Simulación Atomística de Procesos en Microelectrónica

Simulación Atomística deProcesos en MicroelectrónicaJuan BarbollaDept. de Electrónica, Universidad de ValladolidCDE 2003

Simulación atomística deprocesos tecnológicos:!Realista y detallada!Más rápida para sub-0.1 µm

35 nm - MOSFET35GSiO 2BAsSimulacióncontinuaatomísticaSDsubs.Toshiba IEDM,2001

35 nm - MOSFETAsenov et al., SISPAD 2002Simulación eléctrica a partir dela simulación atomística de procesos

Estrategia desimulación atomísticaVB SI! Dinámica del sistema:Método de Monte Carlo Cinético (KMC)

Técnicas complementariaspara KMCFrecuencias de salto:Dinámica Molecular(MD)Dopado + Dañadopor implantación iónica:Colisiones binarias (BC)Dinámica del sistema:Monte Carlo Cinético(KMC)

! IntroducciónÍndice! Simulación KMC:– Programa DADOS– Difusión del Boro! Dinámica Molecular! Simulación de la implantación con BC! Conclusiones

! Simulador KMCDADOSDiffusion of Atomistic Defects, Object-oriented Simulator! C++, 30.000 líneas de código! Rendimiento >1 millón de eventos/ seg. (P-4)! Desarrollado en la Universidad de Valladolid! Primer simulador atomístico incorporadoen un simulador de procesos comercial(TAURUS, versión 3D del TSUPREM)

Interacciones atómicas en DADOSI + V ↔ 0IVI ↔ 0 en la superficieI + I n (inmóvil) ↔ I n+1I + B s ↔ B i (móvil) igual para P, As, In,...V + Sb ↔ SbV (móvil)igual para Vigual para As,...B i + B m I n ↔ B m+1 I n+1 (precipitación)I, V + trampa (C,O) ↔ complejo inmóvilII superficieI n+1I B iV SbVB i B mI n+1+1I Complejo

Interacciones y eventos! Interacción: radios de capturaI I n +1 I + I n → I n+1! Evento: frecuenciasII n+1 → I n + II n +1

Esquema de simulaciónSelecciónde eventoInteraccióncon vecinohayvecinosno hayvecinosBúsquedade vecinosSaltoB S i

Fenómenos que se pueden simular• Difusión de defectos y dopantes• Evolución de clusters de defectos (311´s, “voids”,...)• Gettering de defectos por trampas (I-C, V-O)• Formación de precipitados• Papel de la superficie (oxidación, nitridación,...)• Amorfización / Recristalización• Efectos de carga (nivel de Fermi)• Efectos 3-D• Inhomogeneidades (discretización de la posición)Simulación de fabricación de DISPOSITIVOS

Difusión del BorosuperficieBsI I I BiBiI I I Idifusióndel BoroBi BiBs Bi! B S inmóvil! C I * ↔ superficie! I+B S → B i móvil! B i → B S + I! D B * ∝ C I *·ν ·______ ν m,Bim,Iν bk,BiD B! ____ = ___D B *C IC I *supersaturaciónde intersticiales

Difusión del BoroEfectos de la implantación y recocidoImplantaciónSi 40 KeVsobre Siconmarcadoresde Bconcentración (cm -3 )10 1910 1810 170 200 profundidad (nm) 400 600

Difusión del BoroEfectos de la implantación y recocido1. Aumento Transitorio de la Difusión (TED) "D ____ B C= ___ ID B * C I * ⇒ D B » D B *2. Posible formación de clusters de BoroInmóviles ☺ y eléctricamente inactivos ""concentración (cm -3 )10 1910 1810 170 200 400 600profundidad (nm)

Aumento Transitorio de la DifusiónPapel de los clusters de intersticiales! Breve transitorio inicialClusters de intersticiales y vacantes → recombinación I-V! Sobreviven algunos clusters de I~1 intersticial extra por cada ión implantado (“modelo +1”)! Los clusters de I aumentan de tamaño: los {311}’s! Los clusters de intersticiales son fuente de I móviles:Emisión de los I por los clusters → C I → D B

Clusters de IntersticialesTEMClaverie et alAPL 2001Clusters pequeños1.6Defectos {311}Lazos de dislocaciónmásinestablesclustersmásestablesenergía de formación (eV)1.20.80.40C I_ ∝ exp_C I *E fkT1 10 100 1000 10000intersticiales en el cluster10 610 410 21__ C IC I *mayorfrecuenciaemisión deintersticialesmenor

