硅、锗衬底上稀土金属氧化物薄膜的分子束外延生长、结构及其物理特性

摘要

高K材料由于其在MOS器件中可代替SiO2已经成为当前的研究热点之一。稀土金属氧化物也是栅介质层的候选材料之一。本文主要研究氧化铥(Tm2O3)、氧化铒(Er203)薄膜在硅衬底、锗衬底上的生长、结构及物理特性。
　　 第一、二章分别介绍研究背景和实验仪器及方法。
　　 第三章研究Si(001)表面单晶Tm2O3薄膜的生长和电学性质。采用多步生长法首次生长出了单晶Tm2O3薄膜。生长时衬底温度为600℃，气压为2×10-7 Torr。生长初期形成的SiOx界面层通过在超高真空中高温退火(800℃)得以去除，获得了具有陡峭界面的单晶Tm2O3薄膜。薄膜与Si衬底的外延取向为Tm2O3(110)//Si(001)，Tm2O3[001]//Si[110]或Tm2O3[1-10]//Si[110]，与Er2O3、Y2O3外延生长取向相同。研究发现，在低气压下，Tm2O3薄膜在Si(001)表面上以[110]方向外延生长。当生长气压逐渐增大时，薄膜的生长方向从[110]变为[111]方向。同时，薄膜的生长模式已不再是外延生长，高气压下生长的薄膜有很多取向。薄膜表面能的降低引起了生长方向的改变。经过在氧气氛中450℃退火后，薄膜的介电常数为10.8，对应的EOT为2.3nm。漏电流密度在电场强度为1MV/cm处为2×10-3A/cm2。通过测量小角反射率曲线得知，退火后薄膜的电子密度增大，推测未退火时薄膜中存在很多氧空位，经过在氧气氛中退火，薄膜中的氧空位变少，因此薄膜的电学性质变好。还研究了单晶Tm2O3薄膜电学性质随退火温度的变化，不同温度下界面层的变化是导致薄膜总电容值变化的原因。
　　 第四章研究Si(001)表面非晶氧化铥薄膜的生长和电学性质。获得了热稳定性良好的非晶‘Tm203薄膜。生长时衬底温度为室温，气压为3×10-6 Torr。为了降低界面层的厚度，生长完成后样品在超高真空中进行了原位高温退火。由高分辨TEM图像可以看出原位沉积的Tm2O3薄膜是非晶的，和Si衬底之间有一层1.9nm厚的SiOx界面层。经原位高温(700℃)退火后，Tm2O3薄膜仍处于非晶状态，显示了良好的热稳定性，优于其它小组用反应溅射法生长的非晶Tm2O3薄膜的热稳定性。同时SiOx界面层几乎消失，这是由于界面处缺氧的TmOx与SiOx反应生成Tm2O3和Si。由电学方法得出经过原位高温退火处理的Tm2O3薄膜在氧气氛中450℃退火后其介电常数为8.4，对应的EOT为2.3nm。
　　 相比于硅衬底，锗衬底中载流子的迁移率更高。在第五章中尝试在Ge(001)衬底上生长高K薄膜。发现，生长温度对Er2O3薄膜在Ge衬底的生长和电学性质有很大影响。当生长温度为室温时，薄膜由Er2O3层和锗酸盐(ErGexOy)界面层组成，厚度为5.5nm；当生长温度升为300℃时，薄膜为Er2O3与锗酸盐的混合结构，同时厚度减小为2.2nm；当生长温度升为450℃时，薄膜变得粗糙，衬底中出现了很多孔洞。由Er2O3、GeO和锗酸盐三种化合物组成。结合TEM和XPS深度分析的结果，描述了薄膜在不同生长温度下的生长过程。用导电原子力显微镜对薄膜的局域漏电特性进行了表征，发现450℃生长的薄膜中漏电点最多，薄膜中所含的GeO是导致薄膜出现很多漏电点的主要原因。
　　 第六章主要研究Ge衬底上Er2O3薄膜的禁带宽度和相对于Ge的能带偏移。结果显示，Er2O3的禁带宽度为5.96eV，相对于Ge的导带和价带偏移分别为2.13eV和3.16eV。
　　 第七章主要探索锗衬底的钝化。我们尝试了两种钝化方法：臭氧氧化Ge衬底以及Si层覆盖Ge衬底。但钝化后薄膜的电学性质仍然没有得到提高，有关这方面的工作还需进一步探索。