矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法
2023-09-19 09:21:40 1
矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法
【專利摘要】本發明公開了一種矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，包括以下步驟：（1）建立矽、二氧化矽的晶胞結構模型；（2）分別建立矽、二氧化矽的超晶胞結構；（3）分別建立矽表面結構與二氧化矽表面結構；（4）利用所建立的表面結構構建層結構；（5）在層結構中添加真空層，使之成為疊層超晶胞結構；（6）在疊層超晶胞結構中添加原子結構，形成界面過渡區結構；（7）將底層和頂層原子與氫原子連接成鍵，使底層和頂層的原子的成鍵飽和；（8）結構優化，得到矽-二氧化矽界面的原子結構模型。本發明能夠建立包括襯底矽晶體結構、界面過渡區結構和二氧化矽結構在內的完整的矽-二氧化矽界面結構，並優化了建模過程中的關鍵參數。
【專利說明】矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料界面及界面缺陷特性的仿真【技術領域】，具體涉及一種矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法。
【背景技術】
[0002]隨著矽基器件的物理尺寸不斷減小，柵氧厚度不斷減小，矽-二氧化矽界面對器件特性的影響越來越顯著。在實驗方面，人們對矽-二氧化矽界面進行了大量研究，對界面的結構有了一定的了解，但僅僅通過實驗很難全面清晰地了解在原子尺度下的矽-二氧化矽界面及其缺陷特性。通過仿真計算可以從原子尺度上全面清晰地了解矽-二氧化矽界面特性及其對器件特性的影響，因此仿真計算是一種必不可少的研究手段，建立合理的矽-二氧化矽界面原子結構模型是仿真計算中準確計算矽-二氧化矽界面特性的前提。
[0003]到目前為止，在矽-二氧化矽界面及其缺陷特性的仿真計算研究過程中，人們建立了不同的矽-二氧化矽界面原子結構模型。這些模型均有不足之處，主要表現為:模型中的參數優化程度不足、模型結構不夠完整、沒能完善考慮和有效控制模型中的界面缺陷密度。其原因是在矽-二氧化矽界面原子結構模型建立方面，尚未有提出一種完整、準確的模型建立方法。因此有必要提出一種矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，用來準確地建立矽-二氧化矽界面原子結構模型。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術中的缺點，提供一種矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，並對建模過程中的關鍵參數進行了優化，本方法能準確建立完整的矽-二氧化矽界面原子結構模型。
[0005]本發明通過下述技術方案實現:矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，包括以下步驟:
(1)建立矽、二氧化矽的晶胞結構模型，在建立矽的晶胞結構時，需要輸入的參數有:矽的晶胞參數、矽晶體所屬的空間群、矽晶胞中矽原子的位置參數；在建立二氧化矽的晶胞結構時，需要輸入的參數有:二氧化矽的晶胞參數、二氧化矽晶體所屬的空間群、二氧化矽晶胞中矽原子的位置參數、二氧化矽晶胞中氧原子的位置參數；
(2)利用所建立的矽晶胞和二氧化矽晶胞，分別建立它們的超晶胞結構；
(3)分別對所建立的矽超晶胞結構和二氧化超晶胞結構進行切取表面結構的操作，建立娃表面結構與二氧化娃表面結構，在建立表面結構時，需要輸入的參數有:所切表面結構的晶向、所切表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸；
(4)將二氧化矽表面結構堆疊在矽表面結構之上，形成層結構；
(5)沿表面結構的晶向所在方向，在層結構上方添加真空層，使之成為疊層超晶胞結
構；
(6)在疊層超晶胞結構中的矽表面結構與二氧化矽表面結構之間添加矽原子和氧原子，並連接成鍵，形成界面過渡區的原子結構；
(7)將疊層超晶胞結構中的底層和頂層原子與氫原子連接成鍵，使底層和頂層的原子的成鍵飽和；
(8)對經過上述7個步驟所建立的原子結構模型進行結構優化，得到矽-二氧化矽界面的原子結構模型。
[0006]進一步地，所述所切取的矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸TSi取為
0.8nm?L 5nm。
[0007]進一步地，所述所切矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸TSi為0.9nm。
[0008]進一步地，所述所切取的二氧化矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸TSi02為 0.8 nm ?1.3 nm。
[0009]進一步地，所述所切二氧化矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸TSi02為
1.1nm0
[0010]進一步地，所述層結構中的矽和二氧化矽相靠近的表面之間垂直距離Tl為
0.15?0.5nm。
[0011]進一步地，所述層結構中的矽和二氧化矽相靠近的表面之間垂直距離Tl為
0.21nm。
[0012]進一步地，所述真空層的厚度T2為f 2nm。
[0013]進一步地，所述真空層的厚度T2為1.5nm。
[0014]本發明具有的優點及有益效果為:其一，優化了建模過程中的關鍵參數；其二，能夠建立包括襯底矽晶體結構、界面過渡區結構和二氧化矽結構在內的完整的矽-二氧化矽界面結構；其三，採用了超晶胞結構，可以更加有效地控制所建模型的大小，從而有利於更好地控制所建模型中的界面缺陷密度；其四，採用了層結構的建立方法，可以更加準確地控制所建模型中界面過渡區的厚度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的矽晶體的晶胞結構；
圖2是本發明的二氧化矽晶體的晶胞結構；
圖3是本發明的矽表面結構；
圖4是本發明的二氧化矽表面結構；
圖5是本發明的疊層結構；
圖6是本發明的結構優化過程中的總能量變化過程；
圖7是本發明的矽-二氧化矽界面的原子結構模型。
【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此，在不脫離本發明上述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的範圍內。
[0017]實施例:
本實施例提供一種矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，本方法能準確建立完整的矽-二氧化矽界面原子結構模型，同時對建模過程中的關鍵參數進行了優化。
[0018]包括以下具體步驟:
步驟I)建立矽、二氧化矽晶體的晶胞結構模型，如圖1，圖2所示。在建立矽晶體的晶胞結構時，需要輸入的參數有:娃晶體的晶胞參數(af0.5nm, Id1=0.5nm, C1=0.5nm,αι=90°，(6^90°和Yl=90° )、矽晶體所屬的空間群FD-3M、矽原子在矽晶胞中的位置參數(O，O，O)。在建立二氧化矽晶體的晶胞結構時，需要輸入的參數有:二氧化矽晶體的晶胞參數(a2=0.5nm, b2=0.5nm, c2=0.54nm, a2=90°，β2=90° 和 Y2=120。)、二氧化娃晶體所屬的空間群Ρ3221、二氧化矽晶胞中矽原子的位置參數(0.48，0.48, O)、二氧化矽晶胞中氧原子的位置參數(0.15，0.41，0.12)；
步驟2)建立超晶胞結構，利用步驟I)中所建立的矽晶胞和二氧化矽晶胞，分別建立娃晶胞的2X2X1超晶胞和二氧化娃晶胞的2X1X2超晶胞；
步驟3)建立矽表面結構，如圖3所示，對所建立的矽超晶胞進行切取表面結構的操作，需要輸入的參數有:所切表面結構的晶向為(OOl)和厚度Tsi為0.9nm。所得結構稱為矽表面結構。其中厚度Tsi是所切矽表面結構在晶向所在方向的結構尺寸；
步驟4)建立二氧化矽表面結構，如圖4所示，對所建立的超晶胞進行切取表面結構的操作，需要輸入的參數有:所切表面結構的晶向(OlO)和厚度Tsiffi為1.lnm。所得結構稱為二氧化矽表面結構。其中厚度Tsitj2是指所切二氧化矽表面結構在晶向所在方向的結構尺；步驟5)建立層結構,在Materials Studio軟體中，使用建立層結構的方法,將二氧化矽表面結構堆疊在矽表面結構之上，並使兩者相靠近的表面之間垂直距離T1為0.2Inm ；步驟6)建立疊層超晶胞結構,如圖5所示,利用Materials Studio軟體中的建立真空層的方法，對建立的新的晶體結構添加厚度T2為1.5nm的真空層，從而建立一個新的超晶胞結構，將該超晶胞結構稱為疊層超晶胞結構；
步驟7)添加界面過渡區結構，在疊層超晶胞結構中的矽表面結構與二氧化矽表面結構之間添加矽原子和氧原子，並連接成鍵，形成界面過渡區的原子結構；
步驟8)將疊層超晶胞結構中的底層和頂層原子與氫原子連接成鍵，使底層和頂層的原子的成鍵飽和；
步驟9)結構優化，結構優化過程中的總能量變化過程如圖6所示，對經過上述步驟所建立的原子結構模型進行結構優化，直到原子結構模型的總能量達到最小的收斂值，從而得到矽-二氧化矽界面的原子結構模型，如圖7所示。
[0019]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)建立矽、二氧化矽的晶胞結構模型，在建立矽的晶胞結構時，需要輸入的參數有:矽的晶胞參數、矽晶體所屬的空間群、矽晶胞中矽原子的位置參數；在建立二氧化矽的晶胞結構時，需要輸入的參數有:二氧化矽的晶胞參數、二氧化矽晶體所屬的空間群、二氧化矽晶胞中矽原子的位置參數、二氧化矽晶胞中氧原子的位置參數； (2)利用所建立的矽晶胞和二氧化矽晶胞，分別建立它們的超晶胞結構； (3)分別對所建立的矽超晶胞結構和二氧化超晶胞結構進行切取表面結構的操作，建立娃表面結構與二氧化娃表面結構，在建立表面結構時，需要輸入的參數有:所切表面結構的晶向、所切表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸； (4)將二氧化矽表面結構堆疊在矽表面結構之上，形成層結構； (5)沿表面結構的晶向所在方向，在層結構上方添加真空層，使之成為疊層超晶胞結構； (6)在疊層超晶胞結構中的矽表面結構與二氧化矽表面結構之間添加矽原子和氧原子，並連接成鍵，形成界面過渡區的原子結構； (7)將疊層超晶胞結構中的底層和頂層原子與氫原子連接成鍵，使底層和頂層的原子的成鍵飽和； (8)對經過上述7個步驟所建立的原子結構模型進行結構優化，得到矽-二氧化矽界面的原子結構模型。·
2.根據權利要求1所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述所切取的矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸Tsi取為0.8nnTl.5nm。
3.根據權利要求2所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述所切矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸Tsi為0.9nm。
4.根據權利要求1所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述所切取的二氧化矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸TSi2為0.8 nm ^l.3 nm。
5.根據權利要求4所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述所切二氧化矽表面結構在晶向所在方向上的結構尺寸Tsitj2為1.lnm。
6.根據權利要求1所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述層結構中的矽和二氧化矽相靠近的表面之間垂直距離T1為0.15^0.5nm。
7.根據權利要求6所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述層結構中的矽和二氧化矽相靠近的表面之間垂直距離T1為0.21nm。
8.根據權利要求1所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述真空層的厚度1~2為f2nm。
9.根據權利要求8所述的矽-二氧化矽界面原子結構模型的建立方法，其特徵在於:所述真空層的厚度T2為1.5nm。
【文檔編號】G06F17/50GK103853886SQ201410063874
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】榮麗梅, 杜龍歡, 周龍, 肖聰, 杜江峰 申請人:電子科技大學