Ge衬底上氧化铒、氧化铥高K栅介质材料的制备及物理特性研究

As the research of high K gate dielectric materials on Si substrate becomes mature and the further development of the microelectronics, deposition of high K gate dielectric materials on Ge substrate and their physical properties have become one of the research highlights recently. In this project, thin rare earth metal oxide Er2O3 and Tm2O3 films will be fabricated on Ge (001) substrates in ultra high vacuum sputtering system. The growth, passivation,physical properties of the Er2O3 and Tm2O3 high K gate dielectric films on Ge substrate as well as the leakage current mechanism, bandgap issues will be investigated. Based on the experimental results, the correlations among growth, passivation,microstructure and the physical properties will be found. The leakage current mechanism and the reason for interface states increase will be studied. The band alignment of the Er2O3/Ge and Tm2O3/Ge will be calculated and the frequency dispersion of the high K oxide films on Ge substrate will be explained. This project research will pave the way for the application of high K gate dielectric films on Ge substrates.

随着高K栅介质材料在Si衬底上几近成熟的研究及微电子技术进一步发展的要求，高K栅介质材料在Ge衬底上的生长及特性研究已经成为近期的研究热点之一。本项目将利用超高真空溅射系统在Ge（001）衬底上制备Er2O3和Tm2O3稀土金属氧化物薄膜，系统地开展Er2O3和Tm2O3高K栅介质薄膜在Ge衬底上的生长、钝化、物理特性、漏电产生机制及能带问题的研究。找出材料生长及钝化条件、微结构、物理特性之间的关系与规律；提出稀土金属氧化物薄膜在Ge衬底上漏电流产生机制及界面态密度增加的主要原因。计算出Er2O3/Ge、Tm2O3/Ge的能带结构，弄清Ge衬底上高K氧化物薄膜的频散机制。为将来高K栅介质薄膜在Ge衬底上的应用开辟道路。

随着高K栅介质材料在Si衬底上几近成熟的研究及微电子技术进一步发展的要求，高K栅介质材料在Ge衬底上的生长及特性研究已经成为近期的研究热点之一。. 本项目利用分子束外延系统及磁控溅射系统在Ge（001）衬底上生长了高K栅介质材料薄膜并系统研究了它们的物理特性。我们发现，生长温度对稀土氧化物薄膜在Ge衬底上的生长和电学性质有很大影响。不同温度下生长的薄膜在表面形貌、组分及结构上均有很大区别。较高温度下生长的薄膜表面凹凸不平且电学性质较差。结合透射电性电镜和X射线光电子能谱深度分析的结果，我们描述了薄膜在不同生长温度下的生长过程。. 我们利用分子束外延系统，通过精确控制生长参数在Ge（001）衬底上外延生长了单晶高K材料Er2O3、 Tm2O3薄膜。. 我们还利用导电原子力显微镜研究了Ge衬底上生长的Er2O3薄膜的局域电学性质。利用原子力显微镜的原位定位技术，我们还实现了退火对薄膜电学性质影响的原位研究。. 我们利用X射线光电子能谱对在Ge衬底上生长的Er2O3薄膜的能带偏移进行了研究。结果显示，Er2O3相对于Ge的价带和导带偏移分别为3.16 eV和2.13 eV。Er2O3的禁带宽度为5.96 eV。从能带偏移的角度来看，Er2O3薄膜是Ge衬底上一种比较有前途的高K材料。. 我们还利用磁控溅射设备在Ge衬底上制备了非晶La2O3薄膜，退火后保持了良好的非晶态。其相对于Ge衬底的价带偏移和导带偏移分别为−2.76 ± 0.1 eV和1.75 ±0.3 eV，且界面GeOx层不会影响能带偏移的确定。从能带偏移的角度我们发现La2O3是一种具有很好应用前景的高k栅介质材料，La2O3/Ge是优于La2O3/Si的异质结构。. 通过本项目的开展，我们为高K栅介质薄膜在Ge衬底上的生长及电学性质提供了理论指导。