金属/高介电（HfO2）栅功函数的界面和磁性调制

The continual downscaling of CMOS devices inevitably requires not only the replacement of traditional SiO2 gate dielectric by high-K materials, but also that of polycrystalline Si gate electrodes by metal gates.The effective work function of metal gate is one of the most important parameters for metal/high-K gate, and it determines the threshold voltage of MOS devices.The technology research and theoretical research for metal gate/high-K oxide interfaces is currently one of the hot spots at home and broad. In this study, we take the metal gate electrodes (Ni,TiN) / high-K dielectric gate oxides (HfO2) as the research objects. And basing on first principles method, we calculate the work functions of gates with two types of structure as following: 1. Metal gate electrodes– interlayer - HfO2 gate oxides structure; 2. Metal gate electrodes /HfO2 gate oxides structure with interfacial point defects (such as lattice vacancy or atomic substitution). Interfacial point defects and interfacial magnetic properties and strain will be considered in the modulation of work function. The effect mechanisms of interfacial point defects and magnetic properties and strain on the work function for metal/high K gates will be revealed. This study highlights the consideration of the influences of interfacial point defects and magnetic properties and strain on interfacial atomic structure and the effective work function of the metal/high K gates. The charge modulation is combined with a new spin modulation. It will provides the theory foundation for the design and application of the optimized interfaces with controllable work functions in new CMOS devices.

CMOS器件尺寸不断变小使高介电常数（K）材料和金属栅分别代替传统的SiO2栅介质和多晶硅栅成为必然。金属栅极功函数是金属/高K栅结构中最重要的参数之一，它决定着MOS器件的阈值电压。对金属/高K介质结构的工艺技术及理论研究是当前国际研究热点之一。本项目以金属(Ni,TiN)/高K介质（HfO2）栅为研究对象，基于第一性原理方法，计算以下两种栅结构的功函数：1.金属-界面控制层-HfO2栅结构；2.金属/HfO2界面处存在点缺陷（原子空位或原子替位）的栅结构。考虑界面点缺陷、磁性和应变对功函数的调制；揭示界面点缺陷、磁性和应变对金属/高K栅功函数的影响机制。该研究突出考虑界面点缺陷、磁性和应变对界面原子结构的影响及对有效功函数的调制，将电荷调制与自旋调制相结合，为新型CMOS器件可调制功函数的优化界面的设计和应用提供理论基础。

金属-氧化物-半导体栅结构是电子器件技术的一个关键组成部分。应器件小型化要求出现了金属/高k栅极技术，它推动了MOS器件继续沿着摩尔定律缩放。但当前和未来的MOSFET发展仍然面临着挑战。其中关键问题之一是获得适当的功函数仍然很困难。本项目基于第一性原理方法，主要研究界面点缺陷、外加电场对金属/高K介电界面（Ni/HfO2、TiN/HfO2）的界面微结构、功函数的影响，探索调节功函数的方法。研究结果表明：（1）石墨烯插层提高了Ni/HfO2体系质量；界面O、C空位都可有效调制Ni/Gr/HfO2功函数。（2）Ni/HfO2功函数强烈地依赖于界面微结构。Ni替位界面Hf、界面Hf空位增大Hf-Ni界面功函数；O空位降低O-Ni界面功函数。（3）TiN/HfO2功函数强烈地依赖于界面成键，三种界面功函数大小顺序为Ti-O>Ti-O-O>N-Hf。界面处N替位O减小N-Hf界面功函数；而界面N、O空位增大其功函数。界面处N替位O减小Ti-O-O界面功函数；而界面O空位稍微增大其功函数。（4）Ni(001)、Ni(111)、Hf(001)、Hf(111)表面体系和Ni(001)/HfO2(001)、Ni(111)/HfO2(111)界面体系的功函数随外加电场强度都呈线性变化，且发现Ni(001)/HfO2(001)、Ni(111)/HfO2(111)界面功函数对外电场的响应主要由HfO2决定。（5）界面电子重新分布导致界面偶极密度发生变化，从而引起有效功函数变化。有效功函数变化量正比于界面偶极密度变化量。从态密度、费米能级移动等定性地分析和解释界面缺陷、外加电场对有效功函数的影响。结果表明控制界面原子替位、原子空位、插入界面控制层、施加外电场是调节金属/高K介质界面功函数的有效方法。. 此外，我们还研究了N表面修饰LiFePO4（010），发现N表面修饰有效降低了LiFePO4（010）表面带隙，降低锂扩散活化能。N表面修饰即原子替位，直接影响表面电子结构、功函数等。再者，研究了锂离子在石墨烯上的扩散。发现锂离子间相互作用以及Li-C相互作用都影响锂的扩散。锂浓度对石墨烯结构影响不大，但引起表面电子分布变化较大，使锂所处的势能环境发生较大变化，活化能和功函数都随之变化。这个工作可为尝试通过嵌入轻质带电离子改变界面处势能环境最终调制功函数提供一个有益的思路参考。