,栅介质,分子束外延,二氧化铪,三氧化二饵
文献来源: 复旦大学
发表年度: 2005
论文摘要: 在过去二十多年里,Si基元器件的大小遵循Moore定律按比例的持续减小。对于下一代金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）器件,原来的栅极介电材料SiO2已经不再适合使用。人们需要寻找适合的高k（k指介电常数）材料作为MOSFET器件中新的栅极材料。这其中,有两类材料最受关注。其中之一是IVB族金属氧化物,包括HfO2和ZrO2;另一类是ⅢA和ⅢB族氧化物,包括Al2O3和Y2O3,CeO2等其他一些稀土金属氧化物。在这篇论文里,我们主要研究高k氧化物HfO2和Er2O3的生长及其特性。 第一、二章将分别介绍研究背景和实验仪器。 在第三章中,我们将研究HfO2的生长及其基本的物理和化学性质。HfO2薄膜由电子束蒸发法获得。X射线光电子能谱（XPS）研究证明薄膜是符合化学剂量比的。透射电子显微镜（TEM）结果显示薄膜呈多晶状。原子力显微镜（AFM）结果表明薄膜表面非常平整,无空洞。对12nm厚的HfO2而言,其均方根粗糙度为0.16nm。由电学方法得出薄膜总的介电常数为18。 第四章主要研究了以下四个方面。第一,Si基HfO2薄膜的热稳定性。对在900℃和一个大气压的N2气氛下快速退火30s的HfO2薄膜,扫描电子显微镜（SEM）和AFM结果发现薄膜表面依然很平整,无空洞。这表明在这种条件下薄膜未发生分解反应,其热稳定性良好。但是,同步辐射光电子能谱研究表明在超高真空条件下HfO2薄膜在温度为750℃时开始分解。第二,HfO2薄膜与Si的能带偏差。基于光电子能谱的方法用于研究HfO2薄膜与Si的价带偏差,其值约为3.46eV。第三,HfO2薄膜的禁带宽度。从01s的能量损失谱上可获得HfO2的禁带宽度值约为5.0ev。第四,我们采用在位的光电子能谱方法研究HfO2薄膜的初期生长。实验观察到,即使对非常薄的HfO2薄膜,界面处存在富Si的硅酸盐（silicate）层。这层界面层的形成与Hf可能促进氧化的作用有关。 第五章中主要论述Er2O3薄膜在Si（001）和Si（111）上的外延生长,也包括Si衬底表面的薄SiO2层对Er2O2外延生长的影响。Er2O3薄膜和Si的外延关系由XRD和RHEED来确定。在Si（001）衬底上,其外延关系为Er2O3（110）//Si（001）,Er2O3[001]//Si[110]或Er2O3[110]//Si[110]。在Si（111）衬底上,其外延关系为Er2O3（111）//Si（111）。在较低的生长气压或/和较低的生长温度下,Er的硅
论文目录:
摘要
Abstract
Chapter 1 Introduction
§1.1 Introduction to the growth of oxides on Si substrates
§1.2 MOS device issues and high k material HfO_2
1.2.1 Scaling trend of MOS Technology
1.2.2 Leakage current constraint for ultrathin oxide
1.2.3 Criteria of gate dielectric replacement
1.2.4 High k material HfO_2
§1.3 High k material Er_2O_3 and its applications
1.3.1 Epitaxial oxide films on Si substrates
1.3.2 High k material Er_2O_3
1.3.3 Si overgrowth and quantum confinement effect
§1.4 Outline of this work
References
Chapter 2 Experimental equipments and characterization methods
§2.1 Introduction
§2.2 Experimental Equipments
2.2.1 Si-MBE system
2.2.2 SRPES system
§2.3 Characterization methods
2.3.1 Auger electron spectroscopy
2.3.2 Reflective high energy electron diffraction
2.3.3 Synchrotron radiation photoemission spectroscopy
2.3.4 Transmission electron microscopy
2.3.5 X-ray diffraction
2.3.6 Atomic force microscopy
2.3.7 Ellipsometry
2.3.8 Electrical measurement
References
Chapter 3 Thin HfO_2 films grown on Si(001) using molecular beam epitaxy
§3.1 Introduction
§3.2 Experimental
§3.3 Results and discussion
§3.4 Conclusions
References
Chapter 4 PES study on HfO_2 films on Si(001)
§4.1 Introduction
§4.2 Experimental
§4.3 Results and discussion
4.3.1 Thermal stability
4.3.2 Band offset
4.3.3 Band gap
4.3.4 In situ SRPES study on the initial growth of ultrathin HfO_2 on Si(001)
§4.4 Conclusions
References
Chapter 5 Epitaxial growth of Er_2O_3 on Si(001) and Si(111)
§5.1 Introduction
§5.2 Experimental
§5.3 Results and discussion
5.3.1 Epitaxial growth of Er_2O_3 on clean Si(001) substrates
5.3.2 Epitaxial growth of Er_2O_3 on Si(111) and the effect of the native SiO_2 on the epitaxial growth
§5.4 Conclusions
References
Chapter 6 Si overgrowth on Er_2O_3/Si(111)
§6.1 Introduction
§6.2 Experimental
§6.3 Results and discussion
§6.4 Conclusions
References
Chapter 7 Summary and future work
§7.1 Summary
§7.2 Future work
Paper list during the Ph.D studies
Acknowledgements
论文独创性声明
论文使用授权声明
发布时间: 2005-09-19
参考文献
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