本文選題：低維材料 + 介電常數(shù)　； 參考：《吉林大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近年來(lái)，由于在諸如電、磁、光、催化、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等物理化學(xué)性能上迥異于相應(yīng)的大塊材料，納米材料引起了廣大科學(xué)家和科研工作者的密切關(guān)注和濃厚的興趣。自1954年,Takagi在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證細(xì)小的金屬納米晶體的熔化溫度低于其大塊熔化溫度以來(lái)，納米材料的各種熱力學(xué)性能和制備技術(shù)成為廣大科學(xué)家和科研工作者的研究熱點(diǎn)，而納米材料的熱穩(wěn)定性的研究也隨之深入。 由于工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用上的需要，研究者們對(duì)納米材料的性能進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)驗(yàn)證和理論研究。納米材料的一些熱力學(xué)參數(shù)是確定納米材料使用性能的重要因素，同時(shí)也是研究納米材料的熱和相穩(wěn)定性必須要考慮的因素。怎樣提高材料尤其是納米材料的熱和相穩(wěn)定性是具有非常重要意義的課題。熱和相穩(wěn)定性與相關(guān)材料的相變臨界點(diǎn)有關(guān)，包括納米晶體的熔點(diǎn)，低維聚合物、有機(jī)分子玻璃轉(zhuǎn)變溫度，鐵磁體、鐵電體納米晶體的居里轉(zhuǎn)變溫度，反鐵磁體的尼耳轉(zhuǎn)變溫度以及超導(dǎo)納米固體的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)。這些熱和相穩(wěn)定性特征關(guān)系著在實(shí)際應(yīng)用中材料的選擇和設(shè)計(jì)。熔化是材料最基本的物理性能，是確定材料熱力學(xué)穩(wěn)定性的參量之一。熔化溫度與其他的物理參數(shù)有直接關(guān)系例如激活能、結(jié)合能、玻璃轉(zhuǎn)變溫度，凝固溫度，鐵磁相變溫度及鐵電相變溫度等。因此，研究并理解納米晶體材料的熔化機(jī)制對(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)納米材料的應(yīng)用具有奠基作用。目前，通過(guò)近幾十年來(lái)的研究，無(wú)論是大塊還是納米材料的熔化理論已經(jīng)發(fā)展成熟，但納米材料的其他性能還沒(méi)有很好的理論來(lái)解釋和預(yù)測(cè)。本文中將對(duì)光電子技術(shù)和信息技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行深入探討，從而對(duì)納米器件的應(yīng)用及固態(tài)物理研究提供補(bǔ)充和支撐。 材料的光學(xué)和電學(xué)性能與其熔化性能是息息相關(guān)的，在尺寸進(jìn)入納米范圍時(shí)，光電性能也都發(fā)生明顯的變化。這些性能的改變引發(fā)了新技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，對(duì)光電設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。在眾多的光電性能中，介電常數(shù)ε是衡量材料絕緣特性的一個(gè)系數(shù)。在大塊范圍時(shí)，介電常數(shù)是一個(gè)常數(shù)，進(jìn)入納米范圍后，隨著尺寸的變化而發(fā)生改變。這個(gè)改變影響到納米器件中電子、空穴和電離雜質(zhì)之間的庫(kù)倫交互作用（電子-空穴對(duì)），此庫(kù)倫交互作用會(huì)導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的激活能的改變，會(huì)嚴(yán)重影響半導(dǎo)體設(shè)備的光吸收和傳輸性能。因此介電常數(shù)作為一個(gè)光電新材料的重要參數(shù)，研究者對(duì)它的尺寸依賴(lài)性不僅在實(shí)驗(yàn)上還在理論上都對(duì)其進(jìn)行了深入的探討和研究。 一直以來(lái)，，相變（phase-change）現(xiàn)象在工業(yè)制造、電子信息等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如器件的熱處理、相變光盤(pán)、存儲(chǔ)電池等都需要相變過(guò)程來(lái)達(dá)到所需要的器件功能。納米材料的凝固機(jī)制也成為人們研究的熱點(diǎn)。凝固首先要考慮形核，形核與結(jié)晶行為密切相關(guān)。形核速率的大小決定了晶體非晶轉(zhuǎn)變的快慢，與電子技術(shù)的應(yīng)用息息相關(guān)。因此理論預(yù)測(cè)形核速率對(duì)新材料的性能進(jìn)行驗(yàn)證其可行性，并對(duì)新型材料的創(chuàng)新提供理論基礎(chǔ)。 隨著科技的日益進(jìn)步，超大規(guī)模集成電路以不可阻擋的態(tài)勢(shì)進(jìn)入了人們的生活。隨著電子器件小型化的趨勢(shì)，集成電路的失效主要源于Cu內(nèi)連線(xiàn)的電遷移失效。為了微電子器件性能的發(fā)展并減小技術(shù)節(jié)點(diǎn)的能耗，減小芯片的線(xiàn)容勢(shì)在必行。因此，如何使介電層的介電常數(shù)持續(xù)降低是人們必然面臨的問(wèn)題。