CMOS夹层模型Si-HfO₂-W功函数变化的研究

1. 研究背景

随着科学技术的发展，电脑CPU芯片和存储介质已经越来越微型化，因此对于制作电子器件的材料要求也越来越高。高介电常数的氧化物材料HfO₂在电子感光器件中具有很广泛的应用。近年来，一些新型的层状介电材料具有更高灵敏的金属栅门。这类金属栅门的功函数需要同nMOS和pMOS堆叠层的电子特性相吻合。本案例中，作者通过第一性原理，详细研究了功函数变化对CMOS材料的结构效应以及化学性能变化的影响。

2. 建模与计算结果

作者通过Welcome to MedeA Bundle中的Surface Builder工具分别构建了Si， HfO2和W的表面结构。再通过MedeA-Interface Builder 构建了Si-HfO₂-W的界面结构。

CMOS界面堆叠模型分别由Si(001)和W(100)两个表面构建，然后在Si和W两个表面中间创建一定的间隙，用于填充晶型HfO₂。经过在外界高温模拟的条件下，Hf和O原子逐渐发现重构，形成一定的无定型结构。最终，通过第一性原理方法，将原子位置做弛豫优化。待结构优化好后，将Si/HfO₂界面中其中一个Hf原子从界面中移除，来创建空穴结构，并弛豫剩下的其他原子。

图 1 Si-HfO₂-W界面模型（Si-黄色， Hf-蓝色， O-红色， W-蓝绿色）

作者通过MedeA-VASP 对CMOS表面做优化，并计算了化学配比的Si-HfO₂-W界面的功函数。

图 2 蓝色曲线表示垂直于界面的介电函数，红色曲线表示了平滑势能的“宏观平均”介电函数

本案例中，作者通过第一性原理量子力学计算，得出了与电子分布和原子几何结构相关的静电势等性质。在界面体系中，作者同时也考虑了Hf空穴的影响。 经过计算，Si/HfO₂界面的Hf空穴浓度为1.2个空穴每平方纳米，因此引起了金属W层功函数的增加，相比Si层，高出了500meV。这一结果可由沿着界面层堆叠方向的静电势分析获得。

图3 Si/HfO₂界面Hf空穴对Si基底相关的金属功函数影响。

3. 总结与展望

微电子器件诸如CMOS门堆叠层已经越来越趋近于微型化的设计，并能用第一性原理量子力学计算其相关电子性质。 因此，由原子尺度的界面模型结合准确第一性原理方法可以获得材料结构与化学性质相关性的重要信息，比如功函数。这样能有助于解释实验现象，并对工艺参数给出更好的指导作用。

    参考文献：

Modeling work function changes in CMOS stacks containing HfO₂ high-k dielectrics

    使用MedeA模块:  

• Welcome to MedeA Bundle

• MedeA-Interface Builder

• MedeA-VASP