Multiscale modeling of dopant implantation and diffusion in crystalline and amorphous silicon

Resumen

La tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ha experimentado un gran avance durante las últimas décadas en cuanto a prestaciones y velocidad de operación, cimentado en la continua reducción del tamaño de los dispositivos. Sin embargo, cada vez es más difícil cumplir los requisitos impuestos a las nuevas generaciones tecnológicas a medida que sus dimensiones se aproximan a la escala atómica. La fabricación de uniones ultra superficiales con implantaciones moleculares se encuentra entre las diferentes alternativas que están siendo empleadas para poder extender los límites de las reglas de escalado tradicionales. Este tipo de implantaciones amorfizan una región muy superficial de la oblea, que al ser recrecida epitaxialmente permite obtener altas concentraciones de dopantes activos y perfiles de dopantes muy abruptos, lo que permite cumplir los requisitos establecidos por el ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Sin embargo, el dañado residual que permanece en el sustrato tras los tratamientos térmicos que siguen a la implantación afecta negativamente a las prestaciones finales del dispositivo. Por otra parte, se están investigando nuevas estructuras para sustituir a medio plazo al MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tradicional. El incremento del número de puertas en el dispositivo permite aumentar la corriente de conducción, y controlar mejor el canal por donde circulan las cargas. No obstante, las condiciones de implantación necesarias para dopar las regiones de fuente y drenador amorfizan gran parte del cuerpo de estos dispositivos, y el dañado que se genera también afecta negativamente a las prestaciones finales del dispositivo fabricado. Es por tanto necesaria una intensa labor de investigación para poder continuar con la reducción de los dispositivos y alcanzan los requerimientos establecidos para las generaciones tecnológicas futuras, así como para trasladar las soluciones encontradas en los laboratorios a la producción industrial. Aunque los tests experimentales son esenciales para el desarrollo y optimización de las nuevas tecnologías, el modelado y la simulación se están convirtiendo en elementos fundamentales para reducir los tiempos y costes de desarrollo. En concreto, la fabricación de las uniones que constituyen los dispositivos posee especial importancia, puesto que sus prestaciones finales están determinadas en gran medida por las características de aquellas. De esta forma, un adecuado modelado de los procesos involucrados en su fabricación puede ayudar a minimizar posibles problemas o a diseñar estrategias de optimización. Para ello es necesario conocer y comprender los fenómenos físicos que tienen lugar a nivel atómico. Sin embargo, para establecer la relación entre los modelos macroscópicos de los dispositivos y los fenómenos que ocurren a escala atómica es necesario recurrir a estrategias de simulación multi-escala donde diferentes técnicas de simulación son combinadas para obtener la información necesaria en diferentes niveles. En esta tesis se ha analizado y modelado la implantación iónica en silicio cristalino, y del comportamiento de los dopantes y la difusión atómica en silicio amorfo. Con este fin se han utilizado diferentes técnicas de simulación atomísticas para poder obtener una caracterización más amplia de los fenómenos analizados. En una primera parte hemos caracterizado y cuantificado la generación de dañado durante la implantación de iones monoatómicos y moleculares mediante simulaciones de dinámica molecular clásica. Los resultados obtenidos sirvieron para establecer las bases físicas de un modelo general de los mecanismos de generación de dañado por implantación iónica. En una segunda parte hemos desarrollado un modelo atomístico eficiente del proceso de generación de dañado en implantaciones iónicas que proporcione una descripción realista de las estructuras de dañado generadas, tanto para iones monoatómicos como moleculares. Este modelo ha sido implementado en un simulador basado en la aproximación de colisiones binarias con un reducido coste computacional para su uso en aplicaciones industriales. En una tercera parte hemos analizado la influencia de defectos preexistentes, superficies e interfases amorfo-cristal en la generación y estabilidad de dañado. Para ello se usaron simulaciones de dinámica molecular clásica. Los resultados obtenidos permiten explicar las observaciones experimentales de la facilidad con la que se genera una capa amorfa en la superficie incluso con implantaciones de baja energía, así como la dificultad de recristalizar el cuerpo amorfizado de dispositivos multi-puerta y de estructuras delgadas sobre aislante. Finalmente, hemos caracterizado las propiedades energéticas y estructurales de los átomos de B en silicio amorfo y su papel en el dopado de este material, para lo cual se usaron simulaciones de primeros principios o 'ab initio'. También hemos caracterizado y cuantificado la difusión atómica en silicio amorfo durante los tratamientos térmicos mediante simulaciones de enlaces fuertes o 'tight binding'. En resumen, en esta tesis se ha analizado a nivel fundamental diferentes fenómenos de especial relevancia en la fabricación de las uniones de los dispositivos. La información obtenida proporciona un conocimiento esencial a la hora establecer las bases físicas para el desarrollo de modelos de procesos tecnológicos precisos y predictivos. En concreto, se ha desarrollado un modelo atomístico del proceso de implantación cuya incorporación en los simuladores de procesos supondrá un avance para predecir las condiciones de amorfización, así como una herramienta de simulación adecuada para las implantaciones moleculares no disponible hasta la fecha.