QuantumATK原子尺度模拟的优越性:筛选用于先进工艺节点的新型互连金属

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前沿逻辑电路技术的尺寸缩减给互连堆层的尺寸和工艺整合带来了重大挑战,尤其是中道(MOL)结构。金属间距的减小导致电容增大,而金属宽度和高度的减小则增加了电阻。这种对延迟的RC寄生贡献可以抵消或大大降低改进晶体管驱动电流的获得的好处。为了缓解电阻增加的趋势,半导体制造商正在探索电阻率比铜更低的替代金属。 在DTCO(Design Technology Co-Optimization)的背景下,新的互连金属不仅能够降低MOL中的寄生负载,而且有助于集成新的尺寸缩减方案,如包埋式供电线轨(buried power rails),此时低电阻率导线对于缓解配电网络中的互连电阻损耗(IR-drop)至关重要。 本文综述了QuantumATK原子尺度模拟方案 在缩减互连堆层尺寸研究中的应用。QuantumATK能够使用严格的密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法计算金属的电子输运和电阻率。从模拟中得到的结果和见解让技术人员能够更有效地选择替代金属并集成到先进的逻辑和记忆电路工艺中。 典型的互连堆层如图1所示。 图1:典型的互连堆层 铜(Cu)的封装结构包括一层衬垫层,该衬垫层可促进金属的粘合;还包括一个阻挡层(通常为TaN),该阻挡层可防止Cu扩散到周围的电介质中,并阻止其他物质(如O2、OH–和H2O)进入互连。由于表面、缺陷和晶界的电子散射增加,铜的电阻率在与衬垫层和阻挡层的界面附近增大。随着线宽的减小,金属导电率的这种表面退化影响增大(如图2所示),并开始主导导线或通路的整体有效电阻率。此外,为防止电迁移,阻挡层材料的厚度必须保持大体恒定;而线宽减小导致更大比例的导线横截面由电阻比铜高的阻挡层材料组成,这也进一步加剧了问题。 图2:由于线宽减小而导致的金属(Cu)导电性降低 正如本文关注的GlobalFoundries(GF)和IBM在发表论文中所强调的那样,使用QuantumATK进行原子水平模拟在描述不同散射效应对电阻的影响以及寻找降低电阻的途径方面具有极其重要的意义。 使用密度泛函理论(DFT)方法获得金属纳米线的电子结构(如态密度和结合能),可以评价其结构完整性和抗电迁移能力。利用QuantumATK中具有非平衡格林函数(NEGF)的DFT模块进行电子输运模拟,获得各种尺寸和取向纳米线的电流和热流、电阻/电阻率以及不同衬垫层和阻挡层材料界面的垂直电阻。DFT+NEGF还可以用于对晶界上各种缺陷和散射产生的电阻进行估计,并获得晶界反射系数。结果表明,QuantumATK预测的电阻率趋势和晶界反射系数与实验结果相当一致。QuantumATK还可以用来分析阻挡层材料。进行DFT+NEB(nudged elastic band,一种过渡态搜索方法)计算可以获得缺陷的形成能量和活化势垒,随后用于Sentaurus过程动力学蒙特卡罗模拟,可以估计为避免金属离子扩散到介电层所需的阻挡层金属厚度。 这些方法能够对尺寸缩减后电阻比铜小的金属线材料、导体|衬垫层|阻挡层|导体界面的通路电阻较小的金属线材料进行系统的筛选和表征,并找到具有高内聚能的金属,从而避免使用扩散阻挡层。作者对作为铜替代品的各种金属(铂、铑、铱、钯、铝、钌)进行了研究并得出了一些结论。与铜[1]相比,铝由于晶界(GB)散射大、垂直通路电阻大、电迁移率大而不适合作为铜的替代导体。Pt、Rh和Ir纳米线在内聚能(即抗电迁移)方面表现出优越的性能,并且可以在无扩散阻挡层的情况下使用[2];然而,铜还是比这些金属更优越,因为铜的电阻比这些金属小(GB散射小)。由于不需要扩散阻挡层,Ru是一种很有前途的选择。作者还研究了表面缺陷造成的Ru的表面退化以及Ru/衬垫层界面的GB散射和电阻[3]。 图3: Ru作为互连堆层的新导体金属的研究:Ru电阻率与晶粒直径的函数关系 通过改变衬垫层和阻挡层材料来降低电阻是缩小互连堆层尺寸的另一种策略。计算表明,TiN是最适合Ru互连的衬垫层材料(与Ti或TaN相比)[3]。如图4所示,铜导体的阻挡层从TaN变为Ta会导致通过通路结构的垂直电阻显著降低,无论是带有Co还是Ru的衬垫层情况。这与多尺度研究一致,多尺度研究预测通过将铜导体的扩散阻挡层从TaN到Ta,通路电阻可以减少约26%,这相当于可以使3纳米技术节点的器件性能增强2%[5]。重要的是,阻挡层(Ta->TaO,Ta2O5)和衬垫层(Ru-> RuO2)材料的氧化可进一步显著增加垂直电阻,根据氧化程度和金属与金属接触面积的不同,其变化幅度可达到一个数量级[6]。 图4:互连堆层不同衬垫层材料(Co和Ru)和阻挡层材料(TaN和Ta)的研究:沿通路结构的垂直电阻 了解防止导体金属在互连堆层中扩散所需的阻挡层厚度也非常重要,因为这可以筛选阻挡层金属材料,使其在厚度较小时工作良好,从而为主要金属导体留出更多空间。一项将QuantumATK作为多尺度模拟方法一部分的研究确定了防止互连内Co扩散的TiN层的临界厚度为3纳米[7]。 虽然这一领域的大部分工作都集中在评估通路电阻上,但降低热阻同样重要。GlobalFoundries使用QuantumATK计算了块体材料Cu和Cu/TaN/Co/Cu界面的热流。结果表明,热流与电流一样受到界面散射的强烈影响[8]。用QuantumATK得到的结果可以用于大规模有限元模拟,以进一步模拟互连中的自发热。 未来,我们预计原子尺度模拟方法可以应用于更复杂的金属和材料(例如多相化合物和碳纳米管)的研究,因为半导体工业要继续寻找途径来减少先进工艺节点处上互连寄生效应的影响。   参考文献 T. Zhou, N. A. Lanzillo, P. Bhosale, D. Gall, and R. Quon, “A first-principles analysis of ballistic conductance, grain boundary scattering and vertical resistance in aluminum interconnects”, AIP […]

