Simulation of the Ion Implantation of Metal Nanoparticle in Dielectric Matrix

Mustafaev Gasan Abakarovich Doctor of Technical Science Professor, Department of Computer Technologies and Integrated Circuits, Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, respublika Kabardino-Balkarskaya, g. Nal'chik, ul. Chernyshevskogo, 173, kab. 122 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author     Panchenko Valerii Aleksandrovich PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 Panchenko@mail.cos Other publications by this author     Cherkesova Natal'ya Vasil'evna PhD in Technical Science Associate Professor at Kabardino-Balkarian State University 360004, Russia, the Kabardino-Balkar Republic, Nalchik, ul. Chernyshevskogo, 173, of. 122 natasha07_2002@mail.ru Other publications by this author

Mustafaev Arslan Gasanovich Doctor of Technical Science Professor of the Department "Information technologies and information security" of the Dagestan State University of National Economy 367015, Russia, respublika Dagestan, g. Makhachkala, ul. Ataeva, 5, kab. 4.5 arslan_mustafaev@hotmail.com Other publications by this author

Наибольшие успехи ионной имплантации были достигнуты в области планарной технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем. Большое развитие получили технологии создания приборов с элементами наночастиц, в том числе, активной областью которых являются металлические наночастицы в диэлектрической матрице.

Целью работы является моделирование процесса ионной имплантации структуры, состоящей из наночастиц золота в матрице диоксида кремния и расчеты распределения легирующих ионов, каскадов смещенных ионов матрицы и наночастицы, а также распределения ионов, отраженных от наночастицы.

Моделирование процесса ионной имплантации металлической наночастицы в диэлектрической матрице будем проводить с использованием физической модели (рис. 1). На подложке монокристаллического кремния располагается металлическая наночастица (Au) сферической формы, радиусом R, на половину заглубленная в Si, находящаяся под слоем диоксида кремния, толщина которого над центром наночастицы равна Н. Пучок ионов направлен перпендикулярно поверхности структуры.

Рис. 1. Физическая модель для расчета параметров процесса ионной имплантации

Очевидно, что условия имплантации изменяются в зависимости от положения проекции точки на поверхности структуры на горизонтальный радиус наночастицы от центра до периферии ^{[1, 2]}. Для точки, находящейся над вертикальным диаметром наночастицы (в ее центре) необходимо рассматривать процесс имплантации трехслойной структуры SiO2 – Au – Si. Для точки структуры находящейся за пределами наночастицы имплантируемая структура состоит из слоев SiO2– Si. Для промежуточных точек в зависимости от расстояния от центра наночастицы изменяются толщина слоя окисла и слоя металла, а также угол между направлением ионного пучка и поверхностью металла.

Таким образом, результаты процесса имплантации будут зависеть от положения точки, в которой рассматривается процесс имплантации на горизонтальном радиусе наночастицы.

Исходные данные для моделирования процесса имплантации SRIM были вычислены с помощью программы, составленной в математическом пакете Matchcad.

Вычисленные таким образом параметры процесса имплантации для ионов бора и мышьяка при Н = 25 нм; R= 25 нм представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Предварительные параметры моделирования процесса имплантации структуры

Вычисленные параметры справедливы как в случае имплантации структуры ионами бора, так и ионами мышьяка.

Необходимо отметить, что программа моделирования имплантации SRIM моделирует процессы для ионов, бомбардирующих поверхность в точке начала координат ^{[3, 4]}. Поэтому процесс моделирования проводился последовательно для всех точек координат из таблицы 1, а затем строился суммарный профиль. Кроме того, реальный пробег ионов в диоксиде кремния равен расстоянию от поверхности структуры до поверхности металлической наночастицы. Однако, при моделировании имплантации под углом к поверхности структуры пробег ионов в SiO2 увеличивается пропорционально косинусу угла падения ионов. Поэтому в исходные данные для моделирования были внесены поправки на толщину слоя диоксида кремния.

Моделирование процессов имплантации наночастицы золота в матрице SiO2 выполнялось для ионов бора и мышьяка. Энергия ионов выбиралась из того, чтобы пик максимальной концентрации примеси при имплантации структуры SiO2-Au-Si при максимальной толщине золота (50 нм) и угле падения ионов 0о располагался вблизи границы Au-Si. Предварительные расчеты показали, что такое условие выполняется для бора при энергии 20 кэВ, для ионов мышьяка при энергии 110 кэВ. Проводился ряд последовательных процессов моделирования с изменением параметров слоев и угла падения ионов, соответствующих точкам на горизонтальном радиусе наночастицы согласно таблице 1 и схемы, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение структуры для моделирования процессов имплантации. Вертикальными линиями показаны сечения, в которых рассчитывались параметры процесса имплантации бора и мышьяка

В результате моделирования получены численные значения параметров распределения бомбардирующих ионов, атомов отдачи, распыленных ионов, построены одномерные и трехмерные профили распределения этих параметров, треки частиц, вычислены потери энергии на ионизацию и ряд других параметров ^{[5, 6]}. На рис. 3 в качестве примера приведены результаты моделирования легирования структуры ионами бора для сечения 0.

Рис. 3. Расчетные параметры процесса имплантации бора в центре структуры (сечение 0) и трек частиц (а1), распределение ионов бора (а2), трехмерный профиль распределения ионов (в1), трехмерный профиль ионизационных потерь (а2), распределение распыленных ионов (б2), трехмерный профиль атомов отдачи (в2)

На рис. 4 приведены результаты моделирования легирования структуры ионами мышьяка для сечения 6.

Рис. 4. Расчетные параметры процесса имплантации мышьяка в сечении 6 и трек частиц (а1), распределение ионов бора (а2), трехмерный профиль распределения ионов (в1), трехмерный профиль ионизационных потерь (а2), распределение распыленных ионов (б2), трехмерный профиль атомов отдачи (в2)

Результаты расчетов для всех процессов имплантации сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Расчетные значения параметров процессов имплантации структуры

Как видно из результатов, представленных в таблице 2 в случае имплантации структуры с наночастицей золота ионами бора около половины первоначальной энергии ионов расходуется на процессы ионизации атомов структуры. Для ионов мышьяка потери энергии на ионизацию составляют около 10 %. Как для процессов имплантации бора, так и при имплантации ионами мышьяка наблюдается смещение максимума распределения ионов ближе к поверхности структуры в зависимости от расстояния от центра наночастицы ^{[7, 8]}. Причем смещение максимума происходит в то время, как уменьшается эффективная толщина наночастицы. Сказанное иллюстрируется рис. 5, построенным по результатам, приведенным в таблице 2.

Рис. 5. Глубина залегания максимума распределения бора и мышьяка в зависимости от расстояния от центра наночастицы

По-видимому, это связано с возрастанием вероятности отражения как бомбардирующих ионов, так и атомов отдачи от верхней поверхности наночастицы ^{[9, 10]}. Справедливость этого утверждения подтверждается зависимостями, приведенными на рис. 6. Из рис. 6 видно, что на краях наночастицы число отраженных ионов достаточно резко возрастает, особенно в случае имплантации структуры ионами бора.

На рис. 7 представлены зависимости числа распыленных ионов кремния и кислорода (из слоя SiO2) при имплантации ионами бора и мышьяка от координаты от центра наночастицы к периферии. Более интенсивное распыление поверхности окисла наблюдается в случае имплантации ионами мышьяка, причем в области края наночастицы. Так атомы кислорода имеют меньшую атомную массу по сравнению с кремнием и в составе окисла их приблизительно в два раза больше, то наблюдается преимущественное распыление атомов кислорода по сравнению с атомами кремния.

Рис. 6. Зависимость числа отраженных ионов при имплантации бора и мышьяка от координаты от центра наночастицы

Рис. 7. Зависимость числа распыленных ионов кремния и кислорода в расчете на один атом бора и мышьяка от координаты от центра наночастицы

По данным, представленным в таблице 2 можно сделать вывод, что при имплантации структуры ионами мышьяка наблюдается слабое распыление верхней границы наночастицы. В случае большой дозы ионов мышьяка распыление наночастицы может стать существенным, что будет приводить к изменению её геометрической формы.

Таким образом, численные эксперименты показывают, что при имплантации металлических наноструктур находящихся в диэлектрической матрице возникают сложные и многообразные физические эффекты, связанные с процессами отражения ионов и атомов отдачи от слоев металла, распылением поверхности матрицы и верхней поверхности наночастицы и экранирующим действием наноструктуры, которые необходимо учитывать при разработке технологии ионного легирования нанокомпозитных материалов.

Выводы

Составлена физическая модель процесса ионной имплантации наночастицы золота, находящейся в матрице диоксида кремния. Проведено моделирование процесса ионного легирования структуры ионами бора и мышьяка для различных сечений и получены графики распределения легирующих ионов, атомов отдачи, отраженных и распыленных ионов в зависимости от координаты от центра наночастицы. Проведены численные расчеты параметров процессов имплантации и построены основные зависимости профилей распределения легирующих ионов, отраженных и распыленных ионов вдоль радиуса наночастицы.