Ανόπτηση πυριτίου με χρήση laser για τον σχηματισμό ρηχών επαφών p-n

Abstract

The main goal of this thesis, is the implementation of two emerging silicon annealing strategies for the formation of ultra shallow p-type junctions, able to fulfill the requirements for the upcoming CMOS generations, as they are imposed by the latest ITRS roadmaps. These annealing strategies are combined with state-of-art Plasma Doping implantation techniques. Careful junction engineering is necessary, in order to determine the optimum annealing conditions, so as to achieve high level of dopants electrical activation, while retaining or even eliminating the occurrence of diffusion phenomena, that could result in wide post - annealing dopant distributions.Two different types of laser, have been used, an excimer Krf laser (λ=248 nm, FWHM=20 ns), and a sealed carbon dioxide laser in the millisecond regime (λ=10.6 μm). Even though, the different wavelengths and annealing durations, result in completely different annealing effect on the silicon bulk, both approaches have been proven successful, a fact that is testified by the extensive morphological and electrical characterization of every sample, performed prior and after the irradiations . Characterization includes SIMS, TEM, AFM and four point probe sheet resistance measurements via the Van der Pauw method. Especially for the CO2 laser part, the experimental work includes the design and fabrication of an integrated laser irradiation setup, able to preheat the samples at the range of 600-6500C and to conduct real time temperature measurements, using an IR pyrometer, a process that is complicated by the very nature of the laser – Si interaction phenomena. Experimental work was supported by simulation of every step of the process, i.e. plasma implantation and laser annealing. The computational effort focused both on thermal and diffusion kinetics prediction, and resulted in significant agreement with experimental data regarding the interaction of Silicon and CO2 / Excimer lasers, using a commercially available software tool. Due to the complex dependency of the absorption coefficient from Boron concentration profile, in the CO2 case, the later should be taken into account in relevant calculations that require simultaneous solution of both thermal and dopant diffusion equations. Moreover, description of this transient process is getting more challenging as the majority of the parameters included in the heat equation, such as thermal conductivity and specific heat capacity are strongly coupled with temperature. By using surface temperature data obtained by pyrometry measurements, it was possible to calibrate and to verify the validity of the results.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, έχει ως στόχο, την επίδειξη δυο διαφορετικών στρατηγικών ανόπτησης πυριτίου με χρήση laser, για τον σχηματισμό ρηχών επαφών τύπου pn, και υλοποιήθηκε στα πλαίσια μιας ευρύτερης προσπάθειας για την κατασκευή πρότυπων διατάξεων CMOS, ικανών να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις που έχουν τεθεί από τον οδικό χάρη ITRS, για τους τεχνολογικούς κόμβους από τα 32 nm και πέρα. Αν και οι δυο αυτές στρατηγικές διαφέρουν τόσο στο μήκος κύματος της ακτινοβολίας, όσο και στη χρονική διάρκεια, εν τούτοις και οι δυο έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό, το οποίο επιβάλλεται από τις προαναφερθείσες απαιτήσεις. Και στις δυο, η ανόπτηση λαμβάνει χώρα σε καθεστώς μη τήξης, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν τα φαινόμενα διάχυσης των προσμίξεων, και να διατηρηθεί η αρχική κατανομή των προσμίξεων. Με τον τρόπο αυτό, και σε συνδυασμό με καινοτόμες τεχνικές εμφύτευσης των προσμίξων με χρήση πλάσματος (PLAsma Doping), είναι δυνατός ο περιορισμός του προφίλ νόθευσης σε πολύ μικρά βάθη, και τέτοια ώστε να είναι ικανά να διατηρήσουν τις συμμετρίες των εσωτερικών ηλεκτρικών πεδίων, καθώς οι πλευρικές διαστάσεις μειώνονται συνεχώς, με την έλευση κάθε καινούργιου τεχνολογικού κόμβου. Όπως προαναφέρθηκε,χρησιμοποίησαμε δυο διαφορετικά είδη laser, ένα ΚrF excimer (λ=248 nm, FWHM=20 ns), και ένα laser διοξειδίου του άθρακα (λ=10.6μm και διάρκεια παλμού της τάξης των μερικών milliseconds και χρήση προθέρμανσης στους 600-650C). Λόγω των διαφορετικών μηκών κύματος, αλλά και των χαρακτηριστικών χρόνων ανόπτησης, οι δυο προσεγγίσεις διαφέρουν ριζικά, ως προς το θερμικό αποτέλεσμα που επιφέρουν στον όγκο του υλικού, με το πρώτο να οδηγεί σε πιο επιφανειακή θέρμανση, ενώ το δεύτερο προσομοιάζει στο αποτέλεσμα την λειτουργία του flash annealing, το οποίο είναι το πλέον διαδεδομένο εργαλείο θερμικής επεξεργασίας των ημιαγωγικών τρανζίστορ αυτή τη στιγμή. Με στόχο την μελέτη της επίδρασης του κάθε ενός από τα συο laser, στα δοκίμια, της ακτινοβόλησης προηγήθηκε, αλλά και ακολούθησε εκτεταμένος ηλεκτρικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός (που περιλαμβάνει μετρήσεις SIMS, TEM και ΑFM), οι οποίες κατέδειξαν τη δυνατότητα και των δυο τεχνικών να οδηγήσουν σε υψηλά ποσοστά ηλεκτρικής ενεργοποίησης των προσμίξεων με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση της διάχυσης του Βορίου (μέγιστη παρατηρούμενη διάχυση=2.5 nm). Κάθε βήμα της πειραματικής προσπάθειας συνοδεύτηκε από την προσομοίωση των διαδικασιών που ένεχονται σε αυτό με την βοήθεια του εξειδικευμένου λογισμικού TCAD, Sentaurus Process της Synopsys. Έτσι στάθηκε δυνατή η πρόβλεψη της συμπεριφοράς της εμφύτευσης με πλάσμα, αλλά και της αλληλεπίδρασης κάθε ενός από τα δυο είδη laser με το πυρίτιο. Η μελέτη της αλληλεπίδρασης χωρίστηκε σε δυο μέρη: αυτό που αφορά την πρόβλεψη της εξέλιξης της θερμοκρασιακής κατανομής στον όγκο του υλικού, και σε αυτή της κινητικής της διάχυσης και της ενεργοποίησης των προσμίξεων. Ανάλογα με την φύση του πρόβληματος χρησιμοποιήθηκε είτε η συνεχής (αριθμητική) προσέγγιση, είτε KMC αλγόριθμοι. Τα αποτελέσματα από την μοντελοποίηση κάθε βήματος, παρουσιάζουν σημαντικό βαθμό συμφωνίας με τα πειραματικά δεδομένα, καθιστώντας επιτυχημένη την προσπάθεια αυτή.