高k栅介质/金属栅堆叠结构等效功函数的应变调控

High-k/metal gate stack, a substituent for SiO2/polycrystalline-Si stack, has been recognized recently as an indispensable part for emerging class of the "high-k" microelectronic devices. The effective-work-function is one of the most important indexes driving the design of high-k/metal gate stacks. Here the work function depends strongly on the interface characteristics, and can be modified by the strain engineering, i.e., utilization of point defects occurring within the strained crystal. Thus, the effective-work-function engineering by strain is considered an effective method to improve the performance of high-k/metal gate MOSFETs. Unfortunately, the relationship between the effective-work-function and strain can hardly be derived from experimental results, and until now no theoretical reports have addressed this issue. In order to explore the mechanism of the effective-work-function tuning with strain in high-k/metal gate stacks, we will employ the first principles thermodynamics, i.e., we combine the conventional density functional theory results with thermodynamics, to calculate the atomic and electronic structure of stack interface, and analyze the origin of Schottky barrier heights and Fermi level pinning effect etc. Simulataneously, we will perform the effective-work-function measurements on the strained high-k/metal gate stack by Kelvin probe technology and etc., to probe into the relationship between the effective-work-function, crystal strain and the interfacial oxygen coverage within the varying parameters of thermal treatment. Our proposal will provide an essential theoretical perspective to forecast the effective-work-function tuning with strain in high-k/metal gate stacks.

高k栅介质/金属栅将取代传统SiO2/多晶硅栅，成为新一代CMOS器件的必需结构之一。有效功函数作为设计金属栅的主要指标，与该结构的界面特征密切相关。应变工程可以改变金属栅的界面结构，诱导晶格应变和产生缺陷等，从而达到调控有效功函数的目的。目前，人们依靠实验手段无法准确建立应变与有效功函数的关系，如何方便有效地揭示有效功函数的应变调控规律已成为学术界及工程界关注的重要问题。本申请项目拟采用第一性原理结合热力学计算的方法研究不同退火工艺下高k栅介质/金属栅连接的有效电子功函数，分析界面原子和电子结构，寻找各类物理问题(肖脱基势垒高度、费米能级钉扎等)的根源。同时佐以实验测量证据，建立起高k栅介质/金属栅有效电子功函数-界面应变/氧浓度-工艺参数(温度和氧压等)三者之间的关系，从而为设计新一代节能高效高k栅介质/金属栅晶体管的栅极材料提供理论依据。

功函数是设计新一代CMOS器件的重要指标之一，即要求n和p型器件栅极的功函数分别对齐于衬底的导带底和价带顶。由于晶格应变和界面缺陷等存在，栅极结构尚不能很好地满足该要求。如何有效地获得功函数调控和能带匹配等规律，需要从理论上揭示该堆叠结构的物理机制。此外，二维MoS2材料已成为新型薄膜晶体管的首选沟道材料，有望克服短沟道效应和漏电流等传统问题，但如何将其设计成p型晶体管则需要理解其功函数特性。本项目采用第一性原理结合连续介质力学的方法，选取典型的金属栅、高k介质、MoS2薄膜及其堆叠结构为对象，研究其电子功函数Ф调控和费米能级钉扎等物理问题，建立了电子功函数与应变及缺陷等界面特征间的关系。主要内容如下：.(a) 研究了铂金属栅表面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。通过分析块体势和表面偶极子得出一个应变与功函数的标准关系。该关系具有普适性，可作为选取金属栅极材料的准则。(b) Pt/HfO2界面等效功函数的掺杂效应表现为：氮掺杂使等效功函数增加，并随掺杂浓度的提高而渐趋增大，调控效果在界面处最为显著这说明氮原子掺杂能有效提高等效功函数，使得器件p型特征愈明显；将多种金属元素替位式及间隙式掺杂于铪位，等效功函数会随掺杂元素电负性增大逐渐减小。这为等效功函数的调控工艺提供了依据。(c) MoS2薄膜的带隙和功函数均与原子层和层间距相关。在等向均匀拉伸作用下，不同形态的薄膜带隙会变窄，而法向应变对其没有影响；硫原子相对钼原子更易形成空位，其功函数会随硫空位浓度增加而增加，而在空位上吸附氧则能使功函数下降；利用连续介质理论可得到带缺陷薄膜有效质量等的空间分布，发现孔边界上应力集中会引起迁移率下降，在与外力平行的边界上变化最为显著，引入刚性核则可缓解该性能恶化现象；金属栅/MoS2界面上存在一定范围的费米钉扎，当缺陷引入后费米钉扎效应则会愈加明显。这为高效MoS2晶体管提供了设计依据。(d) 首次发现MoS2纳米片具有疏水性能，其极端变形条件、温度和酸碱等条件下表现出鲁棒性；研发了一种新型超疏水超亲油MoS2纳米片海绵，并成功搭载在新研发的油水分离与污水净化装置上。