局域介電方法及其在Si-SiO2和Si-HfO2結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著多組分系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)的大小降低到原子或者納米尺寸，界面結(jié)構(gòu)和特性變得越來越重要，有時(shí)甚至?xí)?duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)起決定作用，在納米區(qū)域弄清包含界面的材料的電子和介電性質(zhì)以及缺陷的影響就變得很重要。然而，許多用來計(jì)算材料整體介電系數(shù)的方法，對(duì)于計(jì)算具體地如表界面效應(yīng)作用下的介電特性已不再適用；并且有關(guān)缺陷對(duì)介電特性的影響以及具體的影響機(jī)制尚不明確。因此，有必要研究能反映表界面效應(yīng)的局域介電計(jì)算方法，以及具體的研究界面可能存在的缺陷對(duì)介電性能

2、的影響。
　　本文首先介紹了仿真軟件CASTEP所采用的第一性原理計(jì)算方法，著重討論了該方法的基本內(nèi)容和關(guān)鍵的近似處理方法，接著在梳理國內(nèi)外局域介電理論研究動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上分別從非局域介電張量和微觀極化率的角度對(duì)局域介電的計(jì)算進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際計(jì)算的需要對(duì)基本理論公式進(jìn)行分解并給出了目前針對(duì)局域介電的簡化方法。本文的研究工作就在第一性原理和局域介電理論的基礎(chǔ)上，圍繞局域介電方法及其在MOS器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用展開。
　　在對(duì)比分析了

3、目前國內(nèi)外局域介電方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，研究了基于能帶結(jié)構(gòu)的局域介電方法。在當(dāng)前已有的體系整體介電與結(jié)構(gòu)直接帶隙函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合分層態(tài)密度理論（La-DOS），通過提取相關(guān)局域參數(shù)得到局域介電與局域直接帶隙的表達(dá)式；同時(shí)在提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析的前提下，通過數(shù)值擬合得到局域介電函數(shù)關(guān)系。
　　在分析介電系數(shù)電容特性的基礎(chǔ)上，提出了基于分層電容的局域介電方法，采用介電系數(shù)的電容比值定義推導(dǎo)獲得局域介電表達(dá)式。
　　基于仿真計(jì)算

4、結(jié)果對(duì)比分析了本文提出的局域介電方法，發(fā)現(xiàn)兩種基于能帶結(jié)構(gòu)的局域介電方法一定程度上均存在理論依據(jù)不足、可靠性差等問題；分層電容方法則具有推導(dǎo)簡單、不涉及具體的極化機(jī)制，應(yīng)用范圍廣泛，效率和精確度可控等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比不同局域介電方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文選用分層電容方法研究MOS結(jié)構(gòu)的局域介電性能。
　　采用分層電容方法仿真計(jì)算了不同懸掛鍵類型及懸掛鍵H鈍化前后的局域介電特性，以探究界面缺陷對(duì)Si/SiO2介電性能的影響。對(duì)比分析了橫向懸掛鍵

5、H鈍化前后、縱向懸掛鍵H鈍化前后及橫縱懸掛鍵對(duì)局域介電性能的影響，總結(jié)了不同類型變化產(chǎn)生的機(jī)制：局域光頻介電主要由界面處Si的氧化態(tài)和鍵長決定，當(dāng)鍵長分布一致時(shí)，由Si的氧化態(tài)決定，當(dāng)Si的氧化態(tài)分布一致時(shí)，則有鍵長分布決定。
　　為研究Si/HfO2界面不同氧空位類型對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響，建立了Si/HfO2界面無缺陷、有O3(1Hf)空位、有O3(2Hf)空位、有O3(3Hf)空位、有O4(2Hf)空位、有平行O4(2Hf)空位以

6、及有O4(4Hf)空位缺陷七種模型。仿真計(jì)算結(jié)果分析說明：當(dāng)體系缺失一個(gè)氧原子時(shí)，其附近Hf的d軌道電子無法跟O的p軌道電子鍵合形成離子鍵，繼而留在Hf的d軌道中，形成帶隙態(tài)；帶隙態(tài)大小與原氧空位氧原子相連Hf原子數(shù)相關(guān)，Hf原子數(shù)越大，未成鍵d軌道電子越多，帶隙態(tài)愈大。
　　為探究界面缺陷對(duì)Si/HfO2介電性能的影響，采用分層電容方法研究了Si/HfO2不同原子結(jié)構(gòu)V3氧空位，不同位置V4氧空位，不同原子結(jié)構(gòu)V4氧空位，HfO

7、2體內(nèi)V3、V4氧空位及界面處V3、V4氧空位的局域介電特性。對(duì)比分析得到：Si原子中裸露的未成鍵電子對(duì)體系周圍介電性能起主要作用，Hf原子中裸露的未成鍵電子的作用則不明顯；不同氧空位原子構(gòu)型中，存在Si-O鍵和Hf-O鍵兩種鍵長分布情況，但其中只有Si-O鍵長對(duì)體系介電性能起決定作用，Hf-O鍵長的作用并不明顯；當(dāng)原子構(gòu)型不同時(shí)，氧空位對(duì)介電性能的影響主要由原子構(gòu)型決定；當(dāng)原子構(gòu)型相同時(shí)，氧空位對(duì)介電性能的影響由氧空位成鍵鍵長決定。<