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硅基高κ材料的分子束外延生长

徐闰  
【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SiO_2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_2和ZrO_2;另一类是ⅢA和ⅢB族氧化物,包括Al_2O_3和Y_2O_3,CeO_2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HfO_2和Er_2O_3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HfO_2的生长及其基本的物理和化学性质。HfO_2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HfO_2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HfO_2薄膜的热稳定性。对在900℃和一个大气压的N_2气氛下快速退火30s的HfO_2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HfO_2薄膜在温度为750℃时开始分解。第二,HfO_2薄膜与Si的能带偏差。基于光电子能谱的方法用于研究HfO_2薄膜与Si的价带偏差,其值约为3.46eV。第三,HfO_2薄膜的禁带宽度。从01s的能量损失谱上可获得HfO_2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HfO_2薄膜的初期生长。实验观察到,即使对非常薄的HfO_2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Er_2O_3薄膜在Si(001)和Si(111)上的外延生长,也包括Si衬底表面的薄SiO_2层对Er_2O_2外延生长的影响。Er_2O_3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Er_2O_3(110)//Si(001),Er_2O_3[001]//Si[110]或Er_2O_3[110]//Si[110]。在Si(111)衬底上,其外延关系为Er_2O_3(111)//Si(111)。在较低的生长气压或/和较低的生长温度下,Er的硅


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