硅表面氧吸附、擴(kuò)散及硅氧團(tuán)簇形成的理論研究.pdf

1、二氧化硅可作為鈍化層來保護(hù)硅的表面，也適用于器件相互之間的隔離，還可在器件內(nèi)部形成電容器，并且SiO2/Si界面非常穩(wěn)定，具有可控的電學(xué)性能。但在一些硅基器件中，硅片表面被氧化形成的SiO2影響了硅基器件的物理性能，因而，有關(guān)硅表面氧化結(jié)構(gòu)的組織形貌、微觀結(jié)構(gòu)、形成機(jī)制、化學(xué)成分以及物理性質(zhì)等情況的研究引起了人們的極大興趣。近年來，硅表面氧化的研究工作主要集中于制備、形貌結(jié)構(gòu)、氧化動力學(xué)和應(yīng)用研究展望等方面，但精確的硅表面氧化結(jié)構(gòu)、氧在

2、硅表面的吸附擴(kuò)散過程等仍不清楚。硅表面氧化體系的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)十分復(fù)雜，并與各種外界因素相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)方法無法獲得更精確的表面微觀結(jié)構(gòu)，給實(shí)驗(yàn)研究帶來了一定的困難。通過計(jì)算機(jī)模擬可以對一些實(shí)驗(yàn)無法直接觀測的量進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)研究的不足。因此，采用理論計(jì)算深入研究硅表面的氧化結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是一種十分重要的研究方法。 本論文主要是運(yùn)用密度泛函理論對氧在硅表面的吸附擴(kuò)散過程以及硅表面硅氧團(tuán)簇的原子和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究。研究工作的主要

3、內(nèi)容和結(jié)論如下： 首先，研究了氧分子在Si(001)表面的吸附過程的運(yùn)動軌跡與系統(tǒng)能量、表面原子結(jié)構(gòu)以及擴(kuò)散系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，氧分子在表面的吸附過程由物理吸附、化學(xué)吸附初期、化學(xué)吸附后期和表面穩(wěn)定態(tài)四個(gè)階段組成，穩(wěn)定的表面吸附結(jié)構(gòu)中有Si=O雙鍵結(jié)構(gòu)，Si—O—Si表面橋位結(jié)構(gòu)以及在硅表面頂層與第二層Si原子相連的背鍵處插入的氧原子形成的Si—O—Si橋位結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形式有利于形成類似SiO2的四面體結(jié)構(gòu)。氧分子在硅表面的位

4、置和方位存在的差異導(dǎo)致了不同的擴(kuò)散路徑，形成的兩種不同的表面吸附結(jié)構(gòu)是硅表面氧化初期過程中并存的結(jié)構(gòu)。 其次，在周期性邊界條件下的k空間中，采用基于密度泛函理論的第一性原理廣義梯度近似方法(GGA)，對建立的四種可能的Si(001)表面硅氧團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。結(jié)果表明優(yōu)化后的表面結(jié)構(gòu)呈無定形狀，并且優(yōu)化后的B、C、D三種模型的表面結(jié)構(gòu)具有類似二氧化硅的四面體結(jié)構(gòu)的幾何特征。此外，通過電子局域函數(shù)圖以及密里根布居分析發(fā)現(xiàn)

5、硅氧團(tuán)簇中的Si—O鍵既有明顯的離子鍵成分，也有一定的共價(jià)鍵成分。 最后，利用DFT理論計(jì)算了優(yōu)化后得到的Si(001)表面硅氧團(tuán)簇的能帶結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)密度，同時(shí)對Si(001)2×2表面清潔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了弛豫并計(jì)算了相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)及電子態(tài)密度。結(jié)果表明， Si(001)清潔表面和硅氧團(tuán)簇表面的表面態(tài)帶主要由靠近費(fèi)米能級價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近的表面態(tài)帶組成，并且相比Si(001)清潔表面的表面態(tài)峰，硅氧團(tuán)簇表面的表面態(tài)峰大大降低，表面活