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菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
1光学和光子学的研究单位,先进技术发展中心,Setif1大学校园El-Bez 19000恩,阿尔及利亚
2半导体实验室Badji Mokhtar-Annaba大学,23000阿纳巴,阿尔及利亚
收到的日期:17/05/2018;接受日期:05/06/2018;发布日期:15/06/2018
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000224
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本工作的重点是研究非晶硅的形成集群嵌入SiNx薄膜由低压化学气相沉积技术在1023 K温度用硅烷的混合物(SiH4)和氨(NH3)。沉积过程建模通过三角晶格动力学蒙特卡罗模拟。氨分子的分布模拟矩阵描述使用我们之前的模式。该模式包括吸附和迁移的微观过程。的影响NH3 / SiH4气体流率和沉积时间对沉积动力学进行了分析。结果描述的氮掺杂硅沉积过程的不同阶段。事实上,气体流率的增加导致较小的非晶硅的形成高密度的集群。此外,更大的集群可以通过增加沉积形成的时间。仿真结果也与我们之前的结果相比较,以更好的理解,一方面,使用乙硅烷代替硅烷的利益为了使这些存款,另一方面评估SiNx薄膜沉积过程中氨的作用。
氮掺杂硅、薄膜沉积过程中,动力学蒙特卡罗方法,硅烷、氨、硅纳米
最近,相当大的注意力一直致力于硅纳米晶体(Si-nc)从实验和理论的角度(1- - - - - -4奈米电子和光电设备),由于其潜在的应用程序以及他们有趣的物理特性。许多研究人员调查了生产的光发射Si-nc嵌入在氧化硅(Si)电影(5,6]。事实上,氧化硅提供了一个低效率的载体注入由于其高度太大障碍,从而降低设备的属性。为了增加运营商的注入效率,罪恶x薄膜吸引了大量的注意力,因为他们有一个势垒高度低于硅氧化物。
一般来说,有两种方法用于硅纳米晶体的形成,一个是氮掺杂硅的结晶(罪x)电影3),另一个是直接淀积(7]。各种制造技术,如plasma-enhanced化学气相沉积(PECVD) "2,8),低压化学汽相淀积(LPCVD) [4),和催化化学气相沉积(猫- CVD) (1)检查了Si-nc制造的罪恶x薄膜具有不同硅源;例如硅4(1,2,8),如果2H6(4]。
SiNx电影做准备,各种沉积工艺参数有强烈影响的结构和形态以及性质的电影4,7]。有些报告(4,7)表示,如果微晶的大小和密度可以由衬底温度控制。因此,存款的仿真步骤中扮演一个重要的角色在定义所需的属性获得电影。
在一个罪x薄膜沉积过程中,自动获得电影是由微观随机过程(例如,吸附、解吸、迁移、和表面反应)(4]。事实上,一个好的控制在纳米和微尺度薄膜生长过程对材料的性能至关重要。因此,有必要了解和控制微观描述氮掺杂硅薄膜沉积过程。
动力学蒙特卡罗(KMC)方法已经广泛而成功地用来模拟薄膜微观过程的影响以及沉积参数对薄膜微观结构的发展,因为他们可以描述薄膜生长过程的不同阶段和包含表面形态信息4]。
在这项工作中,我们通过KMC调查方法沉积的影响参数,即气体流率和沉积时间、沉积动力学氮掺杂硅薄膜沉积的硅烷LPCVD技术(硅4)和氨(NH3)。我们专注于一个SiNx薄膜沉积过程由两个微观过程包括粒子吸附和迁移。为了模拟这一过程,北半球的分布3分子模拟矩阵描述使用我们之前的模拟模式(4]。
动力学蒙特卡罗是一个很好的工具来研究系统的进化在纳米和微尺度。KMC自然出现在表面的建模方法形态薄膜在很多的进化沉积过程,如氮掺杂硅薄膜的LPCVD过程(4]。在本节中,一个SiNx薄膜沉积过程描述和建模通过KMC方法在二维三角晶格。薄膜沉积过程被认为是在这个工作包括两个微观过程:粒子表面吸附和迁移。
描述和建模
这项工作的目的是模拟SiNx薄膜沉积的沉积过程在一个三角晶格代表影片的表层结构,如图所示图1。在沉积的建模过程中,假定所有分子和激进分子占领离散格子,一个硅原子的直径是0.25海里(9]。固定数量的网站(N = 40000)仿真期间是可用的。为了存款一个分子(或一个激进的),一个空的网站是第一个所有格子中随机选择的。相应的沉积速率计算如下(10]:
(1)
图1:沉积过程的方案设计的罪x薄膜[4]。答:硅2(硅4包围NH)网站3分子向四面八方扩散。B:硅2(硅4)网站不到六最近的邻居。C:硅2(硅4由硅)网站封闭2激进分子和/或硅4分子向四面八方扩散。
在维半参数只取决于沉积总压强P和薄片距离δ,E一个= 1.5 eV (10)代表了沉积激活能源、KB玻耳兹曼常数,T是沉积温度。
我们考虑两种类型的微观过程(KMC模拟蒙特卡罗事件)发生在罪恶的沉积过程x电影:一个吸附过程和迁移过程。在吸附过程中,入射分子和激进分子纳入罪x薄膜的气相。然而,在迁移过程中,年代我吸附原子在薄膜转移到其相邻空置的网站。
最近的邻居的年代我吸附原子模拟矩阵的范围从0到6,三角晶格的配位数。在仿真中,一个年代我吸附原子与一个到五个最近的邻居可以跳转到一个空置的相邻站点的速度取决于当地的环境;比如最近的邻居的年代我吸附原子选择迁移的事件。此外,一个年代我吸附原子只有一个最近邻被认为是不稳定的晶格(9,11)和最稳定的邻近的空位迁移,这是最近的邻居(定义为最多的网站11]。第i个硅吸附原子的迁移率是由以下表达式(9,11]:
(2)
在υ0pre-exponential因素,E0代表贡献活化能障碍,倪是最近的邻居的数量的第i个硅吸附原子。注意,当n迁移率为零我= 6因为这Si吸附原子完全包围其他吸附原子和无法迁移。迁移率的计算需要选择υ的参数0和E0在eqn。(2)。在这工作,υ0和E0采取以下值1013年代1和0.6 eV,分别12]。
仿真算法
摘要KMC方法用于模拟罪恶的沉积过程x薄膜由于其高效的模拟化学汽相淀积的过程中,涉及的吸附、解吸、迁移、和表面反应(4]。
根据KMC方法,事件为所有可能创建事件的列表包括吸附和迁移13),对选择立即执行的事件。在仿真期间,网站的沉积和迁移选择随机模拟晶格,以这样一种方式,单个事件分离(4]。
基于这些考虑,以下千兆周算法是用来模拟罪恶的沉积过程呢x薄膜:
1。一个三角形晶格(N = 40000)代表影片的表层结构被认为是。
2。形成一个列出所有可能的事件包括吸附和迁移。
3所示。选择一个随机数字
为了确定下一个事件的类型是否吸附事件(0 <μ< Vd)或迁移的事件
米在哪里如果吸附原子在晶格的总数在特定时间。
4所示。执行和实施从列表中选择的事件的事件在步骤2中形成的。
5。选择一个新的随机数σ∈[0,1]。
6。更新时间t = t +Δt那里
7所示。回到第2步,直到预设沉积时间。
模式的描述
在薄膜淀积过程中,一种罪恶的微观结构x电影是一个复杂的相互作用的结果吸附和迁移过程。出于这种考虑,这个工作主要集中在研究规模较小的非晶硅的形成集群的罪x矩阵。为此,一种罪恶x薄膜沉积过程涉及分子和激进分子吸附和Si吸附原子迁移被认为是和建模使用三角lattice-based KMC模拟。NH的分布3分子模拟矩阵描述使用我们之前的方法(4]。事实上,对于一个随机选择的网站从矩阵由硅氮被占据2激进的(或硅4分子),你的邻居是留给NH的网站3分子(图1)允许罪x薄膜的生长。因此,硅2自由基和硅4分子NH包围3分子在各个方向,从而允许更小的非晶硅的形成集群。此外,通过增加NH的数量3分子模拟矩阵,创建一个氮(N)化合物的形成强键的债券。使用这个模型,较小的非晶硅的沉积过程集群可以模拟使用KMC方法(4]。
为了更好地理解非晶硅簇的形成过程,描述沉积的化学反应动力学的罪x电影从硅4和NH3进行了研究[14)通过引入激进的物种如silylene(硅氮的影响2),monoaminosilane(硅3NH2)和silylamine (SiHNH2):
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
从这些方程可以看出,一方面,每个硅4分子促进一个硅原子的沉积入罪x由于硅的解离吸附的电影4(eqn。(4))或硅2(eqn。(5))或SiHNH2(eqn。(9))物种在模拟矩阵和,另一方面,每个NH3分子可以确保一个N原子的沉积获得的电影由于SiHNH的解离吸附2(eqn。(9))或北半球3(eqn。(10))物种矩阵。
没有NH3流,如果电影由于沉积硅4和硅2物种(方程式。(4)和(5))。然而,对于低NH的流动3相比,硅的流动4,在北半球3分子与硅反应4和硅2物种形成硅3NH2和SiHNH2激进分子在气相(方程式。(6)- (8))。事实上,SiH4吸附(eqn。(4))和SiH2 (eqn。(5))高而SiHNH的吸附2(eqn。(9))和北半球3(eqn。(10)),对应的氮掺杂硅薄膜。在这种情况下,氮键的密度债券相比可以忽略不计,如果允许更大的沉积硅集群。
最后,高流动,NH3相反影响非晶硅的形成动态集群。事实上,NH3完全控制的沉积过程的电影。此外,硅氮的吸附4(eqn。(4))和硅2(eqn。(5))与SiHNH相比是微不足道的2(eqn。(9))和北半球3(eqn。(10))主要的沉积氮化硅(Si3N4)的电影。因此,更多N-containing物种在晶格中可用。因此,氮键键的形成是自然在嘶嘶的青睐。事实上,强键键的存在阻碍小硅簇的合并成更大的集群。
在这部作品中,LPCVD赎罪的过程x薄膜被使用KMC方法模拟。硅的混合物4和NH3被用作源气体。气体流率(定义为R = f (NH)3)/ f(硅4f (NH)3)是北半球3流和f(硅4)是硅4流)和沉积时间(tKMC)被选择为主要影响参数。在沉积过程中,沉积温度T和总压强P,分别固定在1023 K和26.66 Pa。
气体流率的影响
在本节中,为了研究气体流量的影响比非晶硅的LPCVD过程集群嵌入罪x薄膜,八用这个输入参数的值(0、0.26、0.36、0.50、1、1.2、1.4和1.6)。所有存款进行的沉积时间(tKMC) 2 h。KMC仿真结果所示图2 - 4。
图2:罪的表面覆盖率的百分比变化x薄膜气体流率的函数R N = 40000, tKMC = 2 h, T = 1023 K, P = 26.66。
图3:表面结构的进化SiNx薄膜气体流率的函数R N = 40000, tKMC = 2 h, T = 1023 K, P = 26.66 Pa。黑色代表的非晶硅簇而灰色区域被氮。
图4:非晶硅集群大小和密度的变化作为气体流率的函数R N = 40000, tKMC = 2 h, T = 1023 K, P = 26.66。
图2代表了罪恶的变化x薄膜表面覆盖率作为北半球的函数3/硅4气体流量比r .的确,气体流率的增加导致的表面覆盖率减少获得电影,显然所示图3。
图3显示了罪恶的表面结构x根据气体流量比薄膜沉积温度1023 K R。因此,R的增加引起降低非晶硅簇的大小随着密度的增加,如图所示图4。观察到非晶硅簇的大小从0.85减少到0.28 nm而密度增加从5×1012集群/厘米2到1013集群/厘米2从0到1.6 R。
从这些结果,很明显,在硅氮显著影响内部微观结构在薄膜沉积阶段。事实上,强键键的存在可以防止小非晶硅簇的合并成更大的集群。几个作者表明,北半球3气体在罪恶的沉积过程有至关重要的作用x薄膜(14,15]。我们的以前的工作相比4在这罪恶x从硅薄膜被LPCVD沉积技术2H6和NH3,NH的角色3减少由于硅矩阵来自使用Si过剩2H6作为源气体。
在仿真过程中,硅2激进分子(硅4分子)必须NH包围3分子在各个方向;因此,较小的非晶硅的形成集群可以发生。因此,创建一个氮化合物与强键债券晶格的形成。因此,模拟模式描述和较小的非晶硅的形成集群使用硅4和NH3作为源气体。
沉积时间的影响
一系列的八SiNx薄膜是由硅LPCVD技术准备的4和NH3,而沉积时间(tKMC)被选为最主要的参数。所有电影都种植使用不同的输入参数值,同时保持其他所有输入参数相同的(T = 1023 K, P = 26.66 Pa)。NH的流速3和硅4分别固定在36 - 100 sccm。KMC仿真结果所示图5 - 7。
图5:表面结构的进化SiNx薄膜沉积时间的函数(tKMC)与N = 40000, R = 0.36, T = 1023 K, P = 26.66。黑色代表的非晶硅簇而灰色区域被氮。
图6:变化的表面覆盖的百分比SiNx薄膜沉积时间的函数(tKMC)与N = 40000, R = 0.36, T = 1023 K, P = 26.66。
图7:非晶硅集群大小和密度的变化作为沉积时间的函数(tKMC)与N = 40000, R = 0.36, T = 1023 K, P = 26.66。
图5显示了罪恶的表面形态x薄膜制备tKMC不同的值。事实上,增加tKMC造成罪恶的表面覆盖率的增加x显然薄膜,如所示图6。定性,这关系沉积时间和罪的形态x薄膜的工作已经证明通过Karabacak et al。16]。这项工作报道,非晶态氮化硅薄膜的表面形态由plasma-enhanced化学汽相淀积技术扩大与增加的增长。
随着沉积时间的增加从15分钟到6 h非晶硅簇的密度增加,达到最大值4 h,然后减少,而它们的大小从0.1250增加到0.7800 nm tKMC增加,如图所示图7。
从相同的KMC仿真结果,我们也观察到,在初始阶段的沉积许多较小的非晶硅集群开始形成。随着沉积时间的增加,密度较小的非晶硅集群允许他们一起成长,通过聚结现象。事实上,当两个Si集群存在密切,它们可以通过形成连接如果债券所需小硅簇的合并成更大的集群。最后,我们的KMC模拟清楚地表明,沉积时间主要负责大SiNx膜表面形态的变化。
在仿真过程中,沉积时间的增加会导致高密度较小的非晶硅的沉积集群在模拟矩阵。接下来,更大的集群通过聚结形成较小的Si集群一方面和另一方面如果吸附原子的迁移。因此,沉积时间是一个重要的参数来控制非晶硅的形状和大小的集群在沉积阶段SiNx电影。
在这部作品中,形成较小的非晶硅集群研究作赎罪x通过KMC薄膜沉积过程建模仿真与两个三角晶格微观过程。硅的混合物4和NH3被用作源气体。氨分子的分布模拟矩阵描述了使用我们之前的模式。北半球3/硅4气体流率和沉积时间被选择为主要影响参数。结果表明,增加气体流量比允许较小的非晶硅的形成高密度的集群。此外,更大的集群可以通过增加沉积形成的时间。最后,使用硅4作为源气体NH的存在3放缓的沉积薄膜。
