In this research, the amorphous phase of $HfSiO_4$ is generated using the molecular dynamics simulation based on the first-principles calculations, and the atomic and electonic structures are investigated. The local bonding structures of the O atoms can be classified as the $SiO_2$-like, mixed, and $HfO_2$-like bonds by the number of Hf and Si atoms in the neighborhood. The bond lengths of Si-O and Hf-O are about 1.66 and 2.14 $\AA$, respectively and the coordination numbers are evaluated to about 4.02, 2.66, and 6.25 for Si, O, and Hf atoms, respectively. O-vacancy in a-$HfSiO_4$ can be also categorized by the number of Hf and Si atoms near the vacancy site : the Si-related, mixed, and Hf-related defects. For the Si- and Hf-related defects, the defect levels are about 0.56 and 2.59 eV, and the formation energies are about 4.89 and 6.12 eV, espectively. From the analysis of the defect levels of O-vacancies, the threshold voltage shift mechanism in p-channel metal-oxide-semiconductor (PMOS) devices can be explained, and the Hf-related defects mainly play the critical role in that mechanism.
본 연구에서는 제일 원리 계산에 기반한 분자 동력학 시뮬레이션을 사용하여 비정질 하프늄 실리케이트를 생성해 본 후, 그에 대한 원자 구조 및 전자 구조를 살펴본다. O 원자의 국소적인 결합 구조는 그 주변에 존재하는 Hf 및 Si 원자의 개수에 따라 $SiO_2$ -유사 결합, 혼합 결합, 그리고 $HfO_2$ -유사 결합으로 나눌 수 있다. 이 때, Si-O 및 Hf-O 결합 길이(bond length)는 각각 1.66 및 2.14 $\AA$ 이며, Si, O, 및 Hf 원자의 배위수(coordination number)는 각각 4.02, 2.66, 및 6.25이다. 비정질 하프늄 실리케이트 내에 존재하는 산소 결핍 결함(oxygen vacancy) 역시 결함 주위의 Hf 및 Si 원자의 개수에 따라 나누어질 수 있으며, 이는 Si-관련 결함, 혼합 결함, 그리고 Hf-관련 결함의 세 가지로 분류된다. 이 중 Si- 및 Hf-관련 결함에 대해서, 그 결함 에너지 준위(defect level)는 각각 0.56 및 2.59 eV를 가지고, 형성 에너지(formation energy)는 각각 4.89 및 6.12 eV로 나타난다. 이러한 산소 결핍 결함의 결함 에너지 준위에 대한 분석으로부터, p-channel metal-oxide-semiconductor (PMOS)에서의 문턱 전압 이동 (threshold voltage shift) 메커니즘을 설명할 수 있으며, 여기에는 주로 Hf-관련 결함이 중요한 역할을 담당하고 있다.
