硅表面氧吸附、擴散及硅氧團簇形成的理論研究.pdf

1、二氧化硅可作為鈍化層來保護硅的表面，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)、形成機制、化學成分以及物理性質(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)、氧化動力學和應用研究展望等方面，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)十分復雜，并與各種外界因素相關(guān)，通過實驗方法無法獲得更精確的表面微觀結(jié)構(gòu)，給實驗研究帶來了一定的困難。通過計算機模擬可以對一些實驗無法直接觀測的量進行計算，補充實驗研究的不足。因此，采用理論計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。 本論文主要是運用密度泛函理論對氧在硅表面的吸附擴散過程以及硅表面硅氧團簇的原子和電子結(jié)構(gòu)進行了初步研究。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動軌跡與系統(tǒng)能量、表面原子結(jié)構(gòu)以及擴散系數(shù)。計算結(jié)果表明，氧分子在表面的吸附過程由物理吸附、化學吸附初期、化學吸附后期和表面穩(wěn)定態(tài)四個階段組成，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致了不同的擴散路徑，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)表面硅氧團簇的結(jié)構(gòu)模型進行了優(yōu)化計算。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、硅氧團簇中的Si—O鍵既有明顯的離子鍵成分，也有一定的共價鍵成分。 最后，利用DFT理論計算了優(yōu)化后得到的Si(001)表面硅氧團簇的能帶結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)密度，同時對Si(001)2×2表面清潔結(jié)構(gòu)進行了弛豫并計算了相應的能帶結(jié)構(gòu)及電子態(tài)密度。結(jié)果表明， Si(001)清潔表面和硅氧團簇表面的表面態(tài)帶主要由靠近費米能級價帶頂和導帶底附近的表面態(tài)帶組成，并且相比Si(001)清潔表面的表面態(tài)峰，硅氧團簇表面的表面態(tài)峰大大降低，表面活