THESE. Présentée devant L Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse. En vue de l obtention du grade de Docteur INSA

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1 N D ORDRE : 814 THESE Présentée devant L Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse En vue de l obtention du grade de Docteur INSA Spécialité : Matériaux pour l'electronique et Ingénierie des Plasmas Ecole Doctorale Génie Electrique, Electronique et Télécommunication de Toulouse Par Fabrice LALLEMENT Ingénieur de l Institut National Polytechnique de Grenoble ETUDE, DEVELOPPEMENT ET CARACTERISATION DE PROCEDES DE DOPAGE PAR PLASMA APPLIQUES AUX TECHNOLOGIES ELECTRONIQUES AVANCEES Soutenance : 16 décembre 2005 G. Vincent, Professeur, Université J. Fourier, CNRS/LTM, Grenoble D. Alquier, Professeur, Université de Tours, LMP, Tours (rapporteur) R. Gwilliam, Professeur, Université de Surrey, Techno. Surrey Ion Beam Centre (rapporteur) C. Cardinaud, chargé de recherche, Université de Nantes, CNRS/IMN, LPCM, Nantes A. Grouillet, Ingénieur, France Télécom, Meylan D. Lenoble, Ingénieur-Docteur, ST Microelectronics, Crolles J.C. Portal, Professeur, IUF-INSA, Toulouse et CNRS/LCMI, Grenoble

2 REMERCIEMENTS Tout d abord, je tiens à remercier tous les membres de l équipe PLAD avec lesquels j ai passé ces trois années particulièrement enrichissantes. Ces collègues de travail sont très vite devenus des amis, ce qui m a permis d évoluer dans une ambiance de travail vraiment agréable tout au long du projet. Merci à vous! En premier Damien Lenoble qui a su tout au long de cette thèse me coacher et m éclairer sur des sujets tels que l implantation ionique, la diffusion du bore ou pire encore, la physique des semiconducteurs En plus d avoir était un directeur de thèse disponible, il fait partie de ces rares personnes qui savent concilier la rigueur dans le travail et la rigolade. Bonne chance pour tes nouveaux challenges du côté du Plat Pays. Ensuite comment ne pas évoquer l un des pères du projet à savoir André Grouillet, le sage de l équipe, celui qui a su mener la barque contre toutes les intempéries, arrondir les angles pendant de longs mois et sans lequel ma thèse n aurait pu durer que cinq mois C était l aîné du groupe mais seulement sur le papier, jamais le dernier à se lâcher, lui aussi m a montré les vertus de l humour et de la gentillesse dans le travail. J espère qu à la fin de ma carrière professionnelle, je serai aussi enthousiaste et ouvert d esprit que notre DD Merci à Jean-Claude Portal, mon directeur de thèse universitaire, pour ses conseils et plus particulièrement lors de la rédaction du manuscrit. Magic Stéphane Courault, toujours disponible pour écourter les «rares» arrêts au stand de notre PLAD. C est surtout grâce à lui que l arsine, phosphine ou autre trifluorure de bore n ont pas eu raison de moi. Merci encore à toi, à tes coups de gueule et à tes détecteurs. Comme ne pas parler de Jean-Philippe Reynard, toujours souriant, jamais désespéré (si, si ) même dans les pires moments : des visioconférences avec des indiens s exprimant en anglais par exemple! Ma successeuse et future docteur Hélène Bourdon avec laquelle j ai aussi bien partagé l exclusivité de mes très «nombreux» résultats que mes «rares» moments de découragement. Sans omettre le dernier arrivant de cette Dream Team, Benjamin Oudet, qui a su s intégrer et nous supporter dans la phase la plus difficile du projet, à savoir la fin. Bien entendu, un grand merci à l équipe de Varian. Tout d abord, Ludovic, mon homologue des US, avec lequel j ai partagé ces trois années et qui a toujours été disponible pour discuter plasma, jonctions voire même m emmener à St Exupéry au milieu de la nuit encore merci. Yannick Rault, l artiste du projet avec lequel j ai passé de nombreuses heures en salle blanche à parler 6 cordes pendant que les ions rugissaient au sein du PLAD. Si la fontaine de jouvence existe, il est tombé dedans à coup sûr, ne change rien! Horst Lendzian, celui qui en plus de combiner un QI largement au dessus de la moyenne et un physique hors norme, m a beaucoup appris sur la gente féminine : «My name is Jenny and this is my phone number» chapeau! Enfin Thierry Josselin responsable de la troupe qui a lui aussi su allier compétences et gentillesse. Sinon merci aux personnes du groupe FEOL R&D avec lesquelles j ai passé de bons moments (weekly oblige) et en particulier Didier Dutartre pour m avoir accueilli au sein de son équipe et avoir défendu le projet. De même je tiens à remercier Alain Fleury qui m a permis une intégration rapide et réussie au sein de l entité R&D de Crolles I et qui a su valider mes missions, même les plus exotiques (Aloha!!!). Merci aux membres du jury pour avoir pris le temps de lire ce modeste écrit et pour leurs conseils. Ils ont fait de ma soutenance un moment à la fois enrichissant et plaisant. Comment ne pas saluer tous mes compagnons de galère, tous ces thésards disséminés dans l empire de Crolles voire même au LETI, dont certains étaient déjà ou sont devenus des amis. Je ne me risquerai pas à faire une liste qui conduirait obligatoirement à des oublis. Bonne continuation à toutes et tous pour vos futurs projets. A tous mes «vieux» potes du pays, avec lesquels j ai refait le monde tous les soirs de la semaine, à mes «nouveaux» potes Isérois : zicos, sportifs, fêtards Merci à tous ceux qui essayent de faire bouger les choses. Un grand merci à mes parents qui m ont encouragé durant toutes ces années d études et sans lesquels j aurai largement décroché avant ce doctorat! Et bien entendu au frangin qui m a permis d écouter de la basse et du punk rock pendant les révisions. Sur le coup c était plutôt difficile mais avec le recul c est ce qui a dû faire la différence Mon amie Géraldine qui a été auprès de moi tout au long de ce périple et qui a du supporter ces trois années de thèse plus que quiconque (peut être même plus que moi) et je ne parlerai pas de la rédaction Qui a dit que la thèse pouvait conduire au célibat? Merci d avoir démenti! Merci à toute ma famille éparpillée en Moselle et dans la région Lyonnaise, ils m ont accompagné du berceau à la soutenance. Je vous embrasse. Enfin j aimerais dédier cette thèse à mon grand-père qui nous a quittés trop rapidement. 2

3 TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS... 2 TABLE DES MATIERES... 3 AVANT-PROPOS... 9 CHAPITRE I : INTRODUCTION ET PROBLÉMATIQUE I.1 LE PROCÉDÉ D IMPLANTATION I.1.1 Les applications traditionnelles en microélectronique I.1.2 Solution envisagée : le dopage par plasma I.1.3 Le MOS et les challenges liés à l implantation I Le MOS analogique I A Le principe de fonctionnement...14 I B Le régime de faible inversion...15 I C Le régime de forte inversion...15 I D L effet canal court (SCE) et l effet drain (DIBL)...16 I E L optimisation des performances d un transistor...17 I E.a La réduction des effets canaux courts...17 I E.b Diminution des résistances séries...17 I Le MOS pour les applications imageurs I A Mode de fonctionnement...19 I B Le courant d obscurité...20 I.1.4 L implantation ionique standard I L équipement I Le cas des implantations basse énergie I L implantation moléculaire I Le mode décélération I.1.5 Le dopage par plasma I Le claquage d un gaz I Stabilisation du plasma I Les courbes courant / tension I La gaine ionique I Les spécificités d une implantation PLAD

4 I.1.6 Les intéractions ions matière I L implantation ionique I La génération de défauts I La canalisation I.2 LES JONCTIONS ULTRA FINES I.2.1 Notions de diffusion dans le silicium I La loi de Fick I Les différents mécanismes de diffusion I A Mécanisme lacunaire...36 I B Mécanisme interstitiel...37 I C Mécanisme mixte...38 I.2.2 Les dopants usuels I Les dopants de type N I A Le cas de l arsenic...40 I A.a La diffusion et l activation...40 I A.b Lexodiffusion...43 I Les dopants de type P I A La diffusion anormale du bore...44 I A.a Origine et évolution de la sursaturation...44 I A.b Evolution des défauts ponctuels...45 i La recombinaison...46 ii Les agglomérats dinterstitiels...47 iii Les agglomérats bore-interstitiels...49 I A.c La coimplantation de fluor...50 I.2.3 Le recuit d activation I Les différentes familles d équipements I A Le recuit rapide standard (RTP)...52 I B Le recuit Flash...53 I C Le recuit laser...54 I D récapitulatif...55 I L épitaxie en phase solide I Conclusion I.2.4 Les méthodes de caractérisation I La mesure de la résistance de couche I L analyse par Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires I La mesure thermawave (onde thermique) I.3 CONCLUSION

5 CHAPITRE II : LE PROCEDE USJ II.1 LES JONCTIONS P+/N II.1.1 Les conditions et les résultats expérimentaux II.1.2 Les modèles issus du plan d expérience II.1.3 Exploitation des modèles et interprétations II Mise en évidence de la perte de dose II L activation du bore II A La résistance de couche et la solubilité limite du bore...67 II B Détermination graphique de la solubilité du bore...69 II Comparaison ULE et PLAD II A Cas de l ULE : le régime de «pseudo SPE»...71 II B Cas du PLAD...75 II Les modélisations du procédé PLAD II A Résultats et interprétation...77 II B Optimisation à haute température (1080 C)...79 II.1.4 La TED du bore II Mise en évidence de la TED II A La notion de temps efficace de recuit...81 II B Etude de la diffusion du bore après un procédé PLAD...82 II Les marqueurs de bore II A Introduction et conditions expérimentales...83 II B Influence du fluor coimplanté...85 II B.a Profils de surface...85 II B.b Marqueurs de bore...87 II C Comparaison avec une implantation PLAD...90 II.1.5 Le recuit Flash II.2 LES JONCTIONS N+/P II.2.1 recuit spike standard II.2.2 Recuit spike avancé II.2.3 L influence de l oxygène II.2.4 Comparaison PLAD / ULE II.3 CONCLUSION

6 CHAPITRE III : PRESENTATION ET INDUSTRIALISATION DE L EQUIPEMENT PLAD III.1 PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L ÉQUIPEMENT III.2 CONFIGURATION DE LA CHAMBRE DE PROCÉDÉ III.3 LA MESURE DU COURANT ET DE LA DOSE III.3.1 Le courant cathodique III.3.2 La dosimétrie III.4 LES MODIFICATIONS DE L ÉQUIPEMENT III.4.1 Stabilité du plasma III Le plateau III L anode et l anneau extérieur III.4.2 Stabilité du procédé III L alimentation électrique III La régulation de pression III.5 EXEMPLES DE DÉVELOPPEMENT DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS III.5.1 Le procédé imageur : basse tension, faible dose III Optimisation des conditions d implantation III Résultats de l optimisation III.5.2 Le procédé 1kV III Influence et interactions des paramètres expérimentaux III Résultats de l optimisation III.6 CONCLUSION

7 CHAPITRE IV : LES RÉALISATIONS TECHNOLOGIQUES ET LES APPLICATIONS AVANCÉES IV.1 INTÉGRATIONS DE JONCTIONS FINES IMPLANTÉES PAR PLAD DANS UNE FILIÈRE CMOS AVANCÉE IV.1.1 Présentation IV.1.2 Conditions Expérimentales IV.1.3 Les Résultats IV Les performances des dispositifs IV Intégrité de l oxyde de grille IV.1.4 Conclusion IV.2 LE PROCÉDÉ IMAGEUR IV.2.1 Caractérisation de la jonction IV.2.2 Les pertes de dose IV Lors du procédé d implantation IV Lors du retrait résine IV.2.3 Résultats électriques et conclusion IV.3 LE DOPAGE CONFORME IV.3.1 Introduction, application visée : les transistors non-planaires IV.3.2 Intérêt du dopage conforme IV.3.3 Le Procédé PLAD IV.3.4 Caractérisation des implantations PLAD IV.3.5 Résultats électriques sur dispositifs MugFET IV.4 MODIFICATION DE LA CINÉTIQUE DE CROISSANCE D OXYDE IV.4.1 Intérêt et état de l art IV.4.2 Les méthodes de caractérisation utilisées IV.4.3 L implantation de xénon IV.4.4 Comparaison des implantations xénon et argon IV.4.5 Implantations à forte tension, forte dose IV.5 CONCLUSION

8 CHAPITRE V : CONCLUSION GÉNÉRALE ANNEXES BIBLIOGRAPHIE

9 AVANT-PROPOS La microélectronique, en intégrant davantage de transistors et donc de fonctions sur une même puce, permet à un large public d accéder à des services plus performants, moins chers et nouveaux : le téléphone portable, la télévision numérique, les baladeurs Cette miniaturisation toujours plus poussée est en route depuis plus de trente ans et se poursuit selon un rythme régulier traduit par la loi de Moore : complexité des circuits intégrés, c'est-à-dire nombre de transistors multiplié par deux tous les ans environ. Cette course vers l infiniment petit ne consiste pas uniquement à réduire les dimensions géométrique de la grille du transistor MOS, il faut dans le même temps diminuer l épaisseur d oxyde de grille, la profondeur des extensions source drain et faire évoluer de façon optimale les autres paramètres tels que le profil de dopage, la tension de seuil A des échelles aussi petites, des effets physiques parasites, autrefois sans importance, se trouvent grandement amplifiés. Toute la problématique consiste à trouver des solutions afin de compenser ou de minimiser ces effets tout en continuant de produire des composants plus petits, plus rapides et moins coûteux. Ces travaux de thèse ont pour principal objectif d étudier et de proposer des solutions industrielles pour la fabrication des jonctions ultra-fines de transistors avancés par dopage par plasma. En effet, à l heure de la technologie CMOS 65nm, le procédé d implantation ionique standard usuellement utilisé n est plus en mesure de réaliser les jonctions requises pour les futures générations de transistors. Les jonctions sont réalisées par l implantation d atomes dopants dans le silicium qui sont ensuite activés à l aide d un recuit haute température. Jusqu à présent la problématique des jonctions ultrafines était focalisée sur les jonctions de P + /N. En effet, le bore, dopant de type P, présente un comportement complexe lors du recuit d activation se traduisant par une diffusion accélérée et transitoire. Depuis plusieurs dizaines d années, de nombreux travaux sont consacrés à la compréhension de ce phénomène. Néanmoins avec la réduction drastique de la dimension des transistors, la fabrication des jonctions N + /P n est plus aussi triviale qu auparavant. L objectif du premier chapitre sera de décrire précisément la problématique du sujet liée à la fois à la technique d implantation ionique standard et aux besoins technologiques des dispositifs avancés. Dans un premier temps, les dispositifs testés lors de nos travaux seront présentés à savoir le transistor MOS digital et le transistor MOS pour applications imageurs afin de dégager les besoins technologiques et les effets parasites inhérents à chacun. Ensuite l état de l art concernant l implantation ionique sera dressé, ce qui nous permettra de mettre en exergue les limites de cette technique, en particulier pour des procédés à basse énergie. Une solution potentielle sera alors proposée et détaillée : le dopage par plasma. Cette technique permet de doper le silicium sur de très faibles profondeurs en s affranchissant des problèmes liés au transport des ions. Puis nous nous intéresserons à la diffusion des dopants lors du recuit d activation, nous détaillerons en particulier les mécanismes liés la diffusion anormale du bore. Enfin nous décrirons les principes physiques et les protocoles d analyse des techniques de caractérisation utilisées pour nos travaux. 9

10 Dans le second chapitre, nous présenterons l ensemble de nos travaux d optimisation et de compréhension dédiés à la fabrication de jonctions ultrafines P + /N et N + /P pour la technologie CMOS 65nm. Une comparaison détaillée des procédés d implantation ionique standard et de dopage par plasma a ainsi pu être menée. Les conditions d implantation et de recuit d activation les plus appropriées pour une telle plateforme technologique ont pu être extraites. Nous avons ensuite utilisé des marqueurs de bore enterrés pour étudier la diffusion anormale du bore et identifier les spécificités des jonctions élaborées avec cette nouvelle technique d implantation. Finalement ce chapitre démontre pour la première fois à notre connaissance la possibilité de fabriquer des jonctions N + /P répondant aux spécifications technologiques grâce au procédé de dopage par plasma. Après avoir mis en évidence le potentiel technique du dopage par plasma, nous nous intéresserons à la mise en production d un tel procédé. Nous présenterons donc en détail l équipement P 2 LAD (Pulsed PLAsma Doping) développé par la société VSEA spécialiste dans la fabrication d implanteurs et sur lequel nous avons effectué nos travaux. Tout au long de ces trois années, l équipement a été modifié pour répondre aux exigences de la production en terme de fiabilité. L ensemble des améliorations apportées seront donc présentées et évaluées par l intermédiaire de suivis statistiques. Enfin les procédés développés sur l équipement PLAD seront intégrés sur des plateformes industrielles et comparés aux procédés déjà existants en implantation ionique afin d évaluer l intérêt éventuel du dopage par plasma sur les performances de transistors avancés. Un procédé de dopage conforme a également été mis au point sur ce même équipement. Pour la première fois un tel procédé sera testé sur des transistors non-planaires de type Finfet. Enfin nous mettrons en évidence la possibilité de modifier la cinétique de croissance d oxyde thermique par implantation PLAD d atomes inertes avant le recuit d oxydation. 10

11 CHAPITRE I : INTRODUCTION ET PROBLEMATIQUE Le dopage des semiconducteurs constitue une étape clef dans la fabrication des composants de la microélectronique. Ce procédé va permettre de conférer à un substrat (le plus souvent du silicium) pur dit intrinsèque des propriétés semiconductrices. Il consiste en l introduction d une faible concentration d atomes de la colonne III (impureté de type P) ou de la colonne V (impuretés de type N) dans le réseau cristallin du silicium. Historiquement la première méthode de dopage fut la diffusion thermique de dopants à partir de sources solides (couches dopées d oxyde) ou gazeuses. Or l interdépendance de la dose de dopant incorporée avec la profondeur de la jonction formée, ainsi que le contrôle très difficile du profil de dopant a rapidement constitué un inconvénient rédhibitoire pour cette technique. C est en 1954 que Schockley décrit pour la première fois une nouvelle méthode pour introduire des atomes étrangers dans un substrat, à savoir l implantation ionique. Depuis les années 70 et jusqu à nos jours, l implantation ionique s impose comme la technique privilégiée pour modifier localement la conductivité des semi-conducteurs. Néanmoins avec la réduction drastique des dimensions des architectures, les énergies d implantation requises ne cessent de diminuer et l implantation ionique conventionnelle commence à montrer ses limites. C est pour pallier ces problèmes que la technique de dopage par plasma est utilisée depuis une dizaine d années. Initialement conçu pour modifier les propriétés mécaniques de surface des métaux (début des années 80), le dopage par plasma a été adapté à cette nouvelle application et constitue actuellement un concurrent privilégié de l implantation ionique pour les procédés à basse énergie et nécessitant de fortes doses de dopant. Depuis 1998, une collaboration étroite entre Varian SEA (fabricant d implanteurs pour l industrie du semiconducteur) et France Telecom R&D puis ST Microelectronics a permis de démontrer l intérêt d un tel équipement. Débutés sur un réacteur prototype, les travaux ont permis de développer une machine appelée PLAD (PLAsma Doping) dont l industrialisation est aujourd hui en phase de démonstration. 11

