Μελέτη της ενεργοποίησης και διάχυσης προσμίξεων τύπου n σε πυρίτιο υπό τάση και γερμάνιο

Abstract

The main goal of the present thesis is the study of n-type dopants’ diffusion and activation in germanium substrates as well as related phenomena like dose loss and the evolution of the crystal defects during the recrystallization process. In that direction we chose to study phosphorus (P) and arsenic (As) as the antimony (Sb) causes irreversible damage to the Ge crystal during ion implantation that cannot be healed upon subsequent annealing. We have used a combined annealing procedure consisting of laser annealing prior to conventional furnace annealing in order to conclude on the origin of the undesired effect of dose loss that was found to be the initial crystal damage during ion implantation. We were able to study qualitatively the evolution of the extended defects in Ge crystal during laser annealing from a series of cross section TEM micrographs. We observed that the dissolution of extended as well as EOR defects was a quick and plain process even with modest thermal budgets. Ge crystal showed similar behaviour under conventional furnace annealing as we didn’t observe any residual damage to the substrate after a 440°C for 30min annealing at the respective TEM cross section images. These findings showed that Ge has advantages over Si since all the thermal processes can be realized at lower temperatures that is compliant with a seamless integration of the high-k dielectrics onto the surface of semiconductor. With the aid of the commercial simulator T-SUPREM IV from SYNOPSYS, after the proper changes to the software’s code in order to simulate directly onto Ge substrates and the addition of models to simulate phenomena as the dose loss and the pile-up of the dopant close to the surface, we achieved to fit effectively the diffused profiles obtained from SIMS measurements. We note at this point that simulation was done on the diffused profiles for the case of the furnace annealing only. We have implemented the atomistic model as the diffusion model taking into account that the dominant mechanism of dopant diffusion is through double negatively charged vacancies. From the best fits of the aforementioned profiles we extracted the intrinsic diffusion coefficient and the respective activation energy for P and As dopants. The estimated values are in good agreement with the literature with As dopant exhibiting much higher diffusivities compared to P dopant. From electrical measurements using the four point Van der Pauw method and Hall measurements we estimated the sheet resistance and the percentage of the dopant activation for P and As. The P dopant exhibited higher level of activation especially when high doses were implanted into Ge prior to furnace annealings at elevated temperatures. On the other hand As managed higher activation levels for modest implanted doses. For the higher implanted doses As showed a lowering of the diffusivity as well as of the activation level especially for the annealing at the lower temperature. We attributed this behaviour of As to the formation of electrically inactive clusters with vacancies in agreement with reports at the literature. Besides the higher diffusivity of As dopant is responsible for very deep junctions into Ge substrates that is unaccepted by the modem standards. The only advantage of As over P was the limited dose loss. Concluding we report that P is the n-type dopant of choice for the case of Ge as it diffuses slower creating shallower junctions, exhibiting higher level of activation and can be implanted at bigger range of doses without the danger of forming electrically inactive clusters with vacancies. Finally, it was the first time that diffusion and activation was studied experimentally for the case of co-doping Ge substrates with P and As simultaneously. For the experimental conditions used co-doping had no advantage over mono-doping with P. It is interesting though to compare the diffusion behaviour of one dopant in the presence of the other. It seemed that this behaviour was different. The diffusion of P dopant seemed to remain more or less unaffected by the presence of As dopant. At the same time the diffusion of As seemed to slow down in most of the cases. The level of activation was lying somewhere in between (i.e. higher than As but lower than P) except for the case of the annealings at the highest temperature where the co-doped samples activated at similar levels to mono-doped samples with P.