TiN表面电子结构及TaN各相稳定性的第一性原理计算

摘要

过渡族金属氮化物由于具有高强度、高硬度、耐高温，耐磨损以及良好的导电性、导热性等一系列优点，并可通过化学气相沉积(CVD)，物理气相沉积(PVD)原子层沉积(ALD)等方法制备，与硅器件工艺兼容，可以被广泛的应用于微电子工艺中等，从而引起了广泛的关注。TiN，TaN便是其中重要的两种材料。 TiN由于其功函数大约在4.5电子伏特左右，与硅的功函数接近，从而是一种很好的金属栅极候选材料而被广泛研究，但对TiN不同表面的功函数、表面能等性质进行全面的计算分析还较少见到。作为可能出现的情况本文使用基于第一原理的密度泛函理论计算了TiN材料各个表面(100面、110面、111-N面、110-Ti面)的功函数，态密度，分波态密度，表面能，并与体相材料的相应数据作了比较。分析了在钨表面生长TiN择优取向为(111)面的原因，并得到了在SiO2和HfO2基底上生长的TiN薄膜可能是(111)面Ti端面的结论。由于在TiN的制备过程中，(111)方向为择优生长方向，因此着重分析了(111)晶面的表面电子结构。计算得到的晶格常数与试验值吻合的很好。计算结果表明在各个表面中111-Ti面的功函数与试验值最接近，而其他表面的功函数与试验值都有较大的差距。各个表面的表面能从小到大顺序为：100<110<111-N<111-Ti，各个表面都是导体，其中111-Ti面的导电性最强。 本文第二部分又采用第一原理于的密度泛函理论计算了扩散阻挡层材料的TaN材料各个相的晶体结构和电子结构，分析比较了不同相的稳定性。计算表明六角密堆结构由于在费米能级附近有赝隙的存在，要比立方结构更稳定℃oSn结构是所有结构中的基态。WC结构有最大的弹性模量。所有的结构都是导电的，其中NaCl结构的导电性最强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1金属栅极材料TiN

1.1.1传统金属氧化物半导体管

1.1.2高介电常数金属栅极晶体管

1.1.3氮化钛基本结构及性质

1.2扩散阻挡层材料TaN

1.2.1 Cu互联

1.2.2 TaN基本结构及性质

1.3第一原理简介

1.4本论文的研究工作

第二章 密度泛函理论及其在计算机上的实现

2.1绝热近似

2.2哈特利-福克近似

2.3 Thomas-Fermi模型

2.4 Hohenberg-Kohn定理

2.5 Kohn-Sham方程

2.6 Hohenberg-Kohn变分

2.7局域密度近似

2.8广义梯度近似

2.9布洛赫定理

2.10能带结构与态密度

2.11常用计算软件

第三章 TiN表面的电子结构和表面能的第一原理计算

3.1计算模型

3.2计算结果和讨论

3.2.1晶格常数和表面能

3.2.2功函数与电子结构

第四章 TaN材料相稳定及各个相的晶体结构和电子结构

4.1计算模型

4.2计算结果与讨论

4.2.1晶体结构和相稳定

4.2.2能带结构和态密度

4.2.3电子密度图

第五章 总结

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