Si摻雜HfO2的晶格結(jié)構(gòu)和熱學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、20世紀60年代，戈登.摩爾博士提出了著名的摩爾定律，即集成電路的特征尺寸每三年縮小0.7倍，集成度每三年增長四倍。四十年來，集成電路產(chǎn)業(yè)一直遵循該定律所預(yù)言的速度發(fā)展，CMOS器件尺寸的不斷縮小，集成度不斷提高，二氧化硅柵介質(zhì)層的厚度也需要相應(yīng)下降，但受量子隧穿效應(yīng)的影響，漏電流指數(shù)的增大將嚴重影響到傳統(tǒng)器件的使用性能。隨著半導(dǎo)體集成電路制造工藝的不斷升級，當傳統(tǒng)柵介質(zhì)材料SiO2的厚度減小到納米尺寸時，電子將因量子隧穿效應(yīng)直接穿過介

2、質(zhì)層，導(dǎo)致器件失效。為了解決這一問題，采用高介電常數(shù)(High-ε)材料來替代傳統(tǒng)的SiO2形成柵介質(zhì)層，使得在保持等效厚度的前提下增加?xùn)沤橘|(zhì)層物理厚度，從而減小漏電流指數(shù)和雜質(zhì)擴散，達到抑制隧穿效應(yīng)的目的。若欲取代SiO2成為半導(dǎo)體器件中的柵介質(zhì)，High-ε材料必須具有與SiO2/Si材料相似的品格結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，并要與當前的半導(dǎo)體制造工藝相兼容。在眾多替代的柵介質(zhì)材料中，HfO2由于具有高的電介常數(shù)(～25)，寬的能帶間隙(～5.

3、68ev)，以及與Si之間熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而倍受關(guān)注。目前，HfO2被認為是非常有潛力替代SiO2的高ε柵介質(zhì)材料。
　　 由于目前集成電路仍以Si為襯底，考慮到High-ε材料與Si的品格匹配和工藝兼容，本文采用原子模擬技術(shù)來考察以SiO2為基礎(chǔ)的High-ε材料(HfO2/SiO2)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)該材料在原子層次上的信息還比較缺少。原子模擬方法計算速度快，我們將在晶格尺寸原子層次詳細考察該材料的原子分布、局域晶格結(jié)構(gòu)和它們與熱

4、學(xué)性能的相關(guān)關(guān)系。
　　 本文用波恩核-殼模型的經(jīng)典原子模擬方法比較系統(tǒng)地研究了Hf1-xSixO2的晶格結(jié)構(gòu)和熱學(xué)性質(zhì)。計算包括晶格常數(shù)，鍵長鍵角，彈性模量，熱膨脹系數(shù)，熱容，格林文森常數(shù)，聲子態(tài)密度，德拜溫度及高溫下HfO2表面，研究它們隨溫度及摻雜濃度的變化規(guī)律，結(jié)果表明Hf1-xSixO2的晶格常數(shù)隨溫度的升高而增大，H1-xSixO2的等容熱容和熱膨脹系數(shù)度隨Si摻雜濃度的增加而降低。其中一些模擬結(jié)果與實驗值吻合較好，