Evaluación de Coeficiente de Difusión de Iones de Boro en Silicio

Revista Colombiana de Física, Vol. 42, No. 1 de 2010.
Evaluación de Coeficiente de Difusión de Iones de Boro en Silicio
Cristalino Activados en Hornos RTP
Evaluation of the Diffusion Coefficient of Boron Ions in Crystalline Silice Activated in RTP
Furnaces
K. Y. Vizcaino a,*, A. C. Sarmientoa, J. Plazaa, A. Péreza, A. Torresb.
a
b
Instrumentación y Metrología, Universidad del Atlántico, Barranquilla.
Microelectrónica, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), Tonantzintla, México.
Recibido: 09.10.09; Aceptado: 30.03.10; Publicado en línea: 31.08.10.
Resumen
En el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores se incluye el dopado de regiones para modificar sus propiedades eléctricas. El dopado, bien sea por implantación o depósito de iones (Spin On Dopant), requiere de la activación de
los átomos dopantes, la cual se hace mediante un proceso térmico a temperaturas del orden de 1000ºC. Sin embargo, el
proceso de activación conlleva, en forma no deseada, a la difusión de los iones, hecho que dificulta la fabricación de dispositivos nanométricos. Se ha observado que la difusión sufre fuertes incrementos cuando se realiza en procesos de no
equilibrio térmico (activación en hornos RTP, “Rapid Thermal Process”), por esto se ha hecho una evaluación de diferentes perfiles de concentración de iones activos de boro en silicio cristalino activados en hornos RTP. Con esta evaluación se
obtiene la difusividad del ion y se reporta el respectivo coeficiente de difusión, en este caso, comparado con el coeficiente
de difusión cuando la activación es en equilibrio térmico.
Palabras clave: Difusión de boro, boro implantado, boro SOD, activación RTP.
Abstract
The manufacturing process of semiconductor devices includes doped regions to alter their electrical properties. The doping either by ion implantation or deposition (Spin On dopant), requires activation of dopant atoms, which is done by a
thermal process at temperatures of 1000°C. However, the activation process involves, in undesired ways, the diffusion of
the ions, making it difficult to manufacture nanoscale devices. It has been observed that the diffusion increases when it is
performing in thermal non-equilibrium processes (activation in RTP furnaces, "Rapid Thermal Process"), this has been
done by an evaluation of different ion concentration profiles of boron in crystalline silicon activated in RTP furnaces. This
evaluation yields the ion diffusivity and reported the respective diffusion coefficient; in this case, it is compared with the
diffusion coefficient when the activation is in thermal equilibrium.
Keywords: Boron diffusion, boron implantation, boron SOD, RTP activation.
PACS: 61.72.uf, 61.72.uj, 66.30.J-, 66.30.Xj.
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1. Introducción
En los procesos de fabricación de circuitos integrados,
la reducción de la profundidad de unión es una consecuen* godkoel@gmail.com
cia ineludible del escalamiento de los dispositivos electrónicos. Las actuales y nuevas tecnologías han volcado sus
esfuerzos a la reducción de sus magnitudes, soportadas en
las bondades de dicho escalamiento. Un factor adverso a
Rev.Col.Fís., Vol. 42, No. 1 de 2010.
altura es el predepósito y como el número de iones permanece constante, las áreas de las curvas de menor altura son
iguales a la primera.
tener en cuenta a la hora de fabricar dispositivos con dimensiones nanométricas es la difusión de los átomos dopantes, la cual es consecuencia de las altas temperaturas
requeridas para la activación de los iones.
La difusión es un proceso de excitación térmica por el
cual las impurezas o dopantes se desplazan en un medio
desde regiones de alta concentración hacia regiones de baja
concentración. Éste ha sido un tema de mucha importancia
en el área de los semiconductores y en sus estudios se
muestra que los coeficientes de difusión de átomos dopantes en el silicio cristalino dependen del estado inicial del
cristal, es decir, la presencia de defectos y daños estructurales modifican la difusividad en el semiconductor.
 − x2 
c0

