BizSolutions

Σταθόπουλος Σπυρίδων

 

 

Περίληψη:

Κυριότερος στόχος του έργου, είναι η μελέτη της επίδρασης καινοτόμων τεχνολογιών ανόπτησης σε δομές πυριτίου. Η ανόπτηση μετά την εμφύτευση είναι αναγκαία για την βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της επαφής, την θεραπεία των αμορφοποιημένων περιοχών, ταυτόχρονα όμως οδηγεί και σε ανεπιθύμητη διάχυση των προσμίξεων. Η ικανοποίηση όλων αυτών των αντικρουόμενων απαιτήσεων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της μικροηλεκτρονικής σήμερα, γεγονός που δίνει ώθηση στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών ανόπτησης (laser, flash, spike ή και συνδυασμός αυτών), οι οποίες τείνουν να αντικαταστήσουν τις υπάρχουσες. Τεχνολογίες που βασίζονται στην κατασκευή και επεξεργασία λεπτών δομών (τυπικής διάστασης μικρότερης των 500 nm) στην επιφάνεια του πυριτίου, είτε αυτές είναι τυπικές υπέρ-ρηχες επαφές που απαιτούνται για την κατασκευή των σύγχρονων μικροεπεξεργαστών είτε καινοτόμες διατάξεις απαιτούν την χρήση διαφορετικών τεχνικών ανόπτησης ώστε να αποφευχθούν ανεπιθύμητα φαινόμενα διάχυσης που θα προσδώσουν κακά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά στη διάταξη καθώς οι προσμίξεις θα έχουν μετακινηθεί σε ανεπιθύμητο βάθος.

Έχοντας δείγματα τα οποία έχουν υποστεί εμφύτευση ιόντων Βορίου μέσω πλάσματος, διερευνούμε τη χρήση laser για την ανόπτηση του υλικού, με βασικό χαρακτηριστικό την απουσία τήξης. Στο εργαστήριό μας έχει ήδη αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα ανόπτησης με laser διοξειδίου του άνθρακα για αυτόν τον σκοπό. Το σύστημα αυτό παρέχει τη δυνατότητα ακτινοβόλησης δειγμάτων, τα οποία δύνανται προαιρετικά να θερμαίνονται, από 2 έως 100 ms. Ο εκτεταμένος ηλεκτρικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός που λαμβάνει χώρα, παρέχει τη δυνατότητα αξιολόγησης της επίδρασης της ακτινοβόλησης στα επιμέρους χαρακτηριστικά της επαφής. Η πειραματική διεργασία πλαισιώνεται από προσομοίωση όλων των βημάτων της κατασκευής (εμφύτευση, αλληλεπίδραση ύλης-ακτινοβολίας και κινητική/ενεργοποίηση των προσμίξεων), με χρήση υπολογιστικών εργαλείων τεχνολογίας αιχμής.

Αρχικά έγινε μια πρώτη εξοικείωση με την διάταξη laser διοξειδίου του άνθρακα (CO2) του εργαστηρίου και πιστοποιήθηκε η ορθή κατάσταση λειτουργίας της. Παράλληλα πραγματοποιήθηκαν δοκιμαστικές ακτινοβολήσεις ούτως ώστε να βαθμονομηθεί η διάταξη και να αξιολογηθεί η ισχύς που παραλαμβάνεται από το laser. Επιπλέον έγινε ενασχόληση με την προσομοίωση της ανόπτησης πυριτίου από excimer nanosecond laser KrF στα 248 nm με χρήση της σουίτας λογισμικού Synopsys® TCAD Sentaurus™. Τα excimer laser είναι η άλλη βασική ομάδα υποψηφίων κατηγοριών laser που κρίνονται κατάλληλα για την ανόπτηση του πυριτίου και η σύγκριση με το laser CO2 είναι αρκετά χρήσιμη. Επίσης λόγω της χρονικής και χωρικής μορφής του παλμού το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπιστεί σε μία διάσταση κάτι το οποίο διευκολύνει κατά πολύ τις προσομοιώσεις.

