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研究生:蘇凱榮
研究生(外文):Su, Kai Jung
論文名稱:以第一原理研究矽晶體中摻雜原子之沉澱特性
論文名稱(外文):First-principle studies of dopant precipitation in crystalline silicon
指導教授:洪冠明洪冠明引用關係
指導教授(外文):Hung, Kuan Ming
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:第一原理密度泛函理論摻雜原子沉澱
外文關鍵詞:first principledensity functional theorydopant precipitation
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由於金屬氧化物半導體場效應電晶體尺寸微縮的需求,在製程上面臨降低超淺接面與片電阻的挑戰,為了克服此技術瓶頸,可利用先進的離子佈植與高溫快速熱退火製程提升基板內的摻雜量,但這同時也造成暫態增強擴散與去活化作用,其導因乃與摻雜原子的聚集和沉澱有關。本研究利用第一原理方法,以密度泛函理論探討不同摻雜條件下矽晶體的系統能量與結構變化,其中交換關聯能量泛函採用了GGA近似,並以USPP贗勢法進行能量計算。本研究針對n-type與p-type矽晶體摻雜元素,在不同摻雜量條件下,探討系統總能量、形成能與電子分布變化,藉由研究數據結果,可得知晶體系統在最低能量態的形式,以及瞭解超高濃度重摻雜條件下形成原子聚集與沉澱的可能性,其研究成果可做為矽晶圓超重摻雜製程上的理論參考依據。
According to the scaling requirements in complementary metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), ultrashallow junctions (USJs) and low sheet resistance have become the challenges in the process of MOSFETs. The increase of the dopants in the substrate is unavoidable. However, high-dose implants probably causes transient enhanced diffusion (TED) and electrical deactivation during post implantation treatments, such as thermal annealing. It has been predicted that the presence of clusters or precipitation deactivates the dopants. This work presents the first-principle studies of the energies and structures against the different doping mode in bulk silicon. The exchange-correlation energy functional is considered by using the generalized gradient approximation (GGA), and the ultrasoft pseudopotential (USPP) method is applied. The total energy and electron distribution of n-type and p-type dopants in bulk silicon are calculated under different concentration conditions. The minimum-energy configurations suggest the possible structures for dopants in bulk Si. The results would be useful for nano-scale MOSFET structure design.
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
符號說明 x
第一章 緒論 1
1.1. 超淺接面在MOSFETs發展的重要性 1
1.2. 形成超淺接面的製程技術與效應 1
1.3. 超淺接面中摻雜原子沉澱的探討 2
1.4. 本文架構 2
第二章 理論 4
2.1. 多電子系統的理論計算 4
2.1.1. Born-Oppenheimer近似 5
2.1.2. Hartree近似 5
2.1.3. Hartree-Fock近似 6
2.2. 密度泛函理論 7
2.2.1. Hohenberg-Kohn理論 7
2.2.2. Kohn-Sham方程 9
2.2.3. 局域密度近似(LDA) 9
2.2.4. 廣義的梯度近似(GGA) 10
2.2.5. 週期性系統 11
2.2.6. 贗勢 13
第三章 晶體模型結構與計算方法 16
3.1. 建構晶體的原子模型 16
3.1.1. 純矽晶體塊材的原子模型結構 16
3.1.2. 矽晶體加入摻雜的原子模型結構 17
3.1.3. 單一原子的模型結構 19
3.1.4. 形成能的計算 20
3.2. 工具程式的參數設定與計算方法 20
3.2.1. Perdew Burke Ernzerhof (PBE) 21
3.2.2. 超軟贗勢(USPP) 21
3.2.3. 計算流程 21
3.2.4. 收斂性測試 22
第四章 數值計算結果 24
4.1. 純矽材料 24
4.2. p-type摻雜原子 24
4.2.1. 摻雜硼原子的能量與結構變化 24
4.2.2. 摻雜鋁原子的能量與結構變化 32
4.3. n-type摻雜原子 41
4.3.1. 摻雜磷原子的能量與結構變化 41
4.3.2. 摻雜砷原子的能量與結構變化 50
4.3.3. 摻雜銻原子的能量與結構變化 57
4.4. 數值結果分析 65
4.4.1. 系統總能量與形成能 65
4.4.2. 原子鍵結長度與位移 67
第五章 結論 69
5.1. 研究結果討論 69
5.2. 未來研究建議 69
參考文獻 70
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