Er-,2-O-,3-高k柵介質(zhì)材料的分子束外延生長、結(jié)構(gòu)及其物理特性.pdf

1、微電子工業(yè)的發(fā)展，對集成電路密度和性能提出了越來越高的要求，柵介質(zhì)層的厚度也隨之變得越來越薄。由于柵介質(zhì)氧化層的直接隧穿而引起的靜態(tài)功率損耗隨之成指數(shù)形式增長，傳統(tǒng)的Si02柵介質(zhì)正日益趨于它的極限。各種各樣的高k材料被用來研究作為Si02柵介質(zhì)的可能的替代物質(zhì)，由于高k材料擁有比較高的介電常數(shù)，使這些材料在保持同樣高的電容量的同時(shí)還可以有相對于Si02柵介質(zhì)比較大的厚度，這樣就降低了由直接隧穿引起的漏電流從而保持了器件的性能。

2、 近年來，在CMOS(CompletementMetalOxideSemiconductor，補(bǔ)償式金屬氧化物半導(dǎo)體)器件應(yīng)用方面，為了尋找一種合適的柵介質(zhì)材料替代Si02，很多種高k材料，如H~02，Y203和Pr203等被廣泛研究。據(jù)報(bào)道，氧化鉺也可能是一種很有應(yīng)用前景的柵介質(zhì)，但以往的研究主要集中在多晶厚薄上，單晶薄膜和它的許多性質(zhì)還未見報(bào)道。在這篇論文里，我們主要研究單晶Er203的生長及其特性。 我們研究了Er203薄

3、膜在Si(001)和Si(111)襯底上的生長。Er203薄膜在Si(001)上的外延關(guān)系。Er203薄膜在Si(¨1)上的外延關(guān)系為Er203(111)／／Si(111)。在較低的溫度和較低的氧氣壓下在薄膜內(nèi)易生成硅化鉺?；谏L過程中可能的化學(xué)反應(yīng)，我們對襯底溫度和氧氣分壓給Er203單晶薄膜生長造成的影響也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，氧化了的Si襯底可以有效抑制硅化鉺的生成。而且，在氧化了的Si襯底上生長的Er203單晶薄膜

4、的表面粗糙度和結(jié)晶度明顯好于生長在清潔的si襯底上的EEr203薄膜。 利用光電子能譜對在Si襯底上外延生長的Er203薄膜相對于Si的能帶偏移進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，Er203／Si的價(jià)帶和導(dǎo)帶偏移分別為3．1±O．1eV和3．5±0．3eV。Er203的禁帶寬度為7．6±0．3eV。僅從這一角度來看，Er203相對于Si由于其比較大而且對稱的價(jià)帶和導(dǎo)帶偏移而可能成為一種很有應(yīng)用前景的高k柵介質(zhì)材料。 用同步輻射光電子能

5、譜的方法對Er203薄膜在Si襯底上的初始生長情況作了研究，因?yàn)槌跏忌L形成的界面在整個(gè)柵介質(zhì)中起著舉足輕重的作用(界面層的存在會(huì)降低柵介質(zhì)總的介電常數(shù))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在非常低的襯底溫度下(室溫)，在富氧的情況下，非常薄的Er203薄膜和Si襯底之間就存在一個(gè)界面層。我們用Er對Si氧化的促進(jìn)作用進(jìn)行了解釋。 對金屬／Er203／p—Si的FN隧穿進(jìn)行了研究。FN隧穿是MOS結(jié)構(gòu)在高電場下的一種基本的隧穿過程。在金屬/Er