Simulación Atomística de Procesos en Microelectrónicasimulacion/update2005/Barbolla_CDE... · La...
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Dept. de Electrónica, Universidad de Valladolid
Simulación Atomística de Simulación Atomística de Procesos Procesos enen MicroelectrónicaMicroelectrónica
Juan Barbolla
CDE 2003
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SimulaciónSimulación atomísticaatomística de de procesos tecnológicos: procesos tecnológicos:
!Realista y detallada
!Más rápida para sub-0.1 µm
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Toshiba IEDM,2001
S D
G
subs.
SiO2
35 35 nmnm -- MOSFETMOSFETSimulación
continua atomística
B
As
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Simulación eléctrica a partir dela simulación atomística de procesos
35 35 nmnm -- MOSFETMOSFET
Asenov et al., SISPAD 2002
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Estrategia de Estrategia de simulaciónsimulación atomísticaatomística
! Dinámica del sistema:Método de Monte Carlo Cinético (KMC)
I
V BS
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Técnicas complementariasTécnicas complementariaspara KMCpara KMC
Dinámica del sistema:Monte Carlo Cinético
(KMC)
Frecuencias de salto:Dinámica Molecular
(MD)
Dopado + Dañadopor implantación iónica:
Colisiones binarias (BC)
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ÍndiceÍndice
! Introducción! Simulación KMC:
– Programa DADOS– Difusión del Boro
! Dinámica Molecular! Simulación de la implantación con BC! Conclusiones
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DADOSDADOS
! Simulador KMC! C++, 30.000 líneas de código! Rendimiento >1 millón de eventos/ seg. (P-4)! Desarrollado en la Universidad de Valladolid! Primer simulador atomístico incorporado
en un simulador de procesos comercial (TAURUS, versión 3D del TSUPREM)
Diffusion of Atomistic Defects, Object-oriented Simulator
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I superficie
Interacciones atómicas en DADOSInteracciones atómicas en DADOSI + V ↔ 0
I ↔ 0 en la superficie
I + In (inmóvil) ↔ In+1
Bi + BmIn ↔ Bm+1In+1 (precipitación)
I, V + trampa (C,O) ↔ complejo inmóvil
I + Bs ↔ Bi (móvil) igual para P, As, In,...
V + Sb ↔ SbV (móvil) igual para As,...
igual para V
I V
I In
SbV V
Bi BmIn
+1
+1+1
I Complejo
iI B
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Interacciones y eventosInteracciones y eventos
! Evento: frecuencias
IIn+1
In+1 → In + I
! Interacción: radios de captura
I In +1 I + In → In+1
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Esquema de simulación Esquema de simulación
Interaccióncon vecino
Selección de evento
Salto
Búsquedade vecinos
hayvecinos
no hayvecinos
BSi
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Fenómenos que se pueden simularFenómenos 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
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Bssuperficie
Difusión del BoroDifusión del Boro
I I I Bi
Bi Bi BiBiI BsI BsIII
difusióndel Boro
! BS inmóvil! CI* ↔ superficie! I + BS → Bi móvil
! DB* ∝ CI* ·νm,I ·______νm,Biνbk,Bi
!____ = ___DB DB*
CI CI*
supersaturaciónde intersticiales
! Bi → BS + I
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0 200 400 600profundidad (nm)
1019
1018
1017conc
entra
ción
(cm
-3)Difusión del BoroDifusión del Boro
Efectos de la implantación y recocidoImplantación
Si 40 KeVsobre Si
conmarcadores
de B
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Difusión del BoroDifusión del BoroEfectos de la implantación y recocido
____ = ___DB DB*
CI CI*
⇒ DB » DB*1. Aumento Transitorio de la Difusión (TED) "
2. Posible formación de clusters de BoroInmóviles ☺ y eléctricamente inactivos " "
0 200 400 600profundidad (nm)
1019
1018
1017conc
entra
ción
(cm
-3)
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Aumento Transitorio de la DifusiónAumento Transitorio de la DifusiónPapel de los clusters de intersticiales
! Breve transitorio inicialClusters de intersticiales y vacantes → recombinación I-V
! Los clusters de intersticiales son fuente de I móviles:Emisión de los I por los clusters → CI → DB
! Sobreviven algunos clusters de I~1 intersticial extra por cada ión implantado (“modelo +1”)
! Los clusters de I aumentan de tamaño: los {311}’s
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intersticiales en el cluster
0
0.4
0.8
1.2
1.6
ener
gía
de fo
rmac
ión
(eV)
1 10 100 1000 10000
106
104
102
1
__CI CI*
ClustersClusters dede IntersticialesIntersticiales
Defectos {311} Clusters pequeños
másestables
másinestables
clusters
menor
mayor
frecuencia emisión deintersticiales
_ ∝ exp _CI EfCI* kT
Lazos de dislocación
TEMClaverie et alAPL 2001
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Aumento Transitorio de la DifusiónAumento Transitorio de la Difusión
Datos experimentales: Cowern et al., PRL 99
Supersaturación de intersticiales
____ = ___ ∝ exp DB DB*
CI CI*
Ef kT
1e+2
1e+3
1e+4
1e+5
1e+6
1e+7
1e+8
1e+0 1e+1 1e+2 1e+3 1e+4 1e+5tiempo de recocido (s)
supe
rsat
urac
ión
de in
ters
ticia
les
800ºC700ºC600ºC
Experimental:
Lineas: DADOS2 x 1013/cm2, 40KeV Si
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Duración del transitorioDuración del transitorio
Datos experimentales (TEM): Eaglesham et al., APL 94
Disolución de los {311}’s
1e+11
1e+12
1e+13
1e+14
1e+15
1 10 100 1000 10000 10000
tiempo de recocido (s)
inte
rstic
iale
s en
{311
} (cm
-2)
815ºC738ºC705ºC670ºC
Experimental:
Lineas: DADOS
Si 40 KeV, 5·1013 cm-2
El tiempo de disolución aumenta si:! T ↓↓↓↓! dosis ↑↑↑↑! E implant.↑↑↑↑
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Implantación de BImplantación de Si
en marcadores de B
DesaDesactivación eléctrica del Bctivación eléctrica del B
Región
0 100 200 300 400 500Depth, nm
B c
on
cent
rati
on
, cm-3
1019
1018
1017
1020
1016
SRP
SIMS
as-implanted
0 100 200 300Depth, nm
B co
ncen
tratio
n, c
m-3
1017
1020
1019
1018
SIMS
as-grown
40 keV 2·1014 cm-2. Recocido: 800ºC, 1000 s 40 keV 9·1013 cm-2. Recocido: 800ºC, 500 s
→ CLUSTERS DE BOROinmóvileléctricamente inactiva
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DesaDesactivación eléctrica del Bctivación eléctrica del B
• Todos los marcadores experimentan TED• Clusters de B en marcadores cerca de la superficie
0 200 400 600profundidad (nm)
inicial
0 200 400 600profundidad (nm)
inicialexperimental
0 200 400 600profundidad (nm)
inicialexperimentalintersticiales tras
la implantación
0 200 400 600profundidad (nm)
inicialexperimentalsimulación
intersticiales trasla implantación
conc
entra
ción
(cm
-3)
1020
1019
1018
1017
1016
Si 40 keV, 5x1013 cm-2; recocido: 790 oC, 10 min
• Precursores ricos en intersticiales: Bi+I →BI2
Pelaz et al., APL 97
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Evolución de los Evolución de los Clusters de BClusters de B
FORMACIÓN
CRECIMIENTO
Bi Bi Bi
B2I3 B3I4 B4I5
NUCLEACION
I
I BS
Bi
BI2
ESTABILIZACIÓN
I
I
I
I
B4I
B4I2
B4I3
B4I4
DISOLUCIÓN
I
I
Bi
Bi
Bi
B3
B2 B3I
B2I
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Activación eléctrica del BActivación eléctrica del B
Clusters de B eléctricamente inactivos:→ se forman al principio del recocido→ se disuelven lentamente después de la TED
40 keV 2x1014 cm-2 B implant, 800oC anneal
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time, seconds
Elec
tric
ally
act
ive
B fr
actio
n
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Subs
titut
iona
l B fr
actio
n
10-2 102 1041
experiment
simulation
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Time, seconds
Elec
tric
ally
act
ive
B fr
actio
n
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Subs
titut
iona
l B fr
actio
n
10-2 102 1041
experiment
simulation
experiment
Pelaz et al., APL 99end ofTED
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ÍndiceÍndice! Introducción! Simulación KMC:
– Programa DADOS– Difusión del Boro
! Dinámica Molecular! Simulación de la implantación con BC! Conclusiones
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DinámicaDinámica Molecular (MD)Molecular (MD)DefiniciónDefinición
Resolución de las ecuaciones de Newton para un conjunto de N partículas:
Celda MD
mi = pi
(i = 1, 2, …, N)= Fi
dri
dtdpi
dt
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DinámicaDinámica MolecularMolecularTiposTipos
PRIMEROS PRINCIPIOS (ab initio)! Resolución de la ecuación de Schrödinger! Simulaciones sin parámetros! Límites: N ~ 100 átomos , tiempo ~ 1 ps
Nuestro código MD: 15 µs/átomo·iteración
POTENCIALES INTERATÓMICOS EMPÍRICOS! Energía del sistema como función de las
coordenadas: ETotal = ETotal{ri}! Potenciales empíricos: parámetros ajustables! Límites: N ~ 1.000.000 átomos, tiempo ~ 1 ns
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Dinámica MolecularDinámica MolecularEjemplos de simulaciónEjemplos de simulación en 1 díaen 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 MolecularDinámica MolecularDifusión del intersticial de silicioDifusión del intersticial de silicio
T = 800 ºC
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Dinámica MolecularDinámica MolecularConfiguraciones del intersticialConfiguraciones del intersticial
TETRAÉDRICA (T) DUMBELL (D) EXTENDIDA (E)
EF = 4.14 eV EF = 5.25 eV EF = 4.61 eV
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Dinámica MolecularDinámica MolecularCamino de difusión 1Camino de difusión 1
D
BA
BA
BA
T
A
B
T
B
A
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Dinámica MolecularDinámica MolecularCamino de difusión 2Camino de difusión 2
A
B C
D
D
A
BC
D
E
A
B C
D
A
BC
D
D
A
BC
D
T
AB C
D
T
A
C
DB
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Dinámica MolecularDinámica MolecularConstante de difusión (D)Constante de difusión (D)
Difusión de un intersticial a T = 800 ºC
Relación de Einstein: D = lim∑ ri(t) – ri(0) 2/6tt→∞
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20
Tiempo (ns)
|r i(t)
-ri(0
)|2 (Å2 )
∑∑ ∑∑ D = 1.09x10-8 cm2/s
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Dinámica MolecularDinámica MolecularEnergía de migración y prefactorEnergía de migración y prefactor
Comportamiento tipo Arrhenius: D = D0 exp(-EM/kBT)
0
0
0
8 9 10 11 12 13 14
1/kBT
D (c
m2 /s
)
D0 = 2x10-4 cm2/sEM = 0.87 eV
1 -9
1 -8
1 -7
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ÍndiceÍndice! Introducción! Simulación KMC:
– Programa DADOS– Difusión del Boro
! Dinámica Molecular! Simulación de la implantación con BC! Conclusiones
![Page 35: Simulación Atomística de Procesos en Microelectrónicasimulacion/update2005/Barbolla_CDE... · La Simulación Atomística de Procesos Tecnológicos:! Proporciona un elevado nivel](https://reader034.fdocumento.com/reader034/viewer/2022051322/6005ef95ce847c402a51a5f8/html5/thumbnails/35.jpg)
! Introducción de iones energéticos⇒ dopado + dañado ( I’s y V’s)
! Rangos típicos: Energía: 1 keV .. 1 MeVDosis: 1012 ..1015 cm-2
! Otros parámetros:– Ángulos de incidencia
(inclinación, rotación)– Estructura cristalina
(orientación) y/o amorfa– Geometría del dispositivo– ...
Implantación iónica Implantación iónica FundamentosFundamentos
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! Válido hasta energías de MeV! Colisiones binarias: mucho más rápido que MD
Implantación iónicaImplantación iónicaSimulación: Colisiones BinariasSimulación: Colisiones Binarias
! La implantación es consideradacomo choques entre dos partículas
! Cascada: proyectil , intersticiales y vacantes
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Implantación iónicaImplantación iónicaModelos físicosModelos físicos
Elástico: núcleo-núcleoInelástico: núcleo-electrón
! Frenado
! DañadoImplementación
Modelo estadístico! perfiles de impurezas ! poco preciso para el dañado! rápido
Modelo atomístico! perfiles de impureza! preciso para el dañado →→→→ KMC! más lento
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Implantación iónicaImplantación iónicaSimulador IISSimulador IIS
! 3D: dopado, dañado! Ejecución paralela, mecanismos de
reducción del ruido estadístico, etc
! Modelado físico para el frenado electrónico:– Densidad electrónica ab-initio 3D:
un único parámetro ajustable proyectil-blanco
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B (7º,30º) → Si {100} B (0º,0º) → Si {100}
Implantación iónicaImplantación iónicaBoro en SilicioBoro en Silicio
con diferentes energías y orientaciones
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
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P → Si {100}As → Si {110}
Implantación iónicaImplantación iónicaArsénico y Fósforo en SilicioArsénico y Fósforo en Silicio
en condiciones de acanalamiento
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
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Implantación iónicaImplantación iónicaMoléculas BFMoléculas BF22 en Silicioen Siliciocon diferentes energías y dosis
BF2 → Si {100}, 5 1013 y 4 10 15 at/cm 2
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
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Implantación iónicaImplantación iónicaen Arseniuro de Galio (IIIen Arseniuro de Galio (III--V)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
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Al (12.5º,3.5º) → 6H-SiC{0001}
Implantación iónicaImplantación iónicaen Carburo de Silicio (IVen Carburo de Silicio (IV--IV)IV)
As (12.5º,3.5º) → 6H-SiC{0001}
Hernández-Mangas et al., JAP 2002
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ConclusionesConclusionesLa 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 < 0.1 µm
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Caracterización Eléctrica de Materiales y Caracterización Eléctrica de Materiales y Dispositivos MicroelectrónicosDispositivos Microelectrónicos
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 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 Caracterización Eléctrica de Materiales y Dispositivos MicroelectrónicosDispositivos Microelectrónicos
TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓNTÉCNICAS 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)
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Diseño de Circuitos Integrados AnalógicosDiseño de Circuitos Integrados Analógicos
! 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)
Diseño de sistemas de altas prestacionesDiseño de sistemas de altas prestaciones
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Dept. de Electrónica, Universidad de Valladolid
Simulación Atomística de Simulación Atomística de Procesos Procesos enen MicroelectrónicaMicroelectrónica
Juan Barbolla
CDE 2003