Doping of germanium by ion-implantation and laser annealing in the melting regime

Germanium is the main candidate for replacing silicon in active regions in future complementary metal-oxide transistors due to: (i) its higher mobility of charge carriers that makes it able to attain higher drive current; (ii) the availability of high-k materials, excellent substitutes for its unstable native oxide and (iii) its lower melting point that allows lower processing temperatures. However, a downscaling beyond 15-nm necessarily requires higher doping levels (higher than 1x10^20cm^-3) beyond the solid solubility of most of the dopants. In particular, n-type ultra-shallow junctions (USJs) are the most challenging, because of the lower solid solubility and higher diffusivity of V-group elements in Ge which make the required shallow doping profiles hard to achieve. For these reasons, laser thermal annealing (LTA) in the melting regime is a promising advanced activation technology of implanted dopants in Ge for USJs formation. In fact, it has a potential capability of increasing the dopant solubility as well as of confining the diffusion processes into the molten layer, whose depth can be controlled by choosing adequate energy density in turn. Thanks to this technique, donor concentration far exceeding the theoretical maximum solid solubility limits after LTA in Ge are reported in literature for implanted phosphorous and antimony, pushing the doping limits for these systems above to 1x10^21cm^-3. Despite the above encouraging results, melting LTA on Ge doped with arsenic as well as with acceptors was still unexplored. Therefore, the aim of this work was the investigation of the LTA process applied to both the n-type and p-type doping of Ge after arsenic or boron implantation. In particular, experiments on diffusion, contamination, thermal stability, residual strain and clustering were performed in order to study mechanisms influencing the resulting electrical activation.

Il germanio è il principale candidato a sostituire il silicio come substrato per i futuri dispositivi elettronici ultra-scalati, poiché: (i) la sua superiore mobilità di portatori di carica consente correnti maggiori; (ii) la possibilità di crescere ossidi alternativi ad alta capacità dielettrica (high-k), consente di aggirare i problemi legati all’ossido nativo e (iii) la sua minore temperatura di fusione lo rende più facilmente processabile. Tuttavia, miniaturizzazioni che soddisfano i futuri nodi tecnologici (in particolare al di sotto dei 15-nm) necessariamente richiedono livelli di drogaggio più alti di 1x10^20cm^-3, oltre cioè le solubilità solide della maggior parte dei droganti. In particolare, le più problematiche sono le giunzioni ultra-sottili (USJ) di tipo-n, date le basse solubilità e le alte diffusività degli elementi del V gruppo in Ge che rendono gli alti livelli di drogaggio richiesti ardui da ottenere. A questo scopo, il laser thermal annealing (LTA) in regime di fusione rappresenta una promettente avanzata tecnologia di attivazione elettrica dei droganti impiantati, data la sua potenziali capacità di aumentare le solubilità dei droganti, conseguente alla rapidissima ricrescita epitassiale da fase liquida (LPER) indotta, e di confinare i processi diffusivi nella regione liquefatta, la quale viene a sua volta controllata, modulando opportunamente la densità d’energia. Grazie a questa tecnica si sono infatti ottenute in Ge concentrazioni attive che superano ampiamente le rispettive solubilità solide, sia di fosforo impiantato che di antimonio dove si è ottenuto l’impressionante record di 1x10^21cm^-3. Nonostante questi incoraggianti risultati, il LTA nel caso di Ge drogato con arsenico o con accettori non è stato ancora sperimentato. Inoltre, quanto si impiantano grandi fluenze di droganti, si ottengono solo parziali attivazioni elettriche e una profonda comprensione della fenomenologia che avviene durante una così estrema LPER è ancora mancante. Perciò, lo scopo di questo lavoro è stato lo studio del processo di LTA applicato sia per drogaggio di tipo-n che –p di Ge dopo l’impianto di arsenico o boro. In particolare si sono svolti esperimenti svolti sulla diffusione, contaminazione, stabilità termica, stato di deformazione residuo e formazione di clusters al fine di studiarne l’influenza sulla attivazione elettrica risultante.