Kurzfassung

In der modernen Halbleitertechnologie hat sich die Ionenimplantation zur wichtigsten Technik entwickelt, um Dotieratome in Halbleitermaterialien einzubringen. Der große Vorteil dieser Technik besteht darin daß die Prozessparameter, die die Verteilung der Dotieratome beeinflussen, sehr gut kontrollierbar und daher auch sehr gut reproduzierbar sind. Außerdem ermöglicht es diese Technik, sehr seichte Dotierprofile zu erzeugen. Die Erzeugung solcher Profile ist eine Notwendigkeit für ULSI (ultra large scale integration) Technologie.

Da die Verteilung von Dotieratomen und damit auch die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiterbauteils hauptsächlich durch Ionenimplantation bestimmt werden, sind sehr genaue Simulationsmethoden für Ionenimplantationsprozesse notwendig, um das Verhalten von integrierten Schaltungen vorhersagen und gegebenenfalls optimieren zu können. Aufgrund von immer kleiner werdenden Bauelementen und von neuen Entwurfskonzepten hat sich in den letzten Jahren die Notwendigkeit ergeben, die Simulationsprobleme dreidimensional zu behandeln. Beispiele dafür sind MOS Transistoren mit schmalen Gates oder vertikale Transistoren.

Es ist offensichtlich, daß dreidimensionale Simulationen lange Rechenzeiten und einen hohen Speicherbedarf erfordern. Werden dreidimensionale Simulationen für alle Anwendungsfälle eingesetzt, geht damit unweigerlich eine Verschwendung von Ressourcen einher, denn viele Probleme wie die Erzeugung von vergrabenen Schichten oder von Wannen in einem MOS Transistor können mit Hilfe von einfacheren zweidimensionalen oder gar eindimensionalen Simulationen mit der gleichen Genauigkeit analysiert werden. Damit nicht unterschiedliche Modelle für eindimensionale, zweidimensionale und dreidimensionale Simulationen zum Einsatz kommen, ist es nicht wünschenswert unterschiedliche Simulatoren mit eventuell unterschiedlichen Modellen verwenden zu müssen. Es sollte einfach möglich sein, die Dimensionalität der Simulation zu wechseln ohne einen Simulator neu kalibrieren zu müssen.

Das Ziel dieser Arbeit war es einen Monte-Carlo Ionenimplantationssimulator, der im Laufe der letzten fünfzehn Jahre im Rahmen von mehreren Dissertationen entwickelt wurde, weiter zu verbessern. Als Teil dieser Arbeit wurden mehrere neue Modelle und Methoden entwickelt und implementiert, mit dem Zweck, Genauigkeit und die Effizienz des Simulators zu steigern, um den Simulator für moderne ULSI Technologie anwendbar zu machen. Neben einer Verbesserung der Modelle wurde der Simulator derart umgestaltet, dass sowohl eindimensionale, zweidimensionale als auch dreidimensionale Probleme abgedeckt werden können. Dafür wurde der Simulator anpassungsfähig an Spezifikationen und Voraussetzungen bestimmter Probleme gestaltet, um Verschwendung von Computerressourcen zu vermeiden.

Der theoretische Hintergrund wird im Detail präsentiert, mit besonderem Augenmerk auf Methoden und Algorithmen, welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden. Hier wäre zunächst die ``Follow-Each-Recoil'' Methode zu erwähnen, die es ermöglicht, sehr genaue Simulationen von, durch Ionenimplantation verursachte Beschädigungen durchzuführen. Die ``Follow-Each-Recoil'' Methode macht es möglich, sehr präzise Initialbedingungen für die die Simulation von ``rapid thermal annealing'' Prozessen zur Verfügung zu stellen. Ausserdem können die exakte Verteilung von Punktdefekten und die Bildung von amorphen Zonen simuliert werden. Des weiteren wurden die ``full molecular'' und die ``simplified molecular'' Methoden entwickelt und implementiert. Diese Methoden ermöglichen es, die Implantation von molekularen Ionen und von Atomclustern zu behandeln und damit auch die Implantation von BF$_2$, ein sehr häufig verwendetes Molekül zur Dotierung mit Bor Atomen. Dadurch, dass zwei Methoden für die Simulation von molekularen Ionen zur Verfügung stehen, kann der Simulator an die Erfordernisse eines zu simulierenden Problems angepaßt werden. Während die ``simplified molecular'' Methode weniger Rechenzeit benötigt, liefert die ``full molecular'' Methode genauere Ergebnisse. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war das Design und die Implementierung einer ``point response interface'' Methode. Diese ermöglicht es, Monte-Carlo Simulationsergebnisse einem analytischen Ionenimplantationssimulator zur Verfügung zu stellen. Dadurch werden die Flexibilität und die Genauigkeit eines analytischen Simulators signifikant gesteigert, weil eine Kalibrierung von analytischen Funktionen für bestimmte Prozessbedingungen nunmehr überflüssig ist.

Um die Simulationszeit zu reduzieren wurden zwei neue Methoden entwickelt. Zum einen die ``Trajectory-Reuse'' Methode, welche eine signifikante Beschleunigung der Simulation ermöglicht, insbesondere im Fall von dreidimensionalen Simulationen wenn das Simulationsgebiet große amorphe Regionen enthält. Zum anderen wurde der Simulator parallelisiert mit dem Ziel, eine Simulation auf einem Cluster von Workstations durchführen zu können. Solche Cluster repräsentieren die typische Hardware Umgebung für TCAD (technology computer aided design). Wenn die Last der Workstations, die an der Simulation teilnehmen annähernd konstant ist, ist es mit der Parallelisierungsmethode möglich, eine annähernd lineare Performance Steigerung zu erzielen, auch wenn ein langsames Netzwerk für die Verbindung der Workstations verwendet wird.

Zu guter Letzt wird der entwickelte Monte-Carlo Ionenimplantationssimulator für einige Beispielfälle angewendet. Insbesondere werden dabei einige der speziellen Eigenschaften des Simulators genützt. Im Anhang ist eine kurze Bedienungsanleitung des Simulators enthalten.