分子束外延Gd-,2-O-,3-、Nd-,2-O-,3-高介電納米薄膜的結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著晶體管的進(jìn)一步小型化，由于存在漏電流，傳統(tǒng)的SiO2已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足下一代金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的柵介質(zhì)要求。為了繼續(xù)維持摩爾定律預(yù)測(cè)的發(fā)展速度，人們迫切需要找到一種更加合適的高介電材料(即High-k材料)，以取代SiO2作為晶體管的柵介質(zhì)?？梢哉f(shuō)，將來(lái)理想的High-k介質(zhì)的成功研究與應(yīng)用必將極大地推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展。正因?yàn)槿绱耍@些年來(lái)有關(guān)High-k介質(zhì)的研究已經(jīng)成為微電子領(lǐng)域里最關(guān)鍵的熱門(mén)課題。本課題為

2、德國(guó)教育科學(xué)研究部(BMBF)的MEGAEPOS科研項(xiàng)目的分支課題，主要目的為尋找合適的、用于下一代晶體管的柵介質(zhì)材料。
　　 在本論文的工作中，我們利用先進(jìn)的超高真空分子束外延技術(shù)(UHV-MBE)成功地在Si基底上制備了三種氧化物納米薄膜材料：Gd2O3、Nd2O3以及二者的復(fù)合體(GdxNd1-x)2O3。通過(guò)原位RHEED、同步輻射光源衍射(GIXD掠角衍射倒易圖掃描和線掃描、θ-2θ掃描等)、HRXRD(θ-2θ掃描、

3、φ掃描、搖擺曲線掃描等)、HRTEM(HRTEM觀察、EDX分析、電子衍射分析等)、XRR等手段深入地研究了這些薄膜的生長(zhǎng)情況，研究結(jié)果表明：
　　 (1)Gd2O3可以以高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)在4°斜切的Si(100)表面上。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，Gd2O3薄膜在Si(100)基底上的生長(zhǎng)與基底表面的臺(tái)階結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。干凈的、未處理的Si(100)基底表面上存在單原子層臺(tái)階結(jié)構(gòu)，而經(jīng)過(guò)1150K/15min熱處理后的Si(10

4、0)基底表面則轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏碾p原子層臺(tái)階結(jié)構(gòu)。在這兩種臺(tái)階結(jié)構(gòu)上，生長(zhǎng)的Gd2O3薄膜均為立方相的方鐵錳礦晶體結(jié)構(gòu)，空間群為Ia-3，且均以[110]為面外方向。但是不同的是，在未處理的Si(100)表面上，Gd2O3以互相垂直的雙晶疇結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)，而在熱處理后的Si(100)表面上，Gd2O3以單晶疇結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。前者與基底的匹配關(guān)系為：面外[110]Gd2O3//[100]si，面內(nèi)[001]Gd2O3//[011]si和[110]Gd2O3

5、//[011]si；后者與基底的匹配關(guān)系為：面外[110]Gd2O3//[100]si，面內(nèi)[001]Gd2O3//[011]si。
　　 (2)Gd2O3可以以高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)在Si(111)表面上。在Si(111)-(7×7)再構(gòu)表面上，生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各界面和表面的粗糙度均小于0.6 nm，生長(zhǎng)的Gd2O3薄膜為立方相的方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，空間群為Ia-3，且是以[111]為面外方向生長(zhǎng)的。非常重要的是，生長(zhǎng)的薄膜中未出

6、現(xiàn)多個(gè)晶疇，而是顯示出高質(zhì)量的(111)單晶性能。薄膜立方晶格與Si立方晶格在面內(nèi)方向存在180°旋轉(zhuǎn)，為A/B匹配結(jié)構(gòu)，匹配關(guān)系為：面外[111]Gd2O3//[111]si，面內(nèi)[110]Gd2O3//[110]si。在本課題中還利用同步輻射掠角衍射(GIXD)繪制了Gd2O3(111)在面內(nèi)方向的360°倒易空間圖，詳細(xì)直觀地解釋了其立方單晶體結(jié)構(gòu)。薄膜和基底匹配非常好，在面內(nèi)[(1)10]si和傾斜[1(1)3]si方向的失配率

7、分別為-0.1％和-0.2％(相對(duì)于2asi)，這證明了利用MBE外延生長(zhǎng)的Gd2O3晶格比Si晶格略小的結(jié)論。10.89 nm厚的Gd2O3薄膜的晶格在面內(nèi)方向產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變，在面外方向產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變，薄膜晶格中發(fā)生了部分應(yīng)變弛豫現(xiàn)象。
　　 (3)Nd2O3可以以高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)在Si(111)表面上。在同樣的Si(111)-(7×7)再構(gòu)表面上，生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的各界面和表面粗糙度均小于0.7 nm。與Gd2O3相同

8、，生長(zhǎng)的Nd2O3薄膜也為立方相的方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，空間群為Ia-3，以[111]為面外方向，Nd2O3薄膜也具有高質(zhì)量的(111)單晶性能，與基底的匹配關(guān)系也與Gd2O3/Si(111)完全相同。但是與Gd2O3不同的是，在面內(nèi)和面外方向，外延生長(zhǎng)的Nd2O3的晶格都明顯比Si晶格大(2asi)。8.13 nm厚的薄膜在面內(nèi)和面外方向的失配率分別為0.66％和3.25％，Nd2O3晶格在面內(nèi)方向產(chǎn)生了壓縮應(yīng)變，應(yīng)變大小為-1.32％，在面

9、外方向產(chǎn)生了拉伸應(yīng)變，應(yīng)變大小為1.22％，薄膜中發(fā)生了部分應(yīng)變弛豫，弛豫度為33％。另外，Nd2O3薄膜在面內(nèi)和面外的晶格常數(shù)分別為10.9339(A)和11.2153(A)。
　　 (4)(GdxNd1-x)2O3(簡(jiǎn)記為GNO)可以以高質(zhì)量的單晶結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)在Si(111)表面上。由于與Si相比，Gd2O3和Nd2O3的失配率一負(fù)一正，因此利用MBE外延生長(zhǎng)GNO復(fù)合薄膜，以希望達(dá)到晶格互補(bǔ)、減小失配的目的。分析表明，在S

10、i(111)-(7×7)再構(gòu)表面上，復(fù)合生長(zhǎng)獲得成功，GNO薄膜晶格中約14％的Gd原子成功地被Nd原子所替代。生成的GNO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與Gd2O3和Nd2O3薄膜完全相同，仍以[111]為面外方向。更重要的是，GNO表現(xiàn)出比Gd2O3和Nd2O3還要完美的單晶性能。相比Gd2O3和Nd2O3的負(fù)失配和正失配，約14％Nd原子替換Gd原子的GNO薄膜，在面外和面內(nèi)方向的失配率甚至連強(qiáng)大的同步輻射光源都難以區(qū)分，因此認(rèn)為該薄膜的晶格與S

11、i晶格大小相等(2asi)，失配率為零，晶格中也不存在失配應(yīng)變!所有這些都證明，晶格互補(bǔ)的思路是可行的!另外，初步RTA快速退火研究發(fā)現(xiàn)，a-Si/GNO/Si結(jié)構(gòu)即使經(jīng)過(guò)1000℃/30s的退火，在XRR和面外HRXRDθ-2θ掃描手段下仍呈現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。
　　 本課題研究的三種納米薄膜，生長(zhǎng)在Si基底上均具有較好的晶體結(jié)構(gòu)特性，因此均有希望成為下一代High-k柵介質(zhì)的候選材料。GNO晶格互補(bǔ)的思路被證明是可行的，互補(bǔ)