exp
4
Dt
2 πDt


(2)
C0 
 x 
1 − erf 
 
2 
 2 Dt  
(3)
C ( x, t ) =
C ( x, t ) =
Cuando la fuente es infinita, el resultado es la función
de error complementaria; en esta ocasión la concentración
superficial permanece constante como se muestra en la
figura 2.
El estudio de este fenómeno nos lleva a solucionar la
ecuación de la segunda Ley de Fick, la cual nos conduce a
soluciones diferentes al considerar dos condiciones iniciales básicas: una fuente finita de iones o predepósito, en el
cual los átomos dopantes son incorporados al substrato por
implantación, y una fuente infinita de iones alcanzada
mediante novedosas técnicas de dopado como lo es el Spin
On Dopand (SOD). En este trabajo se consideraron perfiles
de concentración de muestras implantadas y de SOD, activadas mediante hornos RTP (Rapid Thermal Difusion),
obtenidas en el Laboratorio de Microelectrónica del
INAOE. Con base en dicho perfíl, la simulación del predepósito y la profundidad de unión de cada muestra, se obtuvo el coeficiente de difusión como función de la temperatura de difusión.
Figura 1. Función gaussiana. Resultante con una fuente finita.
2. Marco teórico
La difusión de los iones dopantes en un substrato es un
fenómeno físico alimentado por la actividad térmica de los
átomos en la estructura cristalina. Así como se muestra en
la segunda Ley de Fick (ecuación 1), la difusión es dependiente del gradiente de concentración y del tiempo. La
solución de esta ecuación depende de la fuente aportante
de iones:
Figura 2. Función de error complementario.
La concentración superficial está limitada por el límite
de solubilidad de los iones en el sólido, parámetro que a su
vez es función de la temperatura y es característico de cada
ión dopante. En la figura 3 se muestra este parámetro para
los principales dopantes.
1. Es una gaussiana si el número de átomos dopantes
es fija, es decir, los iones fueron implantados.
2. Si se cuenta con una fuente infinita de iones, la solución es la función de error complementaria. Los iones
depositados en películas SOD se comportan como fuentes infinitas durante cortos períodos de tiempo.
Así, la Segunda Ley de Fick está descrita por la ecuación:
∂  ∂C  ∂C
D
=
∂x  ∂x  ∂x
(1)
Considerando una fuente finita de iones, el resultado es
una función gaussiana. En la figura 1 la curva de mayor
Figura 3. Gráfica del límite de solubilidad en el sólido de algunos dopantes del silicio.
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K. Y. Vizcaino, A. C. Sarmiento, J. Plaza, A. Pérez, A. Torres: Evaluación del coeficiente de difusión de ionesde boro en silicio cristalino
activados en hornos RTP
Otro aspecto importante es que la existencia de daños
estructurales, átomos dopantes intersticiales y autointersticiales facilitan la difusión en el cristal, presentándose un
efecto no deseado conocido como aumento transitorio de la
difusión TED (Transient Enhansed Difussion). La presencia de cada defecto afecta la difusión, por esto, el coeficiente de difusión se ha considerado como una sumatoria
de términos que consideran cada tipo de defecto.
n
D = D + D 
 ni
0
−