纳米电子器件性能的工具

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概述 直接模拟器件无疑是半导体材料的模拟非常吸引人的方向。QuantumATK中成熟的双电极器件模型(Two-probe device model)和非平衡态格林函数方法(Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF)是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。 在双电极器件模型的基础上,QuantumATK还可以使用高级的静电势模型,在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域,用于模拟FET器件。 可以直接研究的器件特性 采用QuantumATK中提供的智能化、自动化的工具可以很方便的研究: 电流-电压曲线(IVCharacteristics研究工具) 扫描源漏偏压和栅压,计算源漏电流 得到伏安特性(Ids-Vds)曲线、转移特性(Ids-Vgs)曲线 将多条电流曲线进行综合作图 从电流-电压特性分析器件性能 开关比(on/off ratio) 亚阈值斜率(subthreshold slope) 转移电导(transconductance) 漏极诱导势垒降低(DIBL) 源漏饱和电压 温度效应  计算中考虑温度对电流特性的影响 考虑电声耦合计算非弹性电流 非弹性隧道电流谱(IETS)分析 光电流模块 计算器件中光生电流和开路电压 还给出 AM1.5 太阳光谱照射的总电流 器件结构优化工具 自动完成复杂器件体系的结构优化 电子透射机理分析 透射系数(k分辨、能量分辨) Monkhorst-Pack 或 edge-to-edge zone filling 方法 k 布点,或只采样部分布里渊区来获得详细信息 谱电流 透射谱、本征值、本征透射通道 器件态密度,可投影在原子或角动量上 电压降 分子投影哈密顿量(MPSH)本征值 电流密度和透射路径 使用 LDOS 或器件态密度得到原子尺度的能带排列图 自旋电子学 计算自旋极化电流 计算磁阻 […]

