Atomistic modeling of Ge damage accumulation, amorphization and solid phase epitaxial regrowth

摘要

En los últimos años, el Ge ha ganado de nuevo atención con la finalidad de ser integradouden el seno de las existentes tecnologías de microelectrónica. Aunque no se le considera comoudun canddato capaz de reemplazar completamente al Si en el futuro próximo, probalementeudservirá como un excelente complemento para aumentar las propiedades eléctricas en dispositivosudfuturos, especialmente debido a su alta movilidad de portadores. Esta integraciónudrequiere de un avance significativo del estado del arte en los procesos de fabricado. Técnicasudde simulación, como los algoritmos de Monte Carlo cinético (KMC), proporcionan unudambiente atractivo para llevar a cabo investigación y desarrollo en este campo, especialmenteuden términos de costes en tiempo y financiación. En este estudio se han usado, porudprimera vez, técnicas de KMC con el fin entender el procesado “front-end” de Ge en suudfabricación, específicamente la acumulación de dañado y amorfización producidas por implantaciónudiónica y el crecimiento epitaxial en fase sólida (SPER) de las capas amorfizadas.udPrimero, simulaciones de aproximación de clisiones binarias (BCA) son usadas para calcularudel dañado causado por cada ión. La evolución de este dañado en el tiempo se simulaudusando KMC sin red, o de objetos (OKMC) en el que sólamente se consideran los defectos.udEl SPER se simula a través de una aproximación KMC de red (LKMC), siendo capaz deudseguir la evolución de los átomos de la red que forman la intercara amorfo/cristalina. Conudel modelo de amorfización desarrollado a lo largo de este trabajo, implementado en unudsimulador multi-material, se pueden simular todos estos procesos.udHa sido posible entender la acumulación de dañado, desde la generación de defectosudpuntuales hasta la formación completa de capas amorfas. Esta acumulación ocurre en tres regímenes bien diferenciados, empezando con un ritmo lento de formación de regiones deuddañado, seguido por una rápida relajación local de ciertas áreas en la fase amorfa dondeudambas fases, amorfa y cristalina, coexisten, para terminar en la amorfización completa deudcapas extensas, donde satura el ritmo de acumulación. Dicha transición ocurre cuando laudconcentración de dañado supera cierto valor límite, el cual es independiente de las condicionesudde implantación. Cuando se implantan los iones a temperaturas relativamente altas,udel recocido dinámico cura el dañado previamente introducido y se establece una competiciónudentre la generación de dañado y su disolución. Estos efectos se vuelven especialmenteudimportantes para iones ligeros, como el B, el cual crea dañado más diluido, pequeño yuddistribuido de manera diferente que el causado por la implantación de iones más pesados,udcomo el Ge. Esta descripción reproduce satisfactoriamente la cantidad de dañado y la extensiónudde las capas amorfas causadas por implantación iónica reportadas en la bibliografía.udLa velocidad de recristalización de la muestra previamente amorfizada depende fuertementeudde la orientación del sustrato. El modelo LKMC presentado ha sido capaz deudexplicar estas diferencias entre orientaciones a través de un simple modelo, dominado poruduna única energía de activación y diferentes prefactores en las frecuencias de SPER dependiendoudde las configuraciones de vecinos de los átomos que recristalizan. La formaciónudde maclas aparece como una consecuencia de esta descripción, y es predominante en sustratosudcrecidos en la orientación (111)Ge. Este modelo es capaz de reproducir resultadosudexperimentales para diferentes orientaciones, temperaturas y tiempos de evolución de laudintercara amorfo/cristalina reportados por diferentes autores. Las parametrizaciones preliminaresudrealizadas de los tensores de activación de tensiones son también capaces deudproveer una buena correlación entre las simulaciones y los resultados experimentales deudvelocidad de SPER a diferentes temperaturas bajo una presión hidrostática aplicada.udLos estudios presentados en esta tesis han ayudado a alcanzar un mejor entendimientoudde los mecanismos de producción de dañado, su evolución, amorfización y SPER para Ge,udademás de servir como una útil herramienta para continuar el trabajo en este campo. In the recent years, Ge has regained attention to be integrated into existing microelectronicudtechnologies. Even though it is not thought to be a feasible full replacement to Si inudthe near future, it will likely serve as an excellent complement to enhance electrical propertiesudin future devices, specially due to its high carrier mobilities. This integration requires audsignificant upgrade of the state-of-the-art of regular manufacturing processes. Simulationudtechniques, such as kinetic Monte Carlo (KMC) algorithms, provide an appealing environmentudto research and innovation in the field, specially in terms of time and fundingudcosts. In the present study, KMC techniques are used, for the first time, to understandudGe front-end processing, specifically damage accumulation and amorphization produced byudion implantation and Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) of the amorphized layers.udFirst, Binary Collision Approximation (BCA) simulations are used to calculate theuddamage caused by every ion. The evolution of this damage over time is simulated usingudnon-lattice, or Object, KMC (OKMC) in which only defects are considered. SPER is simulatedudthrough a Lattice KMC (LKMC) approach, being able to follow the evolution ofudthe lattice atoms forming the amorphous/crystalline interface. With the amorphizationudmodel developed in this work, implemented into a multi-material process simulator, alludthese processes can be simulated.udIt has been possible to understand damage accumulation, from point defect generationudup to full amorphous layers formation. This accumulation occurs in three differentiatedudregimes, starting at a slow formation rate of the damage regions, followed by a fast localudrelaxation of areas into the amorphous phase where both crystalline and amorphous phases coexist, ending in full amorphization of extended layers, where the accumulationudrate saturates. This transition occurs when the damage concentration overcomes a certainudthreshold value, which is independent of the implantation conditions. When implantingudions at relatively high temperatures, dynamic annealing takes place, healing the previouslyudinduced damage and establishing a competition between damage generation and itsuddissolution. These effects become specially important for light ions, as B, for which theudcreated damage is more diluted, smaller and differently distributed than that caused byudimplanting heavier ions, as Ge. This description successfully reproduces damage quantityudand extension of amorphous layers caused by means of ion implantation reported in theudliterature.udRecrystallization velocity of the previously amorphized sample strongly depends on theudsubstrate orientation. The presented LKMC model has been able to explain these differencesudbetween orientations through a simple model, dominated by one only activationudenergy and different prefactors for the SPER rates depending on the neighboring configurationudof the recrystallizing atoms. Twin defects formation appears as a consequence ofudthis description, and are predominant for (111)Ge oriented grown substrates. This modeludis able to reproduce experimental results for different orientations, temperatures and timesudof evolution of the amorphous/crystalline interface reported by different authors. Preliminaryudparameterizations for the activation strain tensors are able to also provide a goodudmatch between simulations and reported experimental results for SPER velocities at differentudtemperatures under the appliance of hydrostatic pressure.udThe studies presented in this thesis have helped to achieve a greater understandingudof damage generation, evolution, amorphization and SPER mechanisms in Ge, and alsoudprovide a useful tool to continue research in this field.