Группа моделирования электронных и технологических процессов микроэлектроники

Отчет по гранту РФФИ № 08-02-00068:
Кинетика и механизмы роста полупроводниковых нитевидных нанокристаллов (моделирование, эксперимент).

Цель проекта:

Целью настоящего проекта является изучение на атомно-молекулярном уровне процессов, лежащих в основе собирания материала адсорбата в нитевидные нанокристаллы при газофазной и молекулярно-лучевой эпитаксии.

В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:

  1. Получены зависимости состава капли катализатора при росте и отжиге от температуры, диаметра капли и интенсивности ростового потока. Концентрация полупроводникового материала в капле возрастает с увеличением температуры и количественно соответствует фазовым диаграммам для систем Si-Au и Ge-Au. Временные осцилляции концентрации кремния в капле связаны с необходимостью создания пересыщения для начала нуклеации нового слоя на границе раздела капля-вискер.

  2. Исследован рост аксиальных гетеропереходов Si-Ge в нановискерах. Найдено, что состав гетероструктур GexSi1-x зависит от соотношения потоков и длительностей осаждения германия и кремния. Зависимость состава слоя GexSi1-x от длительности осаждения германия связана с постепенным изменением состава капли при переключении потока (эффект остаточной концентрации). Показано, что при росте по классическому механизму пар-жидкость-кристалл невозможно получить атомарно резкие аксиальные гетеропереходы. Найдено, что резкость переходов зависит от радиуса нановискера: в адсорбционном режиме роста с увеличением диаметра резкость падает, а в диффузионном растет. Невозможность увеличить резкость ГП при уменьшении диаметра вискера является теоретическим предсказанием для МЛЭ роста.

  3. Показано, что для формирования кремниевой оболочки вокруг германиевого ядра вискера при последовательном осаждении Ge и Si необходимо либо перейти к другому типу прекурсора с более высокой долей некаталитического распада, либо ввести поверхностную примесь, понижающую скорость растворения кремния в капле, т.е. затормозить ПЖК рост.

  4. Дано объяснение неоднородному распределению германия вдоль радиуса ННК состава GexSi1-x, выросшему по механизму ПЖК при одновременном осаждении Si- и Ge-содержащих прекурсоров, в предположении разных адсорбционных свойств этих прекурсоров.

  5. Предложен новый алгоритм планирования событий в решёточной Монте-Карло модели, позволяющий проводить расчёты в многокомпонентных системах с широким диапазоном энергетических параметров.

Результаты за отчётный период 2010 года в формате PDF
Результаты за отчётный период 2010 года в формате DOC

Краткие результаты за 2009 год:

  1. Определены области температур и скоростей осаждения соответствующие моно- и полизарождению островков нового слоя НВ на границе раздела вискер-катализатор. Показано, что при низкой диффузионной компоненте роста зародыши равномерно распределены по площади границы раздела, а при увеличении диффузионной компоненты увеличивается плотность зародышей вдоль периметра границы раздела.

  2. Оценена энергия активации процесса роста: при низких температурах Ea определяется растворимостью полупроводникового материала в капле катализатора, а при высоких температурах – диффузией вдоль подложки и боковых стенок нановискера:

  3. Определён диапазон значений режимов роста, соответствующих условию формирования сплошных и полых нановискеров:

  4. Обнаружен эффект увеличения процентного содержания Ge с ростом диаметра НВ при совместном осаждении кремний- и германийсодержащих прекурсоров на поверхность Si(111) активированную золотом.

  5. Доработано программное обеспечение для расширения возможности Монте-Карло модели с целью исследования характеристик полупроводниковых ННК на основе многокомпонентных соединений. Модернизирован алгоритм расчета химических реакций программного комплекса, позволяющий учесть влияние окружения частиц-реагентов на энергию активации реакции и на расположение продуктов в узлах исходных частиц.

  6. На основе анализа результатов моделирования дано объяснение экспериментально наблюдаемому испарению тонких слоев SiO2 при высокотемпературных отжигах за счет образования сквозных отверстий в пленке SiO2.

  7. На основании сопоставления результатов моделирования высокотемпературного отжига смеси SiO2+Si с термодинамическими расчетами уточнены параметры констант химических реакций образования и распада SiO.

Полная версия отчета за 2009 год в формате PDF
Полная версия отчета за 2009 год в формате DOC

Краткие результаты за 2008 год:

  1. Разработана кинетическая Монте-Карло модель роста кремниевых нитевидных нанокристаллов на поверхности Si(111), активированной золотом.