Σε πρώτη φάση η μελέτη επικεντρώθηκε γύρω από την θερμική επίδραση της δέσμης του laser σε συμπαγές (bulk) πυρίτιο νοθευμένου με διάφορες πυκνότητες προσμίξεων και διάρκειες παλμών από 20 ως 100 ns. Τα αποτελέσματα αυτών των προσομοιώσεων έδειξαν την εξάρτηση που έχει η κατανομή της θερμοκρασίας στο υλικό σε σχέση με την διάρκεια του παλμού που καταφθάνει σε αυτό. Ακόμα μελετήθηκε η συμπεριφορά της ενεργοποίησης των προσμίξεων μετά από ακτινοβόληση με χρονοσειρά δύο ή περισσοτέρων παλμών. Παρατηρήθηκε η όλο και μεγαλύτερη ενεργοποίηση των εμφυτευμένων προσμίξεων χωρίς να υπάρχει σημαντική διάχυση των προσμίξεων σε μεγάλα βάθη όπως ήταν αναμενόμενο και από την σχετική αρθρογραφία.

Αφού έγινε μια πρώτη εκτίμηση της επίδρασης του nanosecond παλμού σε συμπαγές πυρίτιο το ενδιαφέρον της προσομοίωσης επικεντρώθηκε στην επίδραση αυτής της ακτινοβολίας σε δομές Silicon-on-Insulator (SOI). Οι δομές SOI πρακτικά φέρουν ένα θαμμένο στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) στο wafer του πυριτίου και έχουν μεγάλη σημασία για την κατασκευή σύγχρονων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (όπως πχ transistors πολλαπλών πυλών). Προτού γίνει αυτό ήταν απαραίτητη μια βιβλιογραφική έρευνα σχετικά με τις θερμικές και οπτικές ιδιότητες του διοξειδίου του πυριτίου στα μήκη κύματος που μας ενδιαφέρουν (στα 248 nm του KrF, καθώς και στα 10.6 μm του CO2 που θα μας απασχολήσει στη συνέχεια). Οι διαφορές στις θερμικές ιδιότητες των δύο υλικών έχουν σημαντική επίπτωση στον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η θερμοκρασία στο υλικό. Συγκεκριμένα, το πυρίτιο φαίνεται να έχει πολύ καλύτερη θερμική αγωγιμότητα από το διοξείδιο στις θερμοκρασίες κάτω από την τήξη του πυριτίου (η οποία είναι περίπου 1600°K). Ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο υπερκείμενο στρώμα του πυριτίου δεν απάγεται ικανοποιητικά από το θαμμένο στρώμα διοξειδίου του πυριτίου με άμεση συνέπεια την σημαντική αναθέρμανση του πρώτου. Η προσομοίωση επιβεβαίωσε αυτή την παρατήρηση και παράλληλα έδειξε την εξάρτηση της επιφανειακής θερμοκρασίας που αναπτύσσεται από το πάχος του θαμμένου στρώματος του οξειδίου. Σε πάχη οξειδίου που είναι συνήθη σε wafers SOI (δηλαδή 200-300 nm) παρατηρήθηκε ότι η θερμοκρασία που αναπτύσσεται είναι ακόμα και τρεις φορές υψηλότερη σε σχέση με το συμπαγές πυρίτιο. Ως αποτέλεσμα, για να αποφευχθεί η τήξη του υλικού, απαιτούνται μικρότερες δόσεις ακτινοβολίας ή χρονικά μακρύτεροι παλμοί.

