Modellierung der Implantationsschäden in Silizium

Ionenimplantation ist das gebräuchlichste Verfahren der Siliziumtechnologie zum Einbringen von Dotieratomen in den Halbleiter. Als Nebeneffekt wird dabei das Kristallgitter geschädigt, sodass ein thermisches Ausheilen der Defekte nötig ist. Dabei verursachen die Defekte transient beschleunigte Diffusion der Dotieratome, was die Dotieratomprofile verbreitert und somit ein Hindernis für die Verkleinerung der Bauelementabmessungen darstellt. Das Ausmaß der Diffusion und die Zeit und Temperatur, die nötig sind, um die Defekte auszuheilen, hängen von deren Anzahl und Typ ab. Ein detailliertes Verständnis der Gitterschädigung während der Ionenimplantation und genaue Modelle für deren Simulation sind daher außerordentlich wichtig für das Design von Bauelementen. Die Relevanz dieses Themas wird dadurch illustriert, dass die "International Technology Roadmap for Semiconductors" Implantationsschäden, Amorphisierung und anschließende Rekristallisation als schwierige Herausforderung auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation bezeichnet. Ziel des Projekts ist ein detaillierteres Verständnis der Schadensbildung in Silizium und quantitative Modelle, die die Abhängigkeit der Schäden von den Implantationsparametern wie Ionenmasse, Implantationsdosis, Dosisrate und Temperatur beschreiben. Als Simulationsmethoden werden atomistische Verfahren gewählt (Zweikörper- Wechselwirkungs-, kinetische Monte-Carlo- und Molekulardynamik-Simulationen). Diese haben in den letzten Jahren vermehrtes Interesse gefunden, da die nötigen Computer-Resourcen verfügbar wurden. Im Rahmen des Projekts werden Implantationsexperimente bei tiefen Temperaturen durchgeführt, um ballistische Effekte zu untersuchen, bei Temperaturen bis zu Raumtemperatur wird das dynamische Ausheilen von Defekten studiert, und schließlich werden Prozesse an der amorph-kristallinen Grenzschicht mit Hilfe von amorphisierenden Implantationen untersucht. Als analytische Verfahren werden Rutherford Backscattering und Channeling (RBS/C) benützt, um die Zahl der Defekte zu bestimmen, sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), um deren Morphologie zu untersuchen und die Position der amorph-kristallinen Grenzschicht zu messen. Besondere Beachtung wird der Quantifizierung von RBS/C geschenkt, wo durch ab-initio Rechnungen ermittelte Positionen der Defektatome verwendet werden. Zur Überprüfung der RBS/C-Resultate werden Dotieratomprofile nach Implantation in Channeling-Richtung mit Hilfe von Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) analysiert.

Ionenimplantation ist das wichtigste Verfahren der Mikroelektronik zur Einbringung von Dotieratomen in den Halbleiter. Als unerwünschter Nebeneffekt wird dabei das Kristallgitter geschädigt. Beim thermischen Ausheilen bewirken die Defekte transient beschleunigte Diffusion und Clustern von Dotieratomen. Detailliertes Verständnis des Schadensbildungs-prozesses und genaue Simulationsmodelle sind daher von großer Bedeutung für das Design von Halbleiterbauelementen. Im Rahmen des Projektes wurden mehrere wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Zunächst wurde ein verbessertes Verständnis der Bildung amorpher Einschlüsse durch schwere Ionen gewonnen. Frühere Theorien hatten diese lokalen amorphen Zonen um die Ionentrajektorien durch Wärmeleitung aus den Gebieten der Energiedeposition erklärt. Wir konnten zeigen, dass eine quantitative Modellierung dieses Prozesses die Berücksichtigung der Schmelzwärme erfordert, und dass es weiters nötig ist anzunehmen, dass das Kristallgitter kollabiert, sobald eine kritische Defektkonzentration lokal erreicht ist. Das zweite Kriterium wird gewöhnlich bei der Amorphisierung infolge Schadens-Akkumulation durch leichte Ionen angewandt. Es ist interessant, dass derselbe Mechanismus auch bei der Amorphisierung durch einzelne schwere Ionen eine wichtige Rolle spielt. Weiters zeigten wir, dass für die Bildung einer kontinuierlichen amorphen Schicht ein Effekt, der von Hochenergie- (MeV-) Implantationen bekannt ist, nämlich "Ion beam induced interfacial amorphization", auch bei den gebräuchlicheren Energien im keV-Bereich relevant ist. Wir implementierten und kombinierten mehrere Methoden zur Simulation von atomic-scale Phänomenen. Z.B. koppelten wir erstmals Molekulardynamik- und Transmissionelektronen-mikroskopie- (TEM-) Simulation, um experimentelle TEM-Bilder besser zu verstehen. Binary-Collision-Simulationen von Rutherford-Backscattering- Spektroskopie zeigten die Bedeutung der Berücksichtigung der exakten Atomkoordinaten der Defekte, sowie dass ab-initio Rechnungen zur Bestimmung der Atomkoordinaten Rechnungen mit empirischen analytischen Potentialen überlegen sind. Die Kopplung von Binary-Collision- und kinetischen Monte-Carlo-Simulationen erlaubte die Untersuchung der Schadensentwicklung nach der Implantation von leichten Ionen, unter Berücksichtigung der Diffusion und Reaktion der Punktdefekte. Insbesondere war es möglich, die unterschiedliche Effizienz, mit der Wasserstoff- und Deuteriumimplantationen die Abtrennung dünner Siliziumschichten bewirken, zu erklären. Diese Art der Simulation könnte in Zukunft wichtig sein, um Kristalldefekte bei der Herstellung von SOI-Wafern besser zu verstehen und zu kontrollieren.