高介电电子材料Hf02合金的热学性质模拟

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1、毕业设计（论文）高介电电子材料Hf02合金的热学性质模拟 学 生 姓 名 xxx 学 号 07080401 专 业 班 级 高新材料基地二班指 导 教 师 xxxx 提 交 日 期 xxxxx 材料科学与工程学院51摘 要主本文首先通过计算机模拟所得到HfO2氧化物合金材料的局域晶格结构和HfO2氧化物合金材料的原子振动情况。根据原子间相互作用力等微观信息了解多原子体系的结构和性质等，采用分子动力学方法，就是数值地分析求解多体系统的确定性运动方程，并根据对所求结果进行统计处理决定粒子的轨迹，从而统计出HfO2在不同温度下融化表面原子发生的运动变化，初步画出加入不同温度，加热不同时间后，晶格八个

2、层面上的原子的均方位移情况，并绘制出关系图，再通过比较得出系统的曲线对比结论。关键词：扩散，振动，表面结构，分子动力学模拟Abstract The paper first received by computer simulation of HfO2 - SiO2 oxide alloy material of local grid structure and HfO2 - SiO2 oxide alloy material of atomic vibration condition. According to the atomic interaction force more micro i

3、nformation about such structures and properties of the atomic system, using the molecular dynamics method, the numerical solution is to analyze the uncertainty of multi-body system, and according to the motion equation of statistical processing results of particle trajectories, Thus statistics a HfO

4、2 - SiO2 at various temperatures melt surface atomic happen movement change, preliminary draw to join different temperature, heating different time, the lattice eight level of atoms, and both azimuth shift mapped relation graph, again through comparison of the curve that system conclusions. KEY WORD

5、S: Diffusion，vibration, Surface structure, Molecular dynamics simulation目 录摘 要1Abstract2目 录3第1章 绪论41.1 课题研究背景41.2 课题的研究目的及研究内容51.2.1 研究目的51.2.2 研究内容5第2章 原子模拟方法简介62.1 原子模拟方法62.2. 晶体模拟中的基本原理72.3 计算晶格能的方法102.4 动态模拟142.5 计算程序152.6 原子模拟成果举例15第3章 分子动力学简介与GULP软件163.1 分子动力学简介163.2 分子动力学（Molecular Dynamics,简

6、称MD）方法163.2.1 引言163.3 分子动力学基础知识183.3.1 基本理论183.3.2 原子间相互作用势213.4 分子动力学在材料科学中的应用223.4.1分子动力学的概述223.4.2分子动力学的适用范围223.4.3分子动力学的应用233.4.4分子动力学的最新进展253.5 Gulp软件在分子动力学模拟中的应用253.6 运用GULP软件进行均方位移(MSD)数据分析27第4章 模拟结果分析与讨论284.1.均方位移(MSD)分析324.1.1均方位移MSD324.1.2 A(110)面原子在不同温度下运动方式随时间推移的变化曲线33参考文献37外文翻译39中文翻译48致

7、 谢54第1章 绪论1.1 课题研究背景随着半导体集成电路制造工艺的不断升级1,2，当传统栅介质材料SiO2的厚度减小到纳米尺寸时，电子将因量子隧穿效应直接穿过介质层，导致器件失效。为了解决这一问题，采用高介电常数（High-k）的材料来替代SiO2形成栅介质层是一个重要的技术途径。若欲取代SiO2成为半导体器件中的栅介质，High-k材料必须具有与SiO2/Si系统相似的晶格和电子性质，并要与当前的半导体制造工艺相兼容。介电值材料常以High-k称呼之，主要功能是用来隔绝闸极的漏电流，High-k意指高介电常数，是用以衡量一种材料能储存多少电荷。High-k材料，当k值越高，晶体管的电容值也

8、越高，也就能降低晶体管温度，控制漏电流，且High-k介电值厚度是二氧化矽之数倍，能够有效降低漏电流达100倍3Yw9D S m6d8VKa#。High-k制程在半导体业界并不是新发现，只是制程的应用在2007年才逐渐成熟，Intel和IBM在2007年1月相继发表45nm时代的实用化时程，也就是所谓的High-k/metal gate材料技术。Intel已在Penryn的芯片上，应用High k/ Metal Gat未来将扩往32nm线宽的晶体管IC。而IBM也成功应用High k/ Metal Gat在32nm的SRAM芯片。总体而言，High-k材料的实验研究侧重于继续寻找新的氧化物或氧

9、化物“合金”，寻求更好的电学性能和制备/生长工艺；理论研究多侧重于利用第一性原理探讨原子分布和电子性质。但实验研究往往难以得到原子层次上的细节，而第一性原理计算量太大只能处理较小的体系（不多于200个原子）。由于目前集成电路仍以Si为衬底，考虑到High-k材料与Si的晶格匹配和工艺兼容，我们拟采用原子模拟技术来考察以SiO2为基础的High-k材料（HfO2/SiO2），调研发现该材料在原子层次上的信息还比较缺少。原子模拟方法计算速度快，我们将在晶格尺寸原子层次上在较大体系（几千到几万个原子）的基础上详细考察该材料的原子分布、局域晶格结构和它们与介电性能的相关关系。1.2 课题的研究目的及研

10、究内容1.2.1 研究目的1. 给出HfO2氧化物合金材料的局域晶格结构；采用分子动力学的模拟方法研究加热下HfO2纳米团簇的熔化与扩散行为，主要采用的统计方法有Z方向的概率分布函数、径向分布函数、结构有序参数、X射线衍射强度、均方差或均方位移。采用C语言编写了相关的程序用于统计HfO2纳米团簇的模拟数据。2. 得到HfO2氧化物合金材料的原子振动情况。着重研究原子由于热运动将偏离其理想晶格位置，该位移的均方根随时间的变化可以反映出原子在做振动还是扩散运动。原子团簇在加热初期，其均方根位移几乎不随时间增长而增大，说明原子处于振动态；而到了后期其均方根位移随时间增长持续增大，说明该原子进行了扩散

11、运动。1.2.2 研究内容1. HfO2氧化物合金材料的局域晶格结构随温度压力等变化，随着熔化时间的增加，原子团簇中原子的位移距离发生了很明显的变化，在加热条件下原子运动的无序化程度随着时间增加而不断地变大。2. HfO2氧化物合金材料的原子振动随温度的变化，主要根据原子间相互作用力等微观信息了解多原子体系的结构和性质等，所采用的都是基于统计理论的数学解析法。采用分子动力学方法，就是数值地分析求解多体系统的确定性运动方程，并根据对所求结果进行统计处理决定粒子的轨迹，从而给出物性预测和微观结构信息的一种模拟方法，统计出表面原子在不同温度下运动轨迹随时间变化而发生的振动或者扩散现象。第2章 原子模