Modelling defect formation and evolution during SOI wafer fabrication

Abstract

Bauelemente, die in der Silicon-on-insulator (SOI) Technologie hergestellt werden, bieten zahlreiche Vorteile gegenüber Bauelementen die in traditioneller Siliziumtechnologie hergestellt werden. Parasitäre Effekte, wie z.B. Leckströme, werden durch die vertikale Isolierschicht zwischen der aktiven Region des Bauelements und dem Bulk Silizium unterdrückt. Eine Trennung der einzelnen Bauelementen in integrierten Schaltungen wird ohne Verwendung komplizierter Grabenstrukturen durch die laterale Isolierschicht erreicht. SOI Technolgie bietet die Möglichkeit die Lebensdauer traditioneller Siliziumtechnologie zu verlängern. Eine effektive Herstellung von Silicon-on-Insulator (SOI) Wafern ist mit Hilfe der Methode von Wasserstoff induziertem Abbrechen von Schichten möglich. Dieser Prozess ist unter dem Namen Smart-Cut etabliert. Wasserstoff Implantation mit einer ausreichend hohen Dosis und anschließendes thermisches Ausheilen bei erhöhter Temperatur führt zu Blasenbildung an der Oberfläche des Wafers. Dieser unerwünschte Effekt der Ionenimplantation wird für den Smart-Cut ausgenutzt. Nach der Wasserstoffimplantation wird ein zweiter Wafer auf den implantierten Wafer gebondet, bevor das thermische Ausheilen durchgeführt wird. Der zweite Wafer stabilisiert die Oberfläche und leitet den Druck, der sonst zur Bildung der Blasen führen würde, in laterale Richtung um, was dazu führt, dass eine dünne Schicht des ersten Wafers abbricht. Der Prozess kann bei einer Vielzahl unterschiedlicher Halbleitermaterialen wie z.B. Ge, SiC und Isolatoren wie z.B. Diamant angewendet werden. Die Wasserstoff Dosis die nötig ist um das Brechen des Wafers zu ermöglichen kann durch Co-Implantation von Helium deutlich verringert werden. Um den Smart-Cut-Prozess zu optimieren ist es nötig die physikalischen Mechanismen zu kennen, die zur Blasenbildung und zum Brechen der Schicht führen. Unterschiedliche theoretische und experimentelle Methoden wurden eingesetzt um die Physik dieses Prozesses zu studieren. Es wurde herausgefunden, dass während der Ionenimplantation zweidimensionale Defektstrukturen mit einer Größe von bis zu mehreren Nanometer, die als Platelets bezeichnet werden, entstehen. In (100) Silizium sind die meisten Platelets parallel zur Oberfläche orientiert und nur wenige liegen in {111} Ebenen. Leider wurde die atomare Struktur von Platelets bisher weder durch experimentelle noch durch thereoretische Ergebnisse bestimmt. Während des thermischen Ausheilens bei erhöhter Temperatur wachsen diese Platelets und entwickeln sich in sogenannte Microcracks, mit einer Größe im Bereich von einigen Mikrometern. Platelets beinhalten Wasserstoff, der Druck erzeugt und zur Entstehung der Oberflächenblasen führt, wenn der Wafer nicht mit einem zweiten Wafer gebondet ist. Falls der Wafer mit einem zweiten Wafer gebondet ist, führt der Druck dazu, dass die Micrcracks weiter wachsen und einen Macrocrack bilden, der sich über den gesamten Wafer ausbreitet und zum Brechen der Schicht führt. Das Wachstum der Platelets und Microcracks kann gut erklärt werden, jedoch ist immer noch ungeklärt woraus diese Platelets entstehen. Mehrere Theorien für die Entstehung von Platelets wurden vorgeschlagen und experimentelle Ergebnisse weisen darauf hin, dass mechanische Spannungen eine entscheidende Rolle für die Entstehung und die Orientierung von Platelets spielen. Bis jetzt existiert allerding kein vollständiges Modell für die Enstehung von Platelets aus Punktdefekten. In dieser Doktorarbeit wird ein Simulationsansatz präsentiert, der aus einer Kopplung von Binary Collision (BC) und kinetischer Monte Carlo Simulation (kMC) besteht. Als Grundlage dieser Arbeit werden Resultate von theoretischen und experimentellen Untersuchungen besprochen. IR/Raman Spektren können benutzt werden um Defekte die während der Ionenimplantation enstehen zu identifizieren und mit der Defektverteilung der Simulationsergebnisse zu vergleichen. Analyse von Bildern die mit Transmisionselektronmikroskop (TEM) erstellt wurden