Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання

Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання

Багатошарові напівпровідникові структури, наприклад двошарова структура Sі(111)/Si₃N₄ (0001), представляють собою неоднорідні тіла як по перерізу, так і по площі. Внаслідок цього в наноелектронних виробах у процесі виготовлення виникають пружнімеханічні напруження, величина і характер розподілу...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2012
Hauptverfasser: Тарасова, О.Ю., Балабай, Р.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2012
Schriftenreihe:Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98927
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання / О.Ю. Тарасова, Р.М. Балабай // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 1. — С. 42–46. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-98927
record_format dspace
spelling irk-123456789-989272016-04-20T03:02:33Z Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання Тарасова, О.Ю. Балабай, Р.М. Багатошарові напівпровідникові структури, наприклад двошарова структура Sі(111)/Si₃N₄ (0001), представляють собою неоднорідні тіла як по перерізу, так і по площі. Внаслідок цього в наноелектронних виробах у процесі виготовлення виникають пружнімеханічні напруження, величина і характер розподілу яких значно впливають на електричні та інші характеристики приладів. Тому при виготовленні інтегральних схем важливим є знання величини і характеру розподілу механічних напружень у залежності від топологічних параметрів зразка. Результатами моделювання оцінена можливість існування різкої бездефектної границі Sі(111)/Si₃N₄ (0001) для шарів розмірами порядку 2 нм. Розрахована карта механічних напружень в гетеропереході з боку шару Si₃N₄ (0001), на основі якої визначено, що напруження мають розтягуючий характер і їх максимум приходиться на границю розділу. Многослойные полупроводниковые структуры, например двухслойная структура Sі(111)/Si₃N₄ (0001), представляют собой неоднородные тела, как по сечению, так и по площади. Вследствие этого в наноэлектронных изделиях в процессе изготовления возникают упругие механические напряжения, величина и характер распределения которых значительно влияют на электрические и другие характеристики приборов. Поэтому при изготовлении интегральных схем важным есть знания величины и характера распределения механических напряжений в зависимости от топологических параметров образца. Результатами моделирования оценена возможность существования резкой бездефектной границы Sі(111)/Si₃N₄ (0001) для слоев размерами порядка 2 нм. Рассчитана карта механических напряжений в гетеропереходе со стороны слоя Si₃N₄ (0001), на основе которой определено, что напряжения имеют растягивающий характер и их максимум приходится на границу раздела. Multi-layered semiconductor structures, for example double-layer structure of Sі(111)/Si₃N₄(0001), are heterogeneous bodies, both on a section and on an area. Hereupon in nanoelectronic wares in the process of making there are resilient mechanical tensions, a size and character of distribution of which considerably influence on electric and other descriptions of devices. Therefore at making of the integrated circuits it is important the knowledge of size and character of distribution of mechanical tensions depending on the topological parameters of standard. Design results are appraised possibility of existence of the sharp defect-free interface Sі(111)/Si₃N₄(0001) for layers by sizes about 2 nm. Map of mechanical tensions in a heterotransition from the side of the Si₃N₄(0001), layer was calculated on the base of this mapit was determined, tensions have stretching character and their maximum is on the border of division. 2012 Article Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання / О.Ю. Тарасова, Р.М. Балабай // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 1. — С. 42–46. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98927 621.235 uk Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description Багатошарові напівпровідникові структури, наприклад двошарова структура Sі(111)/Si₃N₄ (0001), представляють собою неоднорідні тіла як по перерізу, так і по площі. Внаслідок цього в наноелектронних виробах у процесі виготовлення виникають пружнімеханічні напруження, величина і характер розподілу яких значно впливають на електричні та інші характеристики приладів. Тому при виготовленні інтегральних схем важливим є знання величини і характеру розподілу механічних напружень у залежності від топологічних параметрів зразка. Результатами моделювання оцінена можливість існування різкої бездефектної границі Sі(111)/Si₃N₄ (0001) для шарів розмірами порядку 2 нм. Розрахована карта механічних напружень в гетеропереході з боку шару Si₃N₄ (0001), на основі якої визначено, що напруження мають розтягуючий характер і їх максимум приходиться на границю розділу.
format Article
author Тарасова, О.Ю.
