Fenomeni di non-equilibrio nel drogaggio dei semiconduttori

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Orlando Costantino
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Mastromatteo, Marina Berti, Alberto Carnera MATIS-IMM-CNR, CNISM e

1 Fenomeni di non-equilibrio nel drogaggio dei semiconduttori Enrico Napolitani, Davide De Salvador, Gabriele Bisognin, Massimo Mastromatteo, Marina Berti, Alberto Carnera MATIS-IMM-CNR, CNISM e Dipartimento di Fisica, Università di Padova Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

2 MOSFET- Metal Oxide Field Effect Transistor Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

drogaggio (dimensioni ridotte ed elevate

3 1981 PC IBM MOSFET scaling 2010 Apple iphone 4 50 nm 3 GHz 1 µm 5 MHz Dispositivi con prestazioni estreme richiedono estreme condizioni di drogaggio (dimensioni ridotte ed elevate concentrazioni) Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

4 Drogaggio Impianto Ionico Drogaggio p-type in Materiale fuori equilibrio! B + ions B + ions O 2 mask O 2 mask Substrato di Cristallo Danneggiato Necessario un trattamento termico (annealing) per rimuovere il danno reticolare ed attivare elettricamente il drogante (drogante in posizione sostituzionale) B cristallino Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

5 Fenomeni di non equilibrio Active level B Concentration (cm -3 ) Boron Interstitial Clusters (BICs) 500 ev B 1x10 15 cm -2 in preamorphized Transient Enhanced Diffusion (TED) Ai SPE Spike annealing a/c depth Clusters B- B electrical de-activation Depth (nm) B +I Diffusione (D B C I ) Clustering Drogaggio non localizzato Drogante non elettricamente attivo Necessario comprendere questi fenomeni e controllare le popolazioni dei difetti (Point Defect Engineering) Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

6 Point Defect Engineering W [nm 2 ] B concentration [cm -3 ] Studiare fenomeni su scala atomica Utilizzare tecniche di indagine all avanguardia (SIMS ad alta risoluzione in profondità, HRXRD, TEM, EXAFS, ) Utilizzare tecniche di simulazione/calcolo all avanguardia (modelli a rate equations, ab-initio, dinamica molecolare) Utilizzare approcci sperimentali innovativi: materiali depositati ad-hoc con regioni drogate molto sottili (delta doping), e iniezione dei difetti separata dall introduzione del drogante. Possibilità di misurare le concentrazioni di difetti in funzione della profondità Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio B Concentration (cm -3 ) ev B 1x10 15 cm -2 in preamorphized Ai SPE Spike annealing Boron Interstitial Clusters Transient (BICs) Enhanced a/c depth Diffusion (TED) Depth (nm) As- grown 20 kev, 5x10 13 cm C Clusters B- Experimental data Numerical calculation Analytical fit Depth [nm]

7 Concentration [cm -3 ] Point Defect Engineering C in I traps I flux 1-y C y B 200 nm d (nm) 660 nm Carbon Boron Lower C I Depth [µm] Il Carbonio costituisce una trappola per gli autointerstiziali Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

8 Point Defect Engineering C in Diffusion HRXRD I + 2 C s 2 C cl I + C s C i C s + C i (C i C s ) Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

B Concentration (cm -3 ) Point Defect Engineering Use of C 250 nm c- 1-y C y 100 nm As grown Preamorfizzazione 10 20 mulation B B Impianto di B 10 19 10 18 10 17 10 16 10 kev B 1x10 14 /cm 2

9 B Concentration (cm -3 ) Point Defect Engineering Use of C 250 nm c- 1-y C y 100 nm As grown Preamorfizzazione mulation B B Impianto di B kev B 1x10 14 /cm 2 No Carbon: 900 C 30s [C]=2.4x10 15 /cm 2 : As implanted SPE 900 C 30s Depth (nm) 30xD eq I trapping No TED No clustering TED Annealing Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

10 Point Defect Engineering F in Preamorfizzazione + impianto di F F B Is flux Segregazione del F all interfaccia a/c 1E20 1E19 1E18 1E17 As implanted 30 min 45 min 60 min 90 min 150 min 210 min Regrowth 1E Il F introduce trappole per gli autointerstiziali F n V m +I -> F n V m-1 Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

0 680 690 700 710 720 730 Energy (ev) F A F L F C 1E20 1E19 650*C Modeling

11 F concentration (at./cm 3 ) Yield (a.u) Point Defect Engineering F in TEM: F nanovoids in a- a/c interface a- c XANES: evidence of F 4 F F F F F 4 simulation XANES spectrum F D SPER Energy (ev) F A F L F C 1E20 1E19 650*C Modeling 1E18 1E17 as implanted 290 s 830 s 2930 s our simulation 1E Depth (nm) Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

12 Point Defect Engineering F in Atom-ProbeTomography Profilo chimico 3D con risoluzione atomica Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

Fenomeni di equilibrio ruolo del livello di Fermi B Concentration (cm -3 ) 10 21 Fermi level effects 500 ev B 1x10 15 cm -2 in preamorphized Ai SPE

13 Fenomeni di equilibrio ruolo del livello di Fermi B Concentration (cm -3 ) Fermi level effects 500 ev B 1x10 15 cm -2 in preamorphized Ai SPE Spike annealing a/c depth Depth (nm) R.B. Fair, J. Electrochem. Soc. 122 (1975) Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

14 Fenomeni di equilibrio ruolo del livello di Fermi High p/n i 11 B delta B s- +I ++ BI + h + :C BI 0 Variable 10 B/P/As background EOR B s- +I 0 BI - h + Annealing at 700 C Low p/n i Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

15 Conclusioni È possibile, sfruttando sofisticate tecniche di caratterizzazione e di calcolo ed innovative metodologie sperimentali, ricavare informazioni su scala atomica su fenomeni di equilibrio e non equilibrio nel drogaggio del di importanza cruciale per la miniaturizzazione dei dispositivi microelettronici. Sviluppo di metodologie di controllo delle popolazioni di difetti di interesse applicativo. Prospettive future: studio di materiali diversi dal. Il Ge consente di migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi a parità di dimensioni, grazie alle mobilità dei portatori superiori rispetto a quelle del. Enrico Napolitani CNISMeeting 19 Gennaio

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