Simulacin Atomstica de Procesos en Microelectrnica

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Simulación Atomística de Procesos en
Microelectrónica
Juan Barbolla
Dept. de Electrónica, Universidad de Valladolid
2
Simulación atomística de procesos tecnológicos

• Realista y detallada
• Más rápida para sub-0.1 ?m

3
35 nm - MOSFET
4
35 nm - MOSFET

• Simulación eléctrica a partir dela simulación
  atomística de procesos

5
Estrategia de simulación atomística

• Dinámica del sistemaMétodo de Monte Carlo
  Cinético (KMC)

6
Técnicas complementariaspara KMC
Dinámica del sistemaMonte Carlo Cinético (KMC)
7
Índice

• Introducción
• Simulación KMC
• Programa DADOS
• Difusión del Boro
• Dinámica Molecular
• Simulación de la implantación con BC
• Conclusiones

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DADOS
Diffusion of Atomistic Defects, Object-oriented
Simulator

• Simulador KMC
• C, 30.000 líneas de código
• Rendimiento gt1 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)

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Interacciones atómicas en DADOS
I V ? 0
I ? 0 en la superficie
I In (inmóvil) ? In1
1
I Bs ? Bi (móvil)
igual para P, As, In,...
V Sb ? SbV (móvil)
igual para As,...
Bi BmIn ? Bm1In1 (precipitación)
I, V trampa (C,O) ? complejo inmóvil
omplejo
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Interacciones y eventos

• Interacción radios de captura

I In ? In1
1

• Evento frecuencias

In1 ? In I
11
Esquema de simulación
Selección de evento
Interacción con vecino
Salto
BS
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Fenómenos que se pueden simular

• Difusión de defectos y dopantes
• Evolución de clusters de defectos (311s,
  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)

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Difusión del Boro
Bs
superficie

• BS inmóvil

• CI ? superficie

• I BS ? Bi móvil

• Bi ? BS I

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Difusión del BoroEfectos de la implantación y
recocido
Implantación Si 40 KeVsobre Si con marcadores de
B
15
Difusión del BoroEfectos de la implantación y
recocido
2. Posible formación de clusters de
BoroInmóviles ? y eléctricamente inactivos ? ?
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Aumento Transitorio de la Difusión
Papel de los clusters de intersticiales

• Breve transitorio inicialClusters de
  intersticiales y vacantes ? recombinación I-V

• Sobreviven algunos clusters de I1 intersticial
  extra por cada ión implantado (modelo 1)

• Los clusters de I aumentan de tamaño los 311s

• Los clusters de intersticiales son fuente de I
  móvilesEmisión de los I por los clusters ? CI ?
  DB

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Clusters de Intersticiales
18
Aumento Transitorio de la Difusión
Supersaturación de intersticiales
DB DB
CI CI
Ef kT
____ ___ ? exp ?
Datos experimentales Cowern et al., PRL 99
19
Duración del transitorio
Disolución de los 311s
Si 40 KeV, 51013 cm-2

• El tiempo de disolución aumenta si
• T ?
• dosis ?
• E implant.?

Datos experimentales (TEM) Eaglesham et al., APL
94
20
Desactivación eléctrica del B
Implantación de Sien marcadores de B
Implantación de B
40 keV 21014 cm-2. Recocido 800ºC, 1000 s
40 keV 91013 cm-2. Recocido 800ºC, 500 s
inmóvileléctricamente inactiva
? CLUSTERS DE BORO
Región
21
Desactivación eléctrica del B
Si 40 keV, 5x1013 cm-2 recocido 790 oC, 10 min
Pelaz et al., APL 97

• Todos los marcadores experimentan TED
• Clusters de B en marcadores cerca de la
  superficie

• Precursores ricos en intersticiales BiI ?BI2

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Evolución de los Clusters de B
23
Activación eléctrica del B
Clusters de B eléctricamente inactivos ? se
forman al principio del recocido ? se disuelven
lentamente después de la TED
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Índice

• Introducción
• Simulación KMC
• Programa DADOS
• Difusión del Boro
• Dinámica Molecular
• Simulación de la implantación con BC
• Conclusiones

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Dinámica Molecular (MD)Definición
Celda MD
Resolución de las ecuaciones de Newton para un
conjunto de N partículas
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Dinámica MolecularTipos

