Pt-HfO2堆疊結(jié)構(gòu)電子功函數(shù)調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、金屬柵極材料的電子功函數(shù)是設(shè)計金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)的一個重要指標(biāo)。在MOSFETs的應(yīng)用中，要求n和p溝道器件的金屬柵極材料的功函數(shù)值分別對應(yīng)于硅基底能帶中的導(dǎo)帶底和價帶頂。盡管一些金屬材料滿足這一條件，然而當(dāng)其與高k介質(zhì)接觸后，由于界面處存在晶格失配應(yīng)變、界面偶極子、柵介質(zhì)材料體缺陷和費(fèi)米能級釘扎等效應(yīng)，導(dǎo)致其功函數(shù)值發(fā)生偏移，從而使得真空功函數(shù)(Ф)與有效功函數(shù)(Φeff)不相等。因此，如何調(diào)控金屬柵極材料

2、的功函數(shù)仍然是MOSFETs設(shè)計領(lǐng)域的一個重要課題。本論文選取了金屬柵/高k柵介質(zhì)MOSFETs中常見的堆疊結(jié)構(gòu)—Pt/HfO2異質(zhì)結(jié)作為研究對象，采用第一性原理計算的方法，對Pt金屬柵極功函數(shù)的應(yīng)變調(diào)控和Pt/HfO2界面有效功函數(shù)的金屬元素?fù)诫s調(diào)控效應(yīng)兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容如下：
　　1.首先研究了Pt金屬柵表面功函數(shù)Ф對不同應(yīng)變狀態(tài)的響應(yīng)：壓應(yīng)變導(dǎo)致Ф增加，而拉應(yīng)變則使Ф減少。功函數(shù)隨應(yīng)變加載的角度變化表示出明顯的

3、各向異性，即單軸加載對Pt柵極Ф影響最小，雙軸加載則使Ф變化最大。通過分析電荷密度二次分布，發(fā)現(xiàn)功函數(shù)對應(yīng)變狀態(tài)響應(yīng)的不同起源于Pt表面和體內(nèi)電子結(jié)構(gòu)對應(yīng)變響應(yīng)的差異。我們進(jìn)一步采用自由電子理論，得到一個簡單的塊體勢和表面偶極子與應(yīng)變的關(guān)系，從而得出一個應(yīng)變與功函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系。該關(guān)系對Cu、Ni和Au等柵極材料均適用，可用作金屬柵極材料的選取標(biāo)準(zhǔn)。
　　2.通過建立最佳Pt/HfO2堆疊結(jié)構(gòu)的原子模型，我們研究了不同元素類型、原子

4、濃度和摻雜位置等對界面有效功函數(shù)Φeff的影響。首先，由于Pt柵極與高k材料HfO2之間會形成界面效應(yīng)，使得Φeff偏離原來的Φ，而Pt/HfO2界面偶極矩主要是由近鄰界面處原子層得失電子造成的，從而導(dǎo)致Φeff發(fā)生變化。我們通過計算界面電荷轉(zhuǎn)移形成的偶極矩，得到了計算有效功函數(shù)Φeff的正確方法。接下來，我們研究了金屬元素界面摻雜調(diào)控有效功函數(shù)的幾種典型情況：一、將金屬鋁元素?fù)诫s于界面不同位置，發(fā)現(xiàn)摻雜于界面Hf原子位置會使Φeff減