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    1. MedeA案例十八:MedeA在電子器件中的應用CMOS夾層模型Si-HfO2-W功函數變化的研究

      2015-12-23 15:03:14 來源:源資科技市場部

      新聞摘要:隨著科學技術的發展,電腦CPU芯片和存儲介質已經越來越微型化,因此對于制作電子器件的材料要求也越來越高。高介電常數的氧化物材料HfO2在電子感光器件中具有很廣泛的應用。近年來,一些新型的層狀介電材料具有更高靈敏的金屬柵門。這類金屬柵門的功函數需要同nMOS和pMOS堆疊層的電子特性相吻合。本案例中,作者通過第一性原理,詳細研究了功函數變化對CMOS材料的結構效應以及化學性能變化的影響。


      1.研究背景
            隨著科學技術的發展,電腦CPU芯片和存儲介質已經越來越微型化,因此對于制作電子器件的材料要求也越來越高。高介電常數的氧化物材料HfO2在電子感光器件中具有很廣泛的應用。近年來,一些新型的層狀介電材料具有更高靈敏的金屬柵門。這類金屬柵門的功函數需要同nMOS和pMOS堆疊層的電子特性相吻合。本案例中,作者通過第一性原理,詳細研究了功函數變化對CMOS材料的結構效應以及化學性能變化的影響。


      2.建模與計算結果
            作者通過Welcome to MedeA Bundle中的Surface Builder工具分別構建了Si, HfO2和W的表面結構。再通過MedeA-Interface Builder 構建了Si-HfO2-W的界面結構。
            CMOS界面堆疊模型分別由Si(001)和W(100)兩個表面構建,然后在Si和W兩個表面中間創建一定的間隙,用于填充晶型HfO2。經過在外界高溫模擬的條件下,Hf和O原子逐漸發現重構,形成一定的無定型結構。最終,通過第一性原理方法,將原子位置做弛豫優化。待結構優化好后,將Si/HfO2界面中其中一個Hf原子從界面中移除,來創建空穴結構,并弛豫剩下的其他原子。

       

      圖 1 Si-HfO2-W界面模型(Si-黃色, Hf-藍色, O-紅色, W-藍綠色)


        作者通過MedeA-VASP 對CMOS表面做優化,并計算了化學配比的Si-HfO2-W界面的功函數。

       

      圖 2 藍色曲線表示垂直于界面的介電函數,紅色曲線表示了平滑勢能的“宏觀平均”介電函數


        本案例中,作者通過第一性原理量子力學計算,得出了與電子分布和原子幾何結構相關的靜電勢等性質。在界面體系中,作者同時也考慮了Hf空穴的影響。 經過計算,Si/HfO2界面的Hf空穴濃度為1.2個空穴每平方納米,因此引起了金屬W層功函數的增加,相比Si層,高出了500meV。這一結果可由沿著界面層堆疊方向的靜電勢分析獲得。

       

      圖3 Si/HfO2界面Hf空穴對Si基底相關的金屬功函數影響


      3.總結與展望
            微電子器件諸如CMOS門堆疊層已經越來越趨近于微型化的設計,并能用第一性原理量子力學計算其相關電子性質。 因此,由原子尺度的界面模型結合精確第一性原理方法可以獲得材料結構與化學性質相關性的重要信息,比如功函數。這樣能有助于解釋實驗現象,并對工藝參數給出更好的指導作用。


      參考文獻:
      Modeling work function changes in CMOS stacks containing HfO2 high-k dielectrics


      使用MedeA模塊: 
      Welcome to MedeA Bundle
      MedeA-Interface Builder
      MedeA-VASP

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