《er2o3单晶薄膜的生长以及er2o3si异质结的能带偏移》由会员分享，可在线阅读，更多相关《er2o3单晶薄膜的生长以及er2o3si异质结的能带偏移（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 E r 2 0 3单晶薄膜的生长以及E r 2 0 3 s i 异质结 的能带偏移 朱燕艳徐闰陈圣方泽波薛菲樊永良蒋最敏 ( 复旦大学应用表面物理国家重点实验室，上海2 0 0 4 3 3 ) 摘要：本文使用分子束外延的方法在P 型S i ( 0 0 1 ) 和S i ( 1 1 1 ) 衬底上，在7 0 0 。C 、7 1 0 。6T o r r 的条件下首次实现了E r 。0 。单晶薄膜的生长。薄膜的结晶情况依赖于薄膜的生 长温度和氧气压。在较低的温度和较低的氧气压下在薄膜内易生成硅化铒，薄膜也趋于多 晶化。本文还
2、利用光电子能谱对E r 。0 。s i 异质结的能带偏差作了初步的研究。 P A C C ：7 3 6 0 H ，7 1 7 0 C ，3 3 6 5 F ，7 3 2 0 C 1 引言 近年来，随着集成电路中晶体管特征尺寸的迅速减小，已经成功使用了数十年的S i O 。 或掺N 的S i O z 不再适合作为集成电路的基本元件场效应管的栅介质材料。使用介电常 数比S i O ：高的材料即所谓的高k 材料替代S i O z 是目前最有希望解决此问题的一个途径。 在探索下一代栅介质材料的领域中，H f O z ，A 1 2 0 3 ，Z r O z ，Y 2 0 3 、G d z 0 。、C e
3、 O 。和P r 。0 。等高k 氧化物成为最近几年人们研究最多的材料。u 5 1 但是很多问题还是无法得到很好的解决，如 高温后处理之后的界面反应等问题。因此，寻找一种比较合适的高k 材料是一项很有意义 的工作。 氧化铒( E r z 0 3 ) 由于其比较高的介电常数( 1 4 3 1 ) ，比较大的禁带宽度( 、7 e V ) 有望 成为下一代M O S 栅介质强有力的竞争者旧。8 1 。而且它具有很好的热稳定性，最近有文献报道， 和Y 。0 。，G d z 0 。，P r z 0 。等氧化物相比，氧化铒经9 0 0 退火后和硅衬底很少反应生硅酸铒。而 且晶体E r 。0 。具有M n
4、z 0 。立方结构，晶格常数为1 0 5 n m ，和硅晶格常数的2 倍( 1 0 8 6 n m ) 很接近，具有较低的失配度，因此容易制成高度择优取向的薄膜甚至单晶膜，是一种比 较理想的硅基外延生长候选介质材料旧1 。另外质量好的氧化铒单晶还可以用作铁电材料、 高温超导材料甚至硅本身的缓冲层，也可以用在S O I ( S i l i c o nO nI n s u l a t o r ) 器件上。 到目前为止，我们研究小组最先在硅衬底上制各了E r z 0 。单晶薄膜，并对E r 。0 。s i 异质结的 能带偏差的数据作首次报道。 2 实验 使用1 5 英寸P 型中阻( 2 1 0 Qc
5、 m ) S i ( 0 0 1 ) 和S i ( 1 1 1 ) 硅片作为衬底。用S h i r a k i 方法清洗硅片。清洗好的硅片被立刻传样至R i b e rS S C 超高真空分子束外延设备的生长室， 然后加热至9 3 0 退火去除表面的氧化层。S i ( 0 0 1 ) 的2 1 和S i ( 1 1 1 ) 的7 7 表面再构用反 射式高能电子衍射( R H E E D ) 观察。制备E r ：0 。单晶薄膜使用金属E r 热蒸发源，生长时同时通 一定量的氧气。 薄膜的表面晶体结构用原位的R H E E D 观察，薄膜的化学组成使用原位的俄歇电子能谱 ( A E S ) 测试。
6、用X 射线衍射( X R D ) 表征薄膜的结晶学结构，薄膜的表面形貌使用原子力显微 镜( A F M ) 观察。薄膜的厚度由椭偏仪测定，使用电容电压测试来获得薄膜的介电常数。 E r 。0 。s i 的能带偏差用光电子能谱( X P S ) 确定。 2 9 5 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议珠海 3 结果与讨论 为了研究生长条件对E r 。0 。薄膜质量的影响，我们对衬底温度和氧气分压对E r z 0 。单晶 薄膜生长的影响做了系统的研究。图1 是衬底温度为7 0 0 ，氧气分压分别为a ) 7 1 0 “T o r r ： b ) 1 2x1 0 书
7、T o r r ：c ) 0 6 1 0 1T o r r ，在S i ( 0 0 1 ) 衬底上生长的E r 2 0 3 薄膜的X R D 图谱。 根据图l ，结合R H E E D 图案，可以得出结论，在7 0 0 、7 1 0 。6t 的条件下生长的E r z 0 。薄膜 是( 1 1 0 ) 取向的单晶薄膜，而在相同的衬底温度，比较低的氧气压条件下生长的E r z O s 薄膜 就有硅化物形成。图2 是在相同的衬底温度( 7 0 0 ) 不同的氧气压下生长的E r 。O s 薄膜的X R D 结果。从图上可以清楚地看出在衬底温度低于7 0 0 时生长的E r 2 0 。薄膜是多晶或非晶
8、的。 图3 是不同的衬底温度和不同的氧气分压条件下生长的E r z O 。薄膜的A F M 形貌图。由图中可以 看出，E r z 0 。单晶薄膜的表面是比较致密的，而且表面是岛状的，说明E r z o s 单晶薄膜是岛状 生长的。但是在较低的衬底温度或者较低的氧气分压的情况下生成的E r z 0 。薄膜表面有明显 的孔洞存在。根据以前的文献报道，这些孔洞被认为是和硅化铒有关。前面X R D 结果也得 到，在较低的衬底温度或者较低的氧气分压的情况下薄膜内部容易生成硅化铒。这些结果 都表明E r 。0 。单晶薄膜的生长很大程度上依赖于其生长条件。 我们对E r ：0 。s i 的能带偏差也作了初步
