Pt/HfO2堆叠结构电子功函数调控的第一性原理研究

摘要

金属栅极材料的电子功函数是设计金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的一个重要指标。在MOSFETs的应用中，要求n和p沟道器件的金属栅极材料的功函数值分别对应于硅基底能带中的导带底和价带顶。尽管一些金属材料满足这一条件，然而当其与高k介质接触后，由于界面处存在晶格失配应变、界面偶极子、栅介质材料体缺陷和费米能级钉扎等效应，导致其功函数值发生偏移，从而使得真空功函数(Ф)与有效功函数(Φeff)不相等。因此，如何调控金属栅极材料的功函数仍然是MOSFETs设计领域的一个重要课题。本论文选取了金属栅/高k栅介质MOSFETs中常见的堆叠结构—Pt/HfO2异质结作为研究对象，采用第一性原理计算的方法，对Pt金属栅极功函数的应变调控和Pt/HfO2界面有效功函数的金属元素掺杂调控效应两方面进行了系统的研究，主要内容如下：
　　1.首先研究了Pt金属栅表面功函数Ф对不同应变状态的响应：压应变导致Ф增加，而拉应变则使Ф减少。功函数随应变加载的角度变化表示出明显的各向异性，即单轴加载对Pt栅极Ф影响最小，双轴加载则使Ф变化最大。通过分析电荷密度二次分布，发现功函数对应变状态响应的不同起源于Pt表面和体内电子结构对应变响应的差异。我们进一步采用自由电子理论，得到一个简单的块体势和表面偶极子与应变的关系，从而得出一个应变与功函数的标准关系。该关系对Cu、Ni和Au等栅极材料均适用，可用作金属栅极材料的选取标准。
　　2.通过建立最佳Pt/HfO2堆叠结构的原子模型，我们研究了不同元素类型、原子浓度和掺杂位置等对界面有效功函数Φeff的影响。首先，由于Pt栅极与高k材料HfO2之间会形成界面效应，使得Φeff偏离原来的Φ，而Pt/HfO2界面偶极矩主要是由近邻界面处原子层得失电子造成的，从而导致Φeff发生变化。我们通过计算界面电荷转移形成的偶极矩，得到了计算有效功函数Φeff的正确方法。接下来，我们研究了金属元素界面掺杂调控有效功函数的几种典型情况：一、将金属铝元素掺杂于界面不同位置，发现掺杂于界面Hf原子位置会使Φeff减小，而掺杂于氧、Pt以及界面间隙位置则会增大Φeff；二、不同浓度的金属元素掺杂于界面Hf位置，如Al、Ni元素，体系形成能会随掺杂浓度增大而增加，而界面Φeff大致随掺杂浓度增加逐渐减小；三、通过将Al、Ni、Ti、Ta等电负性大小不同的金属元素掺杂于界面Hf原子位置，计算结果表明Φeff随掺杂金属元素电负性增大表现为逐渐减小的趋势。上述有效功函数调控方法为设计高性能的高k/金属栅MOSFETs提供了理论依据。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 金属材料的功函数研究概况

1.3 金属栅极功函数调控研究进展

1.4 本文的研究目的、意义和研究内容

第2章 理论方法

2.1 密度泛函理论

2.2 投影缀加平面波方法

2.3 VASP软件包简介

2.4 Materials Studio软件简介

第3章 Pt表面功函数的应变调控

3.1 引言

3.2 Pt(100)表面模型与计算方法

3.3 计算结果及讨论

3.4 小结

第4章 Pt/HfO2界面有效功函数对金属原子掺杂的响应

4.1 引言

4.2 Pt/HfO2界面模型与计算方法

4.3 计算结果与讨论

4.4 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已公开发表的论文