硅、鍺襯底上稀土金屬氧化物薄膜的分子束外延生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)及其物理特性.pdf

1、高K材料由于其在MOS器件中可代替SiO2已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。稀土金屬氧化物也是柵介質(zhì)層的候選材料之一。本文主要研究氧化銩(Tm2O3)、氧化鉺(Er203)薄膜在硅襯底、鍺襯底上的生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)及物理特性。
　　 第一、二章分別介紹研究背景和實(shí)驗(yàn)儀器及方法。
　　 第三章研究Si(001)表面單晶Tm2O3薄膜的生長(zhǎng)和電學(xué)性質(zhì)。采用多步生長(zhǎng)法首次生長(zhǎng)出了單晶Tm2O3薄膜。生長(zhǎng)時(shí)襯底溫度為600℃，氣壓為2×10-

2、7 Torr。生長(zhǎng)初期形成的SiOx界面層通過在超高真空中高溫退火(800℃)得以去除，獲得了具有陡峭界面的單晶Tm2O3薄膜。薄膜與Si襯底的外延取向?yàn)門m2O3(110)//Si(001)，Tm2O3[001]//Si[110]或Tm2O3[1-10]//Si[110]，與Er2O3、Y2O3外延生長(zhǎng)取向相同。研究發(fā)現(xiàn)，在低氣壓下，Tm2O3薄膜在Si(001)表面上以[110]方向外延生長(zhǎng)。當(dāng)生長(zhǎng)氣壓逐漸增大時(shí)，薄膜的生長(zhǎng)方向從[

3、110]變?yōu)閇111]方向。同時(shí)，薄膜的生長(zhǎng)模式已不再是外延生長(zhǎng)，高氣壓下生長(zhǎng)的薄膜有很多取向。薄膜表面能的降低引起了生長(zhǎng)方向的改變。經(jīng)過在氧氣氛中450℃退火后，薄膜的介電常數(shù)為10.8，對(duì)應(yīng)的EOT為2.3nm。漏電流密度在電場(chǎng)強(qiáng)度為1MV/cm處為2×10-3A/cm2。通過測(cè)量小角反射率曲線得知，退火后薄膜的電子密度增大，推測(cè)未退火時(shí)薄膜中存在很多氧空位，經(jīng)過在氧氣氛中退火，薄膜中的氧空位變少，因此薄膜的電學(xué)性質(zhì)變好。還研究了單

4、晶Tm2O3薄膜電學(xué)性質(zhì)隨退火溫度的變化，不同溫度下界面層的變化是導(dǎo)致薄膜總電容值變化的原因。
　　 第四章研究Si(001)表面非晶氧化銩薄膜的生長(zhǎng)和電學(xué)性質(zhì)。獲得了熱穩(wěn)定性良好的非晶‘Tm203薄膜。生長(zhǎng)時(shí)襯底溫度為室溫，氣壓為3×10-6 Torr。為了降低界面層的厚度，生長(zhǎng)完成后樣品在超高真空中進(jìn)行了原位高溫退火。由高分辨TEM圖像可以看出原位沉積的Tm2O3薄膜是非晶的，和Si襯底之間有一層1.9nm厚的SiOx界面層

5、。經(jīng)原位高溫(700℃)退火后，Tm2O3薄膜仍處于非晶狀態(tài)，顯示了良好的熱穩(wěn)定性，優(yōu)于其它小組用反應(yīng)濺射法生長(zhǎng)的非晶Tm2O3薄膜的熱穩(wěn)定性。同時(shí)SiOx界面層幾乎消失，這是由于界面處缺氧的TmOx與SiOx反應(yīng)生成Tm2O3和Si。由電學(xué)方法得出經(jīng)過原位高溫退火處理的Tm2O3薄膜在氧氣氛中450℃退火后其介電常數(shù)為8.4，對(duì)應(yīng)的EOT為2.3nm。
　　 相比于硅襯底，鍺襯底中載流子的遷移率更高。在第五章中嘗試在Ge(00

6、1)襯底上生長(zhǎng)高K薄膜。發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)溫度對(duì)Er2O3薄膜在Ge襯底的生長(zhǎng)和電學(xué)性質(zhì)有很大影響。當(dāng)生長(zhǎng)溫度為室溫時(shí)，薄膜由Er2O3層和鍺酸鹽(ErGexOy)界面層組成，厚度為5.5nm；當(dāng)生長(zhǎng)溫度升為300℃時(shí)，薄膜為Er2O3與鍺酸鹽的混合結(jié)構(gòu)，同時(shí)厚度減小為2.2nm；當(dāng)生長(zhǎng)溫度升為450℃時(shí)，薄膜變得粗糙，襯底中出現(xiàn)了很多孔洞。由Er2O3、GeO和鍺酸鹽三種化合物組成。結(jié)合TEM和XPS深度分析的結(jié)果，描述了薄膜在不同生長(zhǎng)溫度下

7、的生長(zhǎng)過程。用導(dǎo)電原子力顯微鏡對(duì)薄膜的局域漏電特性進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)450℃生長(zhǎng)的薄膜中漏電點(diǎn)最多，薄膜中所含的GeO是導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)很多漏電點(diǎn)的主要原因。
　　 第六章主要研究Ge襯底上Er2O3薄膜的禁帶寬度和相對(duì)于Ge的能帶偏移。結(jié)果顯示，Er2O3的禁帶寬度為5.96eV，相對(duì)于Ge的導(dǎo)帶和價(jià)帶偏移分別為2.13eV和3.16eV。
　　 第七章主要探索鍺襯底的鈍化。我們嘗試了兩種鈍化方法：臭氧氧化Ge襯底以及Si層