CN103853886B - 硅‑二氧化硅界面原子结构模型的建立方法 - Google Patents

硅‑二氧化硅界面原子结构模型的建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅‑二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，包括以下步骤：（1）建立硅、二氧化硅的晶胞结构模型；（2）分别建立硅、二氧化硅的超晶胞结构；（3）分别建立硅表面结构与二氧化硅表面结构；（4）利用所建立的表面结构构建层结构；（5）在层结构中添加真空层，使之成为叠层超晶胞结构；（6）在叠层超晶胞结构中添加原子结构，形成界面过渡区结构；（7）将底层和顶层原子与氢原子连接成键，使底层和顶层的原子的成键饱和；（8）结构优化，得到硅‑二氧化硅界面的原子结构模型。本发明能够建立包括衬底硅晶体结构、界面过渡区结构和二氧化硅结构在内的完整的硅‑二氧化硅界面结构，并优化了建模过程中的关键参数。

Description

硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法
技术领域
本发明属于材料界面及界面缺陷特性的仿真技术领域，具体涉及一种硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法。
背景技术
随着硅基器件的物理尺寸不断减小，栅氧厚度不断减小，硅-二氧化硅界面对器件特性的影响越来越显著。在实验方面，人们对硅-二氧化硅界面进行了大量研究，对界面的结构有了一定的了解，但仅仅通过实验很难全面清晰地了解在原子尺度下的硅-二氧化硅界面及其缺陷特性。通过仿真计算可以从原子尺度上全面清晰地了解硅-二氧化硅界面特性及其对器件特性的影响，因此仿真计算是一种必不可少的研究手段，建立合理的硅-二氧化硅界面原子结构模型是仿真计算中准确计算硅-二氧化硅界面特性的前提。
到目前为止，在硅-二氧化硅界面及其缺陷特性的仿真计算研究过程中，人们建立了不同的硅-二氧化硅界面原子结构模型。这些模型均有不足之处，主要表现为：模型中的参数优化程度不足、模型结构不够完整、没能完善考虑和有效控制模型中的界面缺陷密度。其原因是在硅-二氧化硅界面原子结构模型建立方面，尚未有提出一种完整、准确的模型建立方法。因此有必要提出一种硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，用来准确地建立硅-二氧化硅界面原子结构模型。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，并对建模过程中的关键参数进行了优化，本方法能准确建立完整的硅-二氧化硅界面原子结构模型。
本发明通过下述技术方案实现：硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，包括以下步骤：
（1）建立硅、二氧化硅的晶胞结构模型，在建立硅的晶胞结构时，需要输入的参数有：硅的晶胞参数、硅晶体所属的空间群、硅晶胞中硅原子的位置参数；在建立二氧化硅的晶胞结构时，需要输入的参数有：二氧化硅的晶胞参数、二氧化硅晶体所属的空间群、二氧化硅晶胞中硅原子的位置参数、二氧化硅晶胞中氧原子的位置参数；
（2）利用所建立的硅晶胞和二氧化硅晶胞，分别建立它们的超晶胞结构；
（3）分别对所建立的硅超晶胞结构和二氧化超晶胞结构进行切取表面结构的操作，建立硅表面结构与二氧化硅表面结构，在建立表面结构时，需要输入的参数有：所切表面结构的晶向、所切表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸；
（4）将二氧化硅表面结构堆叠在硅表面结构之上，形成层结构；
（5）沿表面结构的晶向所在方向，在层结构上方添加真空层，使之成为叠层超晶胞结构；
（6）在叠层超晶胞结构中的硅表面结构与二氧化硅表面结构之间添加硅原子和氧原子，并连接成键，形成界面过渡区的原子结构；
（7）将叠层超晶胞结构中的底层和顶层原子与氢原子连接成键，使底层和顶层的原子的成键饱和；
（8）对经过上述7个步骤所建立的原子结构模型进行结构优化，得到硅-二氧化硅界面的原子结构模型。
进一步地，所述所切取的硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSi 取为0.8nm~1.5nm。
进一步地，所述所切硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSi 为0.9nm。
进一步地，所述所切取的二氧化硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSiO2为0.8 nm ~1.3 nm。
进一步地，所述所切二氧化硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSiO2为1.1nm。
进一步地，所述层结构中的硅和二氧化硅相靠近的表面之间垂直距离T1为0.15~0.5nm。
进一步地，所述层结构中的硅和二氧化硅相靠近的表面之间垂直距离T1为0.21nm。
进一步地，所述真空层的厚度T2为1~2nm。
进一步地，所述真空层的厚度T2为1.5nm。
本发明具有的优点及有益效果为：其一，优化了建模过程中的关键参数；其二，能够建立包括衬底硅晶体结构、界面过渡区结构和二氧化硅结构在内的完整的硅-二氧化硅界面结构；其三，采用了超晶胞结构，可以更加有效地控制所建模型的大小，从而有利于更好地控制所建模型中的界面缺陷密度；其四，采用了层结构的建立方法，可以更加准确地控制所建模型中界面过渡区的厚度。
附图说明
图1是本发明的硅晶体的晶胞结构；
图2是本发明的二氧化硅晶体的晶胞结构；
图3是本发明的硅表面结构；
图4是本发明的二氧化硅表面结构；
图5是本发明的叠层结构；
图6是本发明的结构优化过程中的总能量变化过程；
图7是本发明的硅-二氧化硅界面的原子结构模型。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例：