12 I.1 LE PROCEDE D IMPLANTATION I.1.1 Les applications traditionnelles en microélectronique Plus de 250 étapes dont une trentaine de dopage sont actuellement nécessaires à la réalisation des transistors MOS. Malgré la mise sur le marché de procédés de dépôt en phase vapeur (CVD) pour la réalisation de couches dopées, la précision et la fiabilité de l implantation ionique demeurent inégalées. En effet, ce procédé basse température (inférieure à 85 C sur la plaque pendant l implantation) est compatible avec l utilisation de résine photosensible comme masque, ce qui permet d introduire le dopant localement sur les zones souhaitées. Le dopage par implantation ionique ou par plasma nécessite un recuit d activation pour réparer les défauts ponctuels engendrés par l implantation ionique et ainsi restaurer le caractère cristallin du substrat. De plus, ce recuit permet d activer les dopants en les positionnant en sites substitutionnels dans le silicium, là où ils sont électriquement actifs. Il est néanmoins très difficile d obtenir des doses supérieures à atomes/cm 2 (une vingtaine de couches atomiques) avec des temps de procédé raisonnable (limitation du courant d implantation). La microélectronique constitue donc la principale application de l implantation ionique, car seule la conductivité des semiconducteurs est sensible à l introduction d aussi faible quantité de dopant. Néanmoins la modification superficielle de la composition des aciers, des polymères et des céramiques est aussi réalisée pour des applications particulières (modification de propriétés mécaniques, traitement de surface ). L énergie des ions implantés peut varier entre quelques centaines d électronvolts (ev) et plusieurs mégaélectronvolts. On distingue ainsi trois grandes familles d implanteurs ioniques selon les courants et les énergies d implantation utilisables. Les implanteurs «fort courant» vont permettre d atteindre des courants supérieurs à 25mA et sont utilisés pour les applications nécessitant de fortes doses de dopant avec de faibles énergies d implantation (entre 200eV et 200keV). Toutefois les problèmes de divergence de faisceau (effet de charge d espace) à très basse énergie constituent un obstacle à leur utilisation pour les prochaines générations de transistors. Les courants d implantation des implanteurs «moyen courant» varient entre 1mA et 5mA pour des énergies entre 5 et 200keV voire 400 ou 600keV par l utilisation d espèces doublement ou triplement chargées. Enfin les implanteurs «forte énergie» permettent d atteindre des énergies d implantation de 4MeV grâce à l utilisation de colonnes accélératrices tout en étant capable de se substituer aux implanteurs «moyen courant» pour certains procédés nécessitant des énergies supérieures ou égales à 10keV. Les courants d implantation sont ici de l ordre du microampère. 12

13 1.E+17 1.E+16 PLAD GRILLE DOPAGE PAR PLASMA IMPLANTEURS FORT COURANT dose (atomes/cm 2 ) 1.E+15 1.E+14 1.E+13 SDE SD POCHE CANAL IMPLANTEURS MOYEN COURANT IMPLANTEURS FORT COURANT CAISSON 1.E+12 1.E énergie (kev) ou tension (kv) Figure I.1 : représentation des différentes implantations réalisées en implantation ionique standard et en dopage par plasma pour la réalisation d un transistor MOS (SDE : extensions source/drain, SD : source/ drain) Figure I.2 : schéma de la localisation des principales zones implantées sur un transistor MOS La figure I.1 permet de visualiser les domaines d application respectifs des équipements d implantation ionique standard et du dopage par plasma en fonction de la dose et de l énergie (ou de la tension d accélération dans le cas du PLAD) pour un transistor CMOS. La figure I.2 est une représentation schématique simplifiée d un transistor MOS et des différentes zones implantées. Le dopage par plasma constitue une alternative potentielle aux implanteurs fort courant en particulier pour les implantations des extensions source/drain, des sources drains profonds et de la grille. Ces procédés nécessitent des doses élevées et des profondeurs d implantation faibles. I.1.2 Solution envisagée : le dopage par plasma Même si les équipements actuels permettent un contrôle suffisant des paramètres d implantation, le challenge de ces prochaines années concerne le dopage à faible énergie. En effet, avec la diminution régulière des dimensions des transistors, les implantations fines (source/drain et jonctions) nécessitent des énergies très faibles. Or la stabilité du faisceau devient plus difficile et induit une chute du courant d implantation (effets de charge d espace) qui n est pas compatible avec les rendements de production actuelle. Pour pallier ce phénomène, plusieurs solutions ont été mises sur le marché. Tout d abord, les implanteurs ultra basse énergie (Ultra Low Energie : ULE) dont le fonctionnement est décrit dans la partie I peuvent être utilisés en mode décélération pour accroître la productivité à basse énergie. Ces implanteurs permettent d étendre le domaine d application des implanteurs fort courant. Toutefois une rupture technologique plus importante semble nécessaire pour répondre aux futurs besoins. Le dopage par plasma introduit depuis quelques années pourrait bien relever ce défi. Le principal avantage de cette technique réside dans sa capacité à implanter de très fortes doses à basse énergie avec des temps d implantation raisonnables. La plaque à implanter est directement immergée au sein d un plasma du gaz précurseur et polarisée négativement de telle sorte que les ions positifs du plasma vont être accélérés jusqu à celle-ci et implantés. Ainsi cette technique permet de s affranchir des problèmes de transport d ions à faible énergie rencontrés avec les implanteurs ULE. Cependant tous les ions du plasma sont susceptibles d être implantés lors de la 13

14 polarisation de la plaque et ceci même à des tensions très peu élevées. Le dopage par plasma est une implantation multi-espèce et multi-énergétique (voir chapitre I.1.5.5). C est pourquoi, nous ne parlons pas en terme d énergie d implantation mais en terme de tension d accélération pour ce procédé. Typiquement les tensions appliquées peuvent être inférieures à la centaine de volts et n excèdent pas la dizaine de kilovolts. C est pour toutes ces raisons que le dopage par plasma est principalement étudié pour la fabrication des jonctions fines, en effet cette étape requiert un profil d implantation très peu profond et une dose de dopant élevée. Ensuite, une dispersion significative de l angle d incidence des ions implantés peut être obtenue par un choix judicieux des paramètres de la recette (pression, utilisation d un gaz de dilution). Ce phénomène est principalement dû à la gaine de type collisionnelle du plasma et peut se révéler particulièrement attractif pour les applications de dopage conforme (tranchées, plots ). Enfin, des doses avoisinant atomes/cm 2 sont réalisables avec le dopage par plasma, ce qui ouvre de nouvelles applications jusqu alors très difficiles par implantation standard dans le domaine de la microélectronique : modification de la composition locale du substrat (formation de nitrure ou nitruration de la grille par implantation d azote ), traitements de surface par implantation de gaz inertes Ce travail est donc dans un premier temps consacré à l intégration du dopage par plasma pour un procédé clairement identifié, à savoir la fabrication des jonctions fines, en vue d améliorer les performances des équipements actuels et de fournir ainsi une solution viable pour les futures générations de transistors. Puis, des travaux complémentaires étudieront le potentiel de cette technique pour des applications avancées comme le dopage conforme ou la modification de la croissance d oxyde. I.1.3 Le MOS et les challenges liés à l implantation Le présent chapitre a pour but de fournir au lecteur, les bases théoriques nécessaires à la compréhension des travaux effectués sur les transistors MOS. Les implantations de dopage par plasma ont été réalisées sur des transistors MOS de type digital et sur des transistors dédiés aux applications imageurs. I Le MOS analogique I A Le principe de fonctionnement Le principe du transistor MOS (ou MOSFET) repose sur la modulation d une densité de porteurs d une zone semi-conductrice par un champ électrique. Ce champ électrique est appliqué par l électrode de commande appelée grille à travers un isolant (diélectrique de grille). Les porteurs créés sont des charges mobiles : électrons dans le cas d un transistor NMOS, trous dans le cas d un transistor PMOS. Lorsque la tension appliquée sur la grille est supérieure à une tension appelée tension de seuil (V th ), ces charges mobiles constituent un canal de conduction entre la source et le drain. Pour un NMOS (cf. figure I.3), une tension positive est appliquée entre la grille et le substrat, le champ électrique généré va attirer les électrons et repousser les trous à la surface du substrat P créant ainsi, si V GS >V th, un canal superficiel de type N. Ainsi lorsqu une différence de potentiel, V DS, est appliquée entre la source et le drain, les porteurs affluant de la source vont pouvoir être collectés par le drain : le transistor est dit passant (régime de forte inversion). Lorsque la tension de grille n est pas suffisante 14

15 pour créer la couche d inversion, le transistor est en régime de faible inversion. Ainsi de façon macroscopique, le transistor MOS se comporte comme un dispositif régulant un courant entre deux électrodes par une commande en tension. Figure I.3 : représentation schématique d un transitor MOS de type N I B Le régime de faible inversion Dans le cas du régime de faible inversion, la concentration de porteurs minoritaires est faible voire quasi nulle. Idéalement le courant de drain I DS est nul même si une tension est appliquée entre la source et le drain (V DS 0). Toutefois un courant de fuite noté I off est inéluctable : Vth ln10 Ioff I T exp( ) [SKO96] Équation I.1 S I T : courant à la tension de seuil S : la pente sous le seuil en mv/dec S correspond à l augmentation nécessaire de la tension V GS pour accroître le courant d une décade. Cette grandeur permet d évaluer la capacité de commutation du transistor à passer d un régime de faible inversion à un régime de forte inversion. S doit être la plus faible possible afin d assurer un courant de fuite minimal à une tension de seuil V th fixée. I C Le régime de forte inversion Lorsque V GS > V th, la concentration de charges mobiles en surface devient très forte. On peut alors distinguer 2 cas, selon la polarisation V DS. Au même titre que V GS, V DS va moduler la résistivité du canal en modulant l'effet de champ de la grille en chaque point du canal de conduction. V DS <V GS -V th, l'effet de champ est quasiment uniforme, le canal se comporte alors comme une résistance indépendante de V DS. Le transistor fonctionne en régime linéaire. 15

16 V DS >V GS -V th, le canal est pincé et le courant I DS n'augmente plus avec V DS. Le transistor est en régime de saturation. La valeur du courant de saturation I on est alors donnée par l'expression suivante : 1 W 2 Ion Cox VGS Vth Équation I.2 2 L C ox : capacité de l oxyde grille : mobilité des électrons (NMOS) ou des trous (PMOS) dans le canal W : largeur physique de la grille L : longueur physique de la grille V GS et V th étant fixés pour chaque technologie, l'augmentation du courant I on se fera préférentiellement en jouant sur la mobilité des porteurs (canal SiGe par exemple), en augmentant C ox (i.e. en réduisant l épaisseur d oxyde t ox ) et en diminuant la longueur électrique L du canal, et ce pour une largeur de transistor W donnée. Pour conclure, les performances électriques d'un transistor sont données, à tension d'alimentation fixée, par le courant de fuite I off et le courant de saturation I on. L'optimisation d'un dispositif consiste au premier ordre à réduire I off à un niveau acceptable et, dans le même temps, à augmenter I on au maximum. Néanmoins la prise en compte des effets parasites que nous allons expliciter dans le chapitre suivant demeure nécessaire pour assurer le bon fonctionnement du transistor. I D Leffet canal court (SCE) et l effet drain (DIBL) Dans le cas d un transistor long, la charge de déplétion dans le canal est majoritairement contrôlée par la grille, le reste étant assuré par les jonctions sourcesubstrat et drain-substrat. Lorsque la dimension de la grille diminue, l influence de la zone de charge d espace des jonctions augmente : c est l effet géométrique SCE (Short Channel Effect). L augmentation de la polarisation du drain V DS entraîne l extension de la zone de charge d espace ce qui contribue aussi à faire chuter la tension de seuil : c est l effet électrique DIBL (Drain Induced Barrier Lowering). V th V th à V DS faible (<100mV) SCE DIBL V th à V DS =V ALIM L [log] Figure I.4 : évolution de V th avec L, en fonction de la tension appliquée sur le drain Avec la diminution de longueur de la grille L, ces deux effets deviennent particulièrement critiques pour les performances des transistors. La conséquence est l abaissement de la tension de seuil avec la diminution de longueur de la grille (cf. figure I.4), d où une détérioration du contrôle de la densité de charges mobiles dans le 16

17 canal par la grille. Les effets canaux courts SCE et DIBL constituent une limitation importante pour la miniaturisation des technologies, car ils engendrent, via une réduction de V th, une augmentation incontrôlée du I off. I E Loptimisation des performances dun transistor I E.a La réduction des effets canaux courts Le contrôle des effets canaux courts passe par une maximisation de la longueur effective L eff sous le canal, c'est-à-dire la longueur métallurgique de jonction à jonction (cf. figure I.5). Or cette longueur tient compte de l étalement sous la grille noté L qui est dû à la fois à l étalement latéral de l implantation et à la diffusion des dopants lors du recuit d activation. Un compromis est pourtant nécessaire pour L, car même si un étalement sous la grille trop important (diminution de L eff ) est rédhibitoire, il est nécessaire d assurer le contact entre les extensions source/drain et le canal. Des calculs ont permis de mettre en évidence une dépendance entre la profondeur de jonction X j et L du type : L = X j (avec un scalaire contenu entre 0,5 et 1 dépendant de l atome dopant) dans le cas d une implantation avec un angle de tilt égale à 0 [LEN00]. Il apparaît donc que le contrôle des effets canaux courts (SCE et DIBL) nécessite une diminution de la profondeur des jonctions après recuit tout en garantissant une diffusion suffisante des dopants sous la grille. X j L Figure I.5 : représentation schématique de la longueur effective du canal L eff et de l étalement sous la grille L L eff I E.b Diminution des résistances séries La minimisation des résistances série R série du transistor devient particulièrement importante pour accroître les performances des dispositifs. En effet, le courant circulant de la source vers le drain va être directement impacté par ces résistances parasites (cf. figure I.6). L augmentation du courant I on en régime de saturation passe donc par une diminution de R série. Cette grandeur est la somme de la résistance de contact R contact, de la résistance source/drain R S/D et de la résistance des extensions source/drain R extension. Les valeurs de résistance sont données par unité de largeur de transistor en m. R série = R contact + R S/D + R extension Équation I.3 17

18 La résistance de contact R contact est due au contact du siliciure avec les jonctions source/drain, elle dépend de l interface silicium/siliciure et du dopage surfacique (valeur autour de 10 m). Les résistances des jonctions R S/D et R extension sont appelées les résistances de couche R couche. Vu que la zone source/drain est beaucoup moins résistive (dose implantée plus élevée) que celle des extensions, on peut négliger la composante R S/D devant R extension. R couche = R S/D + R extension R extension Équation I.4 car R S/D <<< R extension R extension = R j L ext Équation I.5 R j : résistance de couche de l extension en / L ext : longueur totale de l extension Dans le cas de jonctions uniformes et très abruptes, R j s écrit : R j 1 qn X j j [ m] Équation I.6 N j : dopage actif X j : profondeur de l extension Ainsi, la diminution des résistances série du transistor implique soit une diminution de la longueur de l extension L ext, soit la réduction de la résistance de couche des extensions source/drain. Or comme L est déjà minimal pour assurer un contrôle convenable des effets canaux courts, L ext est fixé, seule une augmentation du dopage actif N j des extensions est envisageable. Grille contact espaceur oxyde Rcontact Xj_ext Xj_S/D RS/D Rextension Figure I.6 : représentation des composantes de la résistance série Les jonctions ainsi fabriquées doivent être à la fois fines pour éviter la génération d effets parasites (effets canaux courts) et suffisamment dopées (forte 18

19 dose) pour diminuer les résistances séries du transistor afin de garantir une valeur satisfaisante de I on. I Le MOS pour les applications imageurs Avec l explosion de la photographie numérique et de la téléphonie mobile, les capteurs d image de type CMOS constituent une solution simple et peu coûteuse pour ces applications grand public. Le dopage par plasma a été testé dans de tels dispositifs afin de remédier à un courant parasite généré aux abords de la zone photosensible du capteur et appelé courant d obscurité. Le mode de fonctionnement du capteur ainsi que les causes du courant d obscurité sont présentés dans le paragraphe suivant. I A Mode de fonctionnement Les capteurs d image CMOS sont constitués d une matrice dont les pixels sont adressables en ligne et en colonne grâce à des décodeurs d accès et à des interrupteurs, pour lesquelles le signal est véhiculé sur des bus verticaux. Les imageurs CMOS également appelés «capteurs d image à pixel actif» intègrent au sein de chaque pixel une zone photosensible appelée photodiode et plusieurs transistors capables à la fois d intégrer et d amplifier le signal lumineux avant de le transmettre dans les colonnes. La conversion charge-tension est donc aussi effectuée au sein même du pixel et l acheminement du signal s effectue sous forme de tensions comme décrit sur la figure I.7. Figure I.7 : pendant une période T ligne, le multiplexeur de sortie balaye successivement les tensions délivrées par les amplificateurs de colonne de la fenêtre de lecture choisie. A la fin du balayage des colonnes, le décodeur de lignes active la ligne suivante La zone photosensible des pixels est appelée photodiode. Cette zone est implantée de telle sorte qu elle soit appauvrie en porteurs libres (zone de déplétion obtenue par une jonction P/N polarisée en inverse) (cf. figure I.8). Ainsi l énergie résultant de la lumière incidente va permettre le passage d un électron dans sa bande de conduction. La paire électron-trou ainsi générée est alors séparée par le champ électrostatique interne de la jonction d où la création d un courant appelé «courant photonique». 19

20 Figure I.8 : représentation schématique de la photodiode et du principe de génération du courant photonique (X dep : profondeur de la zone déplétée en porteur) Figure I.9 : schéma simplifié d un pixel Le rôle de la photodiode est donc de transformer les photons incidents en charges électriques. Ces charges sont stockées dans la zone de déplétion de la jonction et leur nombre est représentatif de l éclairement reçu. La grille de transfert fait ensuite passer ces charges dans le n ud de lecture, préalablement vidé de ses charges grâce au transistor d initialisation. Le transistor suiveur permet d adapter l impédance du signal afin de pouvoir coupler celui-ci à un bus. Enfin le transistor de lecture est un interrupteur sélectionnant ou non le pixel (cf. figure I.9). La photodiode constitue donc la zone critique de ce type de transistor CMOS. Tout d abord sa taille doit être maximisée pour garantir une surface photosensible du capteur suffisante. Ensuite elle doit être à la fois ultra sensible vis-à-vis des photons incidents et être suffisamment fiable quant à d éventuels effets parasites. I B Le courant dobscurité Le courant d obscurité désigne le courant mesuré par le pixel en l absence de toute illumination. Ce courant parasite généré par des électrons parasites à la périphérie de la photodiode est actuellement problématique pour l intégration des technologies CMOS imageurs. Des travaux ont permis de montrer que l interface des flancs du STI (Shallow Trench Isolation, zone Z 1 / cf. figure I.10) et la zone au abord da la grille de transfert TG (zone Z 2 ) en sont les causes principales [INK03, INK04]. d 1 P-well Z 1 Z 2 P + N P TG P-well FigureI.10 : représentation des zones implantées de la photodiode 20