QuantumATK:材料表面的建模和模拟

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概述 材料的表面态、表面化学等在拓扑绝缘体、催化等热门领域里都占据着决定性的位置。与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK 也可以用传统的 Slab 模型来描述表面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限: Slab 最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料; 由于厚度有限,Slab 中的电子容易体现出量子限制的效应; 两个表面之间、表面与界面之间存在相互影响; 很难正确的在表面方向模拟外加电场; 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。 单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型) 为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。 详细介绍参见:QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型。 使用QuantumATK研究表面体系的优势 通用、高效的计算引擎 QuantumATK 计算基于第一性原理,因此可以用于研究全新材料的各种性质,例如: 传统金属-半导体界面 高k介电材料 金属、半导体纳米线 纳米管、金属纳米管接触 原子簇 等等 QuantumATK 中使用局域基组展开方法,尤其适用于研究局域化缺陷(杂质、空位等),ATK-DFT计算引擎可以计算千原子级别的体系的性质。ATK-SemiEmpirical 则可以计算更大的体系。 NanoLab高级图形用户界面:专注于研究,更快获得结果 NanoLab 图形用户界面丰富易用的功能可以让用户专注于研究项目的科学问题,专心思考科学问题,更快的发现新材料、创建新结构,避免在数据的导入、导出、处理、作图等琐碎的问题上浪费时间。NanoLab 可以: 方便快捷的材料表面建模工具 强大的材料界面结构建模工具 最合理的界面结构优化方法 快速构建各种结构模型 内嵌晶体结构数据库 搜索在线晶体结构数据 亮点文章 路易斯酸碱化学实现二维金属硫化物的表面功能化(Nature Nanotechnology, 2016)(原文链接:doi:10.1038/nnano.2015.323) 非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型(https://arxiv.org/abs/1707.02141) 拓扑绝缘体的表面态 二维材料的边缘态   实例教程 表面结构与吸附 表面分子吸附体系建模:中文教程、英文教程 […]

单层过渡金属二硫化物边缘时间反演对称性的自发破缺

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利用密度泛函理论(DFT)和格林函数方法,文章报道了三种单层过渡金属二硫族物(TMDs)MoS2、MoTe2和WTe2 的 1T’ 相的不同边缘上存在具有非共线自旋形态的磁性边缘态。磁性态是零带隙的,伴随着时间反演对称性的自发破缺。这可能会对使用WTe2作为量子自旋霍尔绝缘体的前景产生影响。此前有报道通过应用垂直电场可以关闭1T’ TMDS的拓扑保护边缘状态【X.Qian,J.Liu,L.Fu,J.Li,Science 3461344(2014)】。本文通过完全自洽的DFT计算,证实了拓扑边态确实可以被关闭,但所研究的磁性边缘状态是强壮的,并在外加电场时保持零带隙。 模型 文章所使用的二维材料边缘模型是半无限周期的单边缘模型(只有一个边缘),因此克服了条带模型中宽度受限、两个边缘的缺点。x方向左侧的周期边界条件(PBC)、Dirichlet 边界条件(DBC)确保了周期体系和边缘部分的正确连接,x方向右侧的Neumann边界条件(NBC)则是真空静电势的最自然边界条件。z方向的DBC除了确保了模型更符合真实情况(无需周期性)之外,还允许在真空方向上增加栅极(Gate)来调控边缘态。 使用最新的QuantumATK P-2019.03 可以十分方便的计算这类Surface模型的能带结构,以研究三维周期体系的表面态或者二维周期体系的边缘态。 从下图可以看出,这种模型与纳米条带模型相比,周围电场的情况有明显的不同。 MoS2的能带和三种不同的边缘 三种不同边缘的能带 电场的影响 参考 Jelver, L., Stradi, D., Olsen, T., Stokbro, K. & Jacobsen, K. W. Spontaneous breaking of time-reversal symmetry at the edges of 1T’ monolayer transition metal dichalcogenides. Phys. Rev. B 99, 155420 (2019).(doi:10.1103/PhysRevB.99.155420;http://arxiv.org/abs/1812.09082) QuantumATK在材料表面与界面的计算中有独特的模型和方法:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/materials-interface/ DFT-NEGF材料表面计算模型、方法与应用:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/surface-negf-model/ QuantumATK P-2019.03新版发布:http://www.fermitech.com.cn/quantumatk/release-p-2019-03/ 立即试用 QuantumATK! […]

QuantumATK亮点文章:Janus 二维材料用于高效光电池器件(Nano Lett. 2018)

