Mechanism of fluorine redistribution and incorporation during solid phase epitaxial regrowth of pre-amorphized silicon

The redistribution of impurities during phase transitions is a widely studied phenomenon that has a great relevance in many fields and especially in microelectronics for the realization of Ultra Shallow Junctions (USJs) with abrupt profiles and high electrical activation. The redistribution of fluorine during solid phase epitaxial regrowth (SPER) of pre-amorphized Si has been experimentally investigated, explained and simulated, for different F concentrations and temperatures. We demonstrate, by a detailed analysis and modelling of F secondary ion mass spectrometry chemical concentration profiles, that F segregates in amorphous Si during SPER by splitting in three possible states: i) a diffusive one that migrates in amorphous Si; ii) an interface segregated state evidenced by the presence of a F accumulation peak at the amorphous-crystal interface; iii) a clustered F state. The interplay among these states and their roles in the F incorporation into crystalline Si are fully described in this thesis. It is shown that diffusive F moves by a trap limited diffusion and interacts with the advancing interface by a sticking-release dynamics that regulates the amount of F segregated at the interface. We demonstrate that this last quantity regulates the regrowth rate by an exponential law. On the other hand we show that nor the diffusive F nor the one segregated at the interface can directly incorporate into the crystal but clustering has to occur in order to have incorporation. This is in agreement with the element specific structural information on the F incorporated in crystalline Si given by a specific X-ray absorption spectroscopy analysis performed in this thesis, and also with recent experimental observations, reported in literature. The trends of the model parameters as a function of the temperature are shown and discussed obtaining a clear energetic scheme of the F redistribution in pre-amorphized Si. The above physical understanding and the model could have a strong impact on the use of F as a tool for optimising the doping profiles in the fabrication of ultra-shallow junctions.

La redistribuzione di impurezze durante le transizioni di fase è un fenomeno ampiamente studiato che ha una grande rilevanza in molti campi di ricerca e specialmente nella microelettronica per la realizzazione di giunzioni ultra sottili (USJs) caratterizzate da profili di drogante ben confinati e da un’alta attivazione elettrica. La redistribuzione del fluoro durante la ricrescita epitassiale in fase solida (SPER) del silicio pre-amorfizzato è stata studiata sperimentalmente, descritta e simulata in un ampio range di concentrazioni di F impiantato e temperature di ricrescita. Mediante una dettagliata analisi modellizzazione matematica dei profili in concentrazione di F misurati tramite la spettrometria di massa di ioni secondari, dimostriamo che il F segrega in silicio amorfo durante la SPER suddividendosi in tre possibili stati: i) uno stato diffusivo che migra in silicio amorfo; ii) uno stato segregato all’interfaccia evidenziato dalla presenza di un picco di accumulazione di F all’interfaccia amorfo-cristallo; iii) uno stato di F clusterizzato. Questo lavoro ha descritto nel dettaglio quali scambi avvengono tra questi stati e che ruolo hanno nell’incorporazione del F nel silicio cristallino. È stato osservato che il F diffusivo è soggetto ad una diffusione limitata dalle trappole presenti nel substrato amorfo. Il F che diffonde in amorfo interagisce con l’interfaccia che avanza tramite una dinamica di tipo “attacca-stacca”, che regola l’ammontare del F segregato all’interfaccia. Dimostriamo che questa ultima quantità regola la velocità di ricrescita tramite una legge esponenziale. Dall’altra parte noi mostriamo che né il F diffusivo né quello segregato all’interfaccia possono incorporarsi direttamente nel cristallo ma del clustering deve accadere per avere l’incorporazione del F. Questa osservazione è in accordo con le informazioni strutturali del F incorporato in Silicio cristallino ottenute da una specifica analisi tramite spettroscopia di assorbimento a raggi X svolta in questa tesi e anche con le recenti osservazioni sperimentali riportate in letteratura. Gli andamenti dei parametri del modello in funzione della temperatura sono mostrati e discussi ottenendo un chiaro schema energetico della redistribuzione del F in silicio pre-amorfizzato. La suddetta comprensione fisica dei meccanismi coinvolti e il relativo modello predittivo da noi sviluppato potrebbero avere una forte impatto sull’uso del F come strumento per ottimizzare i profili dei droganti nella fabbricazione di giunzioni ultra-sottili.