21 Concernant la zone Z 1, l implantation P-well permet de limiter la migration des électrons provenant de l interface bord de STI-substrat vers la zone dopée N. Toutefois il est nécessaire de trouver un optimum de la distance d 1 pour assurer d une part une séparation suffisante entre le STI et la zone dopée N et conserver une surface photosensible maximale. Ensuite il est aussi possible d envisager une implantation de type P tiltée des bords de STI pour passiver l interface et donc diminuer la génération des électrons parasites. La zone Z 2 est aussi source de courant d obscurité par migration d électrons issus de l interface espaceur-silicium vers la zone dopée N de la photodiode. Pour limiter ce phénomène, une implantation en surface de type P est réalisée avant dépôt des espaceurs afin de permettre la recombinaison des électrons parasites. Une telle jonction doit à la fois être très fine et peu dopée afin de ne pas perturber le transfert des photoélectrons vers le canal lorsque la grille de transfert est polarisée. Le dopage par plasma s est vite révélé comme étant un candidat privilégié pour ce type d implantation. C est pourquoi nos travaux se sont focalisés sur cette zone de la photodiode et ont consisté à optimiser les conditions d implantation afin de fabriquer une jonction ultra fine à dose réduite comme nous le détaillerons dans le chapitre IV.2. I.1.4 L implantation ionique standard Ce chapitre est dédié à l implantation ionique et a pour but de présenter l équipement et le procédé, en particulier pour les implantations à basse énergie utilisées pour la formation des jonctions ultra fines. L implantation ionique consiste à bombarder un matériau cible avec des ions accélérés à une énergie désirée. Ces ions implantés vont pouvoir modifier les propriétés électriques, optiques et mécaniques du matériau cible selon le couple ion/matériau choisi et les traitements ultérieurs choisis. Les principaux éléments composant un implanteur sont : la source d ions, l analyseur de masse, la colonne d accélération et la station de chargement des plaques de silicium. I L équipement Le gaz précurseur est introduit dans la source, il est ensuite excité pour former un plasma. On distingue deux types de sources selon l obtention du plasma. La première dite de Freeman repose sur l émission thermoïonique d électrons pour ioniser les atomes du gaz précurseur. La seconde utilise des ondes hyperfréquences pour exciter les électrons du gaz précurseur et créer le plasma par interaction électrons / neutres. Un système d extraction va à la fois permettre d extraire les ions positifs du plasma avec l énergie désirée jusqu à l analyseur de masse et de focaliser le faisceau d ions ainsi formé. L analyseur de masse est un aimant dont le champ magnétique est perpendiculaire au vecteur vitesse des ions du faisceau. La trajectoire des ions va donc s incurver selon la force de Lorentz elle-même dépendante de la masse des ions et de l énergie d extraction utilisée. 21

22 Le rayon de courbure de la trajectoire est donc donné par l équation en fonction de la masse de l'ion analysé M i et de sa charge q i : b Mi vi 1 2 Mi V q B B q i i extract Équation I.7 b : rayon de courbure M i : masse molaire de l ion analysé q i : charge de l ion analysé B : champ magnétique des bobines V extract : tension d'extraction appliquée à la source. Diverses lentilles quadrupolaires et magnétiques sont situées dans la colonne de transport. Elles garantissent la focalisation du faisceau contenant les ions sélectionnés de la sortie de l analyseur jusqu à la plaque de silicium. Pour assurer une bonne uniformité du procédé, il est nécessaire que la plaque effectue plusieurs passages devant le faisceau d ions incidents, pour cela il existe un balayage mécanique de la plaque avec ou sans balayage électrostatique du faisceau. L angle entre le faisceau incident et la normale à la surface du substrat à implanter est appelé l angle de «tilt» alors que l angle de rotation de la plaque dans son plan est appelé l angle de «twist». Ces deux grandeurs contrôlables par l équipement sont caractéristiques du procédé d implantation et ajustables pour des applications spécifiques. Les premiers équipements utilisés ne permettaient d implanter qu une plaque de silicium à la fois. Depuis une dizaine d années, un nouveau concept utilisant une roue sur laquelle sont disposées plusieurs plaques permet un gain significatif en terme de productivité. En effet, la roue animée d un mouvement de rotation et de translation devant le faisceau d ions permet une implantation simultanée des plaques tout en garantissant une bonne uniformité du procédé. L implantation de grandes quantités de cations peut conduire à une accumulation de charges positives à la surface du substrat pouvant à la fois induire des nuisances sur les dispositifs et un mauvais contrôle du procédé. Les oxydes de grille utilisés dans les transistors sont particulièrement sensibles aux charges électrostatiques. Le «charging» est défini comme la détérioration de ces oxydes par l accumulation de charges résultant de l implantation. Ensuite, la topographie de la surface implantée peut conduire à une accumulation de charges positives très localement pendant le procédé et ainsi dévier le faisceau d ions par répulsion électrostatique, ce phénomène appelé «microloading» conduit à une mauvaise uniformité du dopage. Pour remédier à ces problèmes, les fabricants proposent actuellement deux solutions équivalentes pour neutraliser les charges positives aux abords de la surface du substrat. Le premier appelé «plasma flood gun» consiste à créer un plasma de gaz inerte, ainsi les électrons de ce plasma sont attirés par les charges positives du faisceau ionique et induisent leur neutralisation. Dans le cas de l «electron flood gun», les électrons sont directement émis par une source thermoïonique. Comme le faisceau ionique est monoénergétique et que la séquence des collisions est un processus aléatoire. La distribution des ions peut être approximée au premier ordre par une gaussienne pour les doses faibles, elle s écrit : 22

23 C(x) D 2 R p exp (x R ) 2 R p 2 p 2 Équation I.8 C(x) : concentration de dopant à une profondeur x D : dose de dopant R p : parcours projeté R p : écart type du parcours projeté Figure I.11 a) Illustration du parcours projeté R p par rapport au parcours R des ions et par rapport au parcours latéral R b) Illustration d'une distribution de type gaussienne des ions implantés Le profil de dopant obtenu par implantation ionique standard est donc une gaussienne centrée à une profondeur appelée R p (parcours projeté) caractérisée par l écart type R p (cf. figure I.11). I Le cas des implantations basse énergie La nécessité de diminuer les profondeurs d implantations pour garantir la diminution de la taille des dispositifs est un challenge particulièrement difficile pour les énergies inférieures à 3keV. En effet, le courant maximum pouvant être transporté décroît avec la diminution de l énergie d implantation. Ce phénomène est illustré par l équation de Child-Langmuir sous vide poussé pour des particules sans collisions avec conservation de l énergie (équation I.9). j = 49 ( 2e 0 M ) i V 3/2 1/2 extract 2 Équation I.9 x j : courant d implantation e : charge élémentaire M i : masse atomique du dopant V extract : potentiel d extraction x : longueur sur laquelle le potentiel est appliqué De plus, la diminution de l énergie du faisceau conduit à une diminution de la vitesse des ions le constituant (cf. équation I.10). Par conséquent, la durée pendant laquelle les forces électrostatiques de répulsion existant entre chaque ion positif 23

24 augmente et conduit à une divergence accrue du faisceau. Le courant d implantation devient faible et le temps de procédé s en trouve fortement dégradé. 2E vi Équation I.10 M i Pour faire face à ces problèmes de stabilité du faisceau à faible énergie, il existe deux solutions : l implantation moléculaire et le mode décélération. I L implantation moléculaire L implantation moléculaire permet d implanter les atomes de dopant à de faibles profondeurs à partir de molécules ionisées. En effet, lorsqu une molécule est implantée dans un matériau, elle se décompose en surface suite aux premières collisions avec le substrat. Ensuite, les atomes composant cette molécule ont un comportement indépendant les uns des autre et sont animés cinétiquement d une énergie équivalente au prorata des masses à savoir E molécule (M atome /M molécule ). Le tableau I.1 ci-dessous illustre l intérêt de cette solution alternative. ion implanté B + BF + BF 2 + Energie d implantation équivalente du bore (en kev) B 18 H ,83 1,12 0,25 Tableau I.1 : Energie d implantation équivalente du bore implanté (à partir de B+) pour différentes molécules implantées à une énergie de 5keV I Le mode décélération Le mode décélération consiste à extraire et à transporter le faisceau ionique à une énergie supérieure à celle désirée. Le faisceau est ensuite décéléré juste avant le substrat à implanter par des électrodes de décélération. Cette méthode permet de conserver des courants d implantation acceptables même à très basse énergie. Toutefois elle présente l inconvénient de conduire à une contamination énergétique du faisceau d ions. En effet, lors du transport du faisceau dans la colonne d accélération, certains ions sélectionnés vont entrer en collision avec des molécules ou des atomes de gaz résiduel de l implanteur. Ces chocs peuvent conduire à des échanges de charge entre l ion et l espèce résiduelle. Des ions sont donc neutralisés et deviennent insensibles au champ électrique de décélération. Ils sont finalement implantés avec une énergie d extraction plus élevée que celle désirée. Une formule établie par Freeman [FREEMAN77] permet de connaître la proportion de neutres pour une implantation donnée : P N = 3, P. l Équation I.11 24

25 P N : proportion de neutres crée : section de capture en cm -2 P : pression de gaz résiduelle en Torr l : longueur comprise entre l analyseur et l étage de décélération en cm Cette formule illustre l importance de minimiser la présence de gaz résiduel au sein de la colonne. De plus, sachant que la section de capture est d autant plus élevée que l énergie d implantation est faible, il convient d utiliser une énergie initiale suffisamment élevée. Néanmoins, un compromis est nécessaire car l énergie des neutres contaminant s en trouvera augmentée. Un autre compromis concerne la localisation des électrodes de décélération entre l analyseur magnétique et le substrat. En effet, plus celles-ci seront placées près de l analyseur, plus la longueur l sera réduite (diminution de la longueur sur laquelle des ions sont susceptibles d être neutralisés). Dans le même temps la divergence du faisceau sera accrue (effets de charge d espace): le bénéfice de cette méthode sur le courant d implantation sera donc d autant plus limité que l étage de décélération se trouvera loin du substrat. I.1.5 Le dopage par plasma Les problèmes de l'implantation ionique basse énergie (effet de charge d'espace, courant d'implantation) sont principalement liés à la sélection des ions et au transport du faisceau de la source à la cible. Une solution pour s'en affranchir consiste à placer la cible au contact de la source d'ions : c'est le principe du dopage par plasma mis en évidence pour la première fois par Hans Strack en 1963 [STR63]. Le dopage par plasma est basé sur le principe de la décharge plasma à champ électrique continu. Une différence de potentiel est appliquée entre une cathode sur laquelle repose une plaque de silicium et une anode reliée à la masse. Lorsque le champ électrique dépasse une valeur critique appelée tension de claquage, un plasma se forme entre les deux électrodes. Des ions présents dans le plasma vont alors être accélérés à travers la gaine formée au dessus de la plaque et vont s implanter dans le matériau. L équipement utilisé lors de ces travaux utilise une source continue pulsée. Ainsi le substrat n est exposé aux ions du plasma que pendant la polarisation du substrat. Cette approche permet de s affranchir d éventuels problèmes de gravure et d accumulation de charges positives dans le substrat (charging, microloading). Les paragraphes suivants traitent de la physique des plasmas dans le cas particulier d une décharge à champ continu et décrivent les spécificités des implantations réalisées avec ce procédé. I Le claquage d un gaz Le claquage d un gaz correspond à la transformation d un milieu nonconducteur en un milieu conducteur par l application d un champ électrique. Les électrons d un gaz confiné entre deux électrodes polarisées vont être accélérés vers l anode et entrer en collision avec les molécules du gaz. Lorsque l énergie cinétique 25

26 d un électron est supérieure à l énergie d ionisation d une molécule, celle-ci va s ioniser et fournir un nouvel électron lui-même accéléré. Lorsque la différence de potentiel est suffisamment élevée, le nombre d électrons crées par ce processus devient supérieur aux pertes électroniques dues à la recombinaison, le claquage du gaz a lieu : l ionisation augmente fortement, un courant est généré et un éclair lumineux est observé. Ce processus très rapide (entre 10-8 et 10-4 s) est étroitement lié à la distance entre les électrodes, la pression et la nature du gaz utilisé. D après Raizer [RAI91], la valeur seuil Vt du champ électrique constant à appliquer appelée «tension de claquage» est : Vt B( d p) C ln( d p) Équation I.12 avec : C ln ln( A 1 ) 1 Équation I.13 d : distance entre les électrodes p : pression : coefficient d émission d électrons secondaires (lié à la nature du gaz) A, B et C : coefficients expérimentaux I Stabilisation du plasma A la suite du claquage du plasma trois zones distinctes vont apparaître entre les deux électrodes : la région anodique, la région cathodique et le plasma (région lumineuse). La masse des électrons étant très inférieure à celle des ions, le flux d électrons partant vers l anode est très supérieur au flux d ions qui circule en sens inverse. Le plasma a donc tendance à s appauvrir en électrons et à se charger positivement. Il se stabilise à un potentiel +V p légèrement positif induisant une chute de potentiel aux électrodes et l apparition des régions anodiques et cathodiques. Ces régions dépeuplées de porteurs de charges et appelées gaines de charge d espace permettent de confiner les électrons dans le plasma, les ions positifs y sont quant à eux attirés et accélérés jusqu aux électrodes. Le plasma est donc un milieu électrostatiquement neutre. Si on considère une tension V 0 appliquée à la cathode (avec V P <<<V 0 ), la différence de potentiel vue par un ion positif traversant la gaine cathodique s élève à V P +V 0 (cf. figure I.12). Cette importante chute de potentiel permet d implanter les ions positifs du plasma dans la plaque reposant sur la cathode; des électrons secondaires sont générés lors de l impact avec le substrat et viennent à leur tour ioniser des molécules de substrat. L anode étant reliée à la masse, la gaine anodique se caractérise donc par une faible différence de potentiel +V P que l on peut considérer comme négligeable dans les conditions d utilisation de l équipement. Les gaines permettent d écranter le plasma des potentiels anodiques et cathodiques afin de préserver son électroneutralité. 26

27 Figure I.12 : Schéma de principe du PLAD et de la répartition des potentiels entre l anode et la cathode Il est important de noter qu à très faible tension, la différence de potentiel appliquée entre la cathode et l anode ne suffit pas à générer le plasma. C est pourquoi l implantation de jonctions ultra fines nécessite l utilisation d une cathode auxiliaire (ou hollow cathode) qui permet de décorréler la création du plasma de l implantation proprement dite. En effet une tension élevée est appliquée sur la cathode auxiliaire (polarisation pulsée en phase avec la cathode, tension maximale autour 1,5kV) pour permettre d atteindre la tension de claquage alors que la cathode sur laquelle repose la plaque de silicium est polarisée à une tension plus faible (entre 100V et 700V). Ce système permet, en plus de garantir la création du plasma, de conserver une densité de plasma convenable (autour de ions/cm 3 ) même à très faible tension d implantation. Figure I.13 : représentation schématique de la phase d amorçage et de stabilisation du plasma La figure I.13 permet de résumer la phase d amorçage et de stabilisation du plasma. Lors de la phase d amorce du plasma, les électrons initialement présents dans le plasma sont accélérés puis ionisent les premières molécules de gaz. Les ions formés sont donc implantés et vont générer une émission d électrons secondaires au contact de la surface de la plaque de silicium. Ces électrons viennent à leur tour ioniser des molécules de gaz. Cette réaction en chaîne se stabilise grâce à l apparition de gaines 27

28 de charges d espace qui stabilisent les flux d électrons. Lors de la phase de stabilisation du plasma, les atomes sont ionisés au sein du plasma, puis accélérés dans la gaine ionique. La plupart des ions subissent des collisions et sont implantés à une énergie inférieure à la tension appliquée aux électrodes. I Les courbes courant / tension La figure I.14 montre les caractéristiques expérimentales du courant I(t) et de la polarisation appliquée V(t) mesurées au cours d'un procédé de dopage plasma à 2kV. Elle permet d illustrer les différents régimes du plasma pendant une impulsion en tension. 1 div 5 Figure I.14 : Caractéristique courant-tension d'une plaque silicium 200 mm durant le procédé de dopage plasma à 2 kv, la fréquence est ici 100 Hz, la durée d impulsion de tension est 20 µs, la pression est réglée à 30 mtorr et les électrodes sont espacées de 8,9 cm lorsqu aucune tension n est appliquée sur le substrat, la plaque est immergée au sein du gaz précurseur mais aucun plasma ne peut se former. lors de la polarisation de la cathode, la différence de potentiel va permettre d amorcer le plasma, un courant est mesuré par l oscilloscope. ensuite, le courant augmente au fur et à mesure que la tension augmente, la densité du plasma croît. La gaine ionique se forme et son épaisseur augmente pour compenser les pertes électroniques. lors de la stabilisation de la tension à 2kV, le courant atteint aussi un palier. Le plasma est en régime de stabilisation. à la fin du pulse en tension, le courant chute rapidement pour s annuler avant le retour à zéro de la tension. enfin, on observe une nouvelle chute du courant en dessous de zéro due à la compensation des charges positives accumulées lors de l implantation par les électrons du plasma résiduel (neutralisation du substrat). 28

29 I La gaine ionique La caractérisation de la gaine ionique située entre la cathode et le plasma est primordiale pour comprendre les profils des dopants implantés via l implantation par plasma. En effet, le nombre de collisions aux travers de la gaine cathodique va directement influencer la répartition énergétique des ions incidents. Le libre parcours moyen des ions se définit comme la distance moyenne parcourue entre chaque collision ; on parle de régime collisionnel lorsque ce libre parcours moyen est inférieur à l épaisseur de la gaine ionique. Dans cette étude, on se focalisera sur le cas d implantation utilisant le gaz BF 3 comme précurseur. On peut aisément calculer cette valeur pour l ion BF + 2, espèce largement majoritaire dans le cas d un plasma de BF 3. Ainsi Lenoble a pu déterminer =1,3cm pour la pression de travail minimale (pire cas), à savoir 11mTorr [LEN00]. Lieberman a élaboré un modèle largement utilisé dans la littérature permettant de prédire l épaisseur de la gaine ionique en fonction des différents paramètres en particulier lors de l extension de celle-ci [LIE89]. La figure I.15 ci-dessous représente ainsi l épaisseur de la gaine ionique en fonction de la durée des pulses en tension pour différentes tensions et densités de plasma (cas du BF 2 + ). On constate une augmentation rapide de l épaisseur de la gaine ionique lors des premières microsecondes. Pour les longueurs de pulse usuelles, à savoir supérieures à 15 s, et les couples tension/densité les plus réalistes, on peut donc affirmer que la gaine a une épaisseur d au moins 2cm Epaisseur de la gaine (cm) Durée du pulse de tension (µsec) Figure I.15 : Evolution de l'épaisseur de la gaine ionique en fonction de la durée d impulsion de polarisation. Les ronds, les carrés et les triangles correspondent respectivement à des polarisations de 1, 3 et 5 kv. Les remplissages blancs, grisés et noirs correspondent respectivement aux densités ioniques égales à 10 9, et cm -3 Epaisseur de gaine (cm) kV 1kV 1 0.7kV Pression (mtorr) Figure I.16 : Epaisseur de gaine (calculée à partir de l'équation de Child-Langmuir) et + libre parcours moyen des ions BF 2 en fonction de la pression du gaz BF3 [LEN00] libre parcours moyen (cm) Considérant les remarques précédentes, il apparaît que le plasma utilisé par le procédé PLAD (dopage par plasma) est de type collisionnel dans les conditions usuelles d utilisation car l épaisseur de la gaine est supérieure au libre parcours moyen. Les ions présentent alors un parcours chaotique jusqu au substrat. Dans ce 29

