The semiconductor technology roadmap shows Si-based complementary metal-oxide semiconductor technology will reach absolute limits on its performance by around 2020. To enhance the performance of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors without changing the scaling trend, much attention has been paid to devices utilizing SiGe alloys due to high hole mobility. While B is commonly used as a p-type dopant, it easily segregates to the oxide in Si/SiO$_2$ interface during ion implantation followed by thermal annealing. On the other hand, there is a lack of studies for the segregation behavior of B dopants in SiGe/SiO$_2$ interface.
In this work, we generate the atomic model for SiGe/SiO$_2$ interface, in which $\alpha$-quartz SiO$_2$ is placed on the (100) surface of Si$_{0.75}$Ge$_{0.25}$. The SiGe alloy is generated by using the special quasi-random structure approach. We examine the stability of various B-related defects in the SiGe/SiO$_2$ interface. Similar to the results in Si/SiO$_2$ interface, an interstitial B in SiO$_2$ is more stable than a defect complex consisting of a substitutional B and Si self-interstitial in SiGe. However, in contrast to Si/SiO$_2$ interface, interface Ge atoms significantly enhance the stability of B-related defects in the interface region and thereby increase the migration barrier for B diffusion from SiGe to SiO$_2$. The calculated migration barrier is about 3.6 eV, which is much higher than the result for Si/SiO$_2$ interface, indicating that the B diffusion is suppressed in the presence of Ge at the interface.
제일 원리 계산을 통해 기존에 연구된 붕소 관련 결함 및 Si/SiO$_2$에서 붕소 확산 메카니즘을 바탕으로 Si-rich한 SiGe에서 SiO$_2$로의 붕소 확산 메카니즘을 연구하였다.
붕소는 SiGe/SiO$_2$의 계면 영역에서 확산시에 게르마늄 근처를 통과 할때 같은 supercell에서 규소 근처를 통과할때에 비해서 상당히 안정한 구조를 가지게 됨을 알 수 있었다. 이 결과의 원인은 계면 영역에서 붕소 주변의 에너지적으로 불안정한 붕소-게르마늄, 게르마늄-산소 등의 chemical bond가 붕소-산소 같은 더 안정한 chemical bond로 변화하는 것을 선호하기 때문에 계면 부근에서 붕소 주변의 국소 구조가 변해서 생기는 현상이다.
이러한 안정성 조사결과를 바탕으로 붕소 확산 경로 및 장벽에너지 계산을 하였다. 붕소 원자의 확산 경로와 배리어를 조사하기 위해 cl-NEB 와 dimer method를 이용했다. 붕소 원자의 확산 경로는 기존의 Si/SiO$_2$에서 조사한 확산 경로를 바탕으로 해서 붕소 원자가 게르마늄 원자 근처를 통과할때와 그렇지 않을때로 나누어서 조사하였다. 계산 결과 게르마늄 원자가 없을 경우에는 계면부근에서 SiO$_2$로 갈때 배리어 값은 2.0 eV가 나왔으며 이는 기존의 Si/SiO$_2$ 에서의 배리어 값(2.2 eV)과는 크게 다르지 않았다. 하지만 게르마늄 부근을 통과할 경우에는 안정성 결과에서 확인 된 것처럼 붕소가 계면 부근에서 trap되어서 SiO$_2$ 쪽으로 가기 어려운 배리어 값 (3.6 eV) 을 얻었다. 이 결과는 계면 부근의 게르마늄이 붕소 확산을 막는 역활을 할수 있음을 나타내고 SiGe/SiO$_2$ 계면이 Si/SiO$_2$ 계면에서 비해서 상대적으로 붕소 원자의 확산이 덜 일어나는 실험결과를 설명한다.