n
 + D 2 − 

 ni
2

n
 + D + 

 ni



Los coeficientes de difusion de los substratos con películas SOD de boro se muestran en la tabla 2 y su comportamiento se visualiza en la figura 6.
(4)
3. Metodología
Partimos de la medición de la profundidad de unión xj
en los perfiles obtenidos con un perfilador electroquímico.
En estos perfiles se incluían muestras implantadas del ion
BF2+ y dopado con SOD, estas muestras fueron activadas
en hornos RTP durante segundos (20 s) y en un rango de
temperaturas de 700ºC a 1050ºC.
Figura 4. Resultado de la simulación de la implantación de iones
BF2+ sobre substrato de silicio con una película SiO2 en su superficie. La energía de incidencia de los átomos de boro es Eef=26.4
keV. Este perfil de concentración se obtiene con el simulador
SRIM.
Como se desconoce el perfil de la implantación, éste se
simuló con el programa SRIM, del cual se toma el máximo
de concentración y que es considerado como el punto de
partida del proceso térmico.
Tabla No. 2: Coeficientes de difusión del boro en muestras con
películas SOD.
T(°C)
780
860
940
1050
4. Análisis de resultados
Los datos obtenidos a partir del perfil de implantación
(simulación SRIM) aparecen en la figura 4 en donde se
tiene en cuenta el rango de proyección y dispersión del ion
BF2+ en la concentración superficial del sustrato, los valores se muestran en la tabla 1.
104/T (K-1)
9.50
8.83
8.24
7.56
D(cm2/s)
2.78 ∗ 10 −15
2.56 ∗ 10 −14
1.01 ∗ 10 −13
8.72 ∗ 10 −13
Los coeficientes de difusión y xj, calculados a partir de
cada perfil con diferentes temperaturas, se tabularon en la
tabla 1 y su comportamiento en función de la temperatura
se visualiza en la figura 5
Tabla No. 1: Coeficientes de difusión del boro en muestras implantadas.
T (°C)
700
800
900
900
940
1050
800
940
1050
104/T (K-1)
10.28
9.32
8.53
8.53
8.24
7.56
9.32
8.24
7.56
D(cm2/s)
2.21 ∗ 10 −12
6.64 ∗ 10−12
1.67 ∗ 10 −11
2.09 ∗ 10 −11
3.85 ∗ 10 −11
1.82 ∗ 10−11
2.10 ∗ 10 −11
3.41 ∗ 10−11
1.30 ∗ 10−11
Figura 5. Gráfica de Arrhenius del coeficiente de difusión del
boro de las muestras implantadas como función de 1/T. La línea
contínua representa el coeficiente de difusión intríseco del boro
en el silicio.
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Rev.Col.Fís., Vol. 42, No. 1 de 2010.
Referencias
[1] Sze, S. M. Physics of semiconductors devices, 3ª ed.,
USA Jhon Wiley, 2006.
[2] Toan, N. N. Spin On Glass Materials and Aplications
in advanced IC Technologies, Tesis de grado. Universidad de Twente, Hanoy (Vietnam), 1999.
[3] Plummer, J. D. y Griffin P. B. Silicon VLSI Technology. Fundamentals Practice and Modeling, Prentice
Hall, 2000.
[[4] Plaza, J. Obtención de Profundidades de Unión xj
menores a 0.4 micras, con una óptima activación de los
dopantes implantados o depositados, Tesis de Doctorado, INAOE, 2007.
[5] Suzuki, K. Fujitsu Sci. Tech. J, 39, 2003, pp. 138-149.
Figura 6. Gráfico de Arrhenius del coeficiente de difusión del
boro, a altas concentración, como función de 1/T. La línea continua representa el coeficiente de difusión intrínseco del boro en el
silicio (Di) y el trazo punteado el ajuste a los datos experimentales obtenidos por [5].
5. Conclusiones
Se observó en todas las muestras un incremento bastante considerable en el coeficiente de difusión.
Las muestras implantadas tienen una mayor difusividad, lo que corrobora la existencia del TED, debido a la
presencia de intersticiales en las muestras.
En las muestras de SOD se presenta un incremento en
el coeficiente de difusión, esto se atribuye a la alta concentración del dopante.
En las muestras con SOD se observa que es posible
controlar la concentración superficial del dopante al controlar la temperatura, debido a que el límite de solubilidad
en el sólido es dependiente de T.
Las pendientes en los gráficos de Arrhenius de las
muestras implantadas y de las de SOD nos indican que la
energía de activación es menor, especialmente en las muestras implantadas. Es posible que esto se deba a las altas
concentraciones de iones dopantes utilizadas en el experimento.
6. Agradecimientos
Agradecemos especialmente al Instituto Nacional de
Astrofísica, Óptica y Electrónica, quien apoyó este trabajo
facilitando la información de las muestras.
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