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之前的文章(链接)介绍了在原子尺度上模拟光电池器件时考虑温度效应的方法[1],最近这种方法又被用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件[2]。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。 这类 Janus 过渡金属二硫族化合物(TMD)是一种双侧不对称材料,跨平面的不对称性在二维材料平面的两侧产生了一个偶极,这个偶极可以多层堆叠。这样得到的“p–n结”可以用于分离在底层和顶层产生的电子(e-)和空穴(h+)载流子,载流子分别进入两侧的石墨烯电极中产生光电流。至关重要的是,石墨烯不会像金属电极一样屏蔽这种跨层的偶极。 使用 QuantumATK 的图形界面可以基于 TMD 创建堆叠Janus光电池器件。QuantumATK的第一原理DFT和DFT-NEGF 方法、光电流计算模块等可以用于计算能带、态密度、电子透射、输运通道、光电流密度等各种重要性质。文章报道的 Janus 光电池器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。此外作者还注意到,由于偶极的堆叠影响,器件在光子能量小于单层 Janus MoSSe 的带隙时也能产生光电流。作者建议也许可以使用 MoSSe Janus 层与硅薄膜结合来提高硅对低能量光子的吸收效果。作者还建议可以在光电应用领域里研究其他 Janus 二维材料(例如 CrSSe、ZrSSe 等)。 相关教程和讲座 文章中所用方法都在QuantumATK O-2018.06之后的版本实现,详见: Webinar on accurate atomistic simulations of solar-cell devices including temperature effects Tutorial on the photocurrent in a silicon p-n junction Tutorial on electron transport […]

QuantumATK亮点文章:理论计算与实验观测结合研究分子器件

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单分子器件一直是量子输运研究的前沿,如何可控的制备和测量单分子的导电性一直是实验上的巨大挑战,而基于DFT-NEGF方法的理论计算则为实验结果的解释、理解分子器件构效关系提供了有力的工具。2018年,北京大学的郭雪峰老师课题组发表的两篇文章分别报道了在不同的外加影响(电场、溶剂、温度)下分子结构变化和多个导电状态的关系。 这两项工作中的理论计算部分由中国科技大学李星星博士使用QuantumATK完成,以共同第一作者身份发表在《自然·通讯》杂志和《德国应用化学》杂志上。 《自然·通讯》[Nat. Commun. 9, 807 (2018)] 报道了基于实验研究不同溶剂、温度下的脲基嘧啶酮四重氢键二聚体的的电学多态信号, 运用理论计算揭示导致电导发生变化的本质原因是由电致氢迁移和内酰胺–内酰亚胺互变异构引起的异构化过程。相关新闻报道见北大官网:《自然•通讯》发表郭雪峰课题组在分子间作用力动力学研究中的重要进展)。 《德国应用化学》[Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018)] 报道了基于实验观测三苯基和六苯基单分子结在栅压下的双极电荷传输,运用理论计算揭示双极电荷传输特性是由于当栅极电压从负变为正时主导电子传输轨道从HOMO变为LUMO所致。新闻报道见北大官网:化学学院郭雪峰课题组在单分子场效应晶体管研究中取得重要进展)。 相关教程 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 分子器件模拟 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 Nat. Commun. 9, 807 (2018) Angew. Chem. Int. Ed. 57, 14026 (2018) 立即试用 […]

免费在线讲座:太阳能电池的精确模拟以及光电性能的温度效应

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2018年11月7日,Synopsys QuantumATK团队将举办免费在线讲座,介绍如何使用QuantumATK的最新功能Photocurrent模块在原子水平上精确模拟太阳能电池的光电流和开路电压。 温度效应是影响开路电压和光电流的重要因素,在光电流计算中要考虑温度效应必须将电声耦合考虑在内。 注册链接 点击这里注册。 主讲人 Mattias Palsgaard, PhD, QuantumATK 中光电流计算模块的开发者 Ulrik Vej-Hansen, PhD,Synopsys QuantumATK团队的应用工程师 时间 2018年11月7日,下午4:00 (注册时有两场时间可选,内容相同,可任选一场) 时长 30分钟(含答疑时间) 内容 本次讲座将介绍如何使用QuantumATK模拟太阳能电池: 如何设置光电流计算以及如何使用NanoLab图形界面分析结果。 使用新的工具配合QuantumATK中的其他方法理解器件在光照下的特性。 如何使用新工具搜索太阳能电池和发光二极管(LED)可用的新材料。 欢迎在讲座后的答疑时间提问。 参考 教程:https://docs.quantumwise.com/tutorials/photocurrent/photocurrent.html 论文:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.014026 注册链接 点击这里注册。  