9、的研究。X P S 是测量异质结能带偏差的重要方 法之一1 。相对于光谱测量，电容电压( c V ) 法，电流电压( I V ) 法等，X P S 要简捷得 多。图4 是用X P S 测量E r 。0 。s i 异质结能带偏差的原理示意图。由图可以看出E r ：0 。价带 到S i 价带的偏差可以用公式表示为： E v = ( E E r 削一E 。) 。，。聍。+ ( E 。；。一E h 。) 盱。3 。i 一( E 。；。一E 。) s t ( 1 ) 其中第一项是E r 的4 d 能级到E r 。0 。价带边的差值。E r 的4 d 能级和E r 。0 s 的价带通过一块 长在S i 衬
10、底上厚的E r 2 0 s 样品( 大概是1 0 纳米) 测得。其中第二项是S i 的2 p 芯能级到 E r 的4 d 能级问的差值，s i 的2 p 芯能级和E r 的4 d 能级必须同时测得，所以必须一块很 薄的样品。我们采用上述比较厚的E r 。O s 样品通过A r 离子刻蚀测得比较薄的样品测得。 图5 ( a ) 是E r4 d 和价带边的光电子能谱图，由此得出两者的结合能的差值为 1 6 6 2 9 e V 。图5 ( b ) 是用x P S 测得的E r4 d 和s i2 p 的结合能芯能级谱，两者的差值为7 0 4 0 e V 。 对于S i 2 p 至U 其价带边的差值，我
11、们用文献上得到的标准数值9 8 9 8 e V 。由此，根据公式( 1 ) 我们得到E r 。0 。s i 的价带偏差量肭3 1 O 1 e V 。根据如图所示6 的0 1 s 和它的能量损失 峰间的能量差旧。，可以确定E r 2 0 。的禁带宽度为7 7 0 2 e V ，最后根据g o = 西一似 g g ) s i - E r 2 0 3 , 得到E r 2 0 。s i 的导带偏差为3 5 e V 。从X P S 的结果我们看到E r z O a S i 异质结有 比较大而且比较对称的导带和价带偏差，表明E r z 0 。在S i 衬底上生长的薄膜在C M O S 器件方面 很有应用前
12、景。 4 结论 使用M B E 方法在S i ( 0 0 1 ) 和S i ( 1 1 1 ) 衬底上制备了E r 。0 。单晶薄膜，衬底温度和氧气分 压对薄膜的结晶质量有很大影响。X P S 的结果也表明E r z o s 在s i 衬底上生长的单晶薄膜的能 带偏差在C b l 0 S 器件方面是一种比较理想的栅介质材料。 参考文献： f 1 D a v i dRN o r t o n ，M a t e r S c i E n g R 4 3 ，1 3 9 ( 2 0 0 4 ) 【2 】J PL i u ，RZ a u m s e i l ，E B u g i e l ，a n dH J
13、O s m n ，A p p l P h y s L e t t 7 9 ，6 7 1 ( 2 0 0 1 ) 【3 JA F i s s e l ，J D a b r o w s k i ，a n dH J O s m n ，J A p p l P h y s 9 1 ，8 9 8 6 ( 2 0 0 2 ) 【4 】 A D i m o u l a s ，G V e l l i a n i t i s ，A T r a v l o s ，V I o a n n o u S o u g l e r i d i sa n dA G N a s s i o p o u l o u ，J A p
14、p l P h y s 9 2 ， - 2 9 6 2 0 0 5 年1 1 月第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议 珠海 4 2 6 ( 2 0 0 2 ) 【5 】 Vv A f a n a s e va n d A S t e s m a n s ，A p p l P h y s L c t t 8 1 ，1 0 5 3 ( 2 0 0 2 ) 【6 】 V M i k h e l a s h v i l ia n dG E i s e n s t e i n ，J A p p l P h y s 9 0 ，5 4 4 7 ( 2 0 0 1 ) 【7 】V M i k h e l
15、 a s h v i l i ，GE i s e n s t c i n ，EF _ g l l m a n ，R B m m e r , N Z a k h a r o v , a n dEW e m e r , J A p p l P h y s 9 5 。 6 1 3 ( 2 0 0 4 ) 【8 】R X u ，Y Y Z h u ，S C h e n ，EX u c ，Y L F a n ，X J Y a n ga n dZ M J i a n g ，J C r y s t a lG r o w t h2 7 7 ，4 9 6 ( 2 0 0 5 ) 【9 】 S A C h a m
16、 b e r sa n dYL i a n g ，A p p l P h y s L e t t 7 7 ，1 6 6 2 ( 2 0 0 0 ) E p i t a x i a lg r o w t ho fE r 2 0 3f i l m sa n di t sb a n do f f s e t so nS i Y Y Z h u ，R X u ，S C h e n ，Z B F a n g ，F X u e ，Y L F a n ，X J Y a n ga n dZ M J i a n g 耵 b s t r a c tT h ee p i t a x i a lg r o w t ho fE r 2 0 3f il m sh a sb e e na c h i e v e do nS i (
