Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Эпитаксиальиая и тонкопленочная технологии в современной микроэлектронике 10
1.1. Эпитаксия и эпитаксиальные технологии 10
1.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия 18
1.3. Тонкопленочная технология 23
1.4. Формирование наноструктур методом МЛЭ и перспективы их применения 26
1.5. Молекулярно-динамическое моделирование эпитаксиальных процессов 29
Заключение 32
Глава 2, Алгоритм и программа молекулярно-динамического моделирования процесса роста наноструктур из атомного пучка 34
2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия как частный случай процессов взаимодействия пучков материальных частиц с твердыми поверхностями 34
2.2. Метод изотермической молекулярной динамики 36
2.3. Учет поля твердой поверхности 45
2.4. Алгоритм программы для молекулярно-динамического моделирования роста наноструктур из атомного пучка 48
2.5. О программе моделирования 56
Глава 3. Результаты молекулярно-динамического моделирования процессов взаимодействия атомных пучков с твердыми поверхностями 65
3.1. Исследование роли основных параметров системы «леннард-джонсовский атомный пучок-леннард-джонсовская подложка» на структурные и морфологические характеристики островков 65
3.1.1. Роль энергии пучка 67
3.1.2. Влияние дискретной структуры подложки 75
3.1.3. Влияние температуры подложки 81
3.1.4. Роль энергетического параметра подложки 89
3.1.5. Влияние диаметра атомного пучка 94
3.1.6. О влиянии количества атомов, испущенных за один импульс 96
3.2. Молекулярно-динамическое моделирование процесса роста германиевых островков на поверхности монокристаллического кремния с использованием специфических многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия 102
3.2.1. Потенциал Стиллинджера-Вебера 104
3.2.2. Потенциал Терсоффа 106
3.3. Сравнение структур, полученных методом эпитаксиального роста и кристаллизации нанокапель в силовом поле твердой поверхности 110
Заключение 117
Основные результаты и выводы 119
Список литературы 121
- Эпитаксия и эпитаксиальные технологии
- Молекулярно-лучевая эпитаксия как частный случай процессов взаимодействия пучков материальных частиц с твердыми поверхностями
- Исследование роли основных параметров системы «леннард-джонсовский атомный пучок-леннард-джонсовская подложка» на структурные и морфологические характеристики островков
Введение к работе
Исторически возникновение и развитие микроэлектроники было подготовлено бурным ходом научно-технической революции, давшей жизнь промышленной кибернетике, вычислительной технике, радиоэлектронике и потребовавшей тотальной миниатюризации всей элементной базы. Развитие микроэлектроники идет настолько стремительно, что технологические процессы и соответствующее технологическое оборудование быстро устаревают. Важнейшие процессы, используемые в технологии микроэлектроники - нанесение пленок и эпитаксиальных слоев [1-3].
Одной из главных задач технологии микроэлектроники является создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданным составом и структурой (а, следовательно, и свойствами), способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем. Такие объекты должны обладать высокой стабильностью преобразования информации, малым расходом энергии и высокой надежностью многократного повторения всех процессов.