Aumento Transitorio de la DifusiónSupersaturación de intersticialesD B____ = ___ ∝ exp ⎯D B *C IC I *2x10 13 /cm 2 , 40KeV SiE fkTsupersaturación de intersticiales1e+81e+71e+61e+51e+41e+31e+2Experimental:800ºC700ºC600ºCLineas: DADOS1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5tiempo de recocido (s)Datos experimentales: Cowern et al., PRL 99

Duración del transitorioDisolución de los {311}’s1e+15intersticiales en {311} (cm -2 )1e+141e+131e+121e+11Experimental:815ºC738ºC705ºC670ºCLineas: DADOSSi 40 KeV, 5·10 13 cm -21 10 100 1000 10000 10000tiempo de recocido (s)Datos experimentales (TEM): Eaglesham et al., APL 94El tiempo dedisoluciónaumenta si:! T ↓! dosis ↑! E implant.↑

Desactivación eléctrica del BImplantación de BImplantación de Sien marcadores de B40 keV 2·10 14 cm -2 . Recocido: 800ºC, 1000 s 40 keV 9·10 13 cm -2 . Recocido: 800ºC, 500 sB concentration, cm-310 2010 1910 18SRP10 1710 16Regiónas-implantedSIMS0 100 200 300 400 500Depth, nmB concentration, cm -3inmóvileléctricamente inactiva10 2010 1910 18 SIMS10 17as-grown0 100 200 300Depth, nm→ CLUSTERS DE BORO

Desactivación eléctrica del BSi10 20 40 keV, 5x10 13 cm -2 ; recocido: 790 o C, 10 minintersticiales trasinicialexperimentalla implantaciónsimulación10 1910 1810 1710 16 0 200 400 600Pelaz et al., APL 97profundidad (nm)concentración (cm -3 )• Todos los marcadores experimentan TED• Clusters de B en marcadores cerca de la superficie• Precursores ricos en intersticiales: B i +I →BI 2

Evolución de los Clusters de BNUCLEACIONI B SIB iDISOLUCIÓNBI 2 B 2 I 3 B 3 I B 4 4 I 5B i B i B iCRECIMIENTOFORMACIÓNB iB 4 II BB i 3IB 4 I 2B i B 2 B 3 IB 4 I 3B 2 IB 4 I 4IIIIESTABILIZACIÓN

Activación eléctrica del B40 keV 2x10 14 cm -2 B implant, 800 o C anneal11Electrically active B fraction0.80.60.40.2experimentsimulation0.80.60.40.2Substitutional B fraction0010 -2 110 2 10 4Pelaz et al., APL 99Time, secondsend ofTEDClusters de B eléctricamente inactivos:→ se forman al principio del recocido→ se disuelven lentamente después de la TED

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Dinámica Molecular (MD)DefiniciónResolución de las ecuacionesde Newton para un conjuntode N partículas:Celda MDdrm ii= p ⎫idt ⎪⎬ (i = 1, 2, …, N)dp i= Fdt i⎪⎭

Dinámica MolecularTiposPRIMEROS PRINCIPIOS (ab initio)! Resolución de la ecuación de Schrödinger! Simulaciones sin parámetros! Límites: N ~ 100 átomos , tiempo ~ 1 psPOTENCIALES INTERATÓMICOS EMPÍRICOS! Energía del sistema como función de lascoordenadas: E Total= E Total{r i}! Potenciales empíricos: parámetros ajustables! Límites: N ~ 1.000.000 átomos, tiempo ~ 1 nsNuestro código MD: 15 µs/átomo·iteración

Dinámica MolecularEjemplos de simulación en 1 díaN = 10 6 átomos, t = 5 ps N = 10 3 átomos, t = 5 ns5 keV As → Si(100) Interfase C/A a 1100 ºC

Dinámica MolecularDifusión del intersticial de silicioT = 800 ºC

Dinámica MolecularConfiguraciones del intersticialTETRAÉDRICA (T) DUMBELL (D) EXTENDIDA (E)E F = 4.14 eV E F = 5.25 eV E F = 4.61 eV

Dinámica MolecularCamino de difusión 1ABABTABDABABT

Dinámica MolecularCamino de difusión 2BACDBACDBACDTDADBCABDCABDCABDCETD

Dinámica MolecularConstante de difusión (D)Relación de Einstein: D = lim∑ r i (t) – r i (0) 2 /6tt→∞1614∑ |ri(t)-ri(0)| 2 (Å 2 )1210864200 5 10 15 20Tiempo (ns)D = 1.09x10 -8 cm 2 /sDifusión de un intersticial a T = 800 ºC

