Titelaufnahme

Titel
Multi-method simulations and transmission electron microscope investigations of ion implantation damage in silicon / von Gustav Otto
VerfasserOtto, Gustav
Begutachter / BegutachterinHobler, Gerhard ; Pongratz, Peter
Erschienen2005
UmfangVIII, 132 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Silicium / Gitterbaufehler / Ionenimplantation / Durchstrahlungselektronenmikroskopie / Monte-Carlo-Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-16687 Persistent Identifier (URN)
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Multi-method simulations and transmission electron microscope investigations of ion implantation damage in silicon [12.06 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Durch Ionenimplantation erzeugte Kristalldefekte in Silizium spielen eine maßgebliche Rolle in der Halbleitertechnik. Sie beinflussen die Verteilung der Dotieratome, unterdrücken Channeling, tragen während des Ausheilens sowohl zum Clustern von Dotieratomen als auch zur transient beschleunigten Diffusion bei und können die Eigenschaften des Bauteils durch die Bildung von Rekombinationszentren beeinträchtigen. Da aber die Defektbildung von zahlreichen Parametern abhängt und die verschiedenen Defekttypen sehr unterschiedliche Charakteristiken aufweisen, sind noch wesentliche Fragen ungeklärt.

Neben analytischen Modellen gibt es mehrere atomistische Modelle, die für die Simulation von Ionenimplantationen herangezogen werden können. Quantenmechanische ab initio Methoden und klassische Molekulardynamik (MD) Modelle beschreiben die Defektbildung mit hinreichender Genauigkeit, sind aber durch den hohen Rechenaufwand nur begrenzt einsetzbar. Demgegenüber stehen Binary Collision (BC) und kinetische Monte Carlo (kMC) Modelle, die zwar keiner Einschränkung durch den Rechenaufwand unterliegen, aber mangels ausreichender Information über die Migrationsenergien und Rekombinationsenergien das System nicht vollständig simulieren können. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Kopplungschemata dieser atomistischen Modelle besprochen, die einerseits die Defektbildung während der Implantation mit der nötigen Genauigkeit beschreiben, andererseits den Rechenaufwand auf ein praktikables Maß reduzieren.

Insbesondere wird ein neuer Ansatz zur Kopplung von MD mit kMC Methoden entwickelt und getestet.

Während für die anderen atomistischen Modelle auf vorhandene Programme zurückgegriffen werden konnte, stand kein kMC Code zu Verfügung. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Monte Carlo Code entwickelt, der alle Defekte auf Basis der darunterliegenden Gitterstruktur beschreibt, was eine eindeutige Zuordnung zwischen Defektstrukturen und übergangsenergien ermöglicht und der Kopplung mit Molekulardynamikmodellen zu Gute kommt.

Mit dem gewonnenen Instrumentarium werden ausgehend von niedrigen deponierten Energien Ionenimplantationen mit steigender Ionenmasse und Implantationsenergie simuliert und mit Experimenten verglichen. Die dabei auftretenden Effekte können dadurch auf atomare Prozesse zurückgeführt und geklärt werden.

Um die in der kMC-Simulation zu berücksichtigenden Defekte zu bestimmen, wurden zunächst MD-Simulationen durchgeführt und die in der geschädigten MD Zelle vorkommenden Defekttypen hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Struktur analysiert und kategorisiert. Wir zeigen, dass Recoils mit Energien unter 200 eV hauptsächlich Punkt-defekte erzeugen. Der Dosisrateneffekt bei der Implantation mit leichten Ionen wird dann mittels eines gekoppelten BC-kMC Schemas simuliert. Ein Vergleich mit Experimenten liefert die Diffusionskoeffizienten der Punktdefekte und zeigt die Notwendigkeit einer Anziehung zwischen interstitiellen sowie vakanzartigen Defekten und eines spannungsabhängigen Diffusionskoeffizienten.

Im nächsten Kapitel wird der Masseneffekt bei der Implantation schwerer Ionen besprochen. Die Größe der mit MD simulierten amorphen Einschlüsse wird mit Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Aufnahmen, die wir von implantierten Proben machten, verglichen. Es zeigt sich dabei, dass die Größe der Einschlüsse sowohl im Experiment als auch in der Simulation im untersuchten Bereich von der Masse und der Temperatur weitgehend unabhängig ist.

Nach dem gängigen Modell müsste die lagenweise Amorphisierung an einer bestehenden amorph-kristallinen Grenzschicht bei sub-MeV Energien möglich sein, auch wenn die Dosis unter dem Schwellwert der Amorphisierung in homogen kristallinem Silizium liegt. Um dies zu bestätigen, werden Experimente und Simulationen durchgeführt.

Unsere Untersuchungen widerlegen aber die dem Modell zu Grunde liegende Annahme, dass die lagenweise Amorphisierungsrate proportional zur an der amorph-kristallinen Grenzschicht deponierten nuklearen Energie ist.

Die Experimente zur Implantation von schweren Ionen und zur lagenweisen Amorphisierung wurden mittels TEM analysiert. Um die Simulationsergebnisse für die Implantation mit schweren Ionen mit der TEM Analyse vergleichen zu können, werden mehrere Methoden zur Berechnung von TEM Bildern ausgearbeitet und miteinander verglichen.

Die unterschiedlichen Phänomene, die bei der TEM Analyse auftreten, können mittels der vorgeschlagenen Methoden erklärt werden, und es wird gezeigt, dass die aus den Simulationen erhaltene Größe der amorphen Einschlüsse mit der in der TEM Analyse bestimmten gut korrespondiert.

Zusammenfassung (Englisch)

Implantation damage is of major relevance to silicon technology:

It influences the distribution of the implanted species, causes transient enhanced diffusion and contributes to dopant clustering.

Unfortunately the understanding and modeling of ion implantation induced defects in silicon is complicated by the many parameters influencing their generation, and by the many different defect types.

Therefore many questions are still under debate and quantitative modeling is in many cases not possible.

Besides analytical models several atomistic models can be used to simulate implantation damage. Quantum mechanical simulate ion implantations with different energies and masses and compare them with experiments. Doing so the observed effects can be explained by the underlying atomic processes.

To be able to determine the defects in the kLMC scheme MD simulations are performed and the defects within the MD cell are analyzed according to their size and structure. We show thereby that recoils with energies below 200 eV generate mainly point defects. In the next step the dose rate effect for light-ion implantations is simulated with a coupled BC-kMC scheme. A comparison with experiments provides the diffusivities of the point defects and shows that attractive forces between interstitials and vacancies have to be assumed and that the diffusivities decrease with increasing defect density.

In the next chapter the mass effect of the implantation damage is discussed for heavy ions. A TEM analysis of implantation experiments is done and compared with the simulation results. This comparison shows that the size of the generated amorphous pockets does not depend on the ion mass and the temperature in the examined range.

According to the standard model the ion beam induced interfacial amorphization (IBIIA) rate is proportional to the deposited nuclear energy at the amorphous crystalline interface. Therefore the IBIIA rate should be also nonzero for fluences below the amorphization threshold in bulk silicon in the sub-MeV energy range. To verify this, experiments and simulations are performed, which disprove this model.

Specimens implanted with heavy ions at low dose are examined with TEM.

To be able to compare our simulation results with the TEM images we analyze different methods for the calculation of the TEM contrast from MD results. We show that the effects observed in the TEM analysis can be reproduced in the simulation and that the size of the amorphous pockets corresponds to the size determined with TEM.