Целесообразно провести классификацию физико-химических процессов технологии микроэлектроники, которая позволила бы объединить их в классы и группы, а также найти соответствующую подчиненность и взаимосвязь между отдельными группами и процессами. В основу классификации могут быть положены различные принципы: геометрический, структурный и физико-химический [4-6]. Прежде всего, все физико-химические процессы технологии микроэлектроники можно разделить на три класса по характеру протекания: процессы нанесения вещества в виде слоев и пленок на поверхность твердой фазы-подложки. Под термином «подложка» следует понимать в более широком смысле твердую фазу (монокристаллическуго, поликристаллическую или стеклообразную), на которую не только наносят новую фазу, но которая может быть использована в качестве матрицы для создания в ее объеме заданных областей с помощью легирования и других операций технологии микроэлектроники. Подложка ~ это обязательный элемент всех технологических процессов создания гетероструктур; процессы удаления вещества с поверхности твердой фазы-подложки; процессы перераспределения атомов (ионов) примесей между внешней средой и твердой фазой или в объеме твердой фазы-подложки. Процессы нанесения вещества из расплавов элементов и их сплавов используются главным образом для получения эпитаксиальных слоев, сплавных р-п и изотипных переходов, сплавных контактов металл-полупроводник (барьеров Шоттки), для сварки и пайки корпусов приборов, при установке интегральных схем в корпуса. Применяющиеся в микроэлектронике процессы нанесения вещества на подложку можно подразделить на эпитаксиальную и тонкопленочную технологии. Эпитаксия (от греческого елі -на, та&ст - расположение, порядок) - это процесс ориентированного нарастания, в результате которого образующаяся новая фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку имеющейся фазы-подложки с образованием переходного эпитаксиального слоя (ПЭС), способствующего когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов. Через ПЭС передается основная информация о кристаллической структуре подложки в нарастающую фазу. В свою очередь эпитаксия может быть подразделена на физическую и химическую (хемоэпитаксию). Согласно [5], структура пленок, формирующиеся с помощью тонкопленочной технологии (ТПТ) не связана непосредственно со структурой подложки. Обычно с помощью ТПТ получают поликристаллические или аморфные слои, считающиеся изотропными. Следует однако отметить, что терминология и концепции, принятые в прикладной физике не являются столь однозначными и незыблемыми, как в фундаментальной науке. В частности, с точки зрения физики межфазных явлений, тонкие слои на поверхности твердого тела, по определению, не могут быть вполне изотропными. Одной из целей данной работы являлось изучение этой проблемы на мезоскопическом, т.е. на наноструктурном уровне.
Современным вариантом эпитаксиальной технологии, широко применяющимся для формирования активных областей на полупроводниковых подложках, является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [7-8]. Этот метод позволяет сочетать осаждение очень тонких монокристаллических пленок с совершенной морфологией поверхности и возможность с высокой точностью контролировать толщины, состав и уровень легирования растущих слоев непосредственно в процессе роста (in situ).
Современную полупроводниковую электронику можно назвать кремниевой, поскольку подавляющее большинство микросхем, включая центральные процессоры компьютеров, создается на базе тонких мо но кристаллических пластин кремния, получающихся распиливанием макроскопических монокристаллов. Сравнительно недавно, т.е. на протяжении последнего десятилетия, в результате развития зондовой микроскопии, было установлено, что при конденсации паров германия на поверхности кремния получаются нанокристаллы пирамидоподобной формы, так называемые германиевые пирамиды. Эти системы представляют интерес и с фундаментальной точки зрения как паттерны самоорганизации, и прикладной точки зрения ввиду перспектив создания на их основе так называемых квантовых точек, т.е. очень малых («нуль-мерных») полупроводниковых элементов. Интересно, что германиевые островки на полупроводниковых «вафлях» давно уже получали в лабораториях МЛЭ, в частности в лабораториях физического факультета Нижегородского государственного университета, хотя пирамидоподобная форма таких островков оставалась долгое время неизвестной. В настоящее время полупроводниковые пластины с германиевыми островками используются в фотолюминесцентных устройствах, хотя проблема получения такого рода островков с заданными свойствами в заданной точке подложки к настоящему времени не решена. Остается не вполне ясной и природа формирования пирамидоподобных нанокристаллов. Существующие теоретические объяснения сводятся к определяющей роли внутренних напряжений, возникающих в результате геометрического несоответствия (на 4%) кристаллических решеток германия и кремния. В пользу такого объяснения свидетельствует тот факт, что при автоэпитаксии кремния островки не образуются. Однако указанное выше объяснение природы формирования пирамидоподобных нанокристаллов не является исчерпывающим.
С учетом перспектив перехода от микроэлектроники к наноэлектронике возникает необходимость более детального изучения механизмов и условий формирования наноструктур на твердых поверхностях. Одной из основных фундаментальных и прикладных задач исследования процессов формирования наноструктур на твердых поверхностях является проблема формирования заданных наноструктур, например пирамидоподобпых нанокристаллов, на заданном участке подложки. Одним из подходов к решению данной проблемы может быть использование тех или иных масок. Однако гораздо более эффективным представляется использование узконаправленных пучков материальных частиц (атомных, молекулярных, ионных) наноразмерного сечения, отвечающего характерному размеру формирующихся наноструктур. Фактически речь идет о разработке новой нанотехнологии, прототипами которой являются МЛЭ и ТПТ.