30 cas, le courant ionique est donné par l équation de Child-Langmuir modifiée pour décrire une gaine collisionnelle [LIEB89]: J e m V s Équation I.14 J: courant ionique (A/m2) : libre parcours moyen s: épaisseur de la gaine (cm) V: tension appliquée (V) 0: permittivité du vide (8, F/m) A l aide de cette équation et des mesures expérimentales, il est possible de représenter l épaisseur de la gaine en fonction de la pression de travail (cf. figure I.16). Le libre parcours moyen est également reporté sur ce graphique et permet de mettre en évidence une augmentation du nombre de collision avec l augmentation de la pression (augmentation du rapport épaisseur de gaine sur libre parcours moyen). I Les spécificités d une implantation PLAD La différence de potentiel appliquée entre l anode reliée à la masse et la cathode sur laquelle repose la plaque de silicium va permettre à la fois de générer le plasma et d implanter les ions. Toutes les espèces ionisées sont donc susceptibles d être implantées, l implantation par dopage plasma est dite «multi-espèce». La figure I.17 ci-dessous représente la proportion des différents ions implantés lors de + l utilisation du gaz BF 3 comme gaz précurseur. On constate que l ion BF 2 est largement majoritaire comparé aux autres espèces. La quantité d ions «légers» à savoir B + et BF + est d autant plus élevée que la tension appliquée est élevée. Lors de leur accélération au sein de la gaine du plasma, les ions vont subir un grand nombre de collisions qui vont conduire à des changements de direction et à des échanges d énergie. En fait, une fraction significative des ions incidents sont implantés avec une énergie inférieure à celle induite par la tension appliquée aux électrodes. On parle alors d implantation «multiénergétique». On peut considérer que le profil de dopant d une implantation PLAD est la résultante d une multitude de profils d implantation ionique standard à des énergies inférieures à la tension d extraction appliquée. En conséquence, le pic de dopant d un procédé PLAD est situé à la surface du substrat (cf. figure I.18). 30

31 Figure I.17 : représentation graphique de la répartition des ions implantés lors d un procédé de dopage par plasma BF 3 Figure I.18 : schéma du profil de dopant après une implantation PLAD Enfin, ce procédé se caractérise par un angle de tilt naturel des ions implantés qui peut être plus ou moins exacerbé selon les conditions du procédé (caractéristiques de la gaine du plasma, cf. chapitre précédent). Le dopage par plasma est donc un candidat très intéressant pour les applications de dopage conforme (cf. figure I.19 et chapitre IV.3 ). HSG TEO S TEO S TEO S Figure I.19 : représentation schématique du procédé de dopage PLAD de grains hémisphériques (HSG) déposés dans des tranchées (application potentielle pour les mémoires DRAM) I.1.6 Les intéractions ions matière I L implantation ionique Lors du procédé d implantation ionique, les ions pénètrent dans le matériau avec une énergie donnée et subissent une cascade de collisions avec les atomes du réseau. Une partie de ces ions incidents peuvent aussi être rétrodiffusés, en particulier dans le cas d implantation à très faible énergie. Des atomes superficiels du matériau cible peuvent être éjectés, on parle alors de pulvérisation. Au cours de la pulvérisation, diverses émissions (atomes, ions, électrons, photons ) ont lieu (cf. figure I.20). Le taux de pulvérisation Yp correspond au rapport d atomes cibles éjectés par ion incident, il s exprime de la manière suivante: k Yp Fp( M i,mm, ) S(E 0) EL [FAV97] Équation I.15 31

32 Yp : taux de pulvérisation k : constante E L : énergie de liaison des atomes cibles Fp : fonction de pulvérisation dépendante de la masse M i des ions incidents, de la masse M m du matériau cible et de l angle entre les particules incidentes et la normale de la surface. 100 Rapport des pouvoirs d'arrêt (%) Freinage nucléaire Freinage électronique B As Figure I.20 : description schématique des phénomènes de surface en implantation ionique Energie (kev) Figure I.21 : représentation graphique des rapports des pouvoirs d arrêt nucléaire et électronique en fonction de l énergie des ions incidents dans le cas du bore et de l arsenic [LEN00] Les ions incidents qui ne sont pas rétrodiffusés vont perdre progressivement leur quantité de mouvement par interactions électroniques et nucléaires si le transfert d énergie est réalisé avec les électrons ou avec les atomes du solide. Ces interactions avec le cortège électronique peuvent être traitées comme une force de frottement sur la particule en mouvement. Elles peuvent donner lieu à des ionisations et/ou des excitations. La perte d énergie par unité de longueur appelée pouvoir d arrêt s écrit : de dx N(Sn(E) S e(e)) NS(E) [FAV97] Équation I.16 N: densité atomique de la cible (N= cm -3 dans le cas du silicium) Sn(E): section efficace de ralentissement nucléaire Se(E) : section efficace de ralentissement électronique S(E) : section efficace de ralentissement totale La figure I.21 représente la contribution des deux types de freinage (nucléaire et électronique) pour le bore et l arsenic en fonction de l énergie d implantation. On constate qu à faible énergie, le pouvoir d arrêt est principalement dû aux interactions nucléaires. Ensuite, à mesure que l énergie d implantation augmente, on constate que la contribution de freinage électronique devient prépondérante. La contribution du freinage nucléaire est d autant plus faible que la masse de l ion incident est réduite. 32

33 I La génération de défauts Lorsqu un ion incident rencontre un atome cible avec une énergie E supérieure à une énergie seuil correspondant à l énergie de liaison des atomes du matériau cible E L (prise égale à 15eV pour du silicium monocristallin), il va l éjecter de son site substitutionnel et lui conférer une énergie égale à E-E L. Si E-E L est suffisamment élevée, l atome ainsi déplacé pourra générer une cascade de collisions au sein du substrat. A chaque déplacement d un atome du cristal, une paire interstitiel lacune (paire de Frenkel) est crée. Néanmoins la grande majorité de ces paires va se recombiner pour ne faire subsister qu une infime fraction de défauts dépendante des paramètres de l implantation (ion implanté, énergie, dose ). Par conséquent, l implantation ionique va générer des défauts ponctuels (interstitiels et lacunes) au sein du substrat lors des collisions entre les ions implantés et les atomes de la cible. Même si l étape de recuit va permettre à la fois de restaurer l ordre cristallin et d activer les dopants (passage en site substitutionnel), le profil final de la jonction est étroitement lié à la quantité de défauts ponctuels présents après implantation (cf. chapitre I A.b ). Figure I.22 : Photographies TEM après implantation BF 2 + 5keV B/cm 2 On distingue deux types d implantation selon le degrés d endommagement du cristal. Le premier correspond aux implantations les moins énergétiques, dans ce cas le substrat conserve son caractère cristallin (recombinaison des interstitiels et des lacunes durant le temps de relaxation et les premiers instants du recuit d activation). Par contre, lorsque la densité de défauts générée devient supérieure à une densité critique, une zone amorphe est crée (cf. figure I.22). Cette profondeur d amorphisation est d autant plus importante que l énergie des ions incidents et les doses implantées sont élevées. I La canalisation Dans le cas d un matériau monocristallin (cas du silicium), lorsque la direction des ions incidents coïncide avec des canaux de la structure cristalline, l ion implanté entre plus profondément dans le cristal que dans le cas où la direction d incidence est quelconque. Ce phénomène appelé «canalisation» explique l extrême sensibilité de la distribution des ions légers implantés avec l orientation du faisceau dans le cas de l implantation standard. La canalisation peut être rédhibitoire lorsque la profondeur de 33

34 l implantation doit être limitée (cas des extensions source drain). La principale solution pour palier ce phénomène en implantation standard est la désorientation du cristal par rapport au faisceau incident (ajustement des angles de twist et de tilt). Ainsi les ions ne «voient» plus les canaux, mais un matériau à l apparence pseudoamorphe. Dans le cas du silicium <100> actuellement utilisé, un «tilt» de 7 est habituellement utilisé. Dans certaines conditions du procédé dopage par plasma (en particulier pour de fortes pressions de gaz précurseur), le grand nombre de collisions des ions lors de la traversée de la gaine du plasma va engendrer une variation des angles d incidence et ainsi atténuer le phénomène. Toutefois, seule une amorphisation préalable est vraiment efficace pour stopper la canalisation. 34

35 I.2 LES JONCTIONS ULTRA FINES I.2.1 Notions de diffusion dans le silicium I La loi de Fick Le silicium étant un matériau à structure cubique et isotrope, en l absence de déformation, le coefficient de diffusion D peut être considéré comme un scalaire. La première loi de Fick traduit la dépendance entre le flux J d espèces diffusantes A et sa concentration C, dans le cas unidirectionnel considéré cette loi s écrit : J D A C( x, t) x Équation I.17 Le signe moins de l équation précédente traduit simplement le fait que la diffusion a lieu des zones à fortes concentrations vers les zones à faibles concentrations. D A est le coefficient de diffusion de l espèce A, il suit généralement une loi d Arrhénius : D A Ea D0 exp Équation I.18 kt Etablie pour un système conservatif, c est-à-dire où il n y a ni perte, ni création d atomes de l espèce A, la deuxième loi de Fick permet de décrire l évolution temporelle de la concentration en espèce diffusante en un point donné. Un simple bilan de matière conduit à l équation de conservation (ou équation de continuité) suivante : C ( x, t) J ( x, t) t x Équation I.19 en substituant l équation I.18 dans I.19, on obtient : C t A x D A C x A Équation I.20 Une solution analytique décrivant la distribution en profondeur de l espèce A pour une concentration superficielle constante existe : s x C A( x, t) C A 1 erf Équation I.21 2 D t A 35

36 s C A : concentration constante de l espèce A maintenue à la surface pendant le temps t du recuit à la température T Lorsque le profil de dopants est considéré comme gaussien (cas de l implantation ionique standard en première approximation), on obtient une nouvelle solution, à savoir : C A Dose 1 ( x ( x, t) exp R 2D t 2 Rp p A Rp) 2D 2 A t Équation I.22 Néanmoins dans le cas de la diffusion de dopants après implantation ionique, les lois énoncées par Fick s avèrent trop simplistes. En effet, le coefficient de diffusion D A est une quantité complexe dépendante du dopage du silicium. La prise en compte des défauts ponctuels générés est primordiale pour modéliser des profils diffusés post implantation. Ceux-ci participent aux mécanismes de diffusion des dopants au sein de la matrice silicium. I Les différents mécanismes de diffusion On constate de très importantes variations entre les différents coefficients de diffusion des impuretés diffusant dans le silicium à une température donnée. Cette dispersion reflète les différents mécanismes microscopiques régissant la diffusion des impuretés. Suivant leur position d équilibre au sein de la matrice, on distingue les impuretés dites substitutionnelles des impuretés interstitielles. I A Mécanisme lacunaire Dans un premier temps, l impureté doit attendre qu une lacune arrive à son voisinage pour former un complexe dopant-lacune capable de diffuser au sein du silicium. La réaction s écrit selon l équation suivante : A s + V AV Équation I.23 A s : impureté en site substitutionnel V : lacune L énergie de liaison E l du complexe ainsi formé étant élevée, la lacune va rester liée à l impureté. En fait, elle se déplace le long de l hexagone formé par les atomes de silicium pour revenir de l autre côté du dopant et recommencer ainsi le processus comme décrit sur la figure I

37 Figure I.23 : représentation schématique du mécanisme de diffusion lacunaire dans le silicium [BOU03] Xie et al. ont pu déterminer expérimentalement la valeur de E l à savoir 1,21eV ainsi que le diagramme de l énergie potentielle de la paire AV selon la position de la lacune par rapport au dopant dans le cas de l arsenic [XIE99] (cf. figure I.24). Figure I.24 : représentation du diagramme de l énergie potentielle de la paire AV en fonction de la position de la lacune par rapport à l impureté dans le cas de l arsenic [XIE99] I B Mécanisme interstitiel Dans ce type de mécanismes le défaut ponctuel mis en jeu lors du processus de diffusion est un interstitiel. On se focalisera sur les deux principaux mécanismes décrits dans la littérature, à savoir la migration par paire dopant-interstitiel et le mécanisme du kick out [GOS79]. Lorsqu un interstitiel se situe au voisinage d une impureté, il peut se combiner à celleci pour former un complexe capable de diffuser. Par analogie au mécanisme lacunaire, on peut écrire la réaction suivante : A s + I AI Équation I.24 Le dopant et l interstitiel se partagent un site substitutionnel, on parle alors d interstitiel mixte dissocié. Dans un second temps, cette entité va se dissocier après un saut de l impureté qui va pouvoir, de proche en proche, diffuser au sein de la matrice (cf. figure I.25). 37

38 Figure I.25 : Représentation schématique de la diffusion par paire dopant-interstitiel [BOU03] Dans le mécanisme du kick out (cf. figure I.26), un interstitiel va éjecter une impureté en site substitutionnel conduisant à la formation d une impureté interstitielle. Ensuite, l impureté va à son tour éjecter un interstitiel pour retrouver sa configuration stable substitutionnelle ; l équation de la réaction s écrit : A s + I A i + Si s Équation I.25 A i : impureté en site interstitiel Si s : atome de silicium en site substitutionnel Figure I.26 : Représentation schématique de la diffusion par kick out Comme présenté précédemment, la diffusion d un dopant au sein du silicium ne peut se produire sans couplage avec un défaut ponctuel. Aussi, il est important de connaître la contribution relative de chacun des mécanismes (lacunaire ou interstitiel) selon les dopants utilisés pour prévoir le comportement de ceux-ci lors du recuit d activation. I C Mécanisme mixte A l équilibre thermodynamique dans du silicium intrinsèque (la concentration d espèce A en sites substitutionnels C As est inférieure à n i (T)), nous pouvons écrire pour une impureté dopante en substitution : 38

39 D * A C As D AV C eq AV D AI C eq AI Équation I.26 D * D D Équation I.27 A AV A AI A avec : C D D eq eq AV AV AV AI AI AI D A et D eq A eq C A C S AS C eq C AV et eq C AI : concentrations des paires AI et AV à l équilibre thermodynamique AV DA et D l espèce A AI A : coefficients de diffusion assistée par lacunes et par interstitiels de Lorsque la quantité de défauts ponctuels présents dans le silicium est hors-équilibre, l équation I.27 reste vraie, le coefficient de diffusion D A devient : DA AI C AI C (1 f A ) f A [FAH89] Équation I.28 * D C C A V eq V I eq I avec : f AI A D AI A D AI A D AV A D D AI A A f AI A AV A f : composante relative de la diffusion de l impureté A par couplage dopant-interstitiel : composante relative de la diffusion de l impureté A par couplage dopant-lacune AI AV Remarque : f A f 1 A Dopant AI f A Bore 0,84 Phosphore 0,86 Arsenic 0,42 0,47 Antimoine 0,16 Tableau I.2 : Estimations des coefficients AI f A pour les dopants usuels à 1100 C [URA99] I.2.2 Les dopants usuels I Les dopants de type N Les niveaux donneurs du phosphore, de l antimoine et de l arsenic rendent leur utilisation possible en tant que dopants (cf. figure I.27). Le phosphore constitue aussi un excellent dopant donneur pour le silicium. Néanmoins sa diffusivité élevée 39

40 limite ses applications. Cette tendance est encore plus marquée pour l antimoine dont la solubilité limite est presque cent fois inférieure à celle de l arsenic (cf. figure I.28). En effet, l arsenic est de tous les dopants potentiels du silicium le seul qui combine à la fois une haute solubilité et un faible coefficient de diffusion. Ces deux qualités font de l arsenic le donneur usuellement utilisé en microélectronique pour la réalisation de jonctions de type n + /p et c est pourquoi dans le cadre de nos travaux, l arsenic a été étudié de manière privilégiée pour la formation des jonctions ultra fines. E C E fi E V Au 0.33 Au 0.54 Au 0.35 P B As Sb Co 0.39 Al Ga Fe 0.55 Fe 0.40 In eV 300 K Solubilité limite (at/cm 3 ) As P B Sb Ga Al Tl In Température ( C) Niveau d énergie d impuretes dans le silicium [ev] Figure I.27 : Niveau d'énergie d'impuretés dopantes de type donneur (P, As, Sb) ou accepteur (B, Al, Ga, In) et d'impuretés contaminantes (centres profonds) Figure I.28 : Courbes de solubilité limite des dopants III-V du silicium I A Le cas de l arsenic Malgré les propriétés intrinsèques particulièrement intéressantes de l arsenic en terme de diffusion et de niveau de solubilité, son utilisation nécessite des précautions particulières pour optimiser son activation et limiter à la fois son exodiffusion et sa ségrégation lors de l étape de recuit. En effet, l activation de l arsenic au sein du silicium constitue un sujet largement traité dans la bibliographie. Il a été démontré que l arsenic est susceptible de se désactiver lors de la rampe de descente en température du procédé de recuit. De plus, la formation d un pic de ségrégation des atomes d arsenic à l interface oxyde de silicium/silicium peut conduire à une exodiffusion significative et constitue une difficulté supplémentaire pour la réalisation de jonctions fortement activées. I A.a La diffusion et l activation La diffusion de l arsenic est principalement assistée par les lacunes (cf. tableau I.2). Comme l ion arsenic est un ion lourd, il génère une importante zone amorphisée en surface, il en résulte une forte concentration de lacunes disponibles pour faire diffuser les atomes de dopant. Même si une diffusion exacerbée dite «anormale» de l arsenic a pu être mise en évidence dans des conditions très particulières ([KRI96],[SOL03]), le sujet ne sera pas traité dans la présente étude. En effet, ce phénomène n a pu être mis en évidence 40

