tin表面电子结构及tan各相稳定性的第一性原理计算

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1、TiN表面电子结构及TaN各相稳定性的第一原理计算并测量了其功函数；K．+Kobayashi用第一原理密度泛函(DensityFunctionalTheory：DFT)方法计算了TiN晶体的晶格常数，并进一步得到了TiN(100)面的功函数【131。但对TiN模拟计算分析还较少，如不同表面的结构、功函数、表面能等的计算数据比较缺乏，难以与实验结果进行全面细致的比较。本文使用基于第一原理的密度泛函理论计算了TiN材料的功函数，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。由于在TiN的制备过程中，(111)方向为择优生长

2、方向【10】，因此我们着重分析了(111)晶面的表面电子结构：1．2扩散阻挡层材料TaN1．2．1Cu互联传统的半导体工艺是主要采用铝作为金属互联材料(inter-connect)连接集成电路中的各个晶体管，即所谓的Al互联工艺。用铝作互连金属有很大的缺点【14,15,16,17,18,19]·电迁移现象严重，电阻率偏高等。人们虽然采用了很多方法进行改进，如采用Al_si合金，Al—Si．Cu合金，但由于这些合金仍以铝为主，都没有从根本上解决问题。随着大规模集成电路(VLSI)的迅速发展，半导体器件和电路的各部分按比例缩小，性能不断

3、提高，硅片面积和集成度不断增加，都要求金属连线宽度减少，连线层数增加20。随着连线宽度的减少，连线层数增加，不仅引起连线电阻增加，电路的互连延迟时间增大，而且还会导致电流密度增加，引起电迁移和应力迁移，严重影响电路的可靠性。互连线延迟(RC延迟)取代器件门延迟成为制约IC速度进一步提高的主要因素。要减小RC延迟，其中之一就是减小互连金属的电阻，铝作为内连线材料逐渐不能适应要求。．与传统的金属互连材料Al相比，Cu的电阻率为1．6脚·cm是Al的60％【19】，匕P,A1高2个数量级的抗电迁徙性能和更高的热传导系数，即采用Cu作为互连

4、线材料可大大提高电路运算速度与可靠性，能够适应连接线越来越薄越来越细的要求，但是铜在Si及其氧化物中的扩散能力很强，很容易扩散到基底硅中，并与硅发生反应生成硅化物，而且Cu--旦进入其中即形成深能级杂质，对器件中的载流子具有很强的陷阱效应，使器件性能退化而形成漏电甚至导致集成电路失效。如果CuSi直接互连【l5。，在空气中．120。C的条件下退火120min，发现Cu已经向Si中扩散，Cu薄膜的表面变粗糙，且有化合物不规则地分布在Cu的表面，开始只在CuSi中间层形成了高阻的Cu—Si化合物，但随着扩散的不断的发生，Cu层完全被耗尽

5、，Cu-Si化合物就显露出来。由于这种化合物的存在使连线中的电流密度下降了几个数量级，而且退火的时间越长电流密度下降得也就越快，在器件的4TiN表面电子结构及TaN各相稳定性的第一原理计算源漏浅结处产生漏电流，使整个布线系统的电学性能完全失效，从而限制了铜互连线的广泛应用【l训，并且铜在热循环过程中要承受较大的热应力，且易氧化。解决的方法是在硅与铜之间镀一层扩散阻挡层以减缓铜与硅发生反应，阻挡层要求在一定高温下能有效·阻止Cu的扩散，与Cu及栅极电介质有良好的结合以及较小的接触电阻。同时在铜中加入合金元素以提高其力学性能和抗氧化能力

6、。1．2．2TaN基本结构及性质+难熔金属及其氮化物由于其良好的导电性、热稳定性等优点一直是阻挡层材料的研究热斛2¨。TaN具有很好的热稳定性，高硬度(30．8)【22】，良好的导电性[231，而且铜在单晶TaN中的扩散系数tJ、[241，是一种良好的阻挡层材料。同时TaN材料也是金属栅极的候选材料之一[25,26,27】。．实验观察至UTaN有多种结构，常态下的结构：CoSn结构【281(￡一TaN)；低温且高压下的结构：wc结构[29,301(0一TaN)；高温高压下的结构：NaCI结构【30,31,321(6一TaN)。·由于

7、TaN材料具有多种结构【331，导致了合成单晶TaN的困难【3钔，难以研究单晶TaN的性质。因此模拟计算成为研究其物理性质的重要手段。‘1．3．’第一原理简介’j1927年物理学家海特勒和伦敦完成了氢气分子的量子力学计算之后，开启了量子化学的时代，在那之后，人们便开始尝试使用量子力学理论来解释化学物质结构和化学现象。为了解决多电子体系薛定谔方程近似求解的问题，量子化学家哈特里(D·R·Hartree)在1928年提出了Hartree假设，他将每个电子看做是在其他所有电子构成的平均势场中运动的粒子，并且首先提出了迭代法的思路。哈特里根

8、据他的假设，将体系电子哈密顿算子分解为若干个单电子哈密顿算子韵简单加和，每个单电子哈密顿算子中只包含一个电子的坐标，因而体系多电子波函数可以表示为单电子波函数的简单乘积，这就是Hartree方程。但是由于哈特里没有考虑电子波函数的反对