本实施例提供一种硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，本方法能准确建立完整的硅-二氧化硅界面原子结构模型，同时对建模过程中的关键参数进行了优化。
包括以下具体步骤：
步骤1) 建立硅、二氧化硅晶体的晶胞结构模型，如图1，图2所示。在建立硅晶体的晶胞结构时，需要输入的参数有：硅晶体的晶胞参数(a1=0.5nm, b1=0.5nm, c1=0.5nm, α1=90°, β1=90°和 γ1=90°)、硅晶体所属的空间群FD-3M、硅原子在硅晶胞中的位置参数(0,0,0)。在建立二氧化硅晶体的晶胞结构时，需要输入的参数有：二氧化硅晶体的晶胞参数(a2=0.5nm, b2=0.5nm, c2=0.54nm, α2=90°, β2=90°和 γ2=120°)、二氧化硅晶体所属的空间群P3221、二氧化硅晶胞中硅原子的位置参数(0.48, 0.48, 0)、二氧化硅晶胞中氧原子的位置参数(0.15, 0.41, 0.12)；
步骤2) 建立超晶胞结构，利用步骤1) 中所建立的硅晶胞和二氧化硅晶胞，分别建立硅晶胞的2×2×1超晶胞和二氧化硅晶胞的2×1×2超晶胞；
步骤3) 建立硅表面结构，如图3所示，对所建立的硅超晶胞进行切取表面结构的操作，需要输入的参数有：所切表面结构的晶向为（001）和厚度TSi为0.9nm。所得结构称为硅表面结构。其中厚度TSi是所切硅表面结构在晶向所在方向的结构尺寸；
步骤4) 建立二氧化硅表面结构，如图4所示，对所建立的超晶胞进行切取表面结构的操作，需要输入的参数有：所切表面结构的晶向（010）和厚度TSiO2为1.1nm。所得结构称为二氧化硅表面结构。其中厚度TSiO2是指所切二氧化硅表面结构在晶向所在方向的结构尺；
步骤5) 建立层结构，在Materials Studio软件中，使用建立层结构的方法，将二氧化硅表面结构堆叠在硅表面结构之上，并使两者相靠近的表面之间垂直距离T1为0.21nm；
步骤6) 建立叠层超晶胞结构，如图5所示，利用Materials Studio软件中的建立真空层的方法，对建立的新的晶体结构添加厚度T2为1.5nm的真空层，从而建立一个新的超晶胞结构，将该超晶胞结构称为叠层超晶胞结构；
步骤7) 添加界面过渡区结构，在叠层超晶胞结构中的硅表面结构与二氧化硅表面结构之间添加硅原子和氧原子，并连接成键，形成界面过渡区的原子结构；
步骤8) 将叠层超晶胞结构中的底层和顶层原子与氢原子连接成键，使底层和顶层的原子的成键饱和；
步骤9) 结构优化，结构优化过程中的总能量变化过程如图6所示，对经过上述步骤所建立的原子结构模型进行结构优化，直到原子结构模型的总能量达到最小的收敛值，从而得到硅-二氧化硅界面的原子结构模型，如图7所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）建立硅、二氧化硅的晶胞结构模型，在建立硅的晶胞结构时，需要输入的参数有：硅的晶胞参数、硅晶体所属的空间群、硅晶胞中硅原子的位置参数；在建立二氧化硅的晶胞结构时，需要输入的参数有：二氧化硅的晶胞参数、二氧化硅晶体所属的空间群、二氧化硅晶胞中硅原子的位置参数、二氧化硅晶胞中氧原子的位置参数；
（2）利用所建立的硅晶胞和二氧化硅晶胞，分别建立它们的超晶胞结构；
（3）分别对所建立的硅超晶胞结构和二氧化超晶胞结构进行切取表面结构的操作，建立硅表面结构与二氧化硅表面结构，在建立表面结构时，需要输入的参数有：所切表面结构的晶向、所切表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸；
（4）将二氧化硅表面结构堆叠在硅表面结构之上，形成层结构；
（5）沿所述步骤（4）中层结构的二氧化硅表面结构晶向所在方向，在层结构上方添加真空层，形成为叠层超晶胞结构；
（6）在叠层超晶胞结构中的硅表面结构与二氧化硅表面结构之间添加硅原子和氧原子，并连接成键，形成界面过渡区的原子结构；
（7）将叠层超晶胞结构中的底层和顶层原子与氢原子连接成键，使底层和顶层的原子的成键饱和；
（8）对经过上述7个步骤所建立的原子结构模型进行结构优化，得到硅-二氧化硅界面的原子结构模型。
2.根据权利要求1所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述所切取的硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSi 取为0.8nm~1.5nm。
3.根据权利要求2所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述所切取硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSi 为0.9nm。
4.根据权利要求1所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述所切取的二氧化硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSiO2为0.8 nm ~1.3 nm。
5.根据权利要求4所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述所切取二氧化硅表面结构在晶向所在方向上的结构尺寸TSiO2为1.1nm。
6.根据权利要求1所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述层结构中的硅和二氧化硅相靠近的表面之间垂直距离T1为0.15~0.5nm。
7.根据权利要求6所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述层结构中的硅和二氧化硅相靠近的表面之间垂直距离T1为0.21nm。
8.根据权利要求1所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述真空层的厚度T2为1~2nm。
9.根据权利要求8所述的硅-二氧化硅界面原子结构模型的建立方法，其特征在于：所述真空层的厚度T2为1.5nm。
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