41 qu à basse température (autour de 700 C), il est négligeable dans les conditions de recuit utilisées pour la formation des jonctions fines. Après l implantation d une forte dose d arsenic (autour at/cm -2 ) dans le silicium, les atomes d arsenic vont préférentiellement se recombiner avec des lacunes pour former des précipités inactifs du type As n V m (avec n>2m) : As 3 V, As 4 V, As 6 V 2... De nombreux calculs théoriques ont permis de montrer que l énergie de formation de tels précipités est négative (cf. tableau I.3), leur formation est donc favorisée quel que soit le niveau de dopage et la température considérés ([RAN02], [RAM96]). Néanmoins la structure exacte de ces précipités et leur mode de formation ne sont pas encore connus. Les deux principaux scénarios envisagés seront décrits successivement. Nature du cluster Energie de formation (ev) As 2 0,1 As 4-0,1 AsV 2,47 As 2 V 0,82 As 3 V -0,53 As 4 V -2,39 As 2 V 2 2,70 As 4 V 2-0,54 As 6 V 2-3,23 As 2 I 3,76 As 4 I 2,19 Tableau I.3 : énergie de formation (en Ev) de différents clusters d arsenic [RAM96] La partie I A a permis de décrire brièvement le mécanisme de diffusion lacunaire à partir de l entité AsV dit mécanisme en anneau. De nombreuses publications considèrent que l entité As 2 V est aussi mobile et participe activement à la diffusion de l arsenic par un mécanisme similaire à celui mis en jeu pour l entité AsV. Dans ce cas, la lacune est liée aux deux atomes d arsenic et va se déplacer le long de deux sites hexagonaux [RAM96], [XIE99]. La formation de telles entités mobiles (AsV et As 2 V) nécessite une montée en température comme en témoigne leurs énergies positives respectives (cf. tableau I.3). Lors de leur migration, elles vont pouvoir former les précipités inactifs et immobiles du type As n V m par coalescence. Ce phénomène est d autant plus important que la concentration en arsenic est élevée. AI La migration de l arsenic est aussi assistée par des interstitiels ( f A autour de 0,45). Ainsi des entités mobiles AsI sont capables de migrer au sein de la matrice silicium pour former des précipités du type As 4 I actifs dans lequel un atome de silicium est situé en site substitutionnel au centre d un tétraèdre d atomes d arsenic ([FAST01], [BERD98]). Lors de la désactivation, l atome de silicium est éjecté par une des faces du tétraèdre, un cluster inactif et thermodynamiquement plus stable de type As n V est alors formé. Des travaux utilisant des marqueurs de bore ont permis de mettre en évidence une augmentation de la concentration d interstitiels de silicium lors de la désactivation de l arsenic [ROU96], ce qui est en accord avec ce scénario. 41

42 Globalement les deux scénarios précédemment décrits et largement traités dans la bibliographie sont en accords quant à une désactivation de l arsenic par formation de clusters arsenic-lacunes. Le type de recuit utilisé pour l activation des dopants va aussi avoir un rôle majeur sur la désactivation de l arsenic. Actuellement les recuits utilisés dits «spike» présentent des rampes de montée et de descente en température très rapide et une température maximale très élevée (au dessus de 1000 C). Des études ont permis de quantifier la désactivation induite par un tel procédé d activation comme résumé dans le paragraphe suivant. La concentration de porteur n e à l équilibre a pu être déterminée en fonction de la température du recuit [HOY86] : n e = 2, exp[-0,47(ev)/kt] Équation I.29 Néanmoins cette relation en exponentielle ne tient pas compte du profil de température utilisé. Or, des études ultérieures ont mis en évidence une dépendance significative entre n e et la rampe de descente en température. Il apparaît que la désactivation de l arsenic a lieu pendant cette phase. En effet, l équation I.29 est tout à fait valable pour des descentes en température n excédant pas 20 C/s, alors qu elle sous-estime la valeur de n e pour des descentes en température plus rapides. La valeur de n e a ainsi pu augmenter de cm -3 à 3, cm -3 (+25%) à 1000 C lorsque la rampe de descente en température évolue de 15 C/s à 250 C/s. Ces résultats confirment donc que la concentration de porteurs n e n est pas uniquement dépendante de la température mais aussi de la rampe de descente en température. La prise en compte des considérations liées à la précipitation de l arsenic et l influence de la descente en température permettent une compréhension globale du mécanisme de désactivation de l arsenic lors des recuits d activation des extensions source drain. Après l implantation, la majeure partie des atomes d arsenic est contenue dans une zone riche en lacunes. Dès les premiers instants de la montée en température, les atomes d arsenic vont se lier aux lacunes les plus proches pour former des précipités du type As n V m (formation thermodynamiquement favorisée). Au fur et à mesure de la montée en température, des entités mobiles AsV et AsV 2 vont être capables de diffuser dans le réseau et peuvent à leur tour former des précipités As n V m. A noter que l atome d arsenic contenu dans ces deux entités AsV et AsV 2 est en site substitutionnel donc électriquement actif (idem pour AsI). De cette façon, certains précipités vont se dissoudre au profit d autres plus gros thermodynamiquement plus stables. Toutefois lorsque la température atteint des valeurs très élevées (supérieure à 1000 C), les plupart des précipités formés vont se dissoudre et lors du pic de température (valeur maximale), les atomes d arsenic sont activés sous différentes formes : AsV, AsV 2, AsI et As isolé en site substitutionnel. Lors de la chute en température, les entités mobiles vont s associer entre elles et pourront même se lier à des atomes en site substitutionnel pour reformer des précipités (As n V m ). Une descente en température longue favorise la désactivation de l arsenic. En effet, puisque la formation de tels précipités est thermodynamiquement favorable, l activation de l arsenic n est rendue possible que par des limitations d ordre cinétique, en particulier la migration des entités mobiles et la concentration de lacunes au sein du substrat. Une 42

43 matrice de silicium dopée arsenic est donc d autant plus métastable que la concentration des atomes d arsenic en sites substitutionnels est élevée. I A.b L exodiffusion L arsenic présente la particularité de ségréger à l interface silicium/oxyde de silicium lors du recuit d activation, en particulier pour des températures supérieures à 1000 C (cas des recuits spike utilisés). Ainsi selon l ambiance du recuit (sous azote, avec ou sans oxygène), une proportion plus ou moins importante de la dose d arsenic implantée va être susceptible de s évaporer de la surface de l échantillon, on parle alors d exodiffusion. La ségrégation de l arsenic est thermodynamiquement favorisée lors de la recristallisation induite par le recuit [ABR79]. De plus l interface Si/SiO 2 constitue un site privilégié thermodynamiquement pour cette ségrégation lors de la recristallisation. Des analyses par faisceaux d ions haute résolution (MEIS : Medium Energy Ion Scattering) ont permis de montrer que le pic d arsenic à l interface est principalement localisé dans l oxyde [WHE01]. L exodiffusion de l arsenic est d autant plus importante que le R p est proche de la surface et que la dose implantée est élevée [CHA91]. On comprend donc aisément que la fabrication de jonctions ultra fines en arsenic peut devenir problématique avec la réduction des dimensions des transistors (diminution du R p ) et la nécessité de réduire les valeurs de résistivité (augmentation des doses implantées). L utilisation d oxygène (dilué dans l azote) lors du recuit d activation va permettre de former un oxyde de silicium épais à la surface de l échantillon lors du recuit et donc de retenir une quantité significative de la dose d arsenic implantée. Une autre méthode consiste à réaliser un dépôt de Si x O y ou Si x O y N z avant le recuit d activation. Chaussemy a ainsi montré qu un dépôt de SiO 2 de 90nm permet de s affranchir complètement du phénomène d exodiffusion lors du recuit d activation (jusqu à 1100 C) [CHA91]. Dans de telles conditions, l arsenic va pouvoir ségréger à l interface, le pic ainsi formé va constituer une source de dopant qui capable de rediffuser dans le substrat. Ainsi lorsque l on augmente le budget thermique, on constate une diminution du pic de ségrégation en arsenic. Dans le cas d un recuit non oxydant (azote pur), la couche d oxyde de surface mesure au maximum quelques angströms (forme native) et ne peut empêcher l exodiffusion d une quantité significative de la dose d arsenic implantée (jusqu à 70% selon [CHA91]). Toutefois l utilisation d un recuit spike limite ce phénomène grâce à la réduction du budget thermique. Considérant toutes ces informations et sachant que le pic de dopant se situe à la surface du substrat pour une implantation PLAD, il est donc primordial de prendre des précautions lors de l étape de recuit (ambiance oxydante) en particulier pour les implantations les plus fines. I Les dopants de type P Les niveaux accepteurs du bore, de l aluminium, du gallium et de l indium rendent leur utilisation possible en tant que dopant. Néanmoins le bore est l impureté usuellement utilisée pour le dopage de type P quelle que soit la technique et en particulier pour l implantation ionique. De plus, de toutes les impuretés de la colonne III du tableau de Mendeleiev, le bore possède la limite de solubilité la plus élevée (cf. figure I.28) et l énergie d activation la plus faible. Toutefois, une masse faible 43

44 (M=11g mol -1 ) et une diffusion accélérée lors du recuit d activation post implantation constituent des inconvénients à surmonter pour la fabrications de jonctions ultra fines. L aluminium, le gallium et l indium présentent quant à eux des activités électriques très faibles même après recuit rendant leur utilisation impossible pour la fabrication de jonctions peu résistives. Enfin, l aluminium et le gallium se caractérisent par une diffusion incontrôlée dans le silicium et diffusent même aisément à travers l oxyde de surface SiO 2 ce qui conduit à des pertes significatives de dose active (exodiffusion). I A La diffusion anormale du bore I A.a Origine et évolution de la sursaturation Juste après implantation à température ambiante, il existe une zone riche en lacunes entre la surface et le R p et une zone riche en interstitiels au-delà du R p (cf. figure I.29). Aux températures usuelles d implantation (quelques dizaines de degrés au dessus de la température ambiante), les défauts ponctuels sont très mobiles. Ainsi les interstitiels localisés dans ou aux abords la zone riche en lacunes se recombinent quasi-instantanément (I+V Ø), seuls ceux séparés par une distance suffisante de cette zone subsistent. En fait, seul 4 à 10% des défauts générés par l implantation subsistent à température ambiante [COF98], ce qui illustre l importance du phénomène de recombinaison. C est ainsi que la plupart des modèles dont le célèbre modèle «+1» [GIL89] font l hypothèse d une recombinaison totale des défauts ponctuels générés pas l implantation lorsque le seuil d amorphisation n est pas atteint Excès de lacunes Excès d'interstitiels Concentration (/cm 3 ) Bore Interstitiels I Lacunes V Profondeur (nm) Figure I.29 : simulation représentant la localisation des défauts ponctuels (interstitiels et lacunes) après une implantation B + 2keV/10 14 at cm -2 I-V 0 I-V (/cm 3 ) 1. Lors des premières secondes de recuit d activation les atomes de bore implantés vont passer en site substitutionnel et «éjecter» les atomes de silicium du cristal en site interstitiel (cf. équation I.30). Une forte sursaturation d interstitiels est alors présente au sein matériau. Les interstitiels créés sont mobiles à température ambiante et ne peuvent subsister que sous forme de diinterstitiels I Lorsque la sursaturation locale est trop importante pendant le recuit, les diinterstitiels mobiles à température ambiante vont former des agglomérats (cf. équation I.31). Ces entités vont croître en capturant des interstitiels libres selon le processus d Ostwald Ripening [OST00] (cf. chapitre suivant) afin de 44

45 minimiser leur énergie interfaciale et se réorientent pour former les défauts 311 puis des boucles de dislocation. 3. Le modèle «+1» fait ainsi l approximation que le profil d interstitiels en excès est donné par le profil de bore. On peut donc considérer que la grande majorité des interstitiels se situent aux alentours du R p (environ 80% de la concentration en dopant), ce qui explique la formation d un pic statique de bore dans cette zone En effet, la concentration d interstitiels et d atomes de bore au niveau du Rp est telle que des précipités B n I m peuvent se former au début du recuit d activation (cf. équation I.32)). 4. Enfin, une partie des interstitiels va éjecter certains atomes de bore de leur site substitutionnel par une réaction de «kick out» et les faire passer en sites interstitiels au sein de la matrice silicium dans laquelle ils vont former des entités mobiles avec d autres interstitiels de silicium (cf. équation I.33) et participer à la diffusion anormale (TED : Transient Enhanced Diffusion). En fait, les trois phénomènes décrits auparavant vont «réguler» la sursaturation dans le substrat selon les réactions suivantes (réactions à l équilibre). Ainsi lorsque la sursaturation diminue, les clusters vont se dissoudre et émettre des interstitiels : B I + (Si) S B S + I Équation I.30 I n +I I n+1 Équation I.31 B n I m + I B n I m+1 Équation I.32 B S + I B I Équation I.33 Remarque : Des interstitiels sont également injectés lors des recuits fortement oxydant et participent à la TED, c est ce qu on appelle la diffusion accélérée par oxydation (OED : Oxidation Enhanced Diffusion). En effet, il existe une compression du réseau SiO 2 formé (d SiO2 = 1.3d Si ), cette contrainte est relaxée par la génération d interstitiels à l interface Si/SiO 2. Ainsi une partie de ces interstitiels va diffuser à travers l oxyde pour réagir avec les espèces oxydantes, l autre partie va diffuser dans le substrat et ainsi participer à la OED. D autre part la suppression de l oxygène (azote pur ou teneur en oxygène très faible) conduit à une gravure du silicium (cf. réaction cidessous) et donc à une perte de dopant (augmentation de la résistivité) qui peut dans certain cas devenir rédhibitoire : Si (s) + SiO 2(s) 2SiO (g) Équation I.34 I A.b Evolution des défauts ponctuels Comme décrit lors du paragraphe précédent, l implantation ionique va dans un premier temps induire la formation de nombreux défauts (I et V) dont une très faible proportion subsiste (recombinaison quasi instantanée). Plusieurs scénarios sont alors possibles pour les défauts résiduels lors du recuit d activation. Tout d abord, certains vont diffuser et se recombiner dans le volume (paire de Frenkel), à la surface du 45

46 substrat ou encore sur une impureté contenue dans le cristal. D autres vont pouvoir former des agglomérats contenant ou non des atomes dopants et ainsi évoluer tout au long du recuit selon la sursaturation résiduelle d interstitiels dans le matériau. La diffusion du bore est liée à la concentration des interstitiels (cf équation ci-dessous), il est donc nécessaire de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu pour limiter la TED. D D I * [ ] b b * [ I] Équation I.351 D b : coefficient de diffusion effectif du bore D b * : coefficient de diffusion à l équilibre thermodynamique du bore [I] : concentration effective en interstitiels [I] * : concentration en interstitiels à l équilibre i La recombinaison Les hautes températures utilisées pour les recuits d activation (généralement proche de 1000 C) vont provoquer la diffusion rapide des défauts ponctuels et ainsi augmenter la probabilité de recombinaison selon la réaction suivante : I+V Ø Équation I36 Antoniadis [ANT92] puis Tang [TAN97] ont pu déterminer la barrière énergétique de recombinaison qu il faut surmonter pour annihiler une paire de Frenkel à savoir 1,5eV et 1,1eV respectivement. Néanmoins la cinétique de cette réaction est encore mal comprise. La surface peut être considérée comme un puit infini de centres de recombinaison pour les interstitiels et les lacunes. Comme décrit sur le schéma cidessous (cf. figure 30), la sursaturation nulle à la surface du substrat augmente pour se stabiliser à partir d une profondeur donnée (x) dépendante des conditions expérimentales (implantation, recuit). Figure I.30 : Représentation schématique de la distribution spatiale de la sursaturation et de la précipitation du bore sous l'action des interstitiels libres Le contrôle des effets canaux courts pour les nouvelles technologies nécessite des énergies d implantation sans cesse réduites. Ainsi les défauts ponctuels générés sont très proches de la surface et le rôle de celle-ci devient d autant plus prépondérant. 46

47 C est pourquoi le profil typique du PLAD (concentration maximale de dopants en surface) est particulièrement intéressant pour faciliter la recombinaison de ces défauts ponctuels et donc pour limiter la TED. Les impuretés présentes dans le cristal comme le carbone, l oxygène mais aussi les atomes de dopants peuvent aussi constituer des pièges à interstitiels et à lacunes. Watkins [WAT97] a ainsi pu identifier le mécanisme mis en jeu, à savoir le passage de l impureté d un site substitutionnel à un site interstitiel comme lors du mécanisme de «Kick Out». Les impuretés vont alors migrer (mobiles à température ambiante) et éventuellement former des complexes stables avec une autre impureté. ii Les agglomérats dinterstitiels Même si la recombinaison des défauts ponctuels est le mécanisme prédominant après implantation, certains défauts vont subsister en formant des paires mobiles (I 2 ou V 2 ) qui vont soit participer à la sursaturation dans le matériau (dans le cas des interstitiels), soit se regrouper pour former des agglomérats. Les amas lacunaires ne se forment que pour des conditions spécifiques (ions lourds et fortes énergies), or ces conditions ne correspondent pas aux conditions usuelles des procédés de fabrication en microélectronique. C est pourquoi nous nous contenterons de décrire les phénomènes mettant en jeu des interstitiels. Trois familles de défauts étendus peuvent être différenciées selon leurs tailles et leurs structures cristallographiques : les petits amas d interstitiels, les défauts 311 et les boucles de dislocations (parfaites ou fautées). di-interstitiels défauts {311} précipités stables boucles parfaites boucles fautées Figure I.31 : Evolution de l'énergie de formation des clusters d'interstitiels en fonction du nombre d'atomes les composant. Il apparaît deux pics caractéristiques pour n=4 et n=8 où les énergies de formation sont les plus faibles. Les clusters évoluent ensuite vers des défauts cristallins de type {311}, voir même vers des boucles de dislocations dans certaines conditions [CLA99] Les petits amas d interstitiels constitués d un nombre restreints d interstitiels (entre deux et une dizaine d entités) ne sont pas observables par microscopie électronique à transmission (MET) ou diffraction X, c est pourquoi ils sont restés très longtemps méconnus. Les di-intersitiels I 2 sont les précurseurs de la nucléation des interstitiels en défauts étendus et en particulier de la formation de ce type d agglomérats. Ainsi ils vont, au cours du recuit, capturer des interstitiels libres et évoluer vers des précipités énergétiquement plus stables. Cowern [COW99] a 47

48 déterminé les énergies de formation des agglomérats en fonction du nombre d interstitiels les composant. De cette manière, il a pu identifier deux configurations préférentielles pour n=4 et 8 (n étant le nombre d interstitiels) correspondant aux énergies de formation les plus faibles (cf. figure I.31). Contrairement aux défauts étendus précédents, les défauts 311 ont été identifiés depuis les années 70 par microscopie électronique [FER76]. Takeda [TAK91] a pu déterminer la véritable structure des défauts 311 constitués de deux types d unités structurelles : des anneaux I contenant 5,6 ou 7 interstitiels et des anneaux O contenant 8 interstitiels (cf. figure I.32). Figure I.32 : Structure des défauts {311} d après le modèle théorique de Takeda et al. (à gauche), photo des défauts {311} par microscopie électronique à transmission haute résolution [TAK91] Enfin il existe deux types de boucles de dislocations formées via les défauts 311. Tout d abord les boucles fautées 111, et les boucles parfaites 111 allongées. La théorie de la maturation d Ostwald Ripening est basée sur une croissance compétitive des gros agglomérats au profit des plus petits pour minimiser leur énergie de formation. Bonafos [BON96] puis Moller [MOL98] ont pu appliquer ce concept à la croissance des dislocations et des défauts 311 respectivement. Ainsi l association de ces travaux montre que la théorie d Ostwald peut être appliquée à l évolution de l ensemble des défauts étendus lors du recuit d activation. En effet, des études ont clairement démontré une évolution des petits amas d interstitiels vers des défauts 311, pour des budgets thermiques importants, ces agglomérats vont ensuite former des boucles de dislocation fautées puis parfaites [BEN97]. Néanmoins Colombeau [COL04] a montré que lors d implantations peu profondes, les défauts 311 se dissolvent sans former des boucles de dislocations, car la proximité de la surface conduit une recombinaison significative des interstitiels. La sursaturation localisée dans la zone des défauts est alors insuffisante pour permettre un réarrangement des défauts 311 en boucles de dislocations. L équation de Gibbs Thomson permet de corréler la coalescence des défauts étendus avec la concentration d interstitiels : S = exp(e f(n) /kt) Équation I.37 S : sursaturation autour d un défaut contenant n interstitiels E f (n) : énergie de formation de l agglomérat de taille n 48

