Positive and negative dipole layer formation at high-k/SiO₂ interfaces simulated by classical molecular dynamics

Abstract

We show the electric dipole layer formed at a high-k/SiO2 interface can be explained by the imbalance between the migration of oxygen ions and metal cations across the high-k/SiO2 interface. Classical molecular dynamics (MD) simulations are performed for Al2O3/SiO2, MgO/SiO2, and SrO/SiO2 interfaces. The simulations qualitatively reproduce the experimentally observed flatband voltage (V FB) shifts of these systems. In the case of the Al2O3/SiO2 interface, a dipole layer is formed by the migration of oxygen ions from the Al2O3 side to the SiO2 side. By way of contrast, opposite dipole moments appear at the MgO/SiO2 and SrO/SiO2 interfaces, because of a preferential migration of metal cations from the high-k oxide toward the SiO2 layer in the course of the formation of a stable silicate phase. These results indicate that the migrations of both oxygen ions and metal cations are responsible for the formation of the dipole layer in high-k/SiO2 interfaces.

Driving force of oxygen-ion migration across high-k/SiO2 interface

“…The direction and magnitude of the built-in potential coincide with the experimentally observed shift of the flatband voltage (V FB ). 11) We also reproduced the dipole layer formation at MgO= SiO 2 and SrO=SiO 2 interfaces, 19) in which V FB shifts negatively, in contrast to the Al 2 O 3 =SiO 2 system. In these cases, the dipole layer is induced by the migration of metal cations (Mg + , Sr + ) from the high-k oxide side to the SiO 2 side, and a silicate layer is formed at these interfaces.…”

“…Figure 3 shows the in-plane average force with respect to the distance R. The force in the Al 2 O 3 =SiO 2 stack is remarkably large, which agrees well with our previous MD simulation result that O − ions in the Al 2 O 3 layer are attracted towards the SiO 2 side. 19) Therefore, this force is considered to be the driving force of O − -ion migration at the Al 2 O 3 =SiO 2 interface. Smaller forces acting in the direction of the SiO 2 side occur at MgO=SiO 2 and SrO=SiO 2 interfaces as well, but the charge migration by the O − ions is canceled by the migration of metal cations to form stable silicate phases.…”

Положительный Заряд В Кнс-Гетероструктурах С Межслойным Оксидом Кремния

“…Заметный сдвиг сток-затворных характеристик влево (рис. 5) происходит из-за захвата положительного заряда на гетерогранице диэлектрика с кремнием, хотя обычно нанесение слоя аморфного Al 2 O 3 ALD поверх SiO 2 приводит к формированию отрицательного заряда [18,19].…”

“…Заметно большее значение D it(p) объясняется тем, что инверсионный канал формируется в слое толщиной менее 0.2 мкм, т. е. пленка кремния толщиной 0.25 мкм лишь частично обеднена, и вкладом состояний на еe поверхности из-за зарядовой связи можно пренебречь. Частичное обеднение позволяет оценить заряд в диэлектрике, приведенный к гетерогранице с кремнием, как Q OX = −V FB C OX /q = 10 (1.5) • 10 11 см −2 для сапфира толщиной 70 (500) мкм, что также свидетельствует о формировании эффективного положительного заряда вместо отрицательно ориентированного диполя, как это было получено для 6 нм аморфных слоeв SiO 2 /Al 2 O 3 в расчетной работе [18]. Наблюдаемое увеличение подвижности носителей с увеличением толщины сапфира можно объяснить также увеличением давления контактов микрозондовой установки, рассчитанной на толщину пластин ∼ 500 мкм.…”

Ультратонкие Скрытые Стеки Оксидов Гафния И Алюминия В Полевых Структурах Кремний-На-Изоляторе / Попов В.П., Антонов В.А., Ильницкий М.А., Мяконьких А.В., Руденко К.В.

“…Ранее был предложен подход к уменьшению собственного заряда в high-k стеке с помощью диполей на гетерогранице между разнородными диэлектриками [3]. Нам не удалось обнаружить публикаций о поведении стеков из high-k диэлектриков в случае использования их в качестве встроенного окисла в КНИ структурах при высокотемпературных термообработках.…”