Балабай, Р.М.
spellingShingle Тарасова, О.Ю.
Балабай, Р.М.
Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
Физическая инженерия поверхности
author_facet Тарасова, О.Ю.
Балабай, Р.М.
author_sort Тарасова, О.Ю.
title Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
title_short Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
title_full Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
title_fullStr Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
title_full_unstemmed Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
title_sort дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури sі(111)/si₃n₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання
publisher Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate 2012
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98927
citation_txt Дослідження локальної будови нанорозмірної гетероструктури Sі(111)/Si₃N₄ (0001) на підставі комп’ютерногомоделювання / О.Ю. Тарасова, Р.М. Балабай // Физическая инженерия поверхности. — 2012. — Т. 10, № 1. — С. 42–46. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv AT tarasovaoû doslídžennâlokalʹnoíbudovinanorozmírnoígeterostrukturisí111si3n40001napídstavíkompûternogomodelûvannâ
AT balabajrm doslídžennâlokalʹnoíbudovinanorozmírnoígeterostrukturisí111si3n40001napídstavíkompûternogomodelûvannâ
first_indexed 2025-07-07T07:14:42Z
last_indexed 2025-07-07T07:14:42Z
_version_ 1836971441827872768
fulltext 42 Формування високоякісного тонкого Si3N4 на підкладці Si в даний час є дуже важливим для мікроелектроніки. Підвищеному інтересу до гетероструктури Si/Si3N4 сприяє стійкість нітриду кремнію до сильних електричних по- лів і до високих температур, а також його хіміч- на стабільність. Фізичні і хімічні властивості плівок нітриду кремнію великою мірою ви- значаються структурою поверхні і границею розділу зразка, що в свою чергу впливає на експлуатаційні показники електронних прист- роїв. УДК 621.235 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛОКАЛЬНОЇ БУДОВИ НАНОРОЗМІРНОЇ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ Sі(111)/Si3N4(0001) НА ПІДСТАВІ КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ О.Ю. Тарасова, Р.М. Балабай Криворізький державний педагогічний університет Україна Надійшла до редакції 10.12.2011 Багатошарові напівпровідникові структури, наприклад двошарова структура Sі(111)/Si3N4(0001), представляють собою неоднорідні тіла як по перерізу, так і по площі. Внаслідок цього в нано- електронних виробах у процесі виготовлення виникають пружні механічні напруження, величина і характер розподілу яких значно впливають на електричні та інші характеристики приладів. Тому при виготовленні інтегральних схем важливим є знання величини і характеру розподілу механічних напружень у залежності від топологічних параметрів зразка. Результатами модел- ювання оцінена можливість існування різкої бездефектної границі Sі(111)/Si3N4(0001) для шарів розмірами порядку 2 нм. Розрахована карта механічних напружень в гетеропереході з боку шару Si3N4(0001), на основі якої визначено, що напруження мають розтягуючий характер і їх максимум приходиться на границю розділу. Ключові слова: багатошарові напівпровідникові структури, пружні механічні напруження, без- дефектна границя, гетеропереходи, наноелектронні вироби. Многослойные полупроводниковые структуры, например двухслойная структура Sі(111)/ Si3N4(0001), представляют собой неоднородные тела, как по сечению, так и по площади. Вслед- ствие этого в наноэлектронных изделиях в процессе изготовления возникают упругие меха- ни-ческие напряжения, величина и характер распределения которых значительно влияют на электрические и другие характеристики приборов. Поэтому при изготовлении интегральных схем