Si-SiO2界面結(jié)構(gòu)模型仿真及應用研究.pdf

1、Si/SiO2結(jié)構(gòu)是組成硅基器件和電路的最重要的部分之一,對其性能有著至關(guān)重要的影響。在納米尺度下,一方面Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)中的過渡區(qū)對界面特性的影響越來越顯著,界面缺陷的存在會導致柵介質(zhì)可靠性和器件性能下降,對 Si/SiO2界面質(zhì)量的要求越來越高,另一方面僅僅通過實驗方法很難準確全面地對界面結(jié)構(gòu)及缺陷進行研究,仿真計算已逐漸成為研究Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)的必要手段。因此有必要研究并建立Si/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型,通過仿真計算

2、從原子尺度上更深入地研究Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)中過渡區(qū)的特性及界面缺陷對電學、光學特性的影響。
　　本文梳理了國內(nèi)外在Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)方面的主要實驗及仿真研究成果,并從Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)的實驗研究以及Si/SiO2界面的原子結(jié)構(gòu)建模及特性仿真等方面,對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行總結(jié)歸納。針對Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)的仿真研究中的不足,本文采用第一性原理仿真計算方法主要進行了以下工作:
　　1)首先研究了Si/SiO2界面原子

3、結(jié)構(gòu)的建模方法,為仿真計算建立合適的模型。從Si的結(jié)構(gòu)特性、SiO2的結(jié)構(gòu)特性和Si/SiO2界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特性入手,梳理歸納了Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)中的缺陷結(jié)構(gòu)及其特點,討論分析了現(xiàn)有建模方法的優(yōu)缺點,并結(jié)合對Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)的自身特點,研究了硅-二氧化硅界面原子結(jié)構(gòu)模型的建立方法,實現(xiàn)了模型中建立界面過渡區(qū)及缺陷結(jié)構(gòu)的方法,并針對界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)及主要界面缺陷結(jié)構(gòu)的情況,建立了多種不同的Si/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型。

4、>　　2)為了提高仿真計算的精度,對Si晶體的特性仿真計算中的參數(shù)進行了優(yōu)化與選取研究。從總能量、能帶及態(tài)密度的角度,分別對交換相關(guān)勢能的近似、截斷能、倒易空間的K點以及幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)進行了優(yōu)化。
　　3)Si/SiO2界面過渡區(qū)的建模及特性研究。針對了界面過渡區(qū)的亞氧化硅結(jié)構(gòu),建立了Si(100)/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型,并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特性進行了研究,得出過渡區(qū)的厚度約為6?,過渡區(qū)中亞氧化硅的 Si-

5、O鍵長、Si-O-Si鍵角和O-Si-O鍵角平均值均比SiO2中的相應值小,同時Si1+、Si2+和Si3+呈現(xiàn)出不同的位置分布。
　　4)Si/SiO2界面結(jié)構(gòu)的介電特性、光學特性及缺陷的影響研究。為了研究界面缺陷的影響,針對不同位置及方向的界面懸掛鍵缺陷,分別建立了有橫向懸掛鍵、縱向懸掛鍵和Pb0缺陷的Si/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型,同時考慮了氫退火工藝對懸掛鍵的飽和作用,分別建立了氫飽和界面橫向懸掛鍵和縱向懸掛鍵的模型。經(jīng)過

6、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,采用 CASTEP計算模型的介電特性和光學特性,通過比較有界面缺陷和無界面缺陷的Si/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型的仿真計算結(jié)果,分析了不同界面缺陷對介電函數(shù)和吸收光譜的影響,得出:在介電函數(shù)方面,橫向懸掛鍵、縱向懸掛鍵及Pb0缺陷均會導致波長大于800nm的介電函數(shù)實部和虛部增大,而且通過用氫原子飽和懸掛鍵可以基本消除其對介電特性的影響,其形成原因可能是這些缺陷的存在會引起缺陷周圍的電極化率增大;在光吸收系數(shù)方面,橫向懸掛鍵、

7、縱向懸掛鍵及Pb0缺陷均會導致波長在300nm~1000nm的光吸收系數(shù)增大,同時Pb0缺陷會使200nm~300nm波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)減小,通過用氫原子飽和懸掛鍵可以基本消除其對300nm~1000nm波段吸收系數(shù)的影響,其形成原因可能是缺陷存在會引入缺陷能級,不同缺陷能級的出現(xiàn)從而使對應波段的吸收系數(shù)發(fā)生變化。
　　本文重點研究了Si/SiO2界面原子結(jié)構(gòu)模型的建立方法,對仿真計算中的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化與選取,并通過第一性原