erlauben die Extrahierung einer Tiefenverteilung der Platelets. Diese Ergebnisse können in Kombination mit Wasserstoff Tiefenprofilen, die mit Elastic Eecoil Detection (ERD) erstellt wurden und mit Tiefenverteilungen der Verzerrungen, die z.B. mit Röntgenspektroskopie erstellt wurden verglichen werden um Korrelationen zwischen den Profilen von Wasserstoff, Verzerrungen und Platelets zu finden. Basierend auf den wichtigsten Erkenntnissen über Platelets wird ein Model für die spannungsinduzierte Transformation von Wasserstoff gesättigten Multivakanzen in eine planare, zweidimensionale Struktur vorgeschlagen. Die mechanischen Spannungen bauen sich während der Ionenimplantation auf und werden durch die Änderungen des atomare Volumens aufgrund von Punktdefekte und Ionen im Vergleich zum ungestörten Kristall modelliert. Solange der Wert der lokalen Spannung unter einem gewissen Wert liegt wachsen Vakanzen-Wasserstoff-Cluster in einer beliebigen Form. Sobald der kritische Wert der lokalen Spannung überschritten wird können die Vakanzen- Wasserstoff-Cluster in die planare Form transformiert werden. Diese Transformation hängt von der Anzahl der Vakanzen und der Wasserstoffmenge des Defektes ab. Die Transformation führt zur Reduktion des Wertes der lokalen Spannung. Die Simulationsmethoden und das Modell für die Enstehung und Entwicklung der Defekte wird präsentiert. Die möglichen Defekte und Reaktionen für die Simulationen basieren auf ab-initio Berechnungen und Molekular- Dynamik (MD) Simulationen. Simulationen von Wasserstoff-Implantationen und Wasserstoff/Helium Co-Implantationen in beiden Implantationsreihenfolgen wurden durchgeführt und mit experimentellen Daten von IR/Raman Spektroskopie und TEM verglichen. Der Anteil an Wasserstoff in internen Oberflächen aus den Simulationsergebnissen wird mit der integrierten Absorption in dem Band der IR/Raman Spekten verglichen, dem Wasserstoff in internen Oberflächen zugewiesen ist. Aus der Tiefenverteilung planarer Defekte aus der Simulation kann die Tiefe der Bruchstelle abgeschützt werden und mit dem experimentell bestimmten Wert verglichen werden. Die Simulationsergebnisse, die mit den experimentellen Ergebnissen gut überein stimmen, zeigen dass unser vorgeschlagenes Modell ein möglicher Weg für die Entstehung von Platelets ist. Weiters wurde gezeigt das gekoppelte BC und kMC Simulationen ein nützliche Werkzeug für die Modellierung von Defekten während der SOI Wafer Herstellung sind.<br />

Devices built in Silicon-on-insulator (SOI) technology offer several advantages over those built in traditional bulk silicon technology. Parasitic effects like e.g. leakage current are suppressed by the vertical isolation layer between the device active region and the bulk silicon. Interdevice separation in integrated circuits is achieved by the lateral isolation without complicated well or trench formation. SOI technology offers the possibility to extend the lifetime of traditional silicon technology. Silicon-on-insulator (SOI) wafers can efficiently be produced by using the method of hydrogen induced layer splitting, a process established under the name Smart-Cut Hydrogen implantation in silicon at a sufficient dose and subsequent annealing at elevated temperatures leads to the formation of surface blisters. This unwanted effect of ion implantation is used in the Smart- Cut process. After hydrogen implantation the implanted wafer is bonded to a second wafer before the thermal treatment, which acts as a stiffener and redirects the pressure otherwise leading to blistering into lateral direction, resulting in the splitting of the wafer. The process can be applied to a wide range of semiconductor materials like e.g. Ge, SiC and insulators like e.g. diamond. The hydrogen dose necessary for layer splitting can be significantly reduced if helium is co-implanted together with hydrogen. To optimize the Smart- Cut process knowledge of the physical mechanisms leading to the splitting of the layer is required. Various experimental and theoretical methods have been used to investigate the physics of blistering