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PCl_3/H_2外延生长N型硅反应机理的理论研究

作　者: 王艳丽
导　师: 孙仁安
学　校: 辽宁师范大学
专　业: 物理化学
关键词: PCl3 N型掺杂反应通道理论研究
分类号: O643.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本论文采用Gaussian98程序,密度泛函B3LYP/6-311G**方法,首次在理论上对以PCl₃为磷源,在常压氢气氛下外延生长N型硅的整个过程的微观反应机理进行了理论研究。计算得到了各反应通道中的反应物、过渡态和产物的构型,给出了每个反应通道的反应活化能。对所有过渡态的虚频振动模式进行了分析,并进一步作IRC（内禀反应坐标）路径分析,来最终确认我们所找的过渡态是准确的,并通过各步反应的能量关系来确认主反应通道。本文分别研究了PCl₃/H₂在气相中和在硅衬底表面上的微观反应机理,以期为半导体N型掺杂技术提供必要的理论依据。PCl₃/H₂在气相中的反应是一个多步骤多通道的反应,在气相初始反应中存在四条反应通道,得到的主要产物为PCl₂H和HCl。PCl₂H进一步和H₂反应中,存在五条反应通道,得到的主要产物为PClH₂、PCl、和HCl。PClH₂、PCl进一步和H₂反应,存在六条反应通道,得到的主要产物为PH3、PH和PCl。PH₃、PH和PCl之间存在三种反应,由PH+PCl反应最终得到了磷。分别用Si₂、Si₃、Si₄原子簇来模拟硅衬底,在硅衬底上PCl₃首先发生解离吸附,活化能较小,反应易于发生。然后吸附产物与H₂经四步骤多通道的反应,最后吸附产物中的Cl原子与H₂中的一个H原子结合成HCl而脱附,而H₂分子中的另一个H原子单独析出,得到了PSin原子簇。PCl₃吸附后的产物与H₂反应的前三步活化能比气相反应中所需的活化能低,而最后得到PSin原子簇那步的活化能比气相主反应通道的活化能都要高,反应很难进行。因此,就目前所作的工作而言认为,PCl₃/H₂外延生长N型硅主要是气相中得到的磷沉积到硅表面从而完成晶体掺杂。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-6
第一章前言  6-11
  1.1 引言  6-7
  1.2 硅半导体中掺杂磷的重要意义  7-8
  1.3 硅半导体中掺杂磷的研究现状  8-9
  1.4 本论文工作  9-11
第二章理论基础和计算方法  11-26
  2.1 分子轨道理论  11-15
    2.1.1 闭壳层组态的Hartree-Fock-Roothaan(HFR)方程  12-14
    2.1.2 开壳层组态的HFR 方程  14-15
  2.2 密度泛函理论（DENSITY FUNCTIONAL THEORY , DFT）  15-16
  2.3 基组的选择  16-18
  2.4 振动频率的计算  18-20
    2.4.1 谐振频率的计算  18-19
    2.4.2 零点振动能  19-20
  2.5 化学反应过渡态的计算方法  20-24
    2.5.1 化学反应过渡态的数学模型  20-21
    2.5.2 过渡态的计算方法  21-23
    2.5.3 反应速率常数理论  23-24
  2.6 内禀反应坐标理论  24-26
第三章 PCL_3/H_2气相反应机理的理论研究  26-40
  3.1 计算方法  26-27
  3.2 结果与讨论  27-39
    3.2.1 PCl_3/H_2气相初始反应微观反应机理分析  27-29
    3.2.2 PCl_2H 和H_2气相微观反应机理分析  29-31
    3.2.3 PClH_2、PCl 和H_2气相反应微观反应机理分析  31-34
    3.2.4 PH_3+PH、PH_3+PCl 和PH+PCl 气相反应微观反应机理分析  34-37
    3.2.5 主反应通道的确认  37-39
  3.3 结论  39-40
第四章 PCL_3/H_2在硅衬底表面上反应机理的理论研究  40-62
  4.1 计算方法  40-41
  4.2 结果与讨论  41-60
    4.2.1 Si_2原子簇模型  41-47
    4.2.2 Si_3原子簇模型  47-52
    4.2.3 Si_4原子簇模型  52-60
  4.3 结论  60-62
第五章总结  62-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
本人在校期间发表论文情况  68-69

PCl_3/H_2外延生长N型硅反应机理的理论研究

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