E. Guerrero

Generalized Model for the Clustering of As Dopants in Si

A model for As clustering in single crystal silicon is presented that allows for the participation of arbitrary numbers of As ions, electrons, and arbitrarily charged vacancies. From this model the saturation behavior of the concentration of unclustered, electrically active As impurities is derived. It is shown that saturation (or electrical solubility) demands the participation of at least one negative charge in the formation of positively charged clusters, be it electron or negative vacancy. By analysis of our own experimental results and those by other authors, this general cluster model indicates that the participation of exactly one negative charge is the most likely case. In the course of this discussion the equilibrium saturation concentration of electrically active As is deduced from experiment as a function of temperature.

Analytical science for the development of microelectronic devices

ZusammenfassungDie neue technologische Revolution, nämlich Entwicklung und Einführung der Mikroelektronik, stellt für die Analytische Chemie eine der größten Herausforderungen dar: Die material- und prozeßbezogenen Fragestellungen beziehen sich nämlich in hohem Maße auf extrem kleine Konzentrationen und räumliche Dimensionen. Eine erfolgreiche Behandlung derartiger Fragestellungen ist nur durch Einsätz modernster, überwiegend auf der Physik basierender Hochleistungsanalytik („Analytische Wissenschaft“) möglich.In der vorliegenden Arbeit wird versucht, die Rolle dieser Analytischen Wissenschaft für die Entwicklung mikroelektronischer Bauelemente am Beispiel des höchstintegrierten Direct Random Access Memory (DRAM) darzustellen. Ausgehend von den verschiedenen Stufen der Herstellung eines solchen Bauelementes in MOS-Technologie werden die wichtigsten analytischen Fragestellungen und deren Behandlung mit analytischen Methoden diskutiert: Reinheit und chemische Oberflächenstruktur der Siliciumwafer, Verteilung und Reaktionen der Dotierungselemente während der Grundoperationen des MOS-Prozesses (Oxidation, Implantation, Ausheilung), chemische und physikalische Eigenschaften der Metallisierungsstrukturen und funktionelle sowie chemische Untersuchungen der Bauelemente. Besonders eingegangen wird auf die Dotierungselemente, welche die elektrischen Eigenschaften eines Bauelementes bestimmen. Es wird gezeigt, daß in erster Linie physikalische Methoden wie SIMS, NAA, RBS, TEM wichtige neue und quantitative Informationen über die bei der Herstellung eines Bauelementes im Halbleiter ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse liefern. Diese Informationen ermöglichen wesentliche Verbesserungen in der Modellierung dieser Prozesse. Dies ist wiederum eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung mikroelektronischer Bauelemente in Richtung höherer Integration und Komple-xität.SummaryThe new technical revolution, the development and introduction of microelectronics poses a great challenge for Analytical Chemistry: the material and process related analytical problems largely refer to extremely small concentrations and spatial dimensions. A successful treatment of such problems is only possible through the use of the most modern, mainly physical techniques, for which reason it seems appropriate to speak of “Analytical Science”.This paper tries to demonstrate the potential of Analytical Science for the development of sophisticated microelectronic devices, taking as an example the most highly integrated circuit, the Direct Random Access Memory (DRAM). Referring to the various steps of production of such a device in MOS. technology the most important analytical problems and their treatment with analytical methods are discussed: purity and chemical surface structure of silicon wafers, behaviour of dopant elements during the basic operations of MOS technology (oxidation, implantation, annealing), chemical and physical features of metallization layers, and functional and chemical investigation of devices. Special emphasis is placed on the behaviour of the dopant elements which are decisive for the electrical properties of a device. It is shown that mainly physical analytical techniques like SIMS, NAA, RBS, TEM provide valuable new and quantitative information about the chemical and physical processes occurring in the semiconductor material during production of a device. This information enables substantial progress in process modelling, which is an important basis for further development of devices towards higher integration and complexity.

Quantitative distribution analysis of dopant elements in silicon with SIMS for the improvement of process modelling

ZusammenfassungFür die Entwicklung von elektronischen Bauelementen ist es notwendig, die bei der Herstellung ablaufenden Vorgänge (Diffusion) mathematisch beschreiben zu können (Process Modelling). Die Ionenstrahlmikroanalyse (SIMS) wurde auf höchste Richtigkeit und Empfindlichkeit optimiert. Als Referenzmethode wurde die Neutronenaktivierungsanalyse herangezogen. Die Untersuchung von systematischen Versuchsreihen bildet die Grundlage für die Verbesserung des Process Modelling. Die analytischen Charakteristica und Limitierungen von SIMS werden diskutiert.SummaryFor the development of electronic devices the mathematical description of the phenomenas occurring during the production is necessary (Process Modelling). SIMS was optimized for high accuracy and sensitivity. Neutron activation analysis was used as a reference method. The characterization of systematic test series is the foundation for the improvement of Process Modelling. The analytical figures of merit and limitations of SIMS are discussed.

Quantitative Distribution Analysis of B, As and P in Si for Process Simulation

For the development and improvement of process simulation accurate information about the (depth) distribution of dopant elements (electrically active fraction and total elemental concentration) as a function of process parameters has to be obtained. The analytical requirements for distribution analysis as applied for process simulation are stringent: i) high precision and accuracy ii) high detection power and large dynamic rage (concentra-tion range of interest: 1014–5·1021 at/cm3) iii) high depth resolution (shallow p/n-structures in modern devices)

Quantitative Distribution Analysis for Boron and Arsenic in Silicon-Semiconductors*

SummaryProceeding from the technological requirements for semiconductor characterization the progress and limitations of quantitative distribution analysis for B and As in silicon semiconductors by ionprobe microanalysis are presented. It is shown that by use of new instrumental technology the detection power for extreme trace analysis of dopant elements can be increased significantly and that development of suitable quantification procedures enables quantitative distribution analysis to be performed with good accuracy. The information obtained provides a basis for establishing more accurate diffusion models for highly doped materials.ZusammenfassungAusgehend von den technologischen Anforderungen an die Charakterisierung von Halbleitermaterialien wurden neue Entwicklungen und deren Limitierungen in der quantitativen Verteilungsanalyse von B und As in Silizium-Halbleitern beschrieben. Es wurde gezeigt, daß der Einsatz der Ionenstrahlmikroanalyse in ihrer neuesten instrumentellen Realisierung eine wesentliche Verbesserung des Nachweisvermögens für Dotierungselemente ermöglicht und daß durch die Anwendung geeigneter Quantifizierungsmethoden eine hohe Richtigkeit der Verteilungsanalyse erzielt werden kann. Die gewonnenen Informationen dienen als Grundlage für die Entwicklung verbesserter mathematischer Modelle für die Beschreibung von Diffusionsprozessen in hochdotierten Halbleitermaterialien.