Diffusion des dopants dans les dispositifs de la microélectronique

Lacunes, auto-interstitiels et impuretés

   On distingue quatre types de défauts ponctuels [PIC04] dans les semi-conducteurs comme le silicium ou le germanium. Ces défauts ponctuels sont illustrés sur la figure I-5. La lacune notée V (Vacancy en anglais) correspond à un site du réseau vide, sans atome. La formation d’une lacune engendre quatre liaisons pendantes. Ces liaisons pendantes peuvent former de nouvelles liaisons avec les atomes voisins, entraînant des déplacements atomiques des proches voisins aussi appelés relaxation du cristal. Les lacunes peuvent se déplacer sur une longue distance avant de se recombiner avec un auto-interstitiel, ou d’être capturés par une impureté. L’auto-interstitiel noté I (self-interstitial en anglais) est un atome de silicium sur un site interstitiel du réseau cristallin du silicium. Les auto-interstitiels peuvent se déplacer sur une longue distance avant de se recombiner avec une lacune, ou d’être capturés par une impureté. Le défaut ponctuel, noté Ai , est une impureté en site interstitiel. Il s’agit d’un atome étranger (différent du silicium), qui occupe un site interstitiel du réseau du silicium. Le défaut ponctuel, noté As, est une impureté en site substitutionnel. Il s’agit d’un atome étranger, prenant la place d’un atome de silicium sur un site du réseau du silicium. Ces quatre défauts constituent les briques élémentaires à partir desquelles se construisent d’autres défauts ponctuels comme la bilacune, ainsi que des défauts étendus comme l’agrégat ou la boucle de dislocation. Ces défauts ont toujours revêtu une importance capitale d’un point de vue technologique et scientifique car leur concentration varie au cours des nombreux procédés de fabrication. La diffusion des dopants est intimement liée à la concentration de ces défauts ponctuels et à la formation de défauts étendus.

Mécanismes lacunaires

   La diffusion lacunaire pure (sans couplage) n’est possible que si l’impureté se présente en position de premier voisin d’une lacune. La diffusion s’effectue par échange de sites entre l’impureté et la lacune. Dans ce cas, cette lacune peut ensuite s’éloigner de l’atome d’impureté par échange avec les atomes de silicium voisins. Le processus doit alors se renouveler pour que l’impureté dopante effectue un saut supplémentaire. La diffusion des lacunes est dans le sens opposé à la diffusion des atomes. Ce mécanisme lacunaire pur est décrit par la figure I-6 (schémas 1 et 2). Il est par exemple responsable de la diffusion des espèces substitutionnelles dans les métaux. [SIMM60]. Le mécanisme est légèrement différent dans le silicium. La lacune reste liée à l’impureté (avec couplage) et c’est le complexe dopant-lacune qui diffuse en tant que tel dans le réseau cristallin du silicium [FAIR77]. La lacune diffuse dans la même direction que l’atome. En effet, après un premier échange de position, en raison de la forte énergie d’interaction existante entre la lacune et le dopant, la lacune peut se déplacer le long de l’hexagone pour revenir de l’autre côté du dopant et ainsi permettre un nouveau saut. Le flux de dopants, qui en résulte, se dirige dans la même direction que le flux de lacunes. Ce mécanisme nécessite la formation de paires dopant-lacune AV à travers la réaction notée VM (Vacancy Mechanism en anglais), équation I-20.

Influence de la précipitation limite des dopants

   L’un des objectifs pour augmenter les performances des transistors, est d’accélérer la vitesse de commutation de l’état passant à l’état bloqué. Pour cela, il faut réduire verticalement et horizontalement la taille des dispositifs. Pour autant, il ne faut pas réduire la quantité de charges ni dans la source, ni dans le drain, ni dans le canal sous peine de voir la résistance du système croître. On crée donc des charges dans la source, dans le drain et le canal en ajoutant des atomes dopants à la matrice de silicium. Les concentrations d’atomes dopants ont été plus que centuplées au cours de ces vingt dernières années. Au dessus d’une concentration correspondant à la solubilité limite, des phénomènes de précipitation surviennent. Les atomes dopants réagissent les uns avec les autres ainsi qu’avec le silicium formant des composés ou des agrégats. Une fois incorporés dans ces agrégats, les atomes dopants, n’étant plus en site substitutionnel sur le réseau du silicium, ne fournissent plus de charges. Ils ne sont plus actifs et ne se déplacent plus. Les doses d’implantation actuelles sont près de la précipitation limite des dopants classiquement utilisés. Malgré les nombreux tests pour trouver d’autres types d’atomes dopants, aucun élément ne permet pour le moment d’augmenter les concentrations de charges, à cause d’une limite de précipitation élevée. Des concentrations très élevées en atomes dopants entraînent, dans les technologies actuelles, une perte de la charge totale, une augmentation de la résistance et une diminution des performances potentielles des transistors. La précipitation limite est à la fois fonction du dopant et de la température (figure I-9).

