Многоуровневое моделирование физико-химических процессов на межфазных границах в системах металл - оксид - полупроводник

• Автор: Гавриков, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1Л. Принципы работы полевых транзисторов
1.2. Описание использованных методов и подходов
Теория функционала плотности
Поиск переходного состояния: метод упругой ленты
Метод молекулярной динамики
Расчет электрических свойств контакта
Глава 2. Моделирование окислительно-восстановительных процессов в пограничном слое на примере контакта РШЮг
2Л. Введение
2.2. Детали расчета
2.3. Структура и свойства пограничного слоя РГНГО
2.4. Зависимость состава пограничного слоя РГНЮг и его электрических
характеристик от парциального давления кислорода
2.5. Заключение
Глава 3. Исследование строения пограничного слоя между НЮ2 и биметаллическими
сплавами
3.1. Введение
3.2. Детали расчетов
3.3. Свойства поверхностей сплавов
3.4. Межатомные взаимодействия в пограничных слоях металл/НГОг
3.5. Структура пограничного слоя сплав/НЮг
3.6. Заключение
Глава 4. Моделирование кинетики окисления БЮ
4.1. Введение
4.2. Методы расчета
4.3. Элементарные реакции окисления БЮ и генерации углеродных дефектов
Диффузионный барьер для кислорода на границе Б1С/БЮг
Элементарные реакции окисления карбида кремния
4.4. Реакции пассивации углеродных дефектов
Пассивация углеродных дефектов кислородом
Пассивация углеродных дефектов с помощью N
Пассивация углеродных дефектов с помощью Нг
Кинетические ограничения пассивации углеродных дефектов
4.5. Моделирование процесса окисления БЮ(0001)
Кинетический механизм окисления БЮ(0001)
Компьютерное моделирование окисления БЮ
Результаты моделирования окисления карбида кремния
4.6. Заключение
Основные результаты и выводы
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы

Введение
Актуальность темы исследования. Основными элементами микроэлектроники являются полевые транзисторы, а МОП (металл-оксид-полупроводник) структуры - это наиболее распространенный тип полевых транзисторов. В МОП транзисторах «металлический» затвор электрически изолирован тонким слоем оксида от полупроводника. Каналом называют тонкий, прилегающий к оксиду слой полупроводника. Ток в канале управляется электрическим полем, создаваемым затвором. Рабочие характеристики МОП транзисторов сильно зависят от состояния межфазных границ «металл»/оксид и оксид/полупроводник.
С момента получения первого рабочего полевого транзистора в 1960 году [1] и до недавнего времени основным полупроводниковым материалом был кремний; затвор делался из высоколегированного поликристаллического кремния, а пленка оксида, либо оксинитрида кремния, использовалась для электрической изоляции затвора. Кремниевые технологии практически достигли своего предела, и дальнейшее развитие возможно только с использованием новых материалов. Для миниатюризации транзисторов необходима замена 8Юг на материал с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости, например, оксид гафния [2, 3]. Затвор из поликристаллического кремния также желательно заменить на металл с подходящей эффективной работой выхода электрона. Эффективная работа выхода для металла зависит от структуры пограничных слоев и может сильно отличаться от вакуумной работы выхода. Сочетание оксида гафния с платиновым затвором кажется весьма перспективным для р-МОП транзисторов, однако первые попытки получения таких транзисторов [4] показали, что эффективная работа выхода для платины намного меньше, чем ожидалось, и зависит от условий обработки. Возникают вопросы: как структура пограничного слоя металл/оксид влияет на положение уровня Ферми металла, и как эта структура зависит от условий обработки.
Использование полевых транзисторов в силовой электронике позволяет сильно уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. Развитие силовой электроники требует использования широкозонных полупроводников с большим, чем у кремния, напряжением пробоя. Одним из наиболее перспективных полупроводников является 4H-SiC, поскольку он сочетает в себе широкую запрещенную зону, высокую мобильность электронов и возможность получения изолирующей пленки Si02 путем окисления полупроводника. Однако, получить на практике полевой транзистор со свойствами, близкими к теоретически ожидаемым, до сих пор не удается. Мобильность электронов в проводящем канале оказалась слишком низкой, что объясняется наличием структурных и электронных дефектов на границе раздела полупроводник/диэлектрик.
Разработка многоуровневых методов предсказательного моделирования способствует лучшему пониманию физико-химических процессов, протекающих в пограничных областях. Ab initio моделирование — это эффективный инструмент для исследования зависимости свойств контактного слоя от его состава и строения [5]. Этим методом было показано, что такие свойства, как адгезия [6, 7] и отступы зон [8, 9], сильно зависят от химического состава пограничной области. Комбинация ab initio с термодинамическим/кинетическим подходом позволяет оценить равновесное/не равновесное строение пограничных слоев и помочь, таким образом, оптимизации условий производства.
Целями настоящей работы являлись: (1) разработка методики
многоуровневого моделирования строения и свойств пограничных слоев, характерных для МОП-структур; (2) изучение термодинамики и кинетики химических реакций, протекающих на межфазных границах; (3) анализ электрических свойств таких границ. В соответствии с целями диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
1) Исследовать строение и свойства пограничного слоя для контакта Pt/Hf02 и их зависимость от условий получения;

слое 1Ч/НЮ2 кислород связан сильнее, чем на поверхности Рь( 111) с концентрацией кислорода 0.25 МС-О, но дальнейшее окисление 0.75 МС-О пограничного слоя - процесс эндотермический.
Таблица 2.4. Энергия окисления пограничных слоев Р1/НЮ2 с различным содержанием кислорода.
Реакция ЬБА АЕ, ЭОА ДЕ,
кДж/моль кДж/моль
(.. .Ш/Оо/РГ..) + Ор, (...Ш70,/Рц..) -173.7 -164.
(...НРСД/РГ..) + Ор, -» (...НЮ2/РГ..) -77.2 -106.
(.. .Ш/02/Р1...) + 0Р, (...НЮ3/РГ..) -86.8 -115.
(...Ш703/РГ..) + 0Р, -> (...ШЮ4/РГ..) 86.8 77.
Используя эти энергии окисления и энергию Гиббса адсорбции кислорода на поверхности платины АС^(Оп), согласно уравнению (2.7), была установлена зависимость равновесного состава пограничного слоя РГНЮ2 от химического потенциала кислорода /л{0) = 1/2С(02),

= р(,02) ехр
= ехр Г ае;+лоиоп)~ {М(0)-1/2С°(02))']
1 кт) V КТ )
(2.10)
где вп это доля ячеек поверхности содержащих п атомов кислорода (^0„ =1),
а химический потенциал кислорода зависит от парциального давления 02 согласно соотношению М(0) = Х/Ю0 (02) +1/2 КТп(р(02)). Полученная зависимость состава пограничного слоя от парциального давления кислорода при температуре 500°С представлена на Рис. 6.