眾多研究學(xué)者在制備金屬間介電質(zhì)（IMD：Inter-Metal-Dielectric）方面做了深入的研究。其中有研究指出，三甲基色氨酸硅基的非晶含氫碳化硅薄膜的介電常數(shù)在4.2與4.9之間，可以用來(lái)做銅內(nèi)連線(xiàn)的介電層。雖然這種在非晶態(tài)碳化硅薄膜中引入孔洞的制備方法進(jìn)一步減小了介電常數(shù)值，甚至膜的電阻率隨之減小，但非晶態(tài)碳化硅的密度的降低不僅影響了介電能壘的性能，而且也使得Cu內(nèi)連線(xiàn)的穩(wěn)定性也面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，研究Cu內(nèi)連線(xiàn)的穩(wěn)定性是非常必要的，它將為新材料的選擇提供理論依據(jù)。近來(lái)，自對(duì)準(zhǔn)能壘（SAB）技術(shù)發(fā)展起來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)界面摻雜其他元素構(gòu)造一個(gè)優(yōu)異的界面環(huán)境從而阻礙了Cu內(nèi)連線(xiàn)中Cu向介電層中的擴(kuò)散，從而增強(qiáng)了Cu內(nèi)連線(xiàn)的穩(wěn)定性以及界面的結(jié)合強(qiáng)度。這項(xiàng)技術(shù)很好的解決了Cu內(nèi)連線(xiàn)的可靠性問(wèn)題并能將層間電容減小，使其滿(mǎn)足小尺寸納米器件的使用要求。對(duì)內(nèi)連線(xiàn)中的多層膜來(lái)說(shuō)，保證界面穩(wěn)定性是可靠性問(wèn)題中最為關(guān)鍵的一環(huán)，是研究者首先關(guān)注的焦點(diǎn)。 在本文中，根據(jù)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論建立了若干理論模型來(lái)預(yù)測(cè)與納米材料的使用性能有關(guān)的若干熱力學(xué)參數(shù)的尺寸和界面效應(yīng)。這些模型的計(jì)算都是運(yùn)用材料本身的物理學(xué)參數(shù)而無(wú)任何可調(diào)參數(shù)，有較強(qiáng)的普適性，既適用于僅有幾納米的材料又適用于大塊晶體,從納米材料的本質(zhì)（高的表面（內(nèi)界面）/體積比）出發(fā)，發(fā)展成簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的公式，具體內(nèi)容如下： 一、根據(jù)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論模型及已建立的熔化溫度的尺寸效應(yīng)模型研究了不同維度的納米材料的介電性能。建立了介電常數(shù)的尺寸和界面效應(yīng)模型。該模型形式簡(jiǎn)單且無(wú)任何可調(diào)參數(shù)，能預(yù)測(cè)不同物質(zhì)、不同維數(shù)的低維材料隨尺寸的變化趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)討論了低維半導(dǎo)體、有機(jī)物納米粒子、水分子以及化合物的介電常數(shù)尺寸和界面效應(yīng)。 二、為滿(mǎn)足相變存儲(chǔ)技術(shù)的需求，研究了PCM（相變存儲(chǔ)器）納米材料。根據(jù)經(jīng)典的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，建立了一個(gè)簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的模型。模型預(yù)測(cè)了非晶納米線(xiàn)的結(jié)晶激活能和非晶形核速率隨尺寸的變化規(guī)律。該模型還簡(jiǎn)單直觀(guān)的描述了結(jié)晶的過(guò)程，研究表明表面原子對(duì)其性能變化起著決定性作用。 三、根據(jù)經(jīng)典的菲克定律和阿列紐斯方程及已有的結(jié)合能的尺寸效應(yīng)，建立了臨界擴(kuò)散時(shí)間的尺寸和溫度效應(yīng)模型，對(duì)超大規(guī)模集成電路中銅內(nèi)連線(xiàn)以CuSiN多層膜作為阻擋層的失效時(shí)間，并對(duì)其厚度和失效時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行理論預(yù)測(cè)；通過(guò)材料熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)理論研究，建立了熱膨脹系數(shù)的尺寸效應(yīng)模型，同時(shí)驗(yàn)證了多層膜的熱穩(wěn)定性。理論預(yù)測(cè)的結(jié)果是CuSiN多層膜具有高的使用壽命和強(qiáng)的界面穩(wěn)定性，可以用于Cu內(nèi)連線(xiàn)的阻擋層。
[Abstract]:In recent years , due to different physical and chemical properties such as electricity , magnetism , light , catalysis , thermodynamics and kinetics , nano - materials have attracted close attention and interest from scientists and researchers . Since 1954 , Takagi has verified that the melting temperature of tiny metal nanocrystals is lower than its bulk melting temperature .