    Рост кремниевого нановискера:

  2. Исследована морфология нановискеров в зависимости от температуры и скорости осаждения. В модельной системе найден ряд эффектов, наблюдаемых экспериментально: уход капли с вершины кристалла, фасетирование его боковой поверхности, ветвление, перетекание маленьких капель золота в большие.

    Ветвление нановискера:

    Оствальдовское созревание капель:

  3. Изучена зависимость характера роста НВ от режима поступления вещества на границу раздела капля-вискер: за счет растворения кремния в золоте с последующей диффузией через объем капли и кристаллизацией на границе раздела (механизм ПЖК) и за счет встраивания атомов Si в периметр границы раздела кремний-золото. Показано, что оптимальная морфология НВ получается при сочетании обоих механизмов (ПЖК и встраивания).

  4. Получены характеристики модельных НВ в зависимости от величины коэффициента смачивания поверхности подложки веществом затравки. Показано, что при определенных условиях смачивания материала вискера веществом катализатора возможно формирование полых нановискеров.

  5. Получены модельные кинетические характеристики роста пленок диоксида кремния при окислении поверхности кремния сухим кислородом. Определена схема реакций взаимодействия кремния с кислородом, включая реакцию образования и распада моноокиси кремния. Показано, что энергия активации процесса окисления не определяется энергией активации какого-то элементарного процесса, в частности диффузии молекулярного кислорода, а является обобщенной энергией набора элементарных процессов, происходящих при окислении кремния кислородом.

Полная версия отчёта за 2008 год в формате PDF
Полная версия отчёта за 2008 год в формате DOC

Публикации по результатам гранта:

