Multiscale modeling of junction processing in FDSOI and FinFET devices for 10nm node technology and below

A medida que el tamano de los transistores se reduce, aproximandose a los limites fisicos de la miniaturizacion, nuevos problemas y retos surgen durante los procesos de fabricacion. Como consecuencia, potenciales sustitutos de las tecnologias convencionales basadas en Si comienzan a aparecer, como por ejemplo las arquitecturas tridimensionales (FinFETs) o la introduccion de tenicas de estres para mejorar el rendimiento mediante la introduccion de canales de alta movilidad. Todos estos requisitos implican la formacion de uniones activas en el regimen de baja temperatura, y precisamente en este ambito el recrecimiento epitaxial solido se ha evidenciado como la mejor opcion para el procesado de dispositivos avanzados para tecnologias de nodos inferiores a 10 nm. De acuerdo a este contexto, el presente trabajo se centra fundamentalmente en la modelizacion atomistica del recrecimiento solido epitaxial (SPER) de Si y aleaciones de SiGe. Para ello se emplean diferentes tecnicas de simulacion en el marco de la multiescala abarcando un amplio espectro de escalas de tiempo y tamano, incluyendo: ab initio, Molecular Dynamics (MD), Lattice Kinetic Monte Carlo (LKMC), Object Kinetic Monte Carlo (OKMC) and Finite Element Methods (FEM). La dependencia de la formacion de defectos con la presencia de estres en Si es estudiada en detalle, incorporando el calculo de patrones de estres debidos a la expansion volumetrica de la fase amorfa usando metodos FEM. La presencia de dichos patrones es responsable de la formacion de dislocaciones en el punto de encuentro de los frentes de recristalizacion, como se evidencia en los resultados obtenidos mediante calculos de MD. Estos ultimos son incluidos en el modelo de LKMC, permitiendo la simulacion de muestras mas realistas, aportando asi una explicacion fisica a los mecanismos de formacion de defectos y su fuerte dependencia con los patrones de estres. Ademas, las aleaciones de SiGe son incluidas en el presente trabajo. Se realiza un estudio en profundidad de la dependencia de las energias de activacion de SPER con la composicion de Ge de la aleacion, utilizando para ello tenicas de MD. Se observa un comportamiento anomalo alejado del esperado ya que el perfil de energias no varia de forma monotona entre los valores de Si y Ge. Se introducen en este punto metodos de Nudged Elastic Band Calculations para confirmar los resultados, extrayendose dos factores dentro del perfil de energias: la tasa de recristalizacion en si misma y un segundo termino debido a la diferencia de longitud de enlace por la presencia de atomos de Ge. Finalmente, como aplicacion reciente de los estudios reportados hasta este punto se incluye el modelado de FinFET de SiGe, en la que se determina la composicion limitante para la formacion de defectos durante los procesos de recocido de la estructura. ----------ABSTRACT---------- As device downscaling is on pace to reach the physical limits of miniaturization, new problems and challenges arise during the fabrication process. Consequently, potential replacements for conventional Si-based technologies have to be explored, such as 3D arquitectures (FinFETs) or the introduction of strain engineering techniques for further performance enhancement due to high mobility channels (SiGe as stressor material). Their manufacturing requirements involve highly activated and abrupt junction formation at the low temperature regime, and the Solid Phase Epitaxial Regrowth has been evidenced as the best option for processing advanced technology nodes of 10 nm and below. Relying on this context, the present manuscript is mainly focused at modeling the SPER of Si and SiGe alloys using a multiscale approach including: ab initio, Molecular Dynamics (MD), Lattice Kinetic Monte Carlo (LKMC), Object Kinetic Monte Carlo (OKMC) and Finite Element methods (FEM). The defect formation dependence on stress in Si is accounted by computing the strain pattern due to the volumetric expansion of the α-phase by using FEM methods, which are then evidenced as responsible for nucleation dislocation at the pinch off point of the two moving fronts during recrystallization by using MD simulations. Extracted results are finally extended into a LKMC model allowing to simulate realistic sample sizes, providing a physical explanation of the defect formation mechanisms and their strong dependence on the presence of strain patterns. Moreover, SiGe alloys are considered, and the Ge composition dependence of SPER activation energies is modeled by using MD, extracting an anomalous behavior as the profile does not vary monotonically between values of pure Si and Ge. Nudged Elastic Band calculations are performed to confirm the two-part behavior of the SPER activation energies: the SPER rate itself and a second extra term due to the bond length difference present in the alloy. Finally, as a novel application of strained SiGe layers, the SiGe channel FinFET devices are modeled in terms of defect formation when increasing the Ge content in the alloy.