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να μελετηθεί η διάχυση και η ενεργοποίηση των n-τύπου προσμίξεων στο γερμάνιο καθώς και φαινόμενα που σχετίζονται με αυτές τις διεργασίες όπως είναι η απώλεια δόσης και η εξέλιξη των ατελειών κατά την επανακρυσταλλοποίηση της δομής του γερμανίου. Για το σκοπό αυτό επιλέξαμε να μελετήσουμε τις προσμίξεις του φωσφόρου και του αρσενικού καθώς η πρόσμιξη του αντιμονίου δημιουργούσε μη αναστρέψιμη καταστροφή της κρυσταλλικής δομής του γερμανίου κατά την ιοντική εμφύτευση. Μετά από ένα συνδυασμό ανοπτήσεων με χρήση laser και συμβατικής ανόπτησης σε φούρνο καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το ανεπιθύμητο φαινόμενο της απώλειας δόσης οφείλεται στην καταστροφή του υποστρώματος του γερμανίου κατά τη διάρκεια της ιοντικής εμφύτευσης. Με τη βοήθεια μικρογραφιών ΤΕΜ καταφέραμε να μελετήσουμε ποιοτικά την εξέλιξη των εκτεταμένων ατελειών στον κρύσταλλο του γερμανίου κατά τη διάρκεια της ανόπτησης με χρήση laser. Παρατηρήσαμε ότι η διάλυση των εκτεταμένων και των EOR ατελειών ήταν ευκολότερη και πραγματοποιούνταν με μικρά προσφερόμενα θερμικά ποσά συγκριτικά με το πυρίτιο. Οι μικρογραφίες ΤΕΜ έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά και για την περίπτωση της συμβατικής ανόπτησης σε φούρνο αφού μετά από ανόπτηση στους 440°C για χρόνο 30min δεν εμφανίστηκε παραμένουσα καταστροφή του υποστρώματος. Τα παραπάνω σημαίνουν ότι το γερμάνιο πλεονεκτεί έναντι του πυριτίου αφού όλες οι θερμικές διεργασίες μπορούν να πραγματοποιηθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, κάτι που είναι συμβατό και με τη σωστή ενσωμάτωση των οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς στην επιφάνεια των ημιαγωγών. Με τη βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης T-SUPREM IV της SYNOPSYS και τις απαραίτητες αλλαγές στον κώδικα ώστε να προσομοιώνει απ’ ευθείας στο γερμάνιο καθώς και τις προσθήκες μοντέλων για να προσομοιωθούν τα φαινόμενα της απώλειας δόσης και της συσσώρευσης της πρόσμιξης στην επιφάνεια καταφέραμε να προσαρμόσουμε αξιόπιστα τα διαχεόμενα προφίλ που προέκυψαν από τις μετρήσεις SIMS. Τα πειράματα διάχυσης που προσομοιώθηκαν ήταν αυτά με τη συμβατική ανόπτηση σε φούρνο. Το μοντέλο της διάχυσης που χρησιμοποιήσαμε ήταν το ατομιστικό μοντέλο με κυρίαρχο μηχανισμό διάχυσης μέσω των διπλά αρνητικά φορτισμένων πλεγματικών κενών. Από τις καλύτερες προσαρμογές καταφέραμε να εξάγουμε τον ενδογενή συντελεστή διάχυσης και την αντίστοιχη ενέργεια ενεργοποίησης για τις προσμίξεις του φωσφόρου και του αρσενικού. Οι τιμές που υπολογίσαμε βρίσκονται σε συμφωνία με τη διεθνή βιβλιογραφία με την πρόσμιξη του αρσενικού να εμφανίζει πολύ υψηλότερες διαχυτότητες συγκριτικά με το φώσφορο. Από τις ηλεκτρικές μετρήσεις τεσσάρων σημείων Van der Pauw και τις μετρήσεις Hall υπολογίσαμε το την επιφανειακή αντίσταση και το ποσοστό ενεργοποίησης των προσμίξεων του φωσφόρου και του αρσενικού. Ο φώσφορος έδειξε υψηλότερα επίπεδα ενεργοποίησης ιδίως για τις περιπτώσεις των υψηλών εμφυτευμένων δόσεων που ανοπτήθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες. Για το αρσενικό η υψηλότερη ενεργοποίηση επιτεύχθηκε για τις χαμηλότερες εμφυτευμένες δόσεις. Επίσης, καθώς η εμφυτευμένη δόση του αρσενικού αυξάνονταν εμφανίστηκε μείωση τόσο της διαχυτότητας όσο και του επιπέδου ενεργοποίησης ιδιαίτερα στις χαμηλές θερμοκρασίες ανόπτησης λόγω του σχηματισμού ανενεργών συσσωματωμάτων ατόμων αρσενικού με τα πλεγματικά κενά σε συμφωνία με αναφορές της βιβλιογραφίας. Επιπλέον το αρσενικό λόγω της υψηλής διαχυτότητάς του δημιουργούσε πολύ βαθιές επαφές κάτι το οποίο είναι ανεπιθύμητο στα σύγχρονα τρανζίστορ. Το μοναδικό πλεονέκτημα που επέδειξε η πρόσμιξη του αρσενικού συγκριτικά με το φώσφορο ήταν η μικρότερη απώλεια δόσης κατά τη διάρκεια των ανοπτήσεων. Συμπερασματικά ο φώσφορος είναι η πρόσμιξη που πλεονεκτεί για την n-τύπου νόθευση του γερμανίου αφού διαχέεται λιγότερο δημιουργώντας ρηχότερες επαφές, επιτυγχάνει υψηλότερα επίπεδα ενεργοποίησης και μπορεί να εμφυτευθεί σε μεγαλύτερο εύρος δόσεων χωρίς να δημιουργεί ηλεκτρικά ανενεργούς σχηματισμούς με τα πλεγματικά κενά. Τέλος για πρώτη φορά μελετήθηκε η διάχυση και η ενεργοποίηση των προσμίξεων για την περίπτωση της συνόθευσης του γερμανίου με φώσφορο και αρσενικό. Για τις πειραματικές συνθήκες που χρησιμοποιήσαμε δεν φαίνεται η συνόθευση να υπερτερεί σε κάποιον τομέα έναντι της απλής νόθευσης με φώσφορο. Ενδιαφέρον πάντως είναι το γεγονός ότι ενώ η διάχυση του φωσφόρου δείχνει σε γενικές γραμμές να παραμένει ανεπηρέαστη, η αντίστοιχη διάχυση του αρσενικού δείχνει στις περισσότερες περιπτώσεις να επιβραδύνεται. Το επίπεδο ενεργοποίησης είναι γενικά χαμηλότερο συγκριτικά με αυτό της μονής νόθευσης με φώσφορο εκτός και αν χρησιμοποιηθούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες ανόπτησης οπότε πλησιάζουν αρκετά τα ποσοστά ενεργοποίησης.