Компьютерное моделирование методом Монте-Карло физических процессов формирования и модификации многокомпонентных полупроводниковых структур

• Автор: Шмидт, Александр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 110 с. : ил.

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ, МОДИФИКАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
1.1. Модификация и исследование полупроводниковых структур при облучении
1.1.1. Модификация многокомпонентных полупроводников пучками ионов
1.1.2. Нейтронное трансмутационное легирование кремния
1.1.3. Компьютерное моделирование процессов ионного и нейтронного облучения
1.2. Экспериментальные методы формирования полупроводниковых структур
1.2.1. Рост карбида кремния на кремнии методом молекулярно- пучковой эпитаксии
1.2.2. Компьютерное моделирование процесса эпитаксии методом Монте-Карло
1.3. Цели работы
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
2.1. Определение пороговых энергий смещения примесей Zn в GaAs и Sb в Si
2.2. Прецизионное введение примеси фосфора в кремний методом нейтронного трансмутационного легирования
2.3. Резюме
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО РОСТА SIC/SI
3.1. Физическая модель и алгоритм моделирования молекулярнопучковой эпитаксии SiC/Si
3.2. Влияние упругих напряжений за счет рассогласования параметров решеток в структурах SiC/Si
3.3. Самоорганизация кластеров на морфологических особенностях подложки кремния
3.4. Резюме
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Компьютерное моделирование играет важную роль в современной
физике твердого тела и полупроводниковых технологиях. При исследовании процессов эпитаксиального роста и модификации полупроводниковых многокомпонентных структур при ионном и нейтронном облучении компьютерное моделирование позволяет отслеживать детальные картины протекающих физических процессов, и получать при этом достаточно точные количественные данные об их результатах. Это делает возможным использование моделирования для поиска оптимальных технологических процессов и инженерных решений.
Стохастические методы компьютерного моделирования (методы Монте-Карло) имеют преимущество перед другими в случае, если
• исследуемые физические системы имеют большое количество степеней свободы. При применении детерминистических методов для исследования таких систем объем вычислений, необходимых для получения ответа с заданной точностью, резко увеличивается с ростом размерности фазового пространства исследуемой системы, при использовании же стохастических методов скорость сходимости решения от его размерности не зависит. Кроме того, использование методов Монте-Карло позволяет эффективно осуществлять прямое (без использования большого количества эмпирических предположений) компьютерное моделирование многих физических процессов на атомарном уровне.
Поскольку облучение быстрыми частицами и молекулярно-пучковая эпитаксия входят в число наиболее часто используемых методик современных полупроводниковых технологий, развитие их физических моделей и алгоритмов моделирования методом Монте-Карло является, на
• сегодняшний день, важной задачей физики твердого тела.
Рассмотрим вначале подробнее возможности применения компьютерного моделирования методом Монте-Карло для исследования
взаимодействия пучков ионов и нейтронов с твердыми телами. Условно в современной полупроводниковой технологии можно выделить два основных направления использования результатов воздействия ускоренных частиц на твердое тело. Во-первых, с помощью облучения быстрыми частицами могут проводиться исследования микроструктуры вещества, как это делается, например, в методе вторично-ионной масс-спеткрометрии (ВИМС). Компьютерное моделирование позволяет детально изучить сложные физические процессы, сопровождающие ионное травление твердого тела и тем самым, используя комбинацию расчетов и экспериментов, повысить точность определения послойного состава исследуемого образца. Во-вторых, облучение дает возможность создавать структуры с заданными параметрами или изменять электрофизические свойства вещества. Примерами такого использования облучения являются: ионная имплантация для легирования полупроводников и нейтронное трансмутационное легирование кремния для введения примеси фосфора в кремний. Компьютерное моделирование помогает определить оптимальные дозы облучения и предсказать результаты радиационного воздействия заранее.
Перейдем к молекулярно-пучковой эпитаксии, которая является одним из основных современных методов создания наноструктур. Несмотря на то, что она широко используется уже более 20 лет, в настоящее время не существует достаточно полного описания всех физических процессов, сопровождающих эпитаксиальный рост многокомпонентных полупроводников.
На сегодняшний день одним из перспективных направлений полупроводниковой опто- и наноэлектроники является использование в приборах структур с нанокластерами - квантовыми точками. Применение компьютерного моделирования позволяет исследовать различные характеристики формирующейся структуры: морфологию, поверстную концентрацию и функцию распределения по размерам нанокластеров, возникающих при росте. Все это дает возможность определять оптимальные

100 150 200 250 300 350
ОС

сз X
о. о
X н

=т
-е-
-6-

Глубина распыления, А

1 О
1 О
Рис. 2.4. Парциальный коэффициент распыления сурьмы полученный в результате компьютерного моделирования процесса травления структуры Бі, содержащей монослой БЬ (положение помечено стрелкой). Параметры моделирования см. в тексте.
Рис. 2.5. ТЭМ фотография образца кремния содержащего тонкие слои с примесью БЬ. С помощью этих данных определялись расстояния между 5слоями примеси.
использованы данные, полученные при помощи ТЭМ (см. рис. 2.5).