49 On sait que l énergie de formation d un défaut décroît avec le nombre d interstitiels le composant, ainsi la sursaturation résiduelle autour d un défaut est donc d autant plus faible que n est grand. Cette différence de sursaturation locale va entraîner la création d un flux d interstitiels des petits défauts vers les gros qui vont coalescer. Cette évolution va assurer une sursaturation résiduelle significative au sein du substrat jusqu à dissolution complète des plus gros défauts. Ce scénario est illustré par la figure I.33 représentant l évolution de la sursaturation en fonction du temps de recuit à 700 C. La première chute significative de la sursaturation correspond à la formation des petits agglomérats d interstitiels et à leur croissance (augmentation de n). Ensuite la formation des défauts 311 puis leur coalescence va conduire à un plateau. En effet, l énergie de formation de ces défauts est relativement stable (légère décroissance) durant la maturation d où une évolution peu importante de la sursaturation. On peut noter que pour ce type d implantation peu profonde et non amorphisante (B + 2keV, cm -2 ), le retour à un régime d équilibre se fait sans formation de boucles de dislocations (influence significative de la surface). Sursaturation Régime clusters d interstitiels I 2 +I I 3, I 3 +I I 4 etc Sursaturation à700 C Régime de maturation {311} Dissolution {311} Temps (s) Figure I.33 : Evolution de la sursaturation à 700 C due à une implantation B + 2 kev /cm 2 en fonction du temps de recuit [LEN00] iii Les agglomérats bore-interstitiels Lorsque les concentration en interstitiels et en bore deviennent élevées (notamment au niveau du Rp), des clusters de bore-interstitiels (B n I m ) sont formés. Ce type de clusters ne peut être observé ni par MET, ni par rayons X, car ils ne sont généralement constitués que de quelques atomes. Par contre des analyses par photoluminescence ont pu les mettre en évidence [GIR01]. De nombreux papiers dédiés à l étude de ces clusters utilisent des marqueurs de bore déposés par épitaxie [MAN02] [STO95]. De fortes concentrations d interstitiels sont générés par des implantations de silicium ou de germanium de telle sorte que la zone perturbée par l implantation recouvre les premiers marqueurs déposés. Dès les premières secondes du recuit, on observe la présence de pics de bore immobile sur les marqueurs touchés par l implantation témoignant de la formation des clusters boreinterstitiels pour des concentrations en bore inférieures à la limite de solubilité (cf. figure I.34). 49

50 Profil initial d interstitiels Profil B final Profil B initial B immmobile B mobile Figure I.34 : Représentation schématique du mécanisme de précipitation du bore en présence d'une forte sursaturation initiale d'interstitiels [PEL97] Il est important de noter que le bore contenu dans ces précipités est électriquement inactif, ce qui est problématique pour la formation de jonctions ultrafines activées. Pelaz suggère la formation d un précurseur BI 2 immobile correspondant à la réaction entre un B s et un di-interstitiel lors des premiers instants du recuit. B S + I 2 BI 2 Équation I.38 Lorsque la sursaturation est élevée, ces précipités vont dans un premier temps évoluer vers des clusters du type B 2 I 2, B 3 I 3, B 4 I 4 Ensuite ces mêmes agrégats vont émettre des interstitiels pour entretenir la sursaturation (formation de B 3, B 4 I, B 4 ). Pelaz a mis au point un modèle permettant de prévoir l évolution de ces précipités (cf. figure I.35). La dissolution de tels précipités nécessite des recuits de plusieurs heures à 800 C et subsiste bien après la dissolution des défauts 311. Figure I.35 : Représentation schématique de l évolution des clusters bore-interstitiels [PEL97] I A.c La coimplantation de fluor La coimplantation de fluor avec le bore pour les jonctions des transistors PMOS est utilisée dans les technologies actuelles pour limiter la TED. Mise à part, la possibilité de s affranchir des problèmes d implantation à très basse énergie par l utilisation de l ion BF 2 +, de nombreux papiers appuient l hypothèse selon laquelle le fluor diminue la diffusion anormale du bore. Néanmoins la compréhension des mécanismes à l origine de cette diminution est sujette à de nombreux débats au sein de la communauté scientifique. L objectif de ce chapitre est donc de présenter 50

51 succinctement les différentes approches défendues. La difficulté de ce travail provient de la grande diversité des conditions expérimentales (implantation et recuit) qui peuvent conduire à des tendances contradictoires. Tout d abord, la coimplantation de fluor se fait soit par utilisation de l ion BF + 2, soit par implantations successives de fluor et de bore. Cette seconde approche présente l avantage de permettre une plus grande flexibilité concernant la localisation et la dose de fluor par rapport à l espèce dopante. Toutefois ce point positif est en contre partie atténué par un temps de procédé beaucoup plus long. Des spectres RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) ont montré que + l utilisation du BF 2 génère une concentration de défauts plus importante et plus profonde dans le substrat que l implantation successive de fluor et de bore à énergie et doses équivalentes [NOD04]. Cette différence d amorphisation du silicium conduit bien entendu à des divergences de comportement des dopants lors du recuit d activation. Lors d une coimplantation séparée du fluor et du bore, une préamorphisation peut être préalablement effectuée par implantation de silicium ou de germanium. L hypothèse d une validité du modèle «+1» permet d affirmer que la + coimplantation de fluor par implantation de l ion BF 2 introduit trois fois plus d interstitiels dans le cristal que l utilisation de l ion B +. Lors des premiers instants du recuit, des paires mobiles Si-F vont se former et diffuser vers la surface. Lenoble considère que la sursaturation supplémentaire introduite par l implantation de fluor est annihilée par ce mécanisme [LEN00] ; la population d interstitiels libres est donc identique à celle existante lors d une implantation équivalente de B +. Shauly [SHA04] a mis en évidence une augmentation de la solubilité du bore en présence de fluor. Parallèlement Lenoble observe la disparition du pic de bore immobile caractéristique d une concentration de dopants supérieure à la solubilité limite. Ces deux phénomènes permettent d expliquer l exodiffusion accrue du bore en présence de fluor évoquée dans la littérature [NOD04, LEN00]. En effet, en évitant la précipitation du bore (formation de BICs) et cela même pour des concentrations supérieures à la solubilité limite du bore, le fluor favorise l exodiffusion de ce dernier. La profondeur de la jonction ainsi formée est diminuée, toute comme la dose restante de dopant (augmentation du Rs). [NOD04], tout en évoquant la formation des paires mobiles Si-F, considère aussi la formation de précipités F x I y évoluant selon le modèle de Pelaz appliqué aux complexes B x I y (cf. chapitre précédent). Halimaoui [HAL04] et Robertson [ROB00] observent aussi une diminution de la TED, mais l attribuent à une intéraction du fluor avec le bore permettant d atténuer le mécanisme de «kick out» responsable de la diffusion accélérée du bore. Toutefois la compréhension de ce mécanisme nécessite des travaux approfondis. Enfin des travaux ont montré que le fluor permet de réduire la formation des EOR [MIN94], [BON96]. Grâce à une technique de comptage statistique, Minondo a montré qu une concentration de fluor de at/cm -3 au niveau des EOR inhibe grandement la nucléation des boucles de dislocation. De nombreuses études ont permis de mettre en évidence une forte ségrégation du fluor sur ces défauts [LEN00, GRA04, SHA04]. Alors qu Impellizerri [IMP04] avance une stabilisation des défauts conduisant à une diminution de la TED (diminution de la quantité d interstitiels émis), Shauly invoque plutôt une désactivation de ces mêmes défauts par le fluor et donc une augmentation de la mobilité. 51

52 Pour conclure, l influence du fluor sur la diffusion et l activation du bore demeure un sujet très controversé. En effet, beaucoup de théories ont été développées et permettent d expliquer bons nombres de résultats expérimentaux. Néanmoins selon les protocoles expérimentaux, les mécanismes mis en jeu semblent différents et il est très difficile de tirer des conclusions générales. On peut toutefois extraire les principales réactions décrites dans ces travaux : F + I FI Équation I.39 F + B FB Équation I.40 F + F x I y F x+1 I y Équation I.41 Tous ces mécanismes entrent en compétition lors du recuit d activation. Des équilibres se créent et engendrent des variations de la sursaturation locale en interstitiels. Un paramètre important à prendre en compte est la localisation du profil de fluor par rapport au bore, en particulier dans le cas du PLAD où les deux profils présentent des allures spécifiques. I.2.3 Le recuit d activation La formation de jonctions ultra fines fortement activées constitue un challenge majeur en microélectronique. Pour atteindre les spécifications fournies par l International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) [ITRS03], les budgets thermiques associés au procédé du recuit d activation ne cessent de diminuer. Sachant qu une diminution de température conduit à une diminution de la solubilité limite du dopant sans s affranchir des mécanismes de diffusion assistée par interstitiels, il est nécessaire d utiliser des températures élevées tout en réduisant le temps du recuit. C est pourquoi les rampes de montée et de descente en température doivent être maximales. Actuellement, la formation des zones source/drain (S/D), des extensions S/D (LDD) et l activation électrique de la grille en polysilicium des transistors CMOS sont réalisées par implantation ionique suivie d un recuit rapide à haute température (RTP : Rapid Thermal Process). Néanmoins l association de ces deux techniques semble atteindre ses limites pour les prochains n uds technologiques. A la manière du dopage par plasma développé pour améliorer les performances des implanteurs ioniques standards, de nouveaux types de recuit ont été mis au point pour remplacer les équipements RTP actuels. I Les différentes familles d équipements I A Le recuit rapide standard (RTP) Les équipements RTP actuellement utilisés pour les recuits d activation sont aussi utilisés pour les procédés de croissance (oxydes et oxynitrures). Ils permettent à la fois d effectuer des recuits avec plateau et des recuits «spike» (cf. figure I.36). La plaque de silicium est chauffée de façon radiative sur la face avant par des lampes tungstènes ou halogènes disposées en nid d abeilles. Elle est en rotation afin de 52

53 garantir une bonne uniformité du procédé. Un balayage de gaz inerte (N 2 ou H 2 ) permet d assurer une bonne conductivité thermique dans la chambre de procédé et de refroidir la plaque lors de la descente en température. La mesure de la température est assurée par des pyromètres situés radialement en face arrière. Néanmoins lors du recuit, la présence de motifs ou de films sur la plaque peut modifier l émissivité de celle-ci et ainsi perturber les pyromètres. Dans le cas des recuits spike, le contrôle de la température est d autant plus critique et nécessite un important travail d optimisation. En effet, les rampes plus agressives (jusqu à 250 C/s en montée et 100 C/s en descente) et l absence de plateau requièrent un contrôle de température plus efficace et plus rapide pour un même contrôle de procédé. Figure I.36 : Profils de température obtenus sur un four RTP lors d un recuit spike et un recuit standard avec plateau Le passage du recuit plateau au recuit spike sur les équipements RTP standards a permis de prolonger dans le temps l association implantation standard- RTP pour la fabrication des jonctions ultra fines. Néanmoins les spécifications actuelles pour les transistors CMOS 65nm et en deçà ne sont plus atteintes. C est pourquoi l utilisation de recuits spike standards pour les prochaines années passent nécessairement par des profils implantés beaucoup plus fins que ceux qui sont actuellement réalisables sur ULE. C est ainsi que lors de cette thèse, le dopage par plasma a été testé avec des recuits spike sur RTP afin d atteindre les besoins de la technologie 65nm. Toutefois en vue de préparer les générations avancées de transistors (45nm et au delà), les équipementiers travaillent activement sur des fours capables de supplanter les performances des RTP actuels, à savoir des températures plus élevés tout en minimisant le budget thermique par des durées de recuit beaucoup plus courtes. De cette façon, les recuits Flash et lasers ont été développés et offrent à ce jour des résultats très encourageants même s ils sont ne pas encore industrialisés. I B Le recuit Flash Le recuit développé par l équipementier Vortek dit «recuit flash» consiste dans un premier temps à chauffer la plaque de silicium à l aide d une lampe à arc jusqu à une température dite intermédiaire Ti autour de 700 C (rampe de montée comparable au recuit spike). Ensuite l utilisation d une lampe flash à haute énergie permet de fournir une puissance instantanée très importante et d atteindre des rampes de température en montée et en descente proche de 10 6 C/s. Lors du flash, seule une couche superficielle du substrat est chauffée (jusqu à 1300 C), ensuite la chaleur est principalement dissipée par conduction thermique dans le substrat jusqu à T i. Enfin, le 53

54 retour à température ambiante s effectue comme pour un recuit spike par radiation (utilisation de gaz inertes). Cet équipement a été testé au cours de cette thèse en combinaison avec le dopage par plasma. En terme de compromis R s /X j, nous montrerons que les résultats sont inégalables avec les procédés actuels. Toutefois, son industrialisation nécessite une amélioration du contrôle du procédé (en particulier de l uniformité, choc thermique de la plaquette). I C Le recuit laser Il existe deux grandes familles d équipements utilisés pour les recuits lasers selon qu il y ait ou non fusion de la surface du substrat. Toutefois, la principale caractéristique de ce type de recuit est l utilisation d un faisceau laser venant balayer la plaque de silicium. Les jonctions ainsi obtenues sont particulièrement fines, abruptes et peu résistives. L industrialisation de tels équipements est néanmoins difficile car elle nécessite d important changements dans l architecture des transistors (diffusion des dopants sous la grille difficile, désactivation éventuelle des dopants ). De plus, les jonctions formées sont métastables (particulièrement pour l arsenic) ce qui peut conduire à une désactivation significative des dopants lors des procédés ultérieurs. La technique GILD (Gas Immersion Laser Doping) consiste à immerger la plaque de silicium au sein d un gaz précurseur de façon à adsorber les molécules de dopant. Ensuite des impulsions lasers vont permettre à la fois de dissocier et d incorporer les molécules de dopant au sein du substrat fondu en surface. Les caractéristiques de la jonction (dose incorporée, profondeur) vont ainsi dépendre de la densité d énergie et du nombres de pulses du laser. Néanmoins plusieurs inconvénients rendent l intégration de cette technique difficile : les interactions dopant/surface sont caractéristiques de chaque gaz dopant, la dose incorporée n est pas linéaire avec la pression utilisée Actuellement les nouveaux équipements de recuit laser sans fusion (non melt laser annealing) permettent la réalisation de jonctions activées particulièrement fines. Le budget thermique étant particulièrement faible, les profils recuits sont quasiment identiques aux profils post-implantation. Une centaine de pulses est appliquée localement et conduit à un chauffage superficiel du substrat. Les progrès actuels réalisés en optique permettent de s affranchir en partie des problèmes d uniformité du procédé avec le type de substrat et la topographie des motifs sur la plaque de silicium. Le procédé laser peut être réalisé après un recuit spike pour augmenter l activation des dopants. Cette approche permet de conserver une architecture standard tout en améliorant les performances des transistors CMOS [FUN04], même si elle nécessite des temps de procédé plus long (deux étapes au lieu d une seule). Pour conclure, des travaux récents ont permis de montrer des résultats très encourageants [SHI04], mais la guérison des défauts induits par l implantation reste difficile lorsque ce procédé n est pas précédé d un recuit sur RTP. En effet, les valeurs de courant de fuite des dispositifs sont pour l instant trop élevées. Enfin, le balayage complet de la plaque de silicium nécessite des durées de procédé peu compatibles avec les besoins actuels de production. 54

55 I D récapitulatif spike (RTP) flash laser (sans fusion) source de lampe tungstène ou chaleur halogène lampe flash laser pulsé T max 1100 C 1300 C 1400 C t(t max -50) 1s 10-3 s 10-4 s T=f(t) T=f(d) Tableau I..4 : Récapitulatif des caractéristiques des différents types de recuit t(t max -50) : durée entre la température maximale et la température maximale moins cinquante degrés Celsius T=f(t) : profil de température en fonction du temps T=f(d) : profil de température en fonction de la profondeur du substrat Pour conclure, de nouveaux candidats tels que le recuit flash et le recuit laser sans fusion constituent des candidats potentiels pour améliorer les caractéristiques des jonctions pour les futures générations de transistors. Toutefois, le manque de maturité des équipements et les modifications d architecture à prévoir constituent actuellement des inconvénients majeurs à leur intégration. I L épitaxie en phase solide Une des solutions envisagées pour limiter l influence négative des défauts d implantation sur la diffusion est d activer les dopants par épitaxie en phase solide (Solid Phase Epitaxy : SPE). La technique consiste dans un premier temps à amorphiser le substrat par implantation de silicium ou de germanium. Les dopants sont à leur tour implantés à basse énergie de telle sorte que le profil soit inclus dans la zone amorphisée. Enfin un recuit à basse température (entre 700 et 800 C pendant quelques minutes) va permettre de recristalliser le silicium tout en incorporant les dopants en site substitutionnels. Un avantage majeur de cette technique basse température est qu elle est compatible avec l utilisation de matériaux diélectriques high-k comme oxyde de grille (cristallisation aux températures actuelles de recuit d activation) et les grilles 55

