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

Prieto de Pedro, Mónica (2018). Multiscale modeling of junction processing in FDSOI and FinFET devices for 10nm node technology and below. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53072.

Description

Title: Multiscale modeling of junction processing in FDSOI and FinFET devices for 10nm node technology and below
Author/s:
  • Prieto de Pedro, Mónica
Contributor/s:
  • Martín-Bragado, Ignacio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: September 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Otro
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

A medida que el tamaño de los transistores se reduce, aproximándose a los límites físicos de la miniaturización, nuevos problemas y retos surgen durante los procesos de fabricación. Como consecuencia, potenciales sustitutos de las tecnologías convencionales basadas en Si comienzan a aparecer, como por ejemplo las arquitecturas tridimensionales (FinFETs) o la introducción de ténicas de estrés para mejorar el rendimiento mediante la introducción de canales de alta movilidad. Todos estos requisitos implican la formación de uniones activas en el régimen de baja temperatura, y precisamente en este ámbito el recrecimiento epitaxial sólido se ha evidenciado como la mejor opción para el procesado de dispositivos avanzados para tecnologías de nodos inferiores a 10 nm. De acuerdo a este contexto, el presente trabajo se centra fundamentalmente en la modelización atomística del recrecimiento sólido epitaxial (SPER) de Si y aleaciones de SiGe. Para ello se emplean diferentes técnicas de simulación en el marco de la multiescala abarcando un amplio espectro de escalas de tiempo y tamaño, 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 formación de defectos con la presencia de estrés en Si es estudiada en detalle, incorporando el cálculo de patrones de estrés debidos a la expansión volumétrica de la fase amorfa usando métodos FEM. La presencia de dichos patrones es responsable de la formación de dislocaciones en el punto de encuentro de los frentes de recristalización, como se evidencia en los resultados obtenidos mediante cálculos de MD. Éstos últimos son incluidos en el modelo de LKMC, permitiendo la simulación de muestras más realistas, aportando así una explicación física a los mecanismos de formación de defectos y su fuerte dependencia con los patrones de estrés. Además, las aleaciones de SiGe son incluidas en el presente trabajo. Se realiza un estudio en profundidad de la dependencia de las energías de activación de SPER con la composición de Ge de la aleación, utilizando para ello ténicas de MD. Se observa un comportamiento anómalo alejado del esperado ya que el perfil de energías no varía de forma monótona entre los valores de Si y Ge. Se introducen en este punto métodos de Nudged Elastic Band Calculations para confirmar los resultados, extrayéndose dos factores dentro del perfil de energías: la tasa de recristalización en sí misma y un segundo término debido a la diferencia de longitud de enlace por la presencia de átomos de Ge. Finalmente, como aplicación reciente de los estudios reportados hasta este punto se incluye el modelado de FinFET de SiGe, en la que se determina la composición limitante para la formación 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.

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Item ID: 53072
DC Identifier: http://oa.upm.es/53072/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53072
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53072
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 22 Nov 2018 08:32
Last Modified: 22 May 2019 22:30
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