高k材料/Si衬底界面特性及电子态结构研究

The rapid development of microelectronics industry has caused the new requirement for manufacturing techniques and performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). It results the thickness of the silicon oxide (SiO2), which serve as dielectrics in MOSFET decreased. However, the SiO2 faces its scaling limits due to reduced dielectric reliability and significantly increased leakage current. In order to solve this problem, SiO2 was replaced by the rare-earth oxides high dielectric constant (high-k) materials. But there still have some doubt about the crystallinity, chemical state and electronic density of stat (DOS) of rare-earth silicate which formed between high-k materials and silicon substrates. Therefore, replace the SiO2 by rare-earth high-k oxides and investigate the high-k/Si interface have a key importance to improve the performance of MOSFET. In this work, rare-earth(La,Er,Ce) oxides films prepared on Si from 1 ML to 60 ML by laser molecular beam epitaxy, and the oxide/semiconductor interface properties, electronic structure investigated by in situ scanning tunneling microscopy，synchrotron radiation photoemission spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy. Finally, the influence of various interfaces effect on performance of MOSFET will be explored.

随着微电子技术的发展，对金属-二氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）制造工艺和性能的要求越来越高。这种发展趋势对被当作MOSFET介电材料的二氧化硅（SiO2）提出新要求，即厚度越来越稀薄。因涉及到SiO2介电性和MOSFET的漏电，SiO2的厚度也不能做到无限细薄。为了克服漏电，一般用稀土氧化物高k材料来替换SiO2。然而稀土氧化物高k材料与衬底界面中形成的稀土硅化物的结晶性、化学组态和电子态密度等方面存在一些疑问。因此在Si衬底上生长稀土氧化物薄膜，并通过研究高k氧化物/Si界面来提高MOSFET性能具有重要的研究意义。本项目通过激光分子束外延法，在Si衬底上生长1ML至60ML层厚的稀土(La，Er，Ce）氧化物薄膜，并原位（原位制备，原位扫描隧道显微镜、同步辐射光电子能谱和吸收谱表征）进行氧化物/半导体界面特性及电子态结构研究来探讨各种界面效应对MOSFET性能改善的影响。

随着微电子技术的发展，对金属-二氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）制造工艺和性能的要求越来越高。这种发展趋势对被当做MOSFET介电材料的二氧化硅（SiO2）提出新的要求，即厚度越来越细薄。因涉及到SiO2介电性和MOSFET的漏电，SiO2的厚度也不能做到无限的细薄。为了克服漏电，一般用稀土氧化物高k材料来替换SiO2绝缘层。然而，稀土氧化物高k材料与衬底界面中形成的稀土硅化物的结晶性、化学组态和电子组态密度等方面存在一些疑问。因此在Si衬底上生长稀土氧化物薄膜，并通过研究高k氧化物/Si界面来提高MOSFET性能具有重要的研究意义。本项目通过激光分子束外延法，Si衬底上生长不同厚度的稀土（La，Er）氧化物薄膜，主要利用原位同步辐射 XPS 技术，研究了不同层厚 La2O3/Si，La2O3/LaAlO3/Si以及Er2O3/Si薄膜与 Si（100）衬底之间界面电子态密度、化学组态和价态等随薄膜厚度的演变。通过详细研究Si 2s，Si 2p，La 4d 和 O 1s光电子能谱发现：在Si衬底上生长La2O3薄膜的过程中，硅酸盐界面态的形成抑制了界面处Si-O键的形成。特别是随着薄膜厚度的增加，衬底被硅酸盐界面态覆盖而防止了SiOx的形成。在La2O3/Si界面研究工作的基础上，在Er2O3/Si衬底界面研究工作中，在Er2O3和Si衬底之间沉积了Al2O3层，对Er2O3/Si界面态、界面化学组分以及退火对氧化物薄膜界面影响等方面进行了详细的研究。实验结果显示，Al2O3薄膜从沉积到退火不参与任何反应,与Si界面很稳定；在沉积Er2O3薄膜和退火过程中，有硅化物生成，表明Er2O3与Si的界面不太稳定。说明势垒层起到了很好的阻挡扩散的作用。我们研究结果对改善高k介电材料MOSFET性提供一定的实际参考价值。