56 métalliques. Toutefois, la préamorphisation conduit à la formation de défauts résiduels (End Of Range : EOR) liés à un excès d interstitiels situés au-delà de l interface amorphe-cristal et dont la dissolution est impossible avec des budgets thermiques si faibles. Le procédé d épitaxie en phase solide permet un taux d activation des dopants supérieur à celui obtenu par activation thermique classique par RTP : les dopants peuvent donc être activés au-delà de la valeur de solubilité limite lors de la recristallisation. Vu les budgets thermiques mis en jeu, la diffusion des dopants est quasi nulle. Ces deux avantages permettent de réaliser des jonctions particulièrement actives et fines. De plus, comparée à d autres techniques telles que le recuit flash ou le recuit laser, la SPE ne nécessite aucun nouvel équipement. Néanmoins les jonctions formées par SPE sont dans un état métastable, il est donc nécessaire de limiter au maximum les budgets thermiques supplémentaires afin d éviter la désactivation des dopants. La non diffusion des profils implantés constitue une difficulté supplémentaire quant à la diffusion nécessaire sous la grille. En effet vu qu il est nécessaire d assurer un contact entre le canal et l extension source drain, les implantations doivent être effectuées avec des angles de tilt significatifs. Les implantations «poches» doivent aussi être modifiées pour prendre en compte les nouvelles caractéristiques des extensions source drain formées par SPE. Enfin la grille est prédopée et un recuit spécifique doit être ajouté avant l implantation des SDE pour garantir une déplétion et une activation suffisante de celle-ci. Malgré toutes ces précautions, la formation des défauts EOR localisés à l interface cristal-amorphe constitue le frein important à l intégration de la SPE, en effet les courants de fuite des transistors obtenus sont généralement plus élevés que ceux obtenus avec un procédé standard (implantation ULE et recuit RTP). Même s il n est pas envisageable de dissoudre ces défauts à 800 C, l autoamorphisation du silicium par des dopants à masse élevée (BF + 2, As + ) permet de réduire considérablement la densité des EOR. En effet, ces ions lourds vont à la fois permettre d introduire la quantité de dopant désirée et d engendrer simultanément une amorphisation suffisante pour la SPE. Des résultats particulièrement encourageant ont déjà été obtenus sur des transistors PMOS par utilisation d ions BF + 2 [ELF04]. I Conclusion Pour conclure, ce chapitre a permis de présenter des procédés envisagés pour la fabrication des jonctions ultra fines des prochaines générations de transistors. Même si elles ne sont pour l instant pas industrialisées, ces techniques permettent une amélioration significative du compromis R s /X j des jonctions. Toutefois, des modifications plus ou moins importantes de l enchaînement des étapes de fabrication du transistor devront être mises en place selon le choix de la technique. C est dans l optique d une intégration simplifiée que notre choix s est porté sur la combinaison du dopage par plasma et du recuit flash. En effet, nous montrerons que cette stratégie permet de conserver un enchaînement similaire à celui actuellement utilisé tout en profitant du gain apporté par les deux techniques respectives. 56

57 I.2.4 Les méthodes de caractérisation A l'approche des dimensions nanométriques se pose le problème des méthodes de caractérisation physique et électrique des matériaux ou dispositifs. L'optimisation des méthodes d'analyse standards ou le développement de nouvelles techniques d'analyse deviennent alors nécessaires pour s'assurer de la précision de la grandeur mesurée. Le cas des jonctions ultra-fines en est une parfaite illustration. Les paramètres principaux d'une jonction étant R j et X j, nous avons choisi d'utiliser la mesure des résistances de couche (R carré ), la Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS), et la mesure par onde thermique (Thermawave). I La mesure de la résistance de couche La mesure quatre pointes ou mesure de résistance de couche permet de mesurer la résistivité des substrats et des couches minces et, par conséquent, le niveau de dopage du silicium. Cette méthode simple est largement répandue dans l industrie du semiconducteur pour le suivi des équipements d implantation. En effet, plusieurs dizaines de mesures de résistance de couche peuvent être réalisées sur une même plaque de silicium en un temps relativement réduit (quelques minutes), ce qui permet d accéder à l uniformité du procédé étudié. Tout d abord l échantillon à analyser doit être recuit après implantation pour guérir le réseau cristallin et activer les dopants. La méthode consiste à mesurer la tension V aux bornes de deux contacts lorsqu un courant I, de valeur connue est injecté par deux autres contacts. On peut ainsi en déduire la valeur de la résistance de couche R s : V R S Équation I.42 ln2 I R s : résistance de couche exprimée en / (résistance par unité de surface) On peut remarquer que cette formule, obtenue grâce à un calcul électrostatique de la répartition des lignes de champ sous les pointes, est valable pour des épaisseurs faibles (au moins deux fois inférieures à la distance inter pointes) et en supposant que l échantillon est uniformément dopé. Connaissant l épaisseur de la couche dopée que l on peut assimiler à la profondeur de la jonction X j, on en déduit la résistivité : RS X j Équation I.43 De la valeur de la résistivité, on en déduit le dopage actif moyen N (exprimé en cm -3 ) de la couche : 57

58 1 N Équation I.44 q Néanmoins cette formule est uniquement valable en première approche. En effet, la mobilité des porteurs varie avec N. Pour plus de précision, il est aussi utile de prendre en compte un dopage actif dépendant de la profondeur x du substrat. L expression de R s devient alors une intégrale à considérer sur toute la profondeur de la jonction : Xj dx R S Équation I.45 0 q N(x) (N(x)) L utilisation de cette formule sera utilisée dans la partie II pour estimer la valeur de R s à partir de profils SIMS. Or les résultats extraits de cette étude semblent révèler une dégradation de la précision de la mesure pour les jonctions inférieures à 20nm. I L analyse par Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires La spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) permet de réaliser des profils en profondeur de dopants ou de contaminants présents en faible quantité dans une matrice semi-conductrice. C est pourquoi cette technique est rapidement devenue un outil indispensable en microélectronique. Toutefois, malgré les progrès considérables réalisés en particulier en terme de résolution en profondeur (quelques nanomètres seulement), la méthode semble atteindre depuis peu ses limites pour la caractérisation des jonctions fines. Lors de l analyse SIMS, un faisceau d ions primaires possédant une énergie de quelques kev est focalisé sur la surface d un échantillon placé dans un vide poussé. Sous l impact des ions primaires, des cascades de collisions sont induites sur la surface de l échantillon, conduisant à l émission de diverses espèces parmi lesquelles on trouve des photons, des électrons, des atomes neutres et enfin des ions monoatomiques ou polyatomiques. Les ions dits secondaires (par comparaison aux ions primaires issus de la source) émis par l échantillon constituent la source d information de l analyse SIMS (cf. figure I.37). Ils sont accélérés et focalisés grâce à une lentille d extraction, triés en énergie grâce à un champ électrostatique puis triés en masse par un champ magnétique. On peut ainsi discriminer les différentes espèces pulvérisées selon le rapport de leur masse sur leur charge et avoir des informations sur la composition de l échantillon. L érosion inhérente à la pulvérisation permet de pratiquer une analyse en profondeur de l échantillon, c'est-à-dire de collecter les ions secondaires en fonction du temps pour obtenir un profil de concentration en profondeur. 58

59 Figure I.37 : Interaction d'un ion primaire avec une cible solide et processus de pulvérisation. La technique SIMS est basée sur l'analyse spectrométrique de la masse des ions pulvérisés Le rendement d'ionisation et l'énergie des ions secondaires émis sont fortement dépendants de l'ion primaire utilisé, de son énergie et de son angle d'incidence. Afin de maximiser le rendement d'ionisation (donc le rapport signal/bruit), des ions réactifs tels que Cs + ou O 2 + sont utilisés. Lors des premiers instants de l analyse, un régime transitoire s instaure et l'état d'équilibre n est atteint que lorsque le flux d'espèces réactives incident est égal aux pertes par pulvérisation ou désorption. La période nécessaire à l'établissement de l'équilibre correspond à une épaisseur de matériau pulvérisé sur laquelle le signal n'est pas quantitativement exploitable. Or cette épaisseur atteint plusieurs nanomètres, ce qui rend l exploitation des résultats particulièrement difficiles pour des jonctions ayant parfois des profondeurs inférieures à la vingtaine de nanomètres. Pour réduire la durée de la période transitoire et améliorer la résolution en profondeur, l énergie incidente du faisceau d ions primaire est réduite et l angle d incidence avec la normale est augmenté. Lors de nos travaux un équipement SIMS Cameca à analyseur quadrupolaire ImsWF a été utilisé. L analyse des jonctions dopées arsenic a été réalisée en utilisant un faisceau d ions Cs + d énergie 550eV avec 44 d angle d incidence, alors que les jonctions dopées bore ont été caractérisées avec un faisceau d ions O 2 + d énergie 500eV avec 45 d angle d incidence. I La mesure thermawave (onde thermique) La mesure thermawave est une mesure physique de la quantité de défauts générés par implantation. Contrairement à la mesure de résistance de couche, elle est effectuée sans avoir recours à un recuit d activation afin de conserver le désordre cristallin induit par l implantation. Tout matériau possède un indice de réfraction propre, celui du silicium (n Si = 3,53) va dépendre étroitement des dopants implantés. Le principe de la technique est de corréler la dose de dopants implantés avec les modifications induites sur cet indice de réfraction. Ces variations d indice sont mises en évidence par la réflexion d un faisceau laser. Pour comprendre le principe de la technique, considérons ce qui se produit quand un laser excite la surface d un semi-conducteur (cf. figure I.38). Si l énergie E dépasse l énergie de gap E g du silicium, les électrons de la bande de valence sont excités à une énergie de E-E g au-dessus de la bande de conduction. Ces porteurs libres photo-excités, d une durée de vie de quelques dizaines de picosecondes, restituent cette énergie à travers des transitions non radiatives et se placent à des états non occupés de la bande de conduction. Ces transitions donnent naissance à une onde thermique. Après un temps plus long, typiquement de l ordre de la microseconde, ces 59

60 électrons excités se recombinent avec les trous dans la bande de valence, émettant l énergie restante Eg à travers le réseau. Figure I.38 : diagramme de bandes d énergie du silicium sous excitation laser En pratique, deux lasers sont utilisés pour effectuer la mesure. Un premier laser, le laser pompe, excite la surface du wafer à une fréquence de 1 MHz. L onde thermique incidente va induire des oscillations de température à la surface de la plaque de silicium. Or la proportion de chaleur dissipée par le silicium diminue lorsque le réseau cristallin est endommagé. Ainsi l augmentation de température engendrée va provoquer une modification de l indice de réfraction, qui pourra être détectée par le second laser (appelé laser sonde) également focalisé sur la zone échauffée. En effet, un photodétecteur permet de quantifier la composante réfléchie du laser sonde et d en déduire la quantité de défauts présents dans le substrat. La valeur obtenue peut ensuite être corrélée avec la dose implantée. 60

61 I.3 CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons tout d abord présenté le procédé d implantation ionique et les limites inhérentes à cette technique en particulier pour la formation des jonctions ultrafines nécessitant l utilisation d une très faible énergie d implantation. Ensuite les solutions actuellement utilisées telles que la mise en place d un étage de décélération au sein de l implanteur et l implantation d ions moléculaires ont été décrites, cependant toutes deux présentent des inconvénients (contamination énergétique, génération de défauts ) et ne semblent plus en mesure de relever les nouveaux challenges technologiques. C est pourquoi nous avons choisi d étudier et de développer de nouveaux procédés à l aide d une technique alternative à l implantation ionique pour la réalisation de jonctions adaptées aux technologies avancées : le dopage par plasma ou PLAD. La théorie associée à cette technique ainsi que les spécificités d une implantation réalisée par PLAD ont été détaillées. De cette façon, nous avons pu mettre en évidence la possibilité de s affranchir des problèmes rencontrés en implantation ionique standard. Le principe de fonctionnement des transistors CMOS mais aussi des transistors CMOS pour applications imageur a été également décrit afin de relever les défis liés à l implantation à basse énergie pour ces dispositifs de référence de la microélectronique sur lesquels nous avons travaillé. Dans le cas du transistor CMOS digital largement traité dans ce manuscrit nous avons pu identifier les différents paramètres de la jonction qui influencent les performances électriques du transistor. Au final, il apparaît que la jonction idéale peut être définie comme ultrafine, faiblement résistive et présentant des courants de fuite acceptables. Dans le cas du transistor CMOS pour applications imageur, la jonction est située sous l espaceur afin de permettre la recombinaison d électrons parasites, elle doit à la fois être très fine et peu dopée afin de ne pas perturber le transfert des photoélectrons vers le canal. Dans la partie suivante consacrée à la diffusion dans le silicium, nous avons tout d abord présenté les notions fondamentales de base nécessaires à la compréhension des mécanismes de diffusion mis en jeu lors du recuit d activation. Les propriétés des dopants usuels ont aussi été discutées afin de justifier notre choix portant sur l utilisation de l arsenic pour le dopage de type N et du bore pour le dopage de type P en vue de fabriquer des jonctions ultra-fines. Une étude bibliographique approfondie a permis de réaliser une synthèse des différents travaux traitant de la diffusion anormale du bore. Grâce à cette approche, nous avons pu apprécier des concepts clefs tels que la formation de paires BI mobiles, de précipités B x I y et la sursaturation d interstitiels ainsi que leur impact sur l amplitude de la diffusivité transitoire. La volonté de limiter la diffusion du dopant tout en garantissant une activation maximale a conduit les équipementiers à développer différentes méthodes de recuit dont les avantages et les inconvénients ont aussi été traités. Enfin la nécessité de caractériser les jonctions implantées avant et après recuit nous a conduit à utiliser des méthodes d analyse dont nous avons décrit les principes de fonctionnement et les limitations. 61

62 CHAPITRE II : LE PROCEDE USJ La jonction «idéale» capable de réduire les effets parasites des transistors courts peut être définie comme ultrafine et peu résistive avec un faible courant de fuite. Ces deux propriétés permettent respectivement de minimiser les effets canaux courts et de réduire les résistances séries du dispositif. L objectif de ce chapitre est de décrire à la fois les méthodes mises en uvre et les principaux résultats de nos travaux dont le but est de répondre à ce challenge technologique. Afin d étudier avec précision l évolution des caractéristiques des jonctions fabriquées en fonction des paramètres expérimentaux tout en minimisant le nombre d expériences, nous avons utilisé la méthodologie des plans d expérience ou DOE (Design Of Experiments). En plus de permettre l optimisation des procédés d implantation et de recuit, l interprétation de ces résultats a également contribué à mettre en évidence des mécanismes spécifiques selon la technique d implantation (PLAD ou ULE) en particulier pour les jonctions P + /N. Un paragraphe est d ailleurs dédié à la compréhension de ces mécanismes liés à la diffusion anormale du bore. Des marqueurs de bore enterrés ont été utilisés afin de suivre l évolution de la sursaturation d interstitiels au cours du recuit d activation des jonctions. Puis une stratégie combinant le PLAD et un recuit avancé de type flash est aussi proposée afin de répondre aux futures spécifications des transistors CMOS 45nm et 32nm. Ensuite pour la première fois à notre connaissance, des jonctions N + /P implantées par PLAD ont été élaborées en vue d être intégrées sur des dispositifs CMOS actuels. Deux types de recuit RTP ayant des rampes en température différentes ont été mis en uvre pour l activation de l arsenic. L impact de ces rampes a pu être évalué et corrélé avec les données de la littérature. Une étude approfondie de l influence de l oxygène lors du recuit d activation a été menée et a permis d interpréter des tendances parfois surprenantes liées à la perte de dopant. Enfin une comparaison des jonctions élaborées par les deux techniques de dopage usuelles a souligné l intérêt du dopage par plasma. Pour conclure, la compréhension des mécanismes mis en jeu et l optimisation des procédés réalisés lors de nos travaux ont pour finalité de déterminer un procédé PLAD intégrable sur une plateforme 65nm pour la fabrication des jonctions P + /N et N + /P. 62

63 II.1 LES JONCTIONS P+/N Comme décrit dans le chapitre d introduction, le bore est le dopant privilégié pour la réalisation des jonctions P + /N, néanmoins sa diffusion anormale constitue une difficulté importante pour la fabrication de jonctions ultra fines et peu résistives. Ce chapitre présente les principaux résultats obtenus par PLAD combiné à un recuit de type spike. L activation du bore est également étudiée. Ensuite la comparaison des caractéristiques des jonctions fabriquées par PLAD et ULE a permis d extraire des tendances spécifiques à chaque technique. Des scénarios concernant les mécanismes de diffusion et d activation respectifs induits par PLAD ou ULE sont ensuite proposés. Des travaux dédiés à l étude de la diffusion du bore par utilisation de marqueurs de bore enterrés ont permis de confirmer certaines de nos hypothèses. Enfin des résultats concernant la combinaison du PLAD avec un recuit avancé de type Flash est aussi étudié afin d anticiper les futurs besoins pour les prochaines générations de transistors. II.1.1 Les conditions et les résultats expérimentaux L optimisation des conditions expérimentales d implantation par PLAD et de recuit a été réalisée par plan d expériences (méthodologie décrite dans l annexe 1). Les bornes expérimentales de chacun des paramètres, à savoir la tension d accélération appliquée à la cathode, la dose implantée et la température maximale de recuit sont contenues dans le tableau II.1. Le recuit spike utilisé pour le plan d expérience a été réalisé sur un RTP dont les rampes en température sont 75 C/s en montée et 50 C/s en descente. valeur minimale valeur maximale tension d accélération dose implantée température maximale du recuit spike 130V 1, C 670V C Tableau II.1 : bornes expérimentales des trois variables d entrée pour les implantations PLAD BF 3 II.1.2 Les modèles issus du plan d expérience Les modèles obtenus pour la profondeur de jonction X j et la résistance de couche R s sont particulièrement précis (cf. figure II.1), en effet les coefficients de corrélation linéaire R 2 exprimés en % obtenus par comparaison entre les valeurs expérimentales et les valeurs modélisées selon l équation II.1 sont supérieurs à 98% pour X j et 97% et R s. En fait l incertitude maximale sur les valeurs du modèle est de 4% pour X j et de 8% pour R s, soit de l ordre de grandeur de l incertitude de mesure pour les deux paramètres. 63

64 R 2 1 (y i y i,calc ) 2 / (y i y moy ) Équation II.1 y i : valeur expérimentale de la i ème expériences y i,calc : valeur modélisée de la i ème expériences y moy : moyenne arithmétique des valeurs expérimentales yi y moy N N : nombre total d expériences Équation II Xj modèle (nm) Rs modèle (nm) Xj experimental (nm) Rs experimental (nm) Figure II.1 : comparaison des valeurs expérimentales et modélisées de X j et R s des implantations PLAD La figure II.2 permet d évaluer l influence de chacun des paramètres sur X j et R s. Pour les trois représentations graphiques, un des paramètres expérimentaux varie de sa valeur basse à sa valeur haute, les deux autres paramètres étant fixés à leur valeur médiane. On constate que l augmentation de la tension, de la dose ou de la température conduit à une augmentation de la profondeur de jonction (entre 6 et 10nm) et à une diminution de la résistance de couche (entre 1200 / et 1500 / ). Figure II.2 : représentation de l évolution de la profondeur de jonction et de la résistance de couche en fonction de chacun des paramètres expérimentaux des implantations PLAD En effet, la dose et la tension vont fixer l allure du profil après implantation, l augmentation de l un de ces deux paramètres (ou des deux) conduit à une augmentation de la profondeur de la jonction implantée. La quantité de porteurs actifs est augmentée avec l augmentation de la dose de dopant, d où une diminution de la résistance de couche. Ensuite l augmentation de la température maximale du recuit spike va conduire à une augmentation du budget thermique et donc à une diffusion plus importante du profil après implantation, la profondeur de jonction est donc augmentée. Cette augmentation du budget thermique conduit aussi à une meilleure 64