Вместе с тем, хорошо известно, что даже современные установки для МЛЭ являются весьма сложными и дорогостоящими. В еще большой степени это касается экспериментального оборудования для получения и исследования наноструктур. В качестве примера достаточно отметить, что изучение германиевых пирамид на уровне атомного разрешения возможно только с помощью особых туннельных микроскопов, кантеливер которых находится непосредственно в ростовой области. В нашей стране такие микроскопы, по-видимому, отсутствуют. С учетом отмеченного выше, к лабораторным и технологическим экспериментам на наноструктурах целесообразно переходить после предварительного проведения соответствующих компьютерных экспериментов. Примечательно, что методы компьютерного моделирования, прежде всего Монте-Карло и молекулярной динамики, гораздо более адекватны исследованию именно наноструктур, а не массивных фаз. В последнем случае приходится использовать периодические граничные условия, навязывающие системе более высокую степень упорядоченности.
В дайной работе новая технология получения наноструктур, в том числе пирамидоподобных нанокристаллов, осуществлена на уровне компьютерного молекулярно-динамического эксперимента. Были изучены закономерности, механизмы и условия формирования малодефектных нанокристаллов правильной формы. Наиболее детально компьютерные эксперименты осуществлены для леннард-джонсовской модельной системы. Имеется ввиду, что как взаимодействие между атомами пучка, так и взаимодействие с атомами подложки описывалось двухпараметрическим парным потенциалом Леннард-Джонса. В завершающей части работы представлены результаты, отвечающие компьютерному моделированию формирования германиевых островков на поверхности кремния с использованием специфических коллективных потенциалов Терсоффа и Стиллинджера-Вебера, предложенных специально для элементов IV группы периодической системы. Использование леннард-джонсовской модели в качестве базовой обуславливается следующими соображениями: I) стремлением выявить общие закономерности формирования наноструктур на твердых поверхностях, не являющиеся специфическими для системы германий-кремний; 2) переход к коллективным потенциалам увеличивает необходимое для расчетов время примерно на два порядка. В связи с этим, даже при использовании современных персональных компьютеров, диапазон размеров наноструктур, описываемых коллективными потенциалами, является весьма ограниченным.
Вместе с тем, созданная в рамках данной диссертационной работы компьютерная программа является достаточно универсальной, т.е. имеет модульную структуру, открывающую возможность использования различных потенциалов межатомного взаимодействия, как парных, так и многочастичных. Разработанная программа для моделирования процесса роста наноструктур из атомного пучка воспроизводит следующую установку: из некоторого источника (трубки) с определенной частотой испускается поток атомов заданной энергии. Подложка и источник располагаются в вакуумированном контейнере. Атомы, отражающиеся от подложки и покидающие заданную ростовую область, исключаются из рассмотрения. Наша компьютерная программа позволяет варьировать и, соответственно, исследовать роль ряда параметров моделируемой системы, к числу которых относятся энергия и диаметр пучка, температура и энергия подложки, число атомов, испускаемых за один импульс. Основной результат проведенных исследований сводится к выводу о возможности осуществления предлагаемой нанотехнологии.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю В.М. Самсонову, а также В.В. Дронпикову, разработавшему ранее компьютерную программу для молекулярно-динамического моделирования эволюции наночастиц, являющуюся, в некоторой степени, прототипом программы, созданной автором. Использованная автором программа для нахождения радиальной функции распределения в наночастицах была разработана С.Д. Муравьевым. Автор также выражает признательность М.Б. Ляховой за консультации по вопросам, связанным с кристаллографией.
Эпитаксия и эпитаксиальные технологии
В технологии микроэлектроники процессы нанесения вещества на поверхность твердой фазы-подложки занимают весьма существенное, если не главное, место. Процессы нанесения относятся к ростовым процессам и подразделяются на две большие группы: процессы затвердевания стеклообразных (аморфных) веществ и процессы кристаллизации [4-5]. Твердофазные взаимодействия целенаправленно используются в меньшей степени, нежели первые группы методов. Это, в основном, заключительные операции изготовления приборов: термокомпрессионное присоединение выводов к интегральным схемам, герметизация корпусов и некоторые другие [6]. В последние годы появились сообщения о перспективности твердофазной эпитаксии [7-8]. Однако не меньшую важность представляют также самопроизвольно протекающие твердофазные взаимодействия на различных этапах изготовления приборов, которые могут привести к значительному изменению свойств последних.
