内容：

随着半导体工业的发展，人们参照摩尔定律不断的缩小集成电路器件尺寸。 但是理论上限制器件最小尺寸的是量子效应。当薄膜的厚度缩小到几层原子的时候，用高介电常数材料能够有效地替代二氧化硅薄膜。因为此种材料的介电常数比较高，用相对较厚的薄膜能够在不改变电容值的情况下代替较薄的二氧化硅，从而达到减小漏电流的效果。

研究人员在上一篇系列报道中提到在硅表面外延生长化学结构为AO和ABO3（A，B代表不同的金属，O代表氧）的薄膜。目前为止实验中已经观察到界面层非常良好的钛酸锶。在这里他们用仿真的方法进一步研究生长机理。

在硅的表面生长新的氧化物是一项很大的挑战。删极氧化物薄膜要求有高介电常数，低缺陷电荷密度，与硅有较大的能带差，以及在硅表面能够有很高的化学稳定性。二氧化硅作为硅的自然氧化物，除了介电常数较低外，上述条件基本都能满足。但是高介材料作为后天氧化物，除了介电常数较高以外，其他上述条件很难满足。

硅的表面（以100面为例）最上面一层原子由于位置的原因未能完全成键。这些原子的短键只好相互作用，形成独特的结构。这些结构会直接影响表面活性，进而影响薄膜的界面结构。

研究人员分别建立了两种模型（见插图中的A和B）。他们首先假设锶原子被硅表面吸附达到饱和，也就是说每个锶原子正好贡献两个电子给硅原子使它的断键饱和。这样，完全成键的硅原子就可以重新回到体晶格的状态。在这种情况下，不存在界面的过渡层。而且由于成键的饱和，也就不存在表面能所带来的禁带能带。另外在600摄氏度的条件下，经过几层氧化锶原子的沉积以后，薄膜开始晶化，留下一个陡峭的界面。但是薄膜的稳定性很大程度上取决于生长条件，因为氧原子可能会在生长过程中向下扩散。 于是他们建立了第二种仿真，在过程中首先看到氧原子扩散到界面，然后中和表面硅原子的断键。在这种结构下，薄膜与硅之间原子的能带差会加大，有利于减少漏电流。


结论：

从上面的分析可以看出，硅和钛酸锶界面结构至少说明高介材料和硅之间的能带差可以通过改变生长条件来控制。

研究人员中发现按照要求改变薄膜沉积的化学气氛，可以显著改变界面层的结构，进而改善电子特性。界面结构和化学特性的研究为人们提供了一个通过控制生长方法应用其他高介材料的新途径。



来源：
The interface between silicon and a high-k oxide  
Clemens J. Först, Christopher R. Ashman, Karlheinz Schwarz, Peter E. Blöchl
NATURE |VOL 427 | 1 JANUARY 2004