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

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.