• PRIMEROS PRINCIPIOS (ab initio)
• Resolución de la ecuación de Schrödinger
• Simulaciones sin parámetros
• Límites N 100 átomos , tiempo 1 ps

• POTENCIALES INTERATÓMICOS EMPÍRICOS
• Energía del sistema como función de las
  coordenadas ETotal ETotalri
• Potenciales empíricos parámetros ajustables
• Límites N 1.000.000 átomos, tiempo 1 ns

Nuestro código MD 15 ?s/átomoiteración
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Dinámica MolecularEjemplos de simulación en 1 día
N 106 átomos, t 5 ps
N 103 átomos, t 5 ns
5 keV As ? Si(100)
Interfase C/A a 1100 ºC
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Dinámica MolecularDifusión del intersticial de
silicio
T 800 ºC
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Dinámica MolecularConfiguraciones del
intersticial
TETRAÉDRICA (T)
DUMBELL (D)
EXTENDIDA (E)
EF 4.14 eV
EF 5.25 eV
EF 4.61 eV
30
Dinámica MolecularCamino de difusión 1
31
Dinámica MolecularCamino de difusión 2
32
Dinámica MolecularConstante de difusión (D)
Difusión de un intersticial a T 800 ºC
33
Dinámica MolecularEnergía de migración y
prefactor
Comportamiento tipo Arrhenius D D0 exp(-EM/kBT)
1
-7
D0 2x10-4 cm2/s EM 0.87 eV
1
-8
1
-9
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Índice

• Introducción
• Simulación KMC
• Programa DADOS
• Difusión del Boro
• Dinámica Molecular
• Simulación de la implantación con BC
• Conclusiones

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Implantación iónica Fundamentos

• Introducción de iones energéticos ? dopado
  dañado ( Is y Vs)
• Rangos típicos Energía 1 keV .. 1 MeV
• Dosis 1012 ..1015 cm-2
• Otros parámetros

• Ángulos de incidencia (inclinación, rotación)
• Estructura cristalina (orientación) y/o amorfa
• Geometría del dispositivo
• ...

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Implantación iónicaSimulación Colisiones
Binarias

• La implantación es consideradacomo choques entre
  dos partículas

• Válido hasta energías de MeV
• Colisiones binarias mucho más rápido que MD

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Implantación iónicaModelos físicos

• Frenado

• Dañado

• perfiles de impurezas
• poco preciso para el dañado
• rápido

Implementación

• perfiles de impureza
• preciso para el dañado ? KMC
• más lento

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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 de reducción del
  ruido estadístico, etc

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Implantación iónicaBoro en Silicio
con diferentes energías y orientaciones
B (7º,30º) ? Si 100
B (0º,0º) ? Si 100
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
40
Implantación iónicaArsénico y Fósforo en Silicio
en condiciones de acanalamiento
P ? Si 100
As ? Si 110
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
41
Implantación iónicaMoléculas BF2 en Silicio
con diferentes energías y dosis
BF2 ? Si 100, 5 1013 y 4 10 15 at/cm 2
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
42
Implantación iónicaen Arseniuro de Galio (III-V)
Se (7º,30º) y (0º,0º) 300 keV?GaAs100
Si (7º,30º) y (0º,0º) 150 keV?GaAs100
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
43
Implantación iónicaen Carburo de Silicio (IV-IV)
Al (12.5º,3.5º) ? 6H-SiC0001
As (12.5º,3.5º) ? 6H-SiC0001
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
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Conclusiones

• La Simulación Atomística de Procesos
  Tecnológicos
• Proporciona un elevado nivel de detalle y
  precisión
• Buena herramienta para el estudio de mecanismos
  complejos
• Mas rápida y precisa que los simuladores
  continuos 3D para dispositivos lt 0.1 µm

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Caracterización Eléctrica de Materiales y
Dispositivos Microelectrónicos

• LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
• Caracterización de
• 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 emisores optoelectrónicos

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Caracterización Eléctrica de Materiales y
Dispositivos Microelectrónicos

• TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
• Técnicas 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)

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Diseño de Circuitos Integrados Analógicos
Diseño 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 continuo
• Aplicación comunicación inalámbrica de alta
  velocidad
• (wireless-LAN)

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Simulación Atomística de Procesos en
Microelectrónica
Juan Barbolla
Dept. de Electrónica, Universidad de Valladolid