The thermal and phase stability of nano - materials is related to the critical point of phase transition of nano - materials , including melting point of nano - crystal , low - dimensional polymer , transition temperature of organic molecule , temperature of solidification , temperature of ferromagnetic transition and temperature of ferroelectric phase transition .

The optical and electrical properties of the materials are closely related to their melting properties . When the size is in the nanometer range , the photoelectric properties change obviously . In many photoelectric properties , the dielectric constant is a constant of the insulating property of the material . In the large range of photoelectric properties , the dielectric constant is a constant , which can seriously affect the light absorption and transmission performance of the semiconductor device .

The phase - change phenomenon has been widely used in the fields of industrial manufacturing , electronic information and so on , such as heat treatment of devices , phase change optical discs , storage batteries , etc .

In order to reduce the dielectric constant and the bonding strength of Cu interconnects , it is very necessary to study the stability of the interconnect in Cu . Therefore , it is very necessary to study the stability of the interconnect in Cu .

In this paper , a number of theoretical models are established to predict the size and interface effects of some thermodynamic parameters related to the use performance of nano materials according to the theory of thermodynamics and dynamics .

Firstly , the dielectric properties of nano - materials with different dimensions are studied according to the thermodynamic and dynamic theoretical models and the established size effect models of melting temperature . The size and interface effect models of dielectric constants are established . The model is simple and has no adjustable parameters . It can predict the variation trend of the low - dimensional materials with different dimensions . On this basis , the dielectric constants and interface effects of low - dimensional semiconductors , organic nano - particles , water molecules and compounds are discussed .

Second , in order to meet the needs of phase change storage technology , a simple and unified model is established according to the classical thermodynamic and dynamic model . The model predicts the change of crystal activation energy and amorphous core rate of amorphous nano - wire . The model also provides a simple and visual process of crystallization . The research shows that the surface atom plays a decisive role in the change of its performance .

Thirdly , according to the classical Fick ' s law and the Alenius equation and the existing binding energy size effect , the critical diffusion time dimension and temperature effect model are established , and the failure time of the CuSiN multilayer film is used as the barrier layer in the copper interconnects in the ultra - large scale integrated circuit , and the relation between the thickness and the failure time is predicted theoretically ;
The dimensional effect model of thermal expansion coefficient is established by material thermodynamics and dynamics theory , and the thermal stability of multilayer film is verified . The result of theoretical prediction is that the CuSiN multilayer film has high service life and strong interface stability , which can be used in the barrier layer of Cu interconnects .
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2035314