Dinámica MolecularEnergía de migración y prefactorComportamiento tipo Arrhenius: D = D 0exp(-E M/k BT)1 -70D (cm 2 /s)1 -80D 0= 2x10 -4 cm 2 /sE M= 0.87 eV01 -98 9 10 11 12 13 141/k B T

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Implantación iónica! Introducción de iones energéticos⇒ dopado + dañado ( I’s y V’s)! Rangos típicos: Energía: 1 keV .. 1 MeV! Otros parámetros:Fundamentos– Ángulos de incidencia(inclinación, rotación)– Estructura cristalina(orientación) y/o amorfa– Geometría del dispositivo– ...Dosis: 10 12 ..10 15 cm -2

Implantación iónicaSimulación: Colisiones Binarias! La implantación es consideradacomo choques entre dos partículas! Cascada: proyectil , intersticiales y vacantes! Válido hasta energías de MeV! Colisiones binarias: mucho más rápido que MD

Implantación iónicaModelos físicos! FrenadoElástico: núcleo-núcleoInelástico: núcleo-electrón! DañadoImplementaciónModelo estadístico! perfiles de impurezas! poco preciso para el dañado! rápidoModelo atomístico! perfiles de impureza! preciso para el dañado → KMC! más lento

Implantación iónicaSimulador IIS! Modelado físico para el frenado electrónico:– Densidad electrónica ab-initio 3D:un único parámetro ajustable proyectil-blanco! 3D: dopado, dañado! Ejecución paralela, mecanismos dereducción del ruido estadístico, etc

Implantación iónicaBoro en Siliciocon diferentes energías y orientacionesB (0º,0º) → Si {100}B (7º,30º) → Si {100}Hernández-Mangas et al., JAP 2002

Implantación iónicaArsénico y Fósforo en Silicioen condiciones de acanalamientoAs → Si {110}P → Si {100}Hernández-Mangas et al., JAP 2002

Implantación iónicaMoléculas BF 2 en Siliciocon diferentes energías y dosisBF 2→ Si {100}, 5 10 13 y 4 10 15 at/cm 2Hernández-Mangas et al., JAP 2002

Implantación iónicaen Arseniuro de Galio (III-V)Se (7º,30º) y (0º,0º) 300 keV→GaAs{100}Si (7º,30º) y (0º,0º) 150 keV→GaAs{100}Hernández-Mangas et al., JAP 2002

Implantación iónicaen Carburo de Silicio (IV-IV)IV)As (12.5º,3.5º) → 6H-SiC{0001}Al (12.5º,3.5º) → 6H-SiC{0001}Hernández-Mangas et al., JAP 2002

ConclusionesLa Simulación Atomística de Procesos Tecnológicos:! Proporciona un elevado nivel de detalle y precisión! Buena herramienta para el estudio de mecanismoscomplejos! Mas rápida y precisa que los simuladores continuos3D para dispositivos < 0.1 µm

Caracterización Eléctrica de Materiales yDispositivos MicroelectrónicosCaracterización de:LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN! Centros profundos en uniones bipolares (p-n y Schottky)! Defectos en estructuras MIS! Propiedades dieléctricas en estructuras metal-aislante-metal! Dispositivos electrónicos avanzados- HEMT de GaN- Estructuras silicio-sobre-zafiro- Dispositivos fotónicos de semic. III-V (InGaAs, InGaP, InAlAs):Diodos láser, células solares integradas, detectores y emisoresoptoelectrónicos

Caracterización Eléctrica de Materiales yDispositivos MicroelectrónicosTÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓNTécnicas convencionales! Caracterización de dispositivos en condiciones estacionarias! Deep level transient spectroscopy (DLTS)! Medidas de efecto Hall! Medidas C-V en estructuras MIS (cuasiestática y alta frecuencia)Técnicas desarrolladas en nuestro laboratorio! DLTS de un sólo barrido (SS-DLTS)! Espectroscopía óptica de admitancia (OAS)! Técnica de transitorios capacidad-voltaje (CVTT)! Técnica de transitorios de conductancia (g-t)! Análisis de impedancia en radio-frecuencia (RFIA)

Diseño de Circuitos Integrados AnalógicosDiseño de sistemas de altas prestaciones! FILTROS que operan a muy baja tensión (1V)- Solución basada en el AO conmutado.Aplicación: Radio Data System! CONVERSORES- De tipo Nyquist:circuitos de muestreo y retención y conversor pipeline- De sobremuestreo:conversor sigma-delta de tiempo continuoAplicación: comunicación inalámbrica de alta velocidad(wireless-LAN)

Simulación Atomística deProcesos en MicroelectrónicaJuan BarbollaDept. de Electrónica, Universidad de ValladolidCDE 2003