65 activation, donc à une diminution de la résistance de couche. Il nous reste donc à déterminer, via l utilisation des modèles mathématiques, les conditions expérimentales optimales permettant de favoriser un gain d activation tout en limitant la diffusion du dopant. Nous nous attacherons alors à identifier les mécanismes physiques à l origine de cette amélioration du compromis R s /X j. Figure II.3 : évolution de X j et R s en fonction de la température pour des implantations PLAD à 200V, 300V et 400V avec une dose de cm -2 L utilisation des deux modèles obtenus pour la profondeur de jonction extraite pour une concentration de cm -3 de dopant et la résistance de couche permet de représenter R s et X j en fonction des paramètres expérimentaux. La figure II.3 représente l évolution des deux réponses étudiées en fonction de la température pour des implantations dont la dose est cm -2 et des tensions d accélération de 200V, 300V et 400V. Comme prévu, X j augmente et R s diminue avec la température quelle que soit la tension appliquée. Les courbes présentent une tendance quasi linéaire sur le domaine expérimental étudié. II.1.3 Exploitation des modèles et interprétations II Mise en évidence de la perte de dose L exploitation des analyses SIMS permet de calculer la dose chimique de dopant par intégration mathématique des profils. Il est donc possible de modéliser cette dose calculée en fonction des différents paramètres expérimentaux. Il apparaît que la dose expérimentale nominale et la tension d accélération sont les deux paramètres influents sur la dose chimique calculée. L influence de la température de recuit n est pas significative. 65

66 Figure II.4 : représentation graphique tridimensionnelle de la dose calculée par SIMS en fonction de la tension d accélération et de la dose expérimentale à 1050 C La figure II.4 montre qu à très basse tension la quantité de dopant dans le silicium évolue peu avec l augmentation de la dose expérimentale, nous observons une saturation de la dose incorporée. Tout d abord l utilisation d une atmosphère non oxydante pour le recuit d activation conduit à une exodiffusion plus importante de dopant (pas de couche de «rétention» SiO 2 en surface). De plus, la gravure du silicium à haute température constitue le mécanisme de perte de dopant principal en présence d une très faible quantité d oxygène (oxygène résiduel dans notre cas, cf. équation I.34). Dans le cas du dopage par plasma, la formation d un pic de dopant en surface va accentuer ce phénomène. Malgré le fait que la polarisation de la cathode soit pulsée pour limiter les mécanismes de gravure lors de l implantation, on ne peut s affranchir totalement du phénomène en particulier lors de l utilisation d espèces fluorées connues pour être très réactives. A très faible tension, une partie de la dose implantée peut donc être auto pulvérisée. Des travaux ont pu mettre en évidence un tel mécanisme lors d implantation ionique de bore à très basse énergie [AGA00], [ALB00]. Comme dans le cas du PLAD, la perte de dose est d autant plus importante que l énergie équivalente de bore est faible et que la dose est élevée Dose implantée (at/cm 2 ) BF ev Dose nominale (at/cm 2 ) Figure II.5 : Modélisation du phénomène de pertes de dose d'une implantation de BF 2 + à 500eV effectuée avec le logiciel TRIM (incidence des ions normale) [LEN00] Sur la figure II.5, la dose réellement implantée est comparée à la dose nominale pour une implantation ULE BF eV. La perte ne devient significative qu'à partir de doses supérieures à at/cm 2 et demeure largement moins élevée que celle que nous observons sur la figure II.4 pour des doses comparables (entre at/cm 2 et at/cm 2 ). Même si dans le cas du dopage par plasma les conditions de procédé (notamment la pression) peuvent à la fois modifier la 66

67 distribution énergétique, la nature et l angle d incidence des ions extraits du plasma, nous pouvons considérer que l auto-pulvérisation n est pas la cause principale de la divergence entre la dose nominale et la dose intégrée à partir des profils SIMS de nos jonctions activées. La perte de dopant significative observée pour de basses tensions d accélération (<500V) a donc principalement lieu pendant le recuit d activation par exodiffusion et gravure du silicium. L utilisation d une ambiance de recuit plus riche en oxygène (oxygène résiduel dans notre cas) doit permettre de limiter cette tendance, même si la formation d un oxyde de surface consomme du silicium et donc du dopant. Par contre lorsque la tension d accélération augmente (>500V), la dose chimique est en adéquation avec la dose expérimentale. Le profil après implantation est cette fois plus profond et les atomes de dopant sont donc moins sensibles aux mécanismes de surface (exodiffusion, gravure pendant le recuit, pulvérisation). Cette remarque permet d expliquer l influence importante de la tension sur la résistance de couche, car elle influe directement sur la dose disponible dans le silicium et donc sur la concentration de porteurs. II L activation du bore II A La résistance de couche et la solubilité limite du bore L utilisation des profils SIMS permet de calculer la résistance de couche d une jonction activée après un recuit haute température en appliquant la formule I.45. La formule empirique suivante permet de connaître la mobilité des trous en fonction du niveau de dopage N: min 1 max N N r min [MAS83] Équation II.3 Pour le bore : min = 44,9 cm 2 /Vs max = 470,5 cm 2 /Vs N r = 2, cm -3 = 0,719 La solubilité S (en at/cm 3 ) du bore suit une loi d Arrhenius dont les coefficients ont été déterminés par Armigliato : S A exp (-E/kT) [ARM77] Équation II.4 A=9, at/cm 2 E=0,73eV L analyse SIMS ne permet de connaître que la concentration chimique de dopant. Ainsi grâce à la formule précédente, la concentration maximale théorique de dopant actif est connue pour chaque température de recuit à l équilibre thermodynamique. La figure II.6 permet de visualiser le bore actif sur un profil SIMS selon notre hypothèse. Pour calculer R s, seule la concentration active sera prise en 67

68 compte, donc à partir de la surface et jusqu à la profondeur X B, la concentration N considéré dans l équation I.45 est égale à S. Pour les profondeurs supérieures à X B, tout le bore chimique est considéré comme actif. 1E+22 Concentration (at/cm3) 1E+21 S 1E+20 Css(graph) 1E+19 1E+18 1E+17 BORE INACTIF BORE ACTIF 400V at/cm C 1E+16 X B Profondeur (nm) Figure II.6 : représentation théorique du bore actif et inactif sur un profil SIMS Voici les hypothèses de notre modèle : La concentration active est limitée à la solubilité limite du bore à la température de pic du recuit spike ; Nous négligeons le phénomène de désactivation en considérant la rampe de descente en température suffisamment rapide pour être assimilée à une trempe ; L influence des défauts cristallins sur la mobilité et la désactivation n est pas prise en compte ; Les lignes de courant sont confinées dans la jonction de profondeur X j Rs simulé (ohm/carré) PLAD ULE Rs expérimental (ohm/carré) Figure II.7 : Comparaison entre les mesures expérimentales de résistance de couche et les valeurs simulées La corrélation entre les résultats expérimentaux et les valeurs obtenues par le modèle sont représentées sur la figure II.7. Les points bleus correspondent à des calculs similaires obtenus pour des implantations réalisées avec un implanteur ionique type ULE. La même tendance est observée quelle que soit la technique d implantation utilisée. En effet, l accord est acceptable pour les valeurs de résistance de couche les plus faibles (incertitude inférieure à 15%). Par contre à mesure que R s augmente, l incertitude augmente et le modèle postulé ne permet plus de prévoir la valeur de la 68

69 résistance de couche. Il est important de remarquer que la dégradation des résultats du modèle est accompagnée d une diminution de la profondeur des jonctions considérées. Trois explications peuvent permettre d expliquer ces résultats : L incertitude de mesure liée à l analyse SIMS en concentration et en profondeur estimée à 5% pour les profondeurs de jonctions standard (>35nm). De plus, elle est d autant plus importante que la jonction considérée est fine. En effet, le transitoire de surface prend une importance d autant plus grande que la jonction formée est fine. Le modèle considéré ne tient pas compte des mécanismes de précipitation des dopants. Or, le bore a particulièrement tendance à former des agglomérats du type Si x B y (configuration la plus stable x=1, y=4) [AGA99], [PEL99A]. Leur formation peut avoir lieu en dessous de la limite de solubilité du bore en particulier lors d une forte sursaturation d interstitiels (implantation faible tension et forte dose). L utilisation de recuit spike dont le budget thermique est volontairement limité pour minimiser la diffusion des dopants peut ne pas suffire à dissoudre ces précipités particulièrement stables. En effet, l énergie de dissociation de tels précipités est connue pour être supérieure à celle des défauts cristallins et des clusters d interstitiels [MAN00] (énergie de dissociation E d égale à 3,6eV pour SiB 3 et 4,6eV pour SiB 4 [PEL99B]). De plus, lorsque la concentration de bore excède la limite de solubilité (c est le cas de toutes les jonctions activées du plan d expérience), ces même précipités Si x B y et B z (avec z=3 ou 4) vont se former et être présents dans la matrice silicium après le recuit d activation. On peut donc supposer que tous ces défauts résiduels contenus dans la zone active de la jonction vont conduire à une élévation de la résistivité du film par désactivation d une fraction du bore sous la limite de solubilité. Le modèle postulé considère que la mobilité du bore n est qu une fonction de la concentration de dopant actif. Or, la mobilité du bore est susceptible d être dégradée en présence de fortes concentrations de précipités [SAA04] comme c est le cas ici pour les jonctions les plus fines. Ces trois remarques permettent d expliquer la mauvaise précision de notre modèle pour les jonctions les plus fines dont la résistance de couche est très élevée. Dans le cas des jonctions activées les plus profondes, l influence du pic de dopant en surface (très forte concentration de porteurs et de précipités) est diminuée, l utilisation d un fort budget thermique permet une meilleure dissolution des précipités B x et Si x B y, enfin l incertitude liée au transitoire de surface pendant l analyse SIMS est réduite. II B Détermination graphique de la solubilité du bore Dans une deuxième approche nous avons déterminé graphiquement le niveau d activation maximal du bore à partir des profils SIMS dans le cas des implantations PLAD. On considère dans ce cas que seul le bore diffusant et donc mobile est susceptible d être activé. Ainsi le niveau de solubilité graphique du bore appelé C ss (graph) correspond à la rupture de pente du plateau de diffusion. Ce niveau est déterminé graphiquement sur chaque profil SIMS comme décrit sur la figure II.6. La valeur obtenue pour chacun des profils SIMS est inférieure à la valeur théorique de solubilité du bore déterminé par l équation II.4. Ensuite une nouvelle valeur de Rs 69

70 calculée est obtenue en remplaçant S par Css(graph) dans la méthode de calcul exposée précédemment. On constate que le niveau C ss (graph) permet de se rapprocher significativement des valeurs expérimentales du R s (cf figure II.8). La détermination graphique du niveau de solubilité est donc plus précise que celle basée sur l équation théorique pour les conditions étudiées. Rs simulé (ohm/carré) Css(graph) théorique Rs simulé (ohm/carré) experimental Css(graph) théorique Rs expérimental (ohm/carré) Xj (nm) Figure II.8 : Comparaison entre les mesures expérimentales de résistance de couche et les valeurs simulées en considérant le niveau de solubilité théorique du bore ou en le déterminant graphiquement C ss (graph). Les carrés représentent les valeurs obtenues en considérant le niveau de solubilité du bore déterminé graphiquement par C ss (graph). Les losanges sont obtenus en considérant le niveau théorique donné par l équation II.4 pour le calcul de Rs Figure II.9 : Comparaison des valeurs simulées de résistance de couche en fonction de la profondeur de jonction en considérant le niveau de solubilité théorique du bore ou en le déterminant graphiquement C ss (graph) Nous observons sur la figure II.9 que pour les jonctions les plus profondes (X j >23nm), correspondant à une valeur de R s <1200 /carré, la corrélation entre la courbe expérimentale Rs/X j et celle déterminée à partir de C ss (graph) est excellente. Par contre, lorsque l on considère les jonctions les plus fines (telles que R s >1200 /carré), la courbe C ss (graph) sous estime la valeur expérimentale de résistance de couche. Malgré tout elle reste beaucoup plus précise que celle obtenue en considérant le niveau de solubilité théorique. En effet, le niveau théorique surestime beaucoup la quantité de bore réellement actif dans les jonctions fabriquées. Le budget thermique du recuit spike ne suffit pas à dissoudre tous les précipités formés à partir des défauts ponctuels générés par implantation. Le niveau théorique correspond au niveau maximal accessible à l équilibre thermodynamique. On peut atteindre de tels niveaux en réalisant des dépôts par épitaxie et ainsi s affranchir des défauts d implantation ou lorsque les recuits d activation sont suffisamment longs pour dissoudre les précipités. La détermination graphique du niveau de solubilité C ss (graph) est beaucoup plus précise, car elle permet de connaître le niveau réellement actif de bore dans la jonction activée, à l erreur de mesure prêt. Néanmoins comme décrit auparavant nous constatons que pour les jonctions les plus fines, l erreur commise pour le calcul de la valeur de R s par intégration du profil SIMS en utilisant C ss (graph) n est pas négligeable. Les valeurs expérimentales de R s sont plus élevées que la valeur de R s calculée avec C ss (graph). 70

71 Plusieurs hypothèses peuvent être avancées pour expliquer la tendance observée. Tout d abord la précipitation du bore est telle qu elle conduit à une dégradation de la mobilité du bore activé. Ensuite comme énoncé auparavant, l impact du transitoire de surface de l analyse SIMS sur la précision du profil chimique est d autant plus important que la jonction est fine uniformité (%) Rs (ohm/sq) Figure II.10 : représentation graphique de l uniformité de la mesure de R s (calcul réalisé sur 81 points à un sigma) en fonction de R s Enfin la mesure de résistance de couche est une valeur moyennée de 81 mesures effectuées sur toute la plaque de silicium. Dans le cas du PLAD, il faut noter que l implantation des jonctions fines de cette étude a nécessité l utilisation d une cathode auxiliaire pour densifier le plasma car les tensions appliquées sur la cathode sont très faibles. Or l utilisation de cette cathode auxiliaire induit un dopage plus important au centre de la plaque. Nous constatons donc que la résistance de couche est faible au centre de la plaque et augmente sur les bords (forme de bol). La figure II.10 montre que l uniformité de la mesure de résistance de couche calculée à un sigma est d autant plus dégradée que la résistance de couche est élevée (conditions d implantations les plus agressives : faible tension, faible dose). Sachant que l analyse SIMS est effectuée au centre de la plaque, nous pouvons en déduire que dans le cas des jonctions les plus fines et donc les plus résistives, la valeur de R s associée à la profondeur de jonction est surestimée, ce qui confirme nos observations. II Comparaison ULE et PLAD II A Cas de l ULE : le régime de «pseudo SPE» La figure ci-dessous obtenue par modélisation d implantations ULE représente la résistance de couche en fonction de la profondeur de jonction lorsque la température est fixée, les deux autres paramètres (dose et énergie) étant ajustés pour atteindre l optimum R s /X j. L influence des deux réponses étudiées est considérée comme identique (poids du R s et X j égal à 1), l optimum est donc obtenu lorsque le produit R s X j est minimal. 71

72 Rs (ohm/carré) C 1060 C 1040 C 1020 C 1000 C réduction de la temperature Xj (nm) Figure II.11: représentation de l optimum résistance de couche / profondeur de jonction à température de recuit constante dans le cas d une implantation ULE Le graphique met en évidence un gain significatif du compromis R s /X j par diminution de la température maximale du recuit spike. Cette tendance est remarquable car à profondeur de jonction fixée, la résistance de couche optimale diminue avec la température : la résistivité de la jonction est plus faible (cf. I.43) ce qui implique une amélioration de l activation du bore. Une étude réalisée pour des implantations ULE [WAC04] a permis d observer un gain sur le compromis R s /X j de jonctions fines activées à des températures avoisinant les 1000 C. Les figures II.12 représentent respectivement les profondeurs de jonctions obtenues après recuit spike à 1000 C et 1100 C en fonction des profondeurs de ces mêmes jonctions après implantation ULE. Pour des recuits effectués à 1000 C, il y a une corrélation linéaire entre les profondeurs de jonction avant et après recuit. Par contre à 1100 C, la profondeur de jonction activée ne peut pas se déduire du profil après implantation. Par exemple, pour une jonction de 15nm après implantation ULE, la profondeur de jonction activée varie entre 30 et 45nm à 1100 C. Dans ce cas, l influence des mécanismes de diffusion devient prépondérante sur la profondeur de jonction après recuit. L allure du profil (quantité de dopant disponible, quantité d interstitiels de silicium générés par implantation ) va donc grandement influencer la profondeur de jonction après recuit. Pour des températures proches de 1000 C, le budget thermique réduit permet donc de limiter l impact de la TED Xj (nm) après recuit spike 1000 C y = 0,7075x + 8,6905 R 2 = 0, Xj (nm) avant recuit Xj (nm) après recuit spike 1100 C y = 0,2493x + 33, R 2 = 0, Xj (nm) avant recuit Figure II.12 : Corrélation entre la profondeur de jonction (calculée à cm -3 ) après implantation ULE et après recuit à 1000 C (graphique de gauche) et à 1100 C (graphique de droite) [WAC04] 72

73 Il est important de noter qu à profondeur de jonction fixée, la diminution de la température est obligatoirement combinée à une augmentation de la dose ou de l énergie voire des deux paramètres. En effet, la diminution de la diffusion induite par la diminution de la température doit être compensée par une jonction implantée plus profonde, d où une augmentation des paramètres d implantation. Dans la suite de ce chapitre, nous nous attacherons à expliquer en quoi la diminution de la température maximale du recuit spike associée à des conditions d implantations plus profondes conduit à un gain sur le compromis R s /X j. Dans le cas de l ULE, la combinaison d une forte dose et d une forte énergie d implantation va générer une couche amorphe en surface. Lors du recuit cette couche dont la profondeur correspond globalement au R p du profil d implantation se recristallise ; les défauts ponctuels situés dans cette zone sont annihilés. Par contre les interstitiels résiduels se trouvant au-delà de la zone amorphe vont pouvoir diffuser. Ainsi pendant qu une partie de ces interstitiels diffuse dans le volume du substrat et conduit à la diffusion de la queue du profil implanté, la quantité restante peut diffuser sous forme I 2 vers la surface. Une partie du bore activé lors de la recristallisation va donc être désactivée par ces interstitiels mobiles (mécanisme de Kick-Out) et sera susceptible soit de diffuser (formation d une paire mobile BI) dans le volume ou vers la surface (exodiffusion), soit de précipiter pour former des agglomérats Si x B y ou B x. De plus, le bore activé lors de la recristallisation est dans un état métastable (hors équilibre thermodynamique) et se désactive d autant plus que le budget thermique est élevé. La figure II.13 permet d illustrer ce phénomène désigné dans la littérature par «uphill diffusion» [DUF03]. La zone de bore métastable diffusante se trouve bien dans la zone recristallisée (zone grisée). Ces conditions amorphisantes permettent d obtenir un niveau d activation plus élevé que celui observé pour des implantations moins dosées et moins énergétiques. Tout d abord, ces implantations relativement profondes permettent une répartition plus homogène des dopants en profondeur. L influence néfaste d une forte quantité de dopant sur l activation aux abords de la surface s en trouve donc amoindrie (limitation de la précipitation). Ensuite, il est important de souligner que lors de la recristallisation de la zone amorphe, le bore est totalement activé (état métastable). Ainsi, sa désactivation partielle n est qu un retour vers l équilibre thermodynamique. Etant donné que la recristallisation permet de guérir le cristal de tous les défauts d implantation (principalement les défauts ponctuels) dans la zone préalablement amorphisée, elle va donc diminuer leur concