分子束外延Gd-,2-O-,3-、Nd-,2-O-,3-高介電納米薄膜的結構研究.pdf

1、隨著晶體管的進一步小型化，由于存在漏電流，傳統(tǒng)的SiO2已經(jīng)無法滿足下一代金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)的柵介質要求。為了繼續(xù)維持摩爾定律預測的發(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?？梢哉f，將來理想的High-k介質的成功研究與應用必將極大地推動半導體技術的快速發(fā)展。正因為如此，這些年來有關High-k介質的研究已經(jīng)成為微電子領域里最關鍵的熱門課題。本課題為

2、德國教育科學研究部(BMBF)的MEGAEPOS科研項目的分支課題，主要目的為尋找合適的、用于下一代晶體管的柵介質材料。
　　 在本論文的工作中，我們利用先進的超高真空分子束外延技術(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以及二者的復合體(GdxNd1-x)2O3。通過原位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情況，研究結果表明：
　　 (1)Gd2O3可以以高質量的晶體結構外延生長在4°斜切的Si(100)表面上。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，Gd2O3薄膜在Si(100)基底上的生長與基底表面的臺階結構有很大關系。干凈的、未處理的Si(100)基底表面上存在單原子層臺階結構，而經(jīng)過1150K/15min熱處理后的Si(10

4、0)基底表面則轉變?yōu)閱我坏碾p原子層臺階結構。在這兩種臺階結構上，生長的Gd2O3薄膜均為立方相的方鐵錳礦晶體結構，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構生長，而在熱處理后的Si(100)表面上，Gd2O3以單晶疇結構生長。前者與基底的匹配關系為：面外[110]Gd2O3//[100]si，面內[001]Gd2O3//[011]si和[110]Gd2O3

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

6、現(xiàn)多個晶疇，而是顯示出高質量的(111)單晶性能。薄膜立方晶格與Si立方晶格在面內方向存在180°旋轉，為A/B匹配結構，匹配關系為：面外[111]Gd2O3//[111]si，面內[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)在面內方向的360°倒易空間圖，詳細直觀地解釋了其立方單晶體結構。薄膜和基底匹配非常好，在面內[(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％(相對于2asi)，這證明了利用MBE外延生長的Gd2O3晶格比Si晶格略小的結論。10.89 nm厚的Gd2O3薄膜的晶格在面內方向產生了拉伸應變，在面外方向產生了壓縮應變，薄膜晶格中發(fā)生了部分應變弛豫現(xiàn)象。
　　 (3)Nd2O3可以以高質量的單晶結構外延生長在Si(111)表面上。在同樣的Si(111)-(7×7)再構表面上，生長的異質結構的各界面和表面粗糙度均小于0.7 nm。與Gd2O3相同

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

9、外方向產生了拉伸應變，應變大小為1.22％，薄膜中發(fā)生了部分應變弛豫，弛豫度為33％。另外，Nd2O3薄膜在面內和面外的晶格常數(shù)分別為10.9339(A)和11.2153(A)。
　　 (4)(GdxNd1-x)2O3(簡記為GNO)可以以高質量的單晶結構外延生長在Si(111)表面上。由于與Si相比，Gd2O3和Nd2O3的失配率一負一正，因此利用MBE外延生長GNO復合薄膜，以希望達到晶格互補、減小失配的目的。分析表明，在S

10、i(111)-(7×7)再構表面上，復合生長獲得成功，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薄膜的晶體結構與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，在面外和面內方向的失配率甚至連強大的同步輻射光源都難以區(qū)分，因此認為該薄膜的晶格與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變!所有這些都證明，晶格互補的思路是可行的!另外，初步RTA快速退火研究發(fā)現(xiàn)，a-Si/GNO/Si結構即使經(jīng)過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，生長在Si基底上均具有較好的晶體結構特性，因此均有希望成為下一代High-k柵介質的候選材料。GNO晶格互補的思路被證明是可行的，互補