and splitting. Two dimensional defect structures with a size of up to several nanometers, called hydrogen platelets have been identified to form during hydrogen implantation. In (100) silicon most of the platelets are oriented parallel to the surface, while only a few lie in {111} planes. Unfortunately, the atomic structure of the platelets has not been determined from theoretical or experimental investigations. These platelets grow during subsequent annealing at elevated temperatures evolving into microcracks with a size in the order of a few micrometer. Platelets contain molecular hydrogen, which builds up pressure leading to the formation of surface blisters if the wafer is not bonded to another wafer. In case of bonded wafers the pressure leads to a further growth of the microcracks, which coalesce to form a macrocrack across the whole wafer, inducing splitting of a layer. The growth of platelets and microcracks are well understood, but the precursors for the platelets are still under discussion. Several theories for the platelet nucleation have been proposed and experimental results suggested that stress plays an important role for the formation and orientation of platelets. However, a consistent pathway for the formation of platelets from point defects is still missing. In this thesis a simulation approach for modeling the defect evolution during hydrogen and helium implantation is presented, which consists of coupled binary collision (BC) and kinetic Monte Carlo (kMC) simulations. To set the basis, results from theoretical and experimental investigations are reviewed. Spectra obtained from IR/Raman spectroscopy can be used to identify defects that are formed during ion implantation, which can be compared to the defect distribution obtained from simulation results. Transmission electron microscopy (TEM) analysis allows the extraction of a depth distribution of platelets. These results can be used in combination with hydrogen depth profiles obtained by elastic recoil detection (ERD) and depth profiles of strain obtained from e.g. X-ray diffraction measurements to identify correlations between the profiles of hydrogen, strain and the platelet distribution. Based on the most important findings about platelets a model for the stress induced transformation of hydrogenated multivacancy defects into planar shaped two-dimensional structures is proposed. Stress builds up during the ion implantation and is modeled by the atomic volume change due to point defects and ions compared to the volume of the undisturbed crystal. If the local stress is below a certain level vacancy-hydrogen defects grow in arbitrary shape. Once a critical level of the local stress is reached vacancy-hydrogen clusters can be transformed into the planar shape. This transformation depends on the number of vacancies in the cluster and on the amount of hydrogen in the defect. Transformation of a vacancy- hydrogen cluster leads to the reduction of the local stress. The simulation methods and the model for the formation and evolution of defects are presented. The possible defects and reactions for the simulations are based on ab-initio calculations and molecular-dynamics (MD) simulations. Simulations of hydrogen implantation and hydrogen/helium co-implantation in both implant orders were performed and the simulation results were compared to experimental data obtained from IR/Raman spectroscopy and TEM. The fraction of hydrogen in planar defects from our simulations is compared to the integrated density of the absorption in the band of the IR/Raman spectra assigned to hydrogen in internal surfaces. From the depth distribution of the planar defects in the simulation the cut-location can be estimated and can be compared to the experimentally obtained cut-location. The simulation results, which are in good agreement with experiments, show that our proposed model is a possible pathway for the formation of platelets. Further, it is demonstrated that the coupled BC and kMC simulations are a useful tool for modeling defect evolution during SOI wafer fabrication.