D I S S E R T A T I O N

Simulation der Ionenimplantation in kristalline Siliziumstrukturen

ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der technischen Wissenschaften
eingereicht an der Technischen Universität Wien
Fakultät für Elektrotechnik

von

Walter Bohmayr

Dr. Ferdinand Groß-Straße 6
A-4470 Enns
Matr.-Nr. 8825881
geboren am 15. Feber 1969 in Steyr

Wien, im September 1996

• Kurzfassung
• Abstract
• Danksagung
• Abkürzungen
• Symbole
• 1 Einleitung
  • 1.1 Motivation
  • 1.2 Ionenimplantation
  • 1.3 Kristallines Silizium
  • 1.4 Die Simulation der Ionenimplantation
    • 1.4.1 Analytische Methode
    • 1.4.2 Monte Carlo Methode
  • 1.5 Aufbau dieser Arbeit
• 2 Physikalische Grundlagen
  • 2.1 Einige wichtige Begriffe
    • 2.1.1 Millersche Indizes
    • 2.1.2 Orientierung des ,,Targets``
    • 2.1.3 Implantationsdosis
    • 2.1.4 Kontrolle der ,,Wafer``-Temperatur
  • 2.2 Bewegung des Ions im ,,Target``
  • 2.3 Streuung der Ionen an ,,Target``-Atomen
  • 2.4 Interatomares Potential
    • 2.4.1 Die universelle Abschirmfunktion
  • 2.5 Freie Weglänge
    • 2.5.1 Modell für amorphes Material
    • 2.5.2 Modell für kristallines Material
  • 2.6 Gitterschwingungen
  • 2.7 Elektronische Abbremsung
    • 2.7.1 Modell für amorphes Material
    • 2.7.2 Modell für kristallines Material
    • 2.7.3 ,,Channeling``-Phänomen
      • Kritische Winkel und Radien
      • ,,Electronic stopping power`` Modell
  • 2.8 Primäre Implantationsschäden
    • 2.8.1 Statistische Punktdefektmodelle
      • Kinchin-Pease Modell
      • Modifiziertes Kinchin-Pease Modell
      • Lage der Zwischengitteratome
      • Statistisches Modell mit Rekombination
    • 2.8.2 Amorphisierung
  • 2.9 Sekundäre Implantationsschäden
• 3 Monte Carlo Simulation
  • 3.1 Konventionelle Vorgangsweise
    • 3.1.1 Initialwerte der Ionen
    • 3.1.2 Flußdiagramm
  • 3.2 Geometrieabfragen
    • 3.2.1 Zweidimensionale Strukturen
    • 3.2.2 Dreidimensionale Strukturen
• 4 Trajectory-Split
  • 4.1 Beschleunigungsmethode auf der ,,Channeling``-Theorie basierend
  • 4.2 ,,Trajectory-Split'' Methode
  • 4.3 Grundlegende Idee
  • 4.4 Selektion der günstigen Ionen
    • 4.4.1 Energiekriterium
    • 4.4.2 Energie- und Längenkriterium
  • 4.5 Wahl der Aufteilungszeitpunkte
    • 4.5.1 Konzentrationsgradientenkriterium
    • 4.5.2 Anzahl der Teilchen in einer Box als Entscheidungshilfe
    • 4.5.3 Wahl der ,,Check-Points``
  • 4.6 Mögliche Topologien der Trajektorienbäume
    • 4.6.1 Anzahl der virtuellen Trajektorien pro ,,Split-Point``
    • 4.6.2 Topologie und Berechnungsreihenfolge
      • Nichtrekursive Methode
      • Trajectory Related Split (TRS) Methode
      • Split-level Related Split (SRS) Methode
      • Visualisierung der Aufteilungspunkte
  • 4.7 Flußdiagramm
  • 4.8 Statistische Analyse der ,,Trajectory-Split`` Methode
    • 4.8.1 Referenzverteilung
    • 4.8.2 Ist-Verteilung
    • 4.8.3 Fehlermaß
    • 4.8.4 Maß für die Simulationsqualität
    • 4.8.5 Einige ausgewählte Punktantworten
      • 10keV-Bor-Implantation
      • 25keV-Bor-Implantation
      • 40keV-Bor-Implantation
      • 60keV-Bor-Implantation
      • 10keV-Phosphor-Implantation
      • 25keV-Phosphor-Implantation
      • 40keV-Phosphor-Implantation
      • 60keV-Phosphor-Implantation
      • 10keV-Arsen-Implantation
      • 25keV-Arsen-Implantation
      • 40keV-Arsen-Implantation
      • 60keV-Arsen-Implantation
    • 4.8.6 Erkenntnisse aus den Punktantworten
      • Dotierstoffverteilungen
      • Fehlerverläufe
    • 4.8.7 Abhängigkeit des statistischen Fehlers von der Anzahl der Initialtrajektorien
• 5 Amorphisierungsmodell
  • 5.1 Ziele und Voraussetzungen
  • 5.2 Experimentelle Daten
    • 5.2.1 Implantationsrandbedingungen
    • 5.2.2 Kritische Dosis für Amorphisierung
    • 5.2.3 Kritische Amorphisierungsenergiedichte
      • ,,Damage``-Energiedichte
      • Experimentelle Ergebnisse
  • 5.3 Grundlegende Idee
  • 5.4 Amorphisierungsmodell
    • 5.4.1 Ausdiffusionsmodell
    • 5.4.2 Modellierung der Ortsabhängigkeit
    • 5.4.3 Gültigkeit des Amorphisierungsmodelles bei Implantation von Dotierstoffen
  • 5.5 Simulationsergebnisse
    • 5.5.1 Randbedingugen für die Simulation
    • 5.5.2 Kritische Amorphisierungenergiedichte
    • 5.5.3 Kritische Implantationsdosis
• 6 Anwendungen
  • 6.1 ,,Secondary Ion Mass Spectrometry`` (SIMS)
  • 6.2 Der Monte Carlo Simulator
  • 6.3 Simulation von Punktantworten in Mehrlagenstrukturen
    • 6.3.1 Randbedingungen für die Simulation
    • 6.3.2 Vergleich zwischen SIMS Messungen und Simulation
      • Bor-Implantation mit 40keV
      • Bor-Implantation mit 280keV
      • -Implantation mit 40keV
      • Phosphor-Implantation mit 50keV
      • Arsen-Implantation mit 50keV
    • 6.3.3 Implantationen mit niedrigen Ionenenergien
      • Bor-Implantation mit 5keV
      • Bor-Implantation mit 10keV
  • 6.4 Implantationen unter großen Kippwinkeln (LAT Implantationen)
    • 6.4.1 LATID (,,Large-Angle-Tilt Implanted Drain``)
    • 6.4.2 LATIPS (,,Large-Angle-Tilt Implanted Punch-Through Stopper``)
    • 6.4.3 Arsen-Implantation mit 30keV und unter 30 Kippwinkel
    • 6.4.4 LATID Phosphor-Implantation mit 15keV und unter 55 Kippwinkel
  • 6.5 Amorphisierung während der Ionenimplantation
  • 6.6 Dreidimensionale Simulation eines PMOS Transistors
    • 6.6.1 p-LDD-Implantation mit 25keV
    • 6.6.2 p-Implantation mit 45keV
• 7 Zusammenfassung und Ausblick
• Literatur
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