Στη συνέχεια προσομοιώσεις επικεντρώθηκαν στη θερμική επίδραση του excimer laser σε μορφοποιημένες δομές σε υποστρώματα Silicon-on-Insulator (SOI). Πιο συγκεκριμένα έγιναν προσομοιώσεις ακτινοβόλησης σε λεπτές λωρίδες πυριτίου 50-200 nm επάνω στο μονωτικό στρώμα διοξειδίου του υποστρώματος SOI. Σε σχέση με το planar SOI η θερμική συμπεριφορά ήταν σημαντικά διαφορετική καθώς η πλήρης έκθεση του μονωτικού στρώματος (που είναι πρακτικά διάφανο στην ακτινοβολία του excimer που βρίσκεται στην περιοχή του UV) και σχεδόν αυτούσια η ακτινοβολία διέρχεται από το μονωτικό στρώμα και θερμαίνει τον βασικό όγκο του πυριτίου που συγκροτεί το υπόστρωμα. Επειδή το διοξείδιο του πυριτίου είναι  θερμικά μονωτικό υλικό η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο υπόστρωμα συγκρατείται στη διεπιφάνεια πυριτίου/οξειδίου με αποτέλεσμα τη μη αναθέρμανση της υπερκείμενης δομής κάτι το οποίο παρατηρήθηκε σε planar SOI. Επίσης έγινε μια πρώτη προσέγγιση της ενεργοποίησης των προσμίξεων με χρήση προηγμένων μοντέλων προσομοίωσης που διαθέτει το πρόγραμμα Sentaurus Process. Αυτοί οι αλγόριθμοι λαμβάνουν υπόψη πραγματικά δεδομένα φασματοσκοπίας μάζας δευτερογενών ιόντων (SIMS) για την κατανομή των προσμίξεων καθώς και πολύπλοκα υπολογιστικά μοντέλα για την κινητικότητά τους στη διάχυση. Δυστυχώς, στην περίπτωση του planar SOI τα αποτελέσματα δεν ήταν ικανοποιητικά  κάτι το οποίο οφείλεται μάλλον σε κάποια ανωμαλία του προγράμματος παρά σε πραγματική κατάσταση καθώς τόσο σε bulk πυρίτιο όσο και μορφοποιημένο SOI η προσομοίωση φαίνεται να προσεγγίζει σωστότερα το πρόβλημα, ωστόσο απαιτείται περισσότερη μελέτη σε αυτή την κατεύθυνση.

Κατόπιν έγινε μια σειρά προσομοιώσεων για την περίπτωση του CO2 laser. Αρχικά επιβεβαιώθηκαν προηγούμενα αποτελέσματα προσομοιώσεων σχετικά με τη θερμοκρασιακή επίδραση του παλμού του CO2  laser ενώ παράλληλα φάνηκε ένα ποσοστό ενεργοποίησης των προσμίξεων της τάξης του 8-10%. Η μετάβαση σε planar SOI μέχρι στιγμής έχει δείξει μια θερμοκρασιακή διαφορά της τάξης των 100°C σε σχέση με το bulk πυρίτιο κάτι το οποίο είναι αναμενόμενο λόγω της κακής θερμικής συμπεριφοράς του οξειδίου. Ωστόσο λόγω της μεγάλης διαφοράς που υπάρχει ανάμεσα στην ισχύ ενός CO2 laser (όντας constant wave) και ενός excimer laser η επίδραση του παλμού φαίνεται να είναι λιγότερο επιλεκτική όσον αφορά το υπόστρωμα.

Στον τομέα των πειραμάτων, αρχικά έγιναν δοκιμαστικές ακτινοβολήσεις σε ανόθευτα υποστρώματα bulk πυριτίου για να εξακριβωθεί η ικανότητα του laser να θερμάνει όσο το δυνατόν περισσότερο το υλικό κάτω από την τήξη. Πράγματι η μέγιστη θερμοκρασία που αναπτύχθηκε ήταν 1200°C που κρίνονται ικανοποιητικοί για τη θέρμανση του πυριτίου σε τέτοιο επίπεδο ώστε να ενεργοποιηθούν οι προσμίξεις και η ανόπτηση να είναι αποτελεσματική. Δυστυχώς στην περίπτωση των SOI υποστρωμάτων δεν επιβεβαιώθηκε η διαφορά των 100°C που παρατηρήθηκε από την προσομοίωση, παρά περιορίστηκε σε μια διαφορά περίπου 50-60°C κάτι το οποίο είναι μέσα στο σφάλμα της πυρομέτρησης. Ωστόσο, τα δοκιμαστικά δείγματα δεν είχαν κάποια επιπλέον εμφύτευση προσμίξεων οπότε σίγουρα η σύγκριση με την προσομοίωση δεν μπορεί να είναι άμεση.

Ακολούθως εστάλησαν τα πρώτα δείγματα για εμφύτευση τύπου PLAD BF3 από την εταιρεία Ion Beam Services (Peynier, Γαλλία). Τα δείγματα περιλάμβαναν τόσο bulk n- και p-type πυριτίου όσο και SOI. Μερικά από αυτά επίσης ήταν καλυμμένα με ένα λεπτό στρώμα οξειδίου (3.5 nm) ούτως ώστε να ανασχεθεί η εμφύτευση των προσμίξεων και τελικά να καταλήξουμε με δείγματα δύο διαφορετικών κατανομών προσμίξεων μετά την αφαίρεση του προστατευτικού οξειδίου. Η επιλογή της δόσης και ενέργειας εμφύτευσης επιλέχτηκε ύστερα από προσομοιώσεις με το Sentaurus (1×1015 cm-2 στα 600 eV) ούτως ώστε να δίνει μια κορυφή της κατανομής των προσμίξεων περίπου στα 1×1021 cm-3 σε ένα βάθος 3-5 nm για τα δείγματα υψηλού doping (χωρίς το οξείδιο) και περίπου 4-6×1019 cm-3 στα δείγματα χαμηλού doping (με το οξείδιο).

