HfO2晶體結構及鐵電性質產生機理.pdf

1、作為代表性的高-k材料，氧化鉿(HfO2)已被廣泛應用于微電子工業(yè)。最近采用特殊工藝制備的摻雜HfO2薄膜被發(fā)現(xiàn)具有明顯的鐵電性質。新型鐵電材料與硅基CMOS集成電路工藝良好的兼容性對于集成鐵電學的發(fā)展具有重要意義，預期將帶來鐵電存儲器研究的新突破。與鈣鈦礦型鐵電材料相比，HfO2這種新型鐵電材料具有許多優(yōu)異的性能，如單元氧化物材料，制備工藝容易控制，良好的Si基CMOS集成工藝技術兼容性，薄膜的結晶度要求低等。HfO2作為一種新型鐵電

2、材料，理解其原子尺度結構特征和鐵電性質的產生來源是HfO2廣泛應用的重要基礎。
　　為此，本論文采用第一性原理研究HfO2具有鐵電性質的結構及鐵電性產生來源。首先研究對比了HfO2單斜相(P21/c)、四方相(P42/nmc)、立方相(Fm3m)、正交相(Pbca)、正交相(Pnma)、立方相(Pa3)與具有鐵電性質的正交相(Pca21)的電子結構，結果發(fā)現(xiàn)7種相結構的價帶和導帶主要是由O的2p態(tài)、O的2s態(tài)和Hf的5d態(tài)組成，這

3、幾種態(tài)均發(fā)生了不同程度的雜化，這說明這幾種相結構相近。然后，通過類螢石結構轉換進一步對比研究了6種已知相和Pca21鐵電相的晶體結構，并在此基礎上得到所有結構轉變相對應的原子偏移量，結合晶格總能量確定了HfO2鐵電晶體結構的產生來源，發(fā)現(xiàn)Pca21鐵電相的產生來源為四方相P42/nmc或正交相Pbca。其次，分別通過berry相方法和波恩有效電荷方法對Pca21鐵電相的自發(fā)極化大小進行了計算和比較，研究結果發(fā)現(xiàn)通過berry相方法得到的

4、自發(fā)極化大小為22.07μC/cm2，與實驗測試結果符合得很好，處于10～24μC/cm2之間。其中離子貢獻和電子貢獻分別為51.78μC/cm2和29.71μC/cm2，并且離子極化貢獻主要來自于鐵電晶體結構中的第二類氧離子。此外在berry相方法計算過程中，采用四方相作為參考相得到的結果比立方相得到的結果更接近實驗值。通過波恩有效電荷方法計算的自發(fā)極化大小結果分別為65.75μC/cm2（參考相為四方相）和66.22μC/cm2（參

5、考相為立方相），計算結果約為實驗測試結果最大值的3倍，相差約45μC/cm2。最后，通過比較四方相（順電相）與鐵電相的類螢石結構結合電子結構，研究了HfO2鐵電性質產生來源，結果發(fā)現(xiàn)鐵電相晶體結構中的Hf、O的雜化效應比四方相增強，且相對于四方相，鐵電相的Hf5d、O2p和O2s態(tài)向低能移動，最強峰位移動0.45 eV，態(tài)密度峰位的移動與Hf-O之間雜化效應的增強有關，從而推測四面體中的原子軌道的雜化導致了HfO2鐵電相晶體結構的自發(fā)極