Терминология, используемая в существующей литературе при описании процессов нанесения вещества, еще окончательно не установилась, и существуют некоторые неясные и противоречивые толкования одних и тех же понятий, явлений и процессов. Для того чтобы сделать более четким изложение материала, необходимо уточнить некоторые определения основных используемых терминов. Термин «срастание» (см. рис. 1) используется как характеристика общего процесса, который может быть разделен на процессы нарастания, происходящие на поверхности подложки, и выделения, происходящие в недрах кристаллической или стеклообразной матрицы [9].
Молекулярно-лучевая эпитаксия как частный случай процессов взаимодействия пучков материальных частиц с твердыми поверхностями
Молекулярно-лучевую эпитаксию в технологии микроэлектроники, а также исследованные в рамках данной работы процессы формирования наноструктур из молекулярного пучка можно рассматривать как частный случай процессов взаимодействия атомных и ионных пучков с твердыми поверхностями. В соответствии с формулой Е = (3/2)кТ для средней энергии теплового движения Е(к- постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура), принципиально достижимым температурам источника (2000 5000) К при использовании метода вакуум-термического испарения соответствуют энергии молекулярного пучка Е = (0,3 0,7) эВ.
Вместе с тем, в соответствии с результатами работы [35], оптимальным условиям формирования наноструктур из атомного пучка наноразмерного сечения отвечают энергии пучка 5-Ю эВ. Аналогичные результаты получены в данной работе (см. главу 3). Таким образом, молекулярно-динамическое моделирование формирования наноструктур из атомного пучка предсказывает оптимальный диапазон энергий, на порядок превышающий энергии, использующиеся в имеющихся установках по МЛЭ.
Тем не менее, взаимодействие с твердой поверхностью атомных пучков с энергиями до 10 эВ, можно квалифицировать как низкоэнергетический случай, при котором атомы не проникают в граничный слой твердого тела. В связи с этим, представляет интерес классификация процессов взаимодействия пучков материальных частиц с поверхностью твердого тела по величине энергии пучка. Энергиям от 0,5 до 10 эВ отвечают процессы МЛЭ и ТПТ. Энергиям 1 КэВ-1 ГэВ соответствуют процессы ионной имплантации [23], при которых атомы проникают в глубь подложки. Согласно [23], использование ионов, а не нейтральных атомов, облегчает задачу их ускорения и практически не изменяет протекание процесса имплантации. При энергиях, отвечающих верхней границе указанного выше интервала (1 ГэВ), начинается распыление мишени, а еще более высоким энергиям отвечает область ядерных реакций.
Таким образом, область низких энергий (до 10 эВ), оптимальных для МЛЭ, не требует учета проникновения атомов в поверхностный слой твердого тела и обусловленного этим изменения химического состава подложки. Это существенно облегчает осуществление технологий МЛЭ и ТПТ в компьютерных экспериментах. Иными словами, подложку можно считать химически инертной и стабильной.
Исследование роли основных параметров системы «леннард-джонсовский атомный пучок-леннард-джонсовская подложка» на структурные и морфологические характеристики островков
Наиболее детально закономерности и механизмы формирования наноструктур при взаимодействии атомных пучков с твердыми поверхностями были изучены на леннард-джонсовских системах. Это обуславливается следующими соображениями. Во-первых, этот выбор связан со стремлением выявить достаточно общие закономерности формирования пирамидоподобных нанокристаллов, которые не являются специфическими для германия и кремния. Вместе с тем, достаточно простой парный потенциал - потенциал Леннард-Джонса, - идеально соответствует наночастицам, отвечающим благородным газам, описывает также, хотя и в несколько худшем приближении, другие классы простых веществ, в частности ряд металлов, для которых характерна плотная упаковка атомов. В частности, в отчете исследовательской группы из Массачусетского технологического института [57] представлено изображение никелевых пирамид, полученных на подложке с полимерной основой (см. рис. 14). Предполагаемое назначение таких пирамид - создание магнитных элементов памяти размером порядка 10 нм. Из рисунка видно, что в отличие от германиевых пирамид никелевые островки имеют основание округлой формы, отражающее плотную (ГЦК) упаковку атомов. Аналогичную форму имеют лен нард-джонсовс кие островки, полученные в наших компьютерных экспериментах, хотя последние имеют ГПУ-структуру, также отвечающую плотной упаковке.