Ακολούθησαν ακτινοβολήσεις στα δείγματα υψηλής νόθευσης με παλμούς laser διοξειδίου του άνθρακα σε διάφορους χρόνους ακτινοβόλησης. Η ισχύς του laser (σε spot διαμέτρου 1.1 mm) επιλέχθηκε ούτως ώστε να μην επέρχεται τήξη του υλικού. Για τα μεν bulk δείγματα αυτή είναι περίπου στα 64 W όπως υποδεικνύεται και από την προσομοίωση. Για την περίπτωση των SOI δειγμάτων η ισχύς επιλέχθηκε στα 56 W. Η προσομοίωσης φαίνεται να δίνει καλή πρόβλεψη για την τήξη του υλικού και στις δύο περιπτώσεις. Η τήξη του δείγματος εκδηλώνεται με την αλλαγή της ανακλαστικότητας της επιφάνειας στο σημείο της ακτινοβόλησης.

Τα ακτινοβολημένα δείγματα απεστάλησαν για μετρήσεις SIMS στο ινστιτούτο CEMES/CNRS καθώς και δείγματα άνευ ανόπτησης ως αναφορά. Τα αποτελέσματα έδειξαν πολύ καλή συμφωνία της εκτίμησης του Sentaurus τόσο για την πραγματική τιμή για το as implanted προφίλ της κατανομής των προσμίξεων του Βορίου όσο και για το βάθος της κορυφής της κατανομής. Όσον αφορά τα δείγματα που είχαν υποστεί ανόπτηση στην πλειοψηφία τους δεν εμφανίστηκαν σημάδια «επικίνδυνης» διάχυσης, ειδικά στους χρόνους ακτινοβόλησης κάτω των 10 ms. Επίσης η ταύτιση των διαχυμένων προσμίξων με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι αρκετά καλή. Η προσομοίωση φαίνεται να δίνει ελαφρώς μεγαλύτερη διάχυση στους υψηλότερους χρόνους (παλμοί 8 και 10 ms) αν και οι μετακινήσεις του προφίλ σε τέτοιους χαμηλούς χρόνους είναι ούτως ή άλλως πολύ μικρές (1 με 2 nm).  Μετρήσεις επιφανειακής αντίστασης (van der Pauw) για δείγματα με όμοιες συνθήκες ακτινοβόλησης έδωσαν επιφανειακή αντίσταση της τάξης των 1200 Ω/sq κάτι το οποίο σαφώς μαρτυρά ενεργοποίηση των εμφυτευμένων προσμίξεων, αν και υπάρχει περιθώριο βελτίωσης μέχρι τα 600 Ω/sq που θεωρείται ιδανικότερη τιμή.

Α/Α	Τίτλος Παραδοτέου	Είδος παραδοτέου	Αρχείο
01	Experiments and Simulation of boron implanted and annealed silicon using CO2 laser	Ανακοινώσεις σε συνέδρια
02	Simulating the effect of CO2 Laser Radiation on Plasma Doped Silicon	Ανακοινώσεις σε συνέδρια
03	CO₂ Laser Annealing for USJ Formation in Silicon: Comparison of Simulation and Experiment	Δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά
04	Πειραματική μελέτη και προσομοίωση της ταχείας ανόπτησης πυριτίου και γερμανίου σε καθεστώς μη τήξης	Διδακτορική Διατριβή
05	Millisecond laser annealing of Phosphorus implanted Germanium	Ανακοινώσεις σε συνέδρια
06	Millisecond non-melt laser annealing of phosphorus implanted germanium: Influence of nitrogen co-doping	Δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά
07	Millisecond sub-melt laser annealing of nitrogen co-doped phosphorus implanted germanium	Ανακοινώσεις σε συνέδρια