  1. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Possibilities of Monte Carlo Simulation for Examination of Nanowhisker Growth. Pure Appl. Chem., 2010, Vol. 82, No. 11, pp. 2017-2025.
  2. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Effect of growth conditions and catalyst material on nanowhisker morphology: Monte Carlo simulation. Solid State Phenomena, 2010, Vols. 156-158, pp 235-240. Скачать PDF.
  3. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Моделирование роста нановискеров методом Монте-Карло. ФТП, 2010, Т.44, Вып.1, С.130-135. Скачать PDF.
  4. А.В. Зверев, К.Ю. Зинченко, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Монте-Карло моделирование процессов роста наноструктур с алгоритмом планирования событий на шкале времени. Российские нанотехнологии, 2009, Т.4, №3–4, С.85-93. Скачать PDF.
  5. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц, Е.С. Шеремет. Механизмы формирования нановискеров: Монте-Карло моделирование. Автометрия, 2009, Т.45, №4, С.72-79. Скачать PDF (на английском языке).
  6. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, С.В. Усенков, Н.Л. Шварц. Особенности реализации процесса кристаллизации при Монте-Карло моделировании роста нановискеров. Известия ВУЗов (Физика), 2009, № 11, С.52-57. Скачать PDF.
  7. И.Г. Неизвестный. Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры. Микроэлектроника, 2009, т.38, №4, с.243-259.
  8. А.В. Зверев, С.И. Романов, Я.В. Титовская, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Математическое моделирование процесса получения наноканальных мембран. Автометрия, 2009, Т.45, №4, С.102-109.
  9. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Monte Carlo simulation of Si-Ge nanowhisker growth. Proceedings of the 18th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St.Petersburg, Russia, June 21-26, 2010, P.179-180.
  10. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, and N.L. Shwartz. Examination of Si-Ge heterostructure nanowire growth using Monte Carlo simulation. Proceedings of the 30th International Conference on the Physics of Semiconductors. ICPS-30, Coex, Seoul, Korea, July 25-30, 2010 (in print).
  11. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Abruptness of Axial Si-Ge Heterojunctions in Nanowires. Proceedings of 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2010, Erlagol, Altai, June 30 - July 4, 2010, P. 55-58. Скачать PDF.
  12. A.G. Nastovjak, N.L. Shwartz, Y.V. Titovskaya. Peculiarities of vapor-liquid-solid process realization in Monte Carlo model of nanowhisker growth. Proceedings of 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2010, Erlagol, Altai, June 30 - July 4, 2010, P. 64-67. Скачать PDF.
  13. A.N. Karpov, E.A. Mikhantiev, S.V. Usenkov, N.L. Shwartz. New Event-Scheduling Algorithm for Monte Carlo Simulation of Multi-Component Systems. Proceedings of 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2010, Erlagol, Altai, June 30 - July 4, 2010, P. 203-207. Скачать PDF.
  14. И.Г. Неизвестный. Проблемы МДП электроники на основе Ge и полупроводников типа А3В5. Труды 4й Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» 28 июня-2 июдя 2010г. Одесса, Украина. Астропринт. Стр.25-26.
  15. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Monte Carlo simulation of growth condition effect on nanowhisker characteristics Si Au drop. Proceedings of the 16th international symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Minsk, Belarus Republic, June 22-26, 2009. P.157-158.
  16. E.S. Sheremet, A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Examination of Nanotube Growth Conditions by Monte Carlo Simulation. Proceedings of 10th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2009, Erlagol, Altai, July 1-6, 2009, ISBN 978-1-4244-4572-1, Library of Congress 20099039976, IEEE Catalog № CFP9500-PRT, P. 80-82.
  17. Y.V. Titovskaya, N.L. Shwartz, S.I. Romanov, Z.S. Yanovitskaja. Monte Carlo simulation of MBE and oxidation of porous silicon surface for production nanochannel membranes. Proceedings of 10th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2009, Erlagol, Altai, July 1-6, 2009, ISBN 978-1-4244-4572-1, Library of Congress 20099039976, IEEE Catalog № CFP9500-PRT, P. 62-65.
  18. S.V. Usenkov, I.V. Mzhelskiy, N.L. Shwartz. Monte Carlo Simulation of Thin Silicon Dioxide Layer Evaporation. Proceedings of 10th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. EDM-2009, Erlagol, Altai, July 1-6, 2009, ISBN 978-1-4244-4572-1, Library of Congress 20099039976, IEEE Catalog № CFP9500-PRT, P. 66-69.
  19. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц. Исследование особенностей роста кремниевых нановискеров методом Монте-Карло моделирования. Электроника Сибири. №3, 2008, стр. 12-14.
  20. И.Г. Неизвестный. Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры. Электроника Сибири. №3, 2008, стр. 3-8.
  21. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz, E.S. Sheremet, Z.Sh. Yanovitskaja. Effect of substrate-drop parameters on nanowhiskers morphology. Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008, Erlagol, Altai, July 1-5, 2008, IEEE Catalog № CFP08500-PRT, ISBN 978-5-7782-0893-3, ISSN 1815-3712, P.41-44.
  22. I.G. Neizvestny. Nanowire biosensor. Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008, Erlagol, Altai, July 1-5, 2008, IEEE Catalog № CFP08500-PRT, ISBN 978-5-7782-0893-3, ISSN 1815-3712, P.3-5.
  23. N.A. Gladkih, N.L. Shwartz, Z.S. Yanovitskaja. Monte Carlo simulation of initial stages of Si (111) oxidation by O2 near critical conditions. Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008, Erlagol, Altai, July 1-5, 2008, IEEE Catalog № CFP08500-PRT, ISBN 978-5-7782-0893-3, ISSN 1815-3712, P.8-11.