важным есть знания величины и характера распределения механических напряжений в зависимости от топологических параметров образца. Результатами моделирования оценена возможность существования резкой бездефектной границы Sі(111)/Si3N4(0001) для слоев раз- мерами порядка 2 нм. Рассчитана карта механических напряжений в гетеропереходе со стороны слоя Si3N4(0001), на основе которой определено, что напряжения имеют растягивающий ха- рактер и их максимум приходится на границу раздела. Ключевые слова: многослойные полупроводниковые структуры, упругие механические на- пряжения, бездефектная граница, гетеропереходы, наноэлектронные изделия. Multi-layered semiconductor structures, for example double-layer structure of Sі(111)/Si3N4(0001), are heterogeneous bodies, both on a section and on an area. Hereupon in nanoelectronic wares in the process of making there are resilient mechanical tensions, a size and character of distribution of which considerably influence on electric and other descriptions of devices. Therefore at making of the integrated circuits it is important the knowledge of size and character of distribution of mechanical tensions depending on the topological parameters of standard. Design results are appraised possibility of existence of the sharp defect-free interface Sі(111)/Si3N4(0001) for layers by sizes about 2 nm. Map of mechanical tensions in a heterotransition from the side of the Si3N4(0001), layer was calculated on the base of this mapit was determined, tensions have stretching character and their maximum is on the border of division. Keywords: multi-layered semiconductor structures, resilient mechanical tensions, defect-free interface, heterotransitions, nanoelectronic wares.  О.Ю. Тарасова, Р.М. Балабай, 2012 43ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 1, vol. 10, No. 1 Проведений розрахунок механічних напруг двошарової структури Si(111)/Si3N4(0001) із товщинами шарів близько 2 нм. При створенні моделі гетеросистеми Si(111)/Si3N4(0001) ми розробили оригінальну методику розрахунку координат атомів для кристалічного Si з орієнтацією поверхні (111) для комп’ютерного використання. Решітка кремнію в напрямі (211) має кубіч- ну трьохшарову упаковку ...АВСАВС... (АВ = ВС = АС = 0,728 D), яка в напрямку (111) створює періодичність ...А*В*С*А*В*С... (А1 *В1 * = В1 *С1 * = С1 *А1 * = 2,059 D) гофрова- них, тобто розщеплених на два підшари (А1 *А2 * = В1 *В2 * = С1 *С2 * = 0,515 D) шарів, які зміщені відносно один одного в напрямку [211] на величину АВ = ВС = СА = 1,43 D. В проекції на площину (111) атоми шарів А, В, і С утворюють правильні шестикутники. Вра- ховуючи цю геометрію раціонально для вико- нання прямих розрахунків розташувати вісі координат X, Y, Z паралельно напрямкам (011), (211) і (111) відповідно (рис. 1, 2). Міжатомну взаємодію в розрахунках опи- сували потенціалом Терсоффа [1], загальний вигляд якого: 1 2i ij i i j E E V ≠ = =∑ ∑ , (1) де Vij − узагальнені потенціали Морзе. Взаємодія між атомами i та j, елементів I та J відповідно, описується явною функцією, що залежить лише від відстані rij між ними IJ ij IJ ijr rIJ IJ ij ij IJ ij IJV f A e b B eλ µ− − = −  , (2) де функція fij IJ визначається радіусом обрізання: 1, 1 [1 cos( )], 2 0, IJ ij IJ ijIJ ij IJ ij IJ IJ IJ IJ ij r R r R f R r S S R S r ≤  −= + π < ≤ −  < , (3) де RIJ та SIJ – радіуси обрізання. Коефіцієнти АIJ та ВIJ, обернені довжини затухання λIJ та µIJ, відстані обрізання RIJ та SIJ залежать тільки від типу двох взаємодіючих атомів. Якщо два елементи однакові, вико- ристовують один індекс, наприклад АII = АIІ. Для комбінованих систем використовуються вирази: AIJ = (AIAJ) 1/2, BIJ = (BIBJ) 1/2, RIJ = (RIRJ) 1/2, SIJ = (SISJ) 1/2 (4) і для обернених довжин затухання: 