QuantumATK亮点文章:研究一种极端的分子电子绝缘体

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最近 Nature[1]上发表了一项研究,提出了一种新型的分子结,这种分子结比同样尺度的真空区域更加“绝缘”。这个效应是通过设计分子实现量子相消干涉实现的,这些分子在某些能量范围里强烈的抑制电子在分子中的透射。 输运性质的计算是由哥本哈根大学的Gemma Solomon组使用QuantumATK完成的。 合成与电导的实验测量是由上海师范大学的肖胜雄、哥伦比亚大学的Colin Nukolls和Latha Venkataraman等研究组合作完成的。这类分子可能用在热电或其他电子器件中作为绝缘体。 图1. 电子透过单分子结隧穿时的波函数衰减示意图。(a)透过低导电性分子(烷链)时;(b)透过空结(即电极间是真空);(c)透过一个分子发生量子相消干涉的情况,隧穿概率非指数衰减。     参考资料 所有文中所涉及的计算方法均在QuantumATK中提供,详见以下教程: 相关的中文教程列表 英文教程 Four tutorials on molecular electronics Tutorial on studying the electron transport properties of a graphene nanoribbon with a distortion 参考文献 [1] M. H. Garner, H. Li, Y. Chen, T. A. Su, Z. Shangguan, D. W. Paley, T. Liu, F. Ng, H. […]

QuantumATK在半导体和微电子工业研究中的应用

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英特尔:铜纳米线的电子输运特性 文章(PHYSICAL REVIEW B 92, 115413 (2015))使用密度泛函理论以及密度泛函紧束缚近似模型,对直径约 1 nm 和 3 nm 的铜纳米线的不同晶向和表面端基原子的电子输运性质进行了研究。发现无论何种直径、晶向、端基原子均不影响其金属性。电子透射强烈的依赖于晶向和端基原子,沿 [110] 方向的铜纳米线透射最强。与无端面的纳米线相比,表面氧化纳米线的电子透射显著降低。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_001/ 美光:绝缘体中的金属杂质的影响与阻变存储器 文章(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117, 054504 (2015))对铜掺杂SiO2和Al2O3在热力学、动力学和电子性质方面进行了原子尺度的模拟研究,得到不同浓度(9.91×1020 cm-3和3.41×1022 cm-3)的铜掺杂下的定量结果。金属-绝缘体界面导致体系的形成能与块体相比降低大约4eV。另外,本文还介绍了Cu-Cu相互作用对降低化学势的重要性。这些概念的讨论是在关于阻变存储器(RRAM-M)局域传导路径的形成及其稳定性的背景下展开的。电子态密度以及通过这些局域路径的非平衡透射研究确认了透射增大了三个数量级。本文通过原子尺度的漂移-扩散计算,研究了这些传导路径的动力学行为。本文最后对RRAM-M的原胞进行了分子动力学模拟,试图将上述所有现象用统一的自洽的模型结合起来。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_002/ 松下:金属-有机体系的载流子注入 文章(Surface Science 600 (2006) 5080–5083)研究了单个π共轭分子吸附或夹在两个电极上的电流特性,尤其是载流子通过有机/金属界面的注入。首次使用第一性原理方法研究了分子的取向和电极材料对电流对影响:过去的电流计算都是假设分子与电极之间通过共价键连接。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_003/ 三星:金属-半导体界面接触电阻 文章(APPLIED PHYSICS LETTERS 105, 053511 (2014))使用密度泛函理论和密度泛函紧束缚近似研究了n-Si在[100]方向电阻率下限的理想金属电子结构效应。结果表明,在高掺杂浓度时,“理想金属”假设在某些情况下会失效,因此对n-Si的接触电阻下限至少低估了一个数量级。金属和半导体在横向动量空间的失配,也就是所谓的“谷过滤效应”,对使用的原胞的横向边界情况的细节非常敏感。因此在金属-半导体接触面的电子输运的原子尺度模拟,需要明确所包含的金属原子和电子结构。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_004/ 格罗方德:肖特基势垒的调制 文章使用密度泛函理论研究了肖特基势垒高度(Schottky Barrier Height)对界面形态的依赖,以及如何通过在 NiSi2/Si界面替位掺杂进行调制。使用 meta-GGA 交换相关泛函预测出相当精确的Si带隙。本文的研究表明,(n型半导体的)电子肖特基势垒高度在(001)方向显著低于(111)方向。这些结果定性上与界面形态依赖的肖特基势垒高度的实验结果一致。肖特基势垒高度能够通过 NiSi2/Si 界面替代掺杂显著降低,本文讨论了 Si 掺杂位点、杂质类型以及晶向对优化肖特基势垒高度的影响。 详细介绍:http://www.fermitech.com.cn/vnl-atk/semi_industry_005/ IBM:纳米线作为下一代晶体管互连技术的可能性 […]