Les spécificités du SIMS et du profil de concentration

  Le SIMS présente une très bonne sensibilité et convient extrêmement bien à la détection des contaminants et des dopants, d’où son utilisation dans notre étude. Sa limite de détection peut aller jusqu’à 1013 – 1016 at/cm3 selon les espèces et les conditions expérimentales, rendant possible la mesure de concentration de l’ordre du ppm-ppb. La résolution en profondeur peut atteindre, dans des conditions optimales, 2 à 3 nm. Cependant le SIMS est une technique destructive car, lors de l’analyse, on creuse un trou dans l’échantillon de plusieurs centaines de micromètres de côté. La concentration de l’élément à analyser est une moyenne du signal sur l’aire de ce trou. L’analyse SIMS d’un transistor faisant environ 100 nm, présente peu d’intérêt. Cette technique est utilisée pour des études sur pleine plaque. Bien que la résolution en masse accessible en SIMS soit excellente, elle nécessite un réglage très fin afin de pouvoir distinguer deux espèces ioniques différentes. Par exemple, l’ion phosphoreP- et l’ion SiH- ont des masses très voisines et nécessitent d’utiliser un mode haute résolution, avec un pouvoir de séparation plus élevé, pour être correctement distingués. A cause du bombardement ionique, le profil de concentration obtenu par SIMS n’est pas exactement le profil réel. La distorsion du profil initial peut avoir plusieurs origines : Lors de l’arrivée des ions primaires sur la surface, les atomes en surface sont éjectés mais d’autres atomes de l’échantillon sont poussés plus en profondeur, provoquant un « mélange » des couches atomiques et modifiant la composition de l’échantillon. C’est l’effet de mixage. La température de l’échantillon augmente à cause du bombardement ionique, pouvant provoquer la diffusion et la ségrégation des atomes composant l’échantillon. La rugosité de surface est amplifiée par l’abrasion ionique induisant une déformation du profil de concentration. Un profil SIMS enregistré, représentant la concentration en fonction de la profondeur, diffère du profil réel. Un profil SIMS, d’une couche uniformément dopé, peut être découpé en trois parties (figure II-2), une partie ascendante (1 sur la figure II-2), un plateau (2 sur la figure II-2) et une partie descendant aussi appelée la queue (3 sur la figure II-2).

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

REMERCIEMENTS
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : DIFFUSION DES DOPANTS DANS LE SILICIUM : ETAT DE L’ART
I.1 EQUATIONS DE DIFFUSION
I.1.1 Equations de Fick
I.1.2 Force de transport
I.1.3 Coefficient de diffusion dans un cristal
I.2 DEFAUTS PONCTUELS DANS LE SILICIUM
I.2.1 Lacunes, auto-interstitiels et impuretés
I.2.2 Paires défaut-impureté
I.2.3 Défauts non chargés
I.2.4 Défauts chargés
I.2.5 Réactions entre défauts ponctuels
I.3 MECANISMES DE DIFFUSION
I.3.1 Mécanismes lacunaires
I.3.2 Mécanismes interstitiels
I.3.3 Mécanisme dit de « Kick-out »
I.3.4 Fraction fI
I.4 AUTRES PHENOMENES INFLUENÇANT LA DIFFUSION
I.4.1 Influence de la précipitation limite des dopants
I.4.2 Défauts étendus
I.4.3 Effet à fort dopage
I.4.4 Effet de percolation
I.5 CONCLUSION
RÉFÉRENCES
CHAPITRE II : TECHNIQUES D’ANALYSE
II.1 APPROCHE UNIDIMENSIONNELLE : SIMS
II.1.1 Le principe de la technique SIMS
II.1.2 La quantification du profil SIMS
II.1.3 Les spécificités du SIMS et du profil de concentration
II.2 APPROCHE BIDIMENSSIONNELLE : REVELATIONS CHIMIQUES
II.2.1 Le principe des révélations chimiques
II.2.2 Les différentes solutions chimiques
II.2.3 La visualisation des implants après une révélation
II.3 APPROCHE BIDIMENSIONNELLE : MICROSCOPIE EN CHAMP PROCHE
II.3.1 AFM
II.3.2 SCM
II.3.3 SSRM
II.4 SIMULATEUR SENTAURUS PROCESS
II.4.1 Sentaurus Process
II.4.2 Le modèle de diffusion – Conditions initiales de diffusion
II.4.3 « Advanced Calibration » pour l’Arsenic et le Phosphore
II.4.4 Le modèle de diffusion à 5 espèces du simulateur
II.5 CONCLUSION
REFERENCES
CHAPITRE III : DIFFUSION 1D : CODIFFUSION ARSENIC – PHOSPHORE 
III.1 INTRODUCTION
III.2 PROCEDURE EXPERIMENTALE
III.2.1 Description des échantillons
III.2.2 Description des recuits
III.2.3 Mesure des concentrations par SIMS
III.3 RESULTATS
III.3.1 Résultats SIMS
III.4 DISCUSSION
III.4.1 Diffusion « individuelle » de l’arsenic
III.4.2 Diffusion « individuelle » du phosphore
III.4.3 Codiffusion arsenic-phosphore
III.4.4 Mécanismes de codiffusion
III.4.5 Pertinence des paramètres expérimentaux dans la simulation
III.5 CONCLUSION
RÉFÉRENCES
CHAPITRE IV : DIFFUSION 2D : ETUDES ELECTRIQUES ET REVELATION CHIMIQUE
IV.1 PROCEDURE EXPERIMENTALE
IV.1.1 Préparation d’échantillons
IV.1.2 Echantillon de référence
IV.2 CARACTERISATION ELECTRIQUE EN CHAMP PROCHE
IV.2.1 Caractérisation de l’échantillon de référence
IV.2.2 Etude des techniques en champ proche
IV.3 REVELATION CHIMIQUE ASSOCIEE A UNE TECHNIQUE DE VISUALISATION
IV.3.1 Caractérisation de l’échantillon de référence
IV.3.2 Etude de la révélation chimique associée à une technique de visualisation
IV.4 CONCLUSION
RÉFÉRENCES
CONCLUSION GENERALE

Rapport PFE, mémoire et thèse PDFTélécharger le rapport complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *