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[lectures/latex.git] / posic / publications / emrs2008_full.tex
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27
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29
30 \begin{document}
31
32 % header
33 \begin{center}
34  {\LARGE {\bf Molecular dynamics simulation
35               of defect formation and precipitation
36               in heavily carbon doped silicon
37               }\\}
38  \vspace{16pt}
39  \textsc{\Large F. Zirkelbach$^1$, J. K. N. Lindner$^1$,
40          K. Nordlund$^2$, B. Stritzker$^1$}\\
41  \vspace{16pt}
42  $^1$ Experimentalphysik IV, Institut f\"ur Physik, Universit\"at Augsburg,\\
43  Universit\"atsstr. 1, D-86135 Augsburg, Germany\\
44  \vspace{16pt}
45  $^2$ Accelerator Laboratory, Department of Physical Sciences,
46  University of Helsinki,\\
47  Pietari Kalmink. 2, 00014 Helsinki, Finland\\
48  \vspace{16pt}
49  {\scriptsize Corresponding author: Frank Zirkelbach
50                               <frank.zirkelbach@physik.uni-augsburg.de>}
51 \end{center}
52
53 %\vspace{24pt}
54
55 \section*{Abstract}
56 The precipitation process of silicon carbide in heavily carbon doped silicon is not yet fully understood.
57 High resolution transmission electron microscopy observations suggest that in a first step carbon atoms form C-Si dumbbells on regular Si lattice sites which agglomerate into large clusters.
58 In a second step, when the cluster size reaches a radius of a few $nm$, the high interfacial energy due to the SiC/Si lattice misfit of almost 20\% is overcome and the precipitation occurs.
59 By simulation details of the precipitation process can be obtained on the atomic level.
60 A newly parametrized Tersoff-like bond order potential is used to model the system appropriately.
61 First results gained by molecular dynamics simulations using this potential are presented.
62 \\\\
63 {\bf Keywords:} Silicon, Carbon, Silicon carbide, Nucleation, Diffusion, Defect formation.
64
65 \section*{Introduction}
66 Understanding the precipitation process of cubic silicon carbide (3C-SiC) in heavily carbon doped silicon will enable significant technological progress in thin film formation of an important wide band gap semiconductor material.
67 On the other hand it will likewise offer perspectives for processes which rely upon prevention of precipitation events, e.g. the fabrication of strained silicon.
68
69 Epitaxial growth of 3C-SiC films is achieved either by ion implantation or chemical vapour deposition (CVD) techniques.
70 While CVD is governed by surface effects carbon is directly introduced into bulk silicon for the implantation process.
71 In the present work the simulation runs try to realize conditions which hold for the ion implantation process.
72
73 First of all a picture of the supposed precipitation event is presented.
74 Afterwards the applied simulation sequences are discussed.
75 Finally first results gained by simulation are presented.
76
77 \section*{Supposed conversion mechanism}
78 Silicon nucleates in diamond structure.
79 This structure is composed of two fcc lattices which are displaced by one quarter of the volume diagonal.
80 3C-SiC nucleates in zincblende structure in which atoms of one fcc lattice are substituted by carbon atoms.
81 The length of four lattice constants of Si is approximately equal to the length of five 3C-SiC lattice constants ($4a_{\text{Si}}\approx 5a_{\text{3C-SiC}}$) resultings in a lattice misfit of almost 20\%.
82 Due to this the silicon density of 3C-SiC is slightly lower than the one of Si.
83
84 \begin{figure}[!h]
85  \begin{center}
86  \begin{minipage}{5.5cm}
87  \includegraphics[width=5cm]{sic_prec_seq_01.eps}
88  \end{minipage}
89  \begin{minipage}{5.5cm}
90  \includegraphics[width=5cm]{sic_prec_seq_02.eps}
91  \end{minipage}
92  \begin{minipage}{5.5cm}
93  \includegraphics[width=5cm]{sic_prec_seq_03.eps}
94  \end{minipage}
95  \caption{Schematic of the supposed conversion mechanism of highly C (${\color{red}\bullet}$) doped Si (${\color{black}\bullet}$) into SiC ($_{\color{black}\bullet}^{{\color{red}\bullet}}$) and residual Si atoms ($\circ$). The figure shows the dumbbell formation (left), the agglomeration into clusters (middle) and the situation after precipitation (right).}
96  \end{center}
97 \end{figure}
98 There is a supposed conversion mechanism of heavily carbon doped Si into SiC \cite{}.
99 Fig. 1 schematically displays the mechanism.
100 As indicated by high resolution transmission microscopy \cite{} introduced carbon atoms (${\color{red}\bullet}$) form C-Si (${\color{black}\bullet}\,{\color{red}\bullet}$) dumbbells on regular Si (${\color{black}\bullet}$) lattice sites.
101 The dumbbells agglomerate int large clusters, so called embryos.
102 Finally, when the cluster size reaches a critical radius of 2 to 4 nm, the high interfacial energy due to the lattice misfit is overcome and the precipitation occurs.
103 Due to the slightly lower silicon density of 3C-SiC ($_{\color{black}\bullet}^{{\color{red}\bullet}}$) residual silicon atoms ($\circ$) exist.
104 The residual atoms will most probably end up as self interstitials in the silicon matrix since there is more space than in 3C-SiC.
105
106 Taking this into account it is important to understand both, the configuration and dynamics of carbon interstitials in silicon and silicon self interstitials.
107 Additionaly the influence of interstitials on atomic diffusion is investigated.
108
109 \section*{Simulation sequences}
110 A molecular dynamics simulation approach is used to examine the steps involved in the precipitation process.
111 For integrating the equations of motion the velocity verlet algorithm \cite{verlet67} with a timestep of $1\, fs$ is adopted.
112 The interaction of the silicon and carbon atoms is realized by a newly parametrized Tersoff-like bond order potential \cite{albe_sic_pot}.
113 Since temperature and pressure of the system is kept constant in experiment the isothermal-isobaric NPT ensemble is chosen for the simulation.
114 Coupling to the heat bath is achieved by the Berendsen thermostat \cite{berendsen84} with a time constant $\tau_T=100\, fs$.
115 The pressure is scaled by the Berendsen barostat \cite{berendsen84} again using a timeconstant of $\tau_P=100\, fs$ and a bulk modulus of $100\, GPa$ for silicon.
116 To exclude surface effects periodic boundary conditions are applied.
117
118 \begin{figure}[!h]
119  \begin{center}
120  \includegraphics[width=8cm]{unit_cell.eps}
121  \caption{Insertion positions for the tetrahedral (${\color{red}\bullet}$), hexagonal (${\color{green}\bullet}$) and <110> dumbbell (${\color{magenta}\bullet}$) interstitial configuration.}
122  \end{center}
123 \end{figure}
124 To investigate the intesrtitial configurations of C and Si in Si, a simulation volume of 9 silicon unit cells in each direction is used.
125 The temperature is set to $T=0\, K$.
126 The insertion positions are illustrated in Fig. 2.
127 In separated simulation runs a carbon and a silicon atom respectively is inserted at the tetrahedral $(0,0,0)$ (${\color{red}\bullet}$), hexagonal $(-1/8,-1/8,1/8)$ (${\color{green}\bullet}$), supposed dumbbell $(-1/8,-1/8,-1/4)$ (${\color{magenta}\bullet}$) and at random positions (in units of the silicon lattice constant) where the origin is located in the middle of the unit cell.
128 In order to avoid too high potential energies in the case of the dumbbell configuration the nearest silicon neighbour atom is shifted to $(-3/8,-3/8,-1/4)$ ($\circ$).
129 The energy introduced into the system is scaled out within a relaxation phase of $2\, ps$.
130
131 The same volume is used to investigate diffusion.
132 Different amounts of silicon atoms are inserted at random positions within a centered region of $11 \,\textrm{\AA}$ in each direction.
133 Insertion events are carried out step by step maintaining a constant system temeprature.
134 Finally a single carbon atom is inserted at a random position within the unit cell located in the middle of the simulation volume.
135 The simulation is proceeded for another $30\, ps$.
136
137 For the simulations aiming to reproduce a precipitation process the volume is 31 silicon lattice constants in each direction.
138 The system temperature is set to $450\, ^{\circ} \textrm{C}$.
139 $6000$ carbon atoms (the amount necessary to form a minimal 3C-SiC precipitate) are consecutively inserted in a way to keep constant the system temperature.
140 Precipitation is examined for three insertion volumes which differ in size.
141 The whole simulation volume, the volume corresponding to the size of a minimal SiC precipitate and the volume containing the amount of silicon necessary for the formation of such a minimal precipitate.
142 Following the insertion procedure the system is cooled down to $20\, ^{\circ} \textrm{C}$.
143
144 \section*{Results}
145
146 The tetrahedral and the <110> dumbbell self interstitial configurations can be reproduced as observed in \cite{albe_sic_pot}.
147 The formation energies are $3.4\, eV$ and $4.4\, eV$ respectively.
148 However the hexagonal one is not stable opposed to what is presented in \cite{albe_sic_pot}.
149 The atom moves towards an energetically more favorable position very close to the tetrahedral one but slightly displaced along the three coordinate axes.
150 The formation energy of $4.0\, eV$ of this type of interstitial equals the result obtained in the reference for the hexagonal one.
151 The same type of interstitial may arise using random insertions.
152 In addition variations exist in which the displacement is only along two axes ($E_f=3.8\, eV$) or along a single axis ($E_f=3.6\, eV$) succesively approximating the tetrahedral configuration and formation energy.
153
154 The tetrahedral and <110> dumbbel carbon interstitial configurations are stable.
155 The formation energies are $2.7\, eV$ and $1.8\, eV$ respectively.
156 Again the hexagonal one is found to be unstable.
157 The interstitial atom moves to the more favorable <100> dumbbell position which has a formation energy of $0.5\, eV$.
158 There is experimental evidence \cite{watkins76} of the existence of this configuration.
159 This type of configuration is frequently observed for the random insertion runs and is assumed to be the lowest in energy.
160
161 \begin{figure}[!h]
162  \begin{center}
163  \includegraphics[width=12cm]{../plot/diff_dep.ps}
164  \caption{Diffusion coefficients of a single carbon atom for different amount of Si selft interstitials}
165  \end{center}
166 \end{figure}
167 The influence of Si self interstitials on the diffusion of a single carbon atom is displayed in Fig. 3.
168 Diffusion coefficients for different amount of Si self interstitials are shown.
169 A slight increase is first observed in the case of 30 interstitial atoms.
170 Further increasing the amount of interstitials leads to a tremendous decay of the diffusion coeeficient.
171 Generally there is no long range diffusion of the carbon atom for a temperature of $450\, ^{\circ} \textrm{C}$.
172 The maximal displacement of the carbon atom relativ to its insertion position is between 0.5 and 0.7 \AA.
173
174 \begin{figure}[!h]
175  \begin{center}
176  \includegraphics[width=12cm]{../plot/foo_end.ps}
177  \includegraphics[width=12cm]{../plot/foo150.ps}
178  \caption{Pair correlation functions for Si-C and C-C bonds.
179           Carbon atoms are introduced into the whole simulation volume ({\color{red}-}), the region which corresponds to the size of a minimal SiC precipitate ({\color{green}-}) and the volume which contains the necessary amount of silicon for such a minimal precipitate ({\color{blue}-}).}
180  \end{center}
181 \end{figure}
182 Fig. 4 shows results of the simulation runs targeting the observation of precipitation events.
183 The C-C pair correlation function suggests carbon nucleation for the simulation runs where carbon was inserted into the two smaller regions.
184 The peak at $1.5\, \textrm{\AA}$ fits quite well the next neighbour distance of diamond.
185 On the other hand the Si-C pair correlation function indicates formation of SiC bonds with an increased crystallinity for the simulation in which carbon is inserted into the whole simulation volume.
186 There is more carbon forming Si-C bonds than C-C bonds.
187 This gives suspect to the competition of Si-C and C-C bond formation in which the predominance of either of them depends on the method handling carbon insertion.
188
189 \section*{Summary}
190 The supposed conversion mechanism of heavily carbon doped silicon into silicon carbide is presented.
191 Molecular dynamics simulation sequences to investigate interstitial configurations, the influence of interstitials on the atomic diffusion and the precipitation of SiC are proposed.
192 The <100> C-Si dumbbel is reproducable by simulation and is the energetically most favorable configuration.
193 The influence of silicon self interstitials on the diffusion of a single carbon atom is demonstrated.
194 Two competing bond formations, either Si-C or C-C, seem to coexist, where the strength of either of them depends on the size of the region in which carbon is introduced.
195
196 \bibliography{../../bibdb/bibdb}
197
198 \end{document}