2 I J IJ λ + λλ = , 2 I J IJ µ +µµ = . (5) Головною особливістю потенціалу Тер- соффа є присутність члену bij IJ. Сила зв’язку залежить від локального оточення і змен- Рис. 1. Схема решітки Si для розрахунку координат ато- мів базису в елементарній комірці кристалічного Si з орієнтацією поверхні (111). Рис. 2. Методика розрахунку координат атомів атом- ного базису в елементарній комірці кристалічного Si з орієнтацією поверхні (111) для комп’ютерного викорис- тання: кількість атомів атомному базисі – 23, вектори елементарної трансляції мають розміри: Ах = 7,68 D, Ay = 8,58 D, Az = 9,36 D. О.Ю. ТАРАСОВА, Р.М. БАЛАБАЙ 44 шується тоді, коли кількість сусідів достатньо велика. Така поведінка характеру зв’язку визначається членом bij IJ, котрий збільшує або зменшує відношення сили притягання до сили відштовхування згідно наступної функ- ціональної форми: ( ) 1/2 1 I I nnIJ IJ ij IJ I ijb X −  = + β ξ   , (6) де , IJ IK IJK I ij ik ijk ijk k i j f e t ≠ ξ = ∑ (7) – відображає ефективне координаційне число атома і, тобто число найближчих сусідів, що визначається шляхом врахування відносної відстані між двома сусідами rij – rik і кута зв’язку θijk. Член 2 2 22 2 1 cos( ) I I I ijk I I I ijk C Ct d d h = + −  + − θ  (8) характеризує залежність координаційного числа від кута зв’язку θijk між атомами i та k навколо атома j. Параметр d визначає, наскіль- ки швидко змінюється функція tI ijk(θjk), CI – задає характер зміни сили в залежності від кута θijk. Член eIJK = exp[(µIJrij − µIKrij) mI] (9) містить додатковий параметр mI., для елемен- тів, відмінних від кремнію mI = 1. Для кремнію mI = 3. Досліджуваний об’єм заповнювали ато- мами в позиціях близьких до ідеальних крис- талічних і у шарі нітриду і у шарі кремнію. У зв’язку з тим, що невідповідність параметрів решіток для Si(111) і Si3N4(0001) складає 1,1%, стартова атомна конфігурація була сконстру- йована без механічних напружень, тобто шари були просто “під’єднанні” один до одного. Рівноважна атомна конфігурація знаходи- лась шляхом застосування до моделі процеду- ри Монте-Карло, при зниженні температури від 1000 K до 300 K. Загальний алгоритм застосування методу Монте-Карло наступний: 1. Задати початкову конфігурацію. 2. Генерувати нову конфігурацію. 3. Обчислити зміну енергії δH. 4. При δH ≤ 0 прийняти нову конфігурацію і повернутись до кроку 2. 5. Обчислити exp[−δH/kBT]. 6. Генерувати випадкове число R∈ [0; 1]. 7. Якщо R < exp[−δH/kBT], прийняти нову конфігурацію і перейти до кроку 2. Схема алгоритму приведена на рис. 3. Через кожні 50 K виконувалося 1000 зсувів атомної системи. При цьому амплітуда зсувів залежала від температури. Просторова картина розміщення атомів де- монструє неперервний (без обривів зв’язків) перехід зв’язків атомів в шарах Si(111) через границю розділу до зв’язків в шарах Si3N4 (0001) (рис. 4). Останній факт підтверджується досліджен- ням [2], автори якого виконали розрахунки механічних напруг атомної структури Si(111)/ Si3N4 (0001) методом молекулярної динаміки. В результаті їх моделювання концентрація на- пруги спостерігалась поблизу границі і на гра- нях мезообласть/підкладка. Неузгодженість ре- шіток (1,1 %) на границі Si(111)/Si3N4 (0001) проявилась у підвищенні напруги в центрі ме- зообласті, а не у її знятті за рахунок обривання напружених зв’язків. a) b) Рис. 4. Просторова картина: (а) розміщення атомів із наведенням зв’язків між ними у Si(111)/Si3N4(0001); (b) розміщення зв’язків між атомами у Si(111)/Si3N4(0001). Рис. 3. Схема застосування алгоритму Монте-Карло. Si Si3N4 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛОКАЛЬНОЇ БУДОВИ НАНОРОЗМІРНОЇ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ Sі(111)/Si3N4(0001) НА ПІДСТАВІ КОМП’ЮТЕРНОГО... ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 1, vol. 10, No. 1 45ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 1, vol. 10, No. 1 Автори [3] пов’язують виникнення меха- нічних напруг у структурі Si/Si3N4 із різними коефіцієнтами теплового розширення крем- нієвої підкладки і тонкої плівки Si3N4. Аналізуючи розподіли кутів між сторонами основи в тетраедрах зв’язків атомів N із ато- мами Si (рис. 5b) на різних відстанях від гра- ниці розділу Si(111)/Si3N4(0001) нами зробле- ний висновок про наявність механічного на- пруження в шарах Si3N4, яке має характер роз- тягування, і найбільш сконцентроване на гра- ниці розділу. Під час оцінювання величини механічного напруження ми вважали, що величина меха- нічного напруження прямо пропорційна ве- личині кута θe між сторонами основи в тетра- едрах зв’язків. Видно, що вже на третьому атомному шарі від границі розділу, кут приймає значення характерне для масивного кристалу (рис. 5a). Розрахунки [4] свідчать, що механічні напруги, що виникають в тонкій плівці Si3N4 пропорційні її товщині і температурі осад- ження, що узгоджується із експерименталь- ними даними [5]. В дослідженнях [5] експери- ментально підтверджено, що величина прогину плівок (що відповідає величині пру- жних механічних напруг у них) пропорційна товщині плівки і температурі осадження і обернено пропорційна товщині підкладки. ЛІТЕРАТУРА 1. Tersoff J. Modeling solid-state chemistry: interatomic potentials for multicomponent systems//Phys. Rev. – 1989. – Vol. B39, No. 8. – P. 5566-5568. 2. Bachlechner M.E., Srivastava D., Owens E.T. et. al. Mechanisms of pit formation at strained crystalline Si(lll)/Si3N4(0001) interfaces: Mo- lecular-dynamics simulations//Physical Review B. – 2006. – Vol. 74. – P. 075327. 3. Ker×ys T., Anilionis R., Eidukas D. Simulation of Stress Distribution in the Silicon Substrate// Electronics and electrical engineering. Microelec- tronics. – 2007. – Т. 171, № 4 (76). − P. 3-8. 4. Касимов Ф.Д., Лютфелибекова А.Е. Расчет упругих механических напряжений в неодно- родных полупроводниковых структурах// Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2002. − № 2. – С. 13-14. 5. Колешко В.М., Ковалевский А.А. Поликрис- таллические пленки полупроводников в микро- электронике. – Минск: Наука и техника, 1978. – 344 с. LІTERATURA 1. Tersoff J. Modeling solid-state chemistry: in- teratomic potentials for multicomponent systems //Phys. Rev. – 1989. – Vol. B39, No. 8. – P. 5566-5568. 2. Bachlechner M.E., Srivastava D., Owens E.T. et. al. Mechanisms of pit formation at strained crystalline Si(lll)/Si3N4(0001) interfaces: Mo- lecular-dynamics simulations//Physical Review B. – 2006. – Vol. 74. – P. 075327. a) b) Рис. 5. Карта механічних напружень в Si3N4(0001) (a) (вважається, що величина механічних напружень прямо пропорційна величині кута qе між сторонами основи в тетраедрах зв’язків (b)): r – відстань від поверхні розділу Si(111)/Si3N4(0001); H = (θt – θе)/θt – відносне відхилення кута qе між сторонами основи в тетраедрах зв’язків до кута θt в тій самій позиції в ідеальному кристалі Si3N4. О.Ю. ТАРАСОВА, Р.М. БАЛАБАЙ 46 3. Ker×ys T., Anilionis R., Eidukas D. Simulation of Stress Distribution in the Silicon Substrate// Electronics and electrical engineering. Microelec- tronics. – 2007. – T. 171, № 4 (76). − P. 3-8. 4. Kasimov F.D., Lyutfelibekova A.E. Raschet up- rugih mehanicheskih napryazhenij v neodno- rodnyh poluprovodnikovyh strukturah//Tehnolo- giya i konstruirovanie v elektronnoj apparature. – 2002. − № 2. – S. 13-14. 5. Koleshko V.M., Kovalevskij A.A. Polikristal- licheskie plenki poluprovodnikov v mikroelektro- nike. – Minsk: Nauka i tehnika, 1978. – 344 s. О.Ю. ТАРАСОВА, Р.М. БАЛАБАЙ ФІП ФИП PSE, 2012, т. 10, № 1, vol. 10, No. 1

Ähnliche Einträge