Μελέτη της ενεργοποίησης και διάχυσης προσμίξεων τύπου n σε πυρίτιο υπό τάση και γερμάνιο
Authors: Τσουρούτας Παναγιώτης 
Published: August 2021

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να μελετηθεί η διάχυση και η ενεργοποίηση των n-τύπου προσμίξεων στο γερμάνιο καθώς και φαινόμενα που σχετίζονται με αυτές τις διεργασίες όπως είναι η απώλεια δόσης και η εξέλιξη των ατελειών κατά την επανακρυσταλλοποίηση της δομής του γερμανίου. Για το σκοπό αυτό επιλέξαμε να μελετήσουμε τις προσμίξεις του φωσφόρου και του αρσενικού καθώς η πρόσμιξη του αντιμονίου δημιουργούσε μη αναστρέψιμη καταστροφή της κρυσταλλικής δομής του γερμανίου κατά την ιοντική εμφύτευση. Μετά από ένα συνδυασμό ανοπτήσεων με χρήση laser και συμβατικής ανόπτησης σε φούρνο καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι το ανεπιθύμητο φαινόμενο της απώλειας δόσης οφείλεται στην καταστροφή του υποστρώματος του γερμανίου κατά τη διάρκεια της ιοντικής εμφύτευσης. Με τη βοήθεια μικρογραφιών ΤΕΜ καταφέραμε να μελετήσουμε ποιοτικά την εξέλιξη των εκτεταμένων ατελειών στον κρύσταλλο του γερμανίου κατά τη διάρκεια της ανόπτησης με χρήση laser. Παρατηρήσαμε ότι η διάλυση των εκτεταμένων και των EOR ατελειών ήταν ευκολότερη και πραγματοποιούνταν με μικρά προσφερόμενα θερμικά ποσά συγκριτικά με το πυρίτιο. Οι μικρογραφίες ΤΕΜ έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά και για την περίπτωση της συμβατικής ανόπτησης σε φούρνο αφού μετά από ανόπτηση στους 440°C για χρόνο 30min δεν εμφανίστηκε παραμένουσα καταστροφή του υποστρώματος. Τα παραπάνω σημαίνουν ότι το γερμάνιο πλεονεκτεί έναντι του πυριτίου αφού όλες οι θερμικές διεργασίες μπορούν να πραγματοποιηθούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, κάτι που είναι συμβατό και με τη σωστή ενσωμάτωση των οξειδίων υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς στην επιφάνεια των ημιαγωγών. Με τη βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης T-SUPREM IV της SYNOPSYS και τις απαραίτητες αλλαγές στον κώδικα ώστε να προσομοιώνει απ’ ευθείας στο γερμάνιο καθώς και τις προσθήκες μοντέλων για να προσομοιωθούν τα φαινόμενα της απώλειας δόσης και της συσσώρευσης της πρόσμιξης στην επιφάνεια καταφέραμε να προσαρμόσουμε αξιόπιστα τα διαχεόμενα προφίλ που προέκυψαν από τις μετρήσεις SIMS. Τα πειράματα διάχυσης που προσομοιώθηκαν ήταν αυτά με τη συμβατική ανόπτηση σε φούρνο. Το μοντέλο της διάχυσης που χρησιμοποιήσαμε ήταν το ατομιστικό μοντέλο με κυρίαρχο μηχανισμό διάχυσης μέσω των διπλά αρνητικά φορτισμένων πλεγματικών κενών. Από τις καλύτερες προσαρμογές καταφέραμε να εξάγουμε τον ενδογενή συντελεστή διάχυσης και την αντίστοιχη ενέργεια ενεργοποίησης για τις προσμίξεις του φωσφόρου και του αρσενικού. Οι τιμές που υπολογίσαμε βρίσκονται σε συμφωνία με τη διεθνή βιβλιογραφία με την πρόσμιξη του αρσενικού να εμφανίζει πολύ υψηλότερες διαχυτότητες συγκριτικά με το φώσφορο. Από τις ηλεκτρικές μετρήσεις τεσσάρων σημείων Van der Pauw και τις μετρήσεις Hall υπολογίσαμε το την επιφανειακή αντίσταση και το ποσοστό ενεργοποίησης των προσμίξεων του φωσφόρου και του αρσενικού. Ο φώσφορος έδειξε υψηλότερα επίπεδα ενεργοποίησης ιδίως για τις περιπτώσεις των υψηλών εμφυτευμένων δόσεων που ανοπτήθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες. Για το αρσενικό η υψηλότερη ενεργοποίηση επιτεύχθηκε για τις χαμηλότερες εμφυτευμένες δόσεις. Επίσης, καθώς η εμφυτευμένη δόση του αρσενικού αυξάνονταν εμφανίστηκε μείωση τόσο της διαχυτότητας όσο και του επιπέδου ενεργοποίησης ιδιαίτερα στις χαμηλές θερμοκρασίες ανόπτησης λόγω του σχηματισμού ανενεργών συσσωματωμάτων ατόμων αρσενικού με τα πλεγματικά κενά σε συμφωνία με αναφορές της βιβλιογραφίας. Επιπλέον το αρσενικό λόγω της υψηλής διαχυτότητάς του δημιουργούσε πολύ βαθιές επαφές κάτι το οποίο είναι ανεπιθύμητο στα σύγχρονα τρανζίστορ. Το μοναδικό πλεονέκτημα που επέδειξε η πρόσμιξη του αρσενικού συγκριτικά με το φώσφορο ήταν η μικρότερη απώλεια δόσης κατά τη διάρκεια των ανοπτήσεων. Συμπερασματικά ο φώσφορος είναι η πρόσμιξη που πλεονεκτεί για την n-τύπου νόθευση του γερμανίου αφού διαχέεται λιγότερο δημιουργώντας ρηχότερες επαφές, επιτυγχάνει υψηλότερα επίπεδα ενεργοποίησης και μπορεί να εμφυτευθεί σε μεγαλύτερο εύρος δόσεων χωρίς να δημιουργεί ηλεκτρικά ανενεργούς σχηματισμούς με τα πλεγματικά κενά. Τέλος για πρώτη φορά μελετήθηκε η διάχυση και η ενεργοποίηση των προσμίξεων για την περίπτωση της συνόθευσης του γερμανίου με φώσφορο και αρσενικό. Για τις πειραματικές συνθήκες που χρησιμοποιήσαμε δεν φαίνεται η συνόθευση να υπερτερεί σε κάποιον τομέα έναντι της απλής νόθευσης με φώσφορο. Ενδιαφέρον πάντως είναι το γεγονός ότι ενώ η διάχυση του φωσφόρου δείχνει σε γενικές γραμμές να παραμένει ανεπηρέαστη, η αντίστοιχη διάχυση του αρσενικού δείχνει στις περισσότερες περιπτώσεις να επιβραδύνεται. Το επίπεδο ενεργοποίησης είναι γενικά χαμηλότερο συγκριτικά με αυτό της μονής νόθευσης με φώσφορο εκτός και αν χρησιμοποιηθούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες ανόπτησης οπότε πλησιάζουν αρκετά τα ποσοστά ενεργοποίησης.