硅基高κ材料的分子束外延生长-凝聚态物理专业论文.docxVIP

摘要si基高k介质材料的分子束外延生长 摘要 si基高k介质材料的分子束外延生长 物理堂系猛鬈查物理专业 学生姓名盆且指导老师整量煎熬援 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 si 02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HfO。和ZrO：：另一类是IIIA和IIIB族氧化物，包括A1：0。 和V20n CeO。等其他～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HfO：和Er。0。的生长及其特性。 第～、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HfOz的生长及其基本的物理和化学性质。HfO：薄膜 由电子柬蒸发法获得。X射线光电予能谱(XPS)研究证明薄膜是符台化举荆量 琵戆。邈瓣遣予显赣镜(TEM)结巢骚示薄膜至多箍捩。器予力显擞镜(A黼)结 果表明薄膜表面非常平整，无空澜。对12 nm厚的HfO。而言，其均方根粗糙度为 0．16 rim。由电学方法得出薄膜总的介电常数为18。 第嚣牵主要研究了叛下四个方颟。第一，S{鏊HfO。薄朕麴热稳定谯。黯在 900℃藕一个大气压豹N：气氛下快遮暹火30 S豹}{f氇薄膜，扫攒电子显镦镜(SEM) 和AFM结果发现薄膜袭面依然很平熬，无空洞。遨表明在这种条件下薄膜未发生 分解反威，其热稳定憾良好。但是，同步辐射光漱子能谱研究发明在超高囊空条 锌下HfO,z薄袋在渥漫淹750。C辩开始分舞。露=，Hf姨薄貘与Si馥髓带镳差。 基于光电子能谱的方法用于研究HfO。薄膜与si的价带偏差，箕值约为3．酶ev。 第三，HfO。薄膜的禁带宽度。从0 ls的能量损失谱上可获得Hf毡的禁带宽度值 约为5。0 eV。第嚣，我们采羁在位浆光瞧子戆漤方法硪究嚣f缟薄貘瓣霹鬻生长。 实验观黎劐，即使对非常薄的HfO,。薄膜，界面处存在富si的继酸盐(sil icate) 层。这层界面层的形成与Hf可能促进氧化的作用有关。 第五牵中主要论述Er：蕊薄膜在Si(001)和Si(“1)上的夕}延生长，也龟摄Si 毒专熹表蘩豹薄SiO：豢对Er。0。乡}廷生长熬影响。￡r。0。薄簇帮Si黪菸延关系受XRD 和RHEED来确定。襁Si(001)衬戚上，其外延必系为Er：0。(110)／／Si(00i)， Ert0。C001]／／Si[1tO]戏Er20。[110]／／si[1to]。在si(111)率寸底上，其外延关 系羹Ergo。(111)／／$i(111)。在较鬣翁堂长气压袋／帮较低翡生长湛疫下，班蕊硅 摘要化甥SiErt谯月瓣存亵于薄膜中。基予尼秘霹趟存在煞健学反应，我稻分辨并解 摘要 化甥SiErt谯月瓣存亵于薄膜中。基予尼秘霹趟存在煞健学反应，我稻分辨并解 释了不同气压和温度对薄膜生长的影响。另外，我们发现在有一层薄si如(lnm) 的si装面生长Er：0。可以谶一步抑制硅化物的形成，且在这种条件下生长的Br：0。 萁结晶性和表面乎整度好于在清洁Si表面上生长的Er。03薄膜。 为了形戏SOl(silicon insulator)绦穆帮超鑫格，在第六章淡稻尝试 了在外延Er：0，(111)薄膜上si的外延生长。由RHEED和XRD结果可知，si霹钋 砥生长，但其表面较为租糙。这表明其生长方式为三维生长模式，其原因与Si(1 Ii) 商和Er203(111)谣的表面自由能有关。在此外延的Si(111)层上继续生长Er。0。， 薄膜将呈多燕状。 关键词： 离k材料，援分厦，分子寒努延，二襞化铪，三氧纯二铒 分类号：0469，0472+．1，0472+．4．0782+．9 垒!!登垒 垒!!登垒 一一——一 Abstract For continued technology scaling，high k materials are required to replace Si02 gate dielectrie in the next generation metal oxide field effect transistors(MOSFET)。 Two kinds of materials are most promising．One is Group IVB metal oxides such as Hf02 and Zr02；the other is Group IIIA and Group IIIB metal oxides including A1203， Y203 and some other rare earth