  24. S.V. Usenkov, Z.S. Yanovitskaja, N.L. Shwartz. Evaporation of thin oxide layer from Si-(111) surface (simulation). Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008, Erlagol, Altai, July 1-5, 2008, IEEE Catalog № CFP08500-PRT, ISBN 978-5-7782-0893-3, ISSN 1815-3712, P.37-40.
  25. I.V. Mzhelskiy, N.L. Shwartz, Z.S. Yanovitskaja. Monte Carlo simulation of phase separation in SiOx layers. Proceedings of 9th International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM-2008, Erlagol, Altai, July 1-5, 2008, IEEE Catalog № CFP08500-PRT, ISBN 978-5-7782-0893-3, ISSN 1815-3712, P.45-47.
  26. A.N. Karpov, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz, Z.Sh. Yanovitskaya. Monte Carlo simulation of silicon surface active and passive oxidation by O2 and nc-Si aggregation in SiOx layers. 16th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, Vladivostok, Russia, July 14-18, 2008, Co-Chairs Zh.Alferov, L.Esaki, Proceedings, Ioffe Institute, St Petersburg, 2008, P. 175-176.
  27. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, and N.L. Shwartz. Examination of Si-Ge heterostructure nanowire growth using Monte Carlo simulation. Abstract book of the 30th International Conference on the Physics of Semiconductors. ICPS-30", Coex, Seoul, Korea, July 25-30, 2010. P.709.
  28. А. Г. Настовьяк, И. Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц. Моделирование роста нитевидных нанокристаллов кремния с гетеропереходами Ge-Si. Cборник тезисов XIV Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2010 Москва , 06.12-10.12 , 2010. Скачать PDF.
  29. О.В. Наумова, Ю.В. Настаушев, Т.А.Гаврилова, Ф.Н. Дульцев, Л.В. Соколов, А.Л. Асеев. Свойства кремниевыхвискеров со слоями азотированного титана на поверхности. Тезисы докладов 2-я Международная конференция “Наноструктурные материалы-2010 Беларусь-Россия-Украина”, Киев, 19-22 октября, с.600, 2010.
  30. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, С.В. Усенков, Н.Л. Шварц. Особенности реализации процесса кристаллизации при Монте-Карло моделировании роста нановискеров. II Всероссийская конференция "Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях", ММПСН-2009, 27-28 мая 2009. Москва, Тезисы докл. С. 294-295. МИФИ, ISBN 978-5-7262-1152-7.
  31. И.Г. Неизвестный. Нанотехнологии в полупроводниковых сенсорах. 9-я Российская конференция по физике полупроводников Новосибирск-Томск, 28.09-3.10 2009г., Cборник тезисов, С.30.
  32. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц. Влияние условий роста на морфологию нановискеров (Монте-Карло моделирование). 9-я Российская конференция по физике полупроводников Новосибирск-Томск, 28.09-3.10 2009г., Cборник тезисов, с.53.
  33. A.G. Nastovjak, I.G. Neizvestny, N.L. Shwartz. Examination of nanowhisker growth mechanisms by Monte Carlo simulation. Abstract of IUPAC 5th International Symposium on Novel Materials and their Synthesis (NMS-V) & 19th International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers, Shanghai, China, 18-24 October, 2009, P. P109.
  34. А.Г. Настовьяк, Н.Л. Шварц. Монте-Карло моделирование роста Si-Ge нановискеров. Тезисы докладов 11 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. 30 ноября-4 декабря 2009 года, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета 2009 г., С. 51.
  35. N.L. Shwartz, A.N. Karpov, S.V. Usenkov, Z.Sh. Yanovitskaya. Monte Carlo lattice model of Si-SiO2 system. Abstract of IUPAC 5th International Symposium on Novel Materials and their Synthesis (NMS-V) & 19th International Symposium on Fine Chemistry and Functional Polymers, Shanghai, China, 18-24 October, 2009, P. D47.
  36. C.В. Усенков, Н.Л. Шварц. Моделирование испарения тонких пленок SiО2 методом Монте-Карло. Тезисы докладов 11 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. 30 ноября - 4 декабря 2009 года, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета 2009 г., С. 23.
  37. А.Г. Настовьяк, И.Г. Неизвестный, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Монте-Карло модель роста нитевидных кристаллов. Тезисы докладов 1-й Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях ММПСН-2008, Москва, 12-14 марта 2008г., МИФИ, ISBN 978-5-7262-0801-2, C. 224-225.
  38. A.В. Зверев, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Монте-Карло моделирование процессов роста наноструктур с алгоритмом планирования событий на шкале времени. Тезисы докладов 1-й Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях ММПСН-2008, Москва, 12-14 марта 2008г., МИФИ, ISBN 978-5-7262-0801-2, C.327-328.
  39. Н.А. Гладких, А.Н. Карпов, Н.Л. Шварц, З.Ш. Яновицкая. Моделирование методом Монте-Карло роста окисной пленки на поверхности Si(111) в потоке сухого кислорода. Тезисы докладов 1-й Всероссийской конференции «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях ММПСН-2008, Москва, 12-14 марта 2008г., МИФИ, ISBN 978-5-7262-0801-2, C.122-123.
  40. А.Г. Настовьяк, Н.Л. Шварц. Монте-Карло моделирование роста кремниевых нановискеров на основе механизма пар-жидкость-кристалл. Тезисы докладов 10 всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике. 1-5 декабря 2008 года, Санкт-Петербург, Издательство Политехнического университета 2008 г., С.35.

Список исполнителей проекта (по состоянию на 2010 год):

  1. Неизвестный Игорь Георгиевич
  2. Шварц Наталия Львовна
  3. Соколов Леонид Валентинович
  4. Матюшина Ольга Евгеньевна
  5. Зверев Алексей Викторович
  6. Настовьяк Алла Георгиевна
  7. Карпов Александр Николаевич
  8. Усенков Станислав Валерьевич
  9. Михантьев Евгений Анатольевич
  10. Титовская Яна Вячеславовна