Er<,2>O<,3>高k栅介质材料的分子束外延生长、结构及其物理特性

摘要

微电子工业的发展，对集成电路密度和性能提出了越来越高的要求，栅介质层的厚度也随之变得越来越薄。由于栅介质氧化层的直接隧穿而引起的静态功率损耗随之成指数形式增长，传统的Si02栅介质正日益趋于它的极限。各种各样的高k材料被用来研究作为Si02栅介质的可能的替代物质，由于高k材料拥有比较高的介电常数，使这些材料在保持同样高的电容量的同时还可以有相对于Si02栅介质比较大的厚度，这样就降低了由直接隧穿引起的漏电流从而保持了器件的性能。 近年来，在CMOS(CompletementMetalOxideSemiconductor，补偿式金属氧化物半导体)器件应用方面，为了寻找一种合适的栅介质材料替代Si02，很多种高k材料，如H~02，Y203和Pr203等被广泛研究。据报道，氧化铒也可能是一种很有应用前景的栅介质，但以往的研究主要集中在多晶厚薄上，单晶薄膜和它的许多性质还未见报道。在这篇论文里，我们主要研究单晶Er203的生长及其特性。 我们研究了Er203薄膜在Si(001)和Si(111)衬底上的生长。Er203薄膜在Si(001)上的外延关系。Er203薄膜在Si(¨1)上的外延关系为Er203(111)／／Si(111)。在较低的温度和较低的氧气压下在薄膜内易生成硅化铒。基于生长过程中可能的化学反应，我们对衬底温度和氧气分压给Er203单晶薄膜生长造成的影响也进行了系统的研究。实验结果还发现，氧化了的Si衬底可以有效抑制硅化铒的生成。而且，在氧化了的Si衬底上生长的Er203单晶薄膜的表面粗糙度和结晶度明显好于生长在清洁的si衬底上的EEr203薄膜。 利用光电子能谱对在Si衬底上外延生长的Er203薄膜相对于Si的能带偏移进行了研究。结果显示，Er203／Si的价带和导带偏移分别为3．1±O．1eV和3．5±0．3eV。Er203的禁带宽度为7．6±0．3eV。仅从这一角度来看，Er203相对于Si由于其比较大而且对称的价带和导带偏移而可能成为一种很有应用前景的高k栅介质材料。 用同步辐射光电子能谱的方法对Er203薄膜在Si衬底上的初始生长情况作了研究，因为初始生长形成的界面在整个栅介质中起着举足轻重的作用(界面层的存在会降低栅介质总的介电常数)。实验结果显示，即使在非常低的衬底温度下(室温)，在富氧的情况下，非常薄的Er203薄膜和Si衬底之间就存在一个界面层。我们用Er对Si氧化的促进作用进行了解释。 对金属／Er203／p—Si的FN隧穿进行了研究。FN隧穿是MOS结构在高电场下的一种基本的隧穿过程。在金属/Er203／p．Si结构中我们发现了FN的空穴隧穿，通过FN直线的斜率可以得到空穴的有效质量为0．05m。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章Er2O3薄膜的生长技术和表征技术

第三章Er2O3薄膜的生长及其结构和电学特性

第四章Er2O3/Si的能带偏移

第五章Er2O3初始生长情况的SRPES研究

第六章Al(Pt)/Er2O3/p-Si结构的FN隧穿

攻读傅士学位期间发表的学术论文

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