硅(100)热氧化初始阶段的建模：一种第一性原理方法
材料科学
2023-02-15 v2
摘要
硅及其本征氧化物SiO在20世纪50年代被公认为半导体工业的杰出材料体系。在最先进的器件技术中，SiO作为绝缘体广泛与HfO等高-电介质结合使用，要求制备超薄界面层。Deal和Grove提出的经典标准模型准确描述了Si在氧化进行阶段的氧化过程，但严重低估了薄氧化层的生长速率。近期研究报道了在厚度约\SI{10}{\angstrom}的氧化膜生长过程中存在多种氧化机制，其中诸多细节仍有争议。本文提出一种基于第一性原理的方法，从理论上评估这一初始阶段中具有技术相关性的Si(100)表面的热氧化过程。我们的研究范围从单个O分子在重构Si表面的化学吸附，到厚度达\SI{20}{\angstrom}的氧化Si表层。最初观察到的增强生长速率归因于无障碍的O化学吸附事件，随后氧分子发生解离。我们提供了从氧化开始氧化物层即发生立即非晶化的有力证据。表面反应占主导直至表面被氧饱和，并通过一个\SI{5}{\angstrom}的过渡区与Si衬底分离。饱和表面对解离反应变得惰性，并使得分子氧能够扩散至界面，正如Deal-Grove模型中所假设的那样。随后Si衬底的进一步氧化由界面处的O解离提供，其源于与表面化学吸附相同的电荷转移过程。
引用
@article{arxiv.2204.13954,
title = {Modeling the Initial Stages of Si(100) Thermal Oxidation: An Ab-initio Approach},
author = {Lukas Cvitkovich and Dominic Waldhör and Al-Moatassem El-Sayed and Markus Jech and Christoph Wilhelmer and Tibor Grasser},
journal= {arXiv preprint arXiv:2204.13954},
year = {2023}
}
备注
12 pages, 8 figures