8.3.4 Simulation des Ausheilschrittes

Zur Ausheilung der Implantationsschäden wird ein 30-minütiger Diffusionschritt bei 875$^\circ$C verwendet. In jedem Material haben die Dopanden jedoch unterschiedliche Diffusionseigenschaften. Es wird daher zur Simulation des Ausheilschrittes jedem Material ein eigenes Diffusionsmodell zugewiesen. Während im Siliziumoxyd und im Polysilizium lineare Diffusion angenommen wurde, kam im Siliziumgebiet das feldgekoppelte Modell zum Einsatz (Kap. 3.1). Zusätzlich müssen auch die Segregationseffekte an den Materialgrenzen berücksichtigt werden. Dies wurde unter Verwendung von Gl. 2.21 durchgeführt. Alle Parameter für die verwendeten Modelle wurden der Datenbank von TSUPREM4 [TMA95] entnommen.

Die Simulation des Ausheilschrittes auf einem DIGITAL AlphaStation 600 5/333 Arbeitsplatzrechner benötigte rund 120MB Arbeitsspeicher und erforderte eine Rechenzeit von 67 Minuten.

  

Abbildung 8.13: Verteilung von Arsen nach der HDD-Implantation und der Source/Drain-Implantation.

  

Abbildung 8.14: Arsen-Verteilung nach dem 30-minütigen Ausheilschritt bei 875$^\circ$C.

Die Abbildungen Abb. 8.13-Abb. 8.16 stellen jeweils die dreidimensionalen Ansichten der implantierten und der diffundierten Profile für Arsen (Abb. 8.13 und Abb. 8.14) und Bor (Abb. 8.15 und Abb. 8.16) gegenüber. Während im kristallinen Silizium und im Oxyd nur relativ wenig Diffusion eintritt, ist im Polysilizium aufgrund des deutlich höheren Diffusionskoeffizienten wesentlich mehr Diffusion zu beobachten, sodaß im Polysilizium die Dotierungen beinahe gleichverteilt sind. Des weiteren tritt an den Materialgrenzen die Segregation der Dopanden auf.

Bei der Arsen-Implantation sind die Auswirkungen der Kanäle im Silizumkristall sehr stark (vlg. Abb. 8.13). Dieser Effekt ist bei der HALO-Implantation mit Bor durch die Überlagerung mit der Kanaldotierung und der Channel-Stopper Implantation nur schwach ausgeprägt (Abb. 8.15).

In Abb. 8.15 und Abb. 8.16 ist die dreidimensionale Ansicht der Bor-Verteilung vor und nach dem Ausheilschritt dargestellt. Bei Bor tritt im Gegensatz zu Arsen aufgrund der höheren Beweglichkeit mehr Diffusion ein. Während die Feldkopplung der Arsen- und der Bor-Verteilung, schon allein aufgrund der geringen Beweglichkeit von Arsen, kaum Auswirkungen auf dessen Diffusion hat, ist der Effekt für Bor umso ausgeprägter. Zusätzlich zur höheren Beweglichkeit von Bor besteht durch die steilen Gradienten der Arsenverteilung in diesem Bereich ein starkes Feld, welches zur Verdrängung der Borkonzentration führt. Dieser Effekt ist sowohl unter den Rändern des Source- und des Drain-Gebietes (Abb. 8.16) als auch unter den Kanten des Gates (Abb. 8.24) zu beobachten.

  

Abbildung 8.15: Verteilung von Bor, bestehend aus Kanaldotierung, Channel-Stopper Dotierung und der HALO-Implantation.

  

Abbildung 8.16: Bor-Verteilung nach dem Diffusionsschritt bei 875$^\circ$C, 30 Minuten.

Zur Verdeutlichung der Verhältnisse im aktiven Bereich unter dem Gate vermitteln die Abbildungen Abb. 8.17-Abb. 8.24 einen Einblick in das Innere der Struktur. Es werden jeweils die Verteilungen von Arsen vor (Abb. 8.17, Abb. 8.19) und nach (Abb. 8.18, Abb. 8.20) dem Diffusionsschritt und die Verteilung von Bor vor (Abb. 8.21, Abb. 8.23) und nach (Abb. 8.22, Abb. 8.24) dem Implantationschritt gegenübergestellt.

Als Schnittflächen wurde dafür die zur x-z-Ebene parallele Ebene bei y=0.5$\mu m$ und die zur y-z-Ebene parallele Ebene bei x=0.5$\mu m$ verwendet (vgl. Abb. 8.11). Die Schnitte in Abb. 8.17, Abb. 8.18, Abb. 8.21 und Abb. 8.22 geben daher die Verteilungen entlang der Gateweite wieder, während die Schnitte in Abb. 8.19, Abb. 8.20, Abb. 8.23 und Abb. 8.24 die Verteilungen entlang der Gatelänge wiedergeben.

