局域介電方法及其在Si-SiO2和Si-HfO2結(jié)構(gòu)上的應用研究.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，有時甚至會對整個結(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，許多用來計算材料整體介電系數(shù)的方法，對于計算具體地如表界面效應作用下的介電特性已不再適用；并且有關缺陷對介電特性的影響以及具體的影響機制尚不明確。因此，有必要研究能反映表界面效應的局域介電計算方法，以及具體的研究界面可能存在的缺陷對介電性能

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算方法，著重討論了該方法的基本內(nèi)容和關鍵的近似處理方法，接著在梳理國內(nèi)外局域介電理論研究動態(tài)的基礎上分別從非局域介電張量和微觀極化率的角度對局域介電的計算進行分析，并根據(jù)實際計算的需要對基本理論公式進行分解并給出了目前針對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上，圍繞局域介電方法及其在MOS器件結(jié)構(gòu)的應用展開。
　　在對比分析了

3、目前國內(nèi)外局域介電方法的優(yōu)缺點后，研究了基于能帶結(jié)構(gòu)的局域介電方法。在當前已有的體系整體介電與結(jié)構(gòu)直接帶隙函數(shù)關系的基礎上，結(jié)合分層態(tài)密度理論（La-DOS），通過提取相關局域參數(shù)得到局域介電與局域直接帶隙的表達式；同時在提取實驗數(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)關系。
　　在分析介電系數(shù)電容特性的基礎上，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獲得局域介電表達式。
　　基于仿真計算

4、結(jié)果對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簡單、不涉及具體的極化機制，應用范圍廣泛，效率和精確度可控等優(yōu)點。對比不同局域介電方法的優(yōu)缺點后，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Si/SiO2介電性能的影響。對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局域介電性能的影響，總結(jié)了不同類型變化產(chǎn)生的機制：局域光頻介電主要由界面處Si的氧化態(tài)和鍵長決定，當鍵長分布一致時，由Si的氧化態(tài)決定，當Si的氧化態(tài)分布一致時，則有鍵長分布決定。
　　為研究Si/HfO2界面不同氧空位類型對能帶結(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。仿真計算結(jié)果分析說明：當體系缺失一個氧原子時，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，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。對比分析得到：Si原子中裸露的未成鍵電子對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鍵長對體系介電性能起決定作用，Hf-O鍵長的作用并不明顯；當原子構(gòu)型不同時，氧空位對介電性能的影響主要由原子構(gòu)型決定；當原子構(gòu)型相同時，氧空位對介電性能的影響由氧空位成鍵鍵長決定。<