Entlang der Gateweite (x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$) sollte wegen der Schattierung durch das Polysilizum-Gate bei den Arsen-Implantationen keine Arsenverteilung vorhanden sein. Dennoch sind in Abb. 8.17 inselförmige Verteilungen erkennbar, welche aufgrund der Kanäle im Silizium-Kristall auch unter das Gate gelangen. Die Arsen-Verteilung nach dem Ausheilschritt zeigt diese Inseln direkt unter dem Gate jedoch nicht mehr, sodaß man schließen kann, daß es sich bei den Inseln um statistische Schwankungen der mit der Monte-Carlo Methode berechneten Arsen-Verteilung mit geringer lokaler Dosis handelt. Sehrwohl bleibt aber die markante Insel in größerer Tiefe vorhanden, welche aufgrund eines Gitterkanals entstanden ist. Durch die Verbreiterung von Inseln in benachbarten Ebenen im Zuge der Diffusion werden auch Ausläufer der benachbarten Inseln sichtbar (Abb. 8.18).

Während im Polysilizium durch den Ausheilschritt beinahe eine Gleichverteilung von Arsen eintritt, ist das Ausmaß der Diffusion von Arsen im Silizium nur gering. An den Grenzen zwischen Polysilizium und SiO₂ ist deutlich die Segregation von Arsen zu erkennen, welche nahe der Grenzfläche zur Verminderung der Arsen-Konzentration im Oxyd führt.

In Abb. 8.19 ist die Überlagerung der HDD- und der Source/Drain-Implantation entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ dargestellt. Die niedrigenergetische HDD-Implantation vermag das Streuoxyd kaum zu durchdringen. Die Source/Drain-Implantation dringt deutlich tiefer ein, während der hier nicht dargestellte Spacer für den Abstand der Verteilung zur Gate-Kante verantwortlich zeichnet. Im Zuge des Ausheilschrittes wandert durch die Segregation am der Silizium/SiO₂ Grenzschicht die HDD-Implantation in das Silizium, sodaß es zur Ausbildung des gewünschten stufenförmigen Verlaufes in der Arsen-Konzentration kommt (Abb. 8.20).

  

Abbildung 8.17: Arsen-Verteilung entlang der x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$ vor dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.18: Arsen-Verteilung entlang der x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$ nach dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.19: Arsen-Verteilung entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ vor dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.20: Arsen-Verteilung entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ nach dem Ausheilschritt.

Die Bor-Verteilung im Silizium wird durch die HALO-Implantation aufgrund der Schattierung durch das Gate entlang der x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$ nicht beeinflußt (Abb. 8.21). Dies ist dies entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ sehrwohl der Fall und in einer leichten Erhöhung und der größeren Eindringtiefe der Bor-Konzentration in den Source/Drain-Gebieten erkennbar. Aufgrund der schrägen Implantation unter dem Einfallswinkel von 45$^\circ$ werden auch die Seitenwände des Gates dotiert, lediglich ein kleiner Kernbereich bleibt undotiert (Abb. 8.23). Wegen der bereits vor der Formation des Feldoxydes, des Gates und des Streuoxydes eingebrachten Kanaldotierung sowie der Channel-Stopper Implantation ist an der Grenzfläche zwischen Silizium und dem Streuoxyd ein Sprung der Borkonzentration vorhanden (Abb. 8.23).

Nach dem Ausheilschritt ist Bor im Polysilizium praktisch gleichverteilt, und an den Silizum/SiO₂-Gernzflächen ist die Segregation von Bor zu beobachten, sodaß die Bor-Konzentration nahe der Grenzfläche im Oxyd ansteigt (Abb. 8.22, Abb. 8.24). Weiters ist in Abb. 8.24 sehr deutlich die Verdrängung von Bor aufgrund der starken Feldkopplung mit Arsen im Bereich der hohen Gradienten der Arsen-Verteilung zu sehen. Die HALO-Implantation macht einen Teil dieser Verdrängung wett und trägt somit zur Vermeidung von Kurzkanaleffekten bei [Hwa96b].

  

Abbildung 8.21: Bor-Verteilung entlang der x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$ vor dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.22: Bor-Verteilung entlang der x-z-Ebene bei y=0.5$\mu m$ nach dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.23: Bor-Verteilung entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ vor dem Ausheilschritt.

  

Abbildung 8.24: Bor-Verteilung entlang der y-z-Ebene bei x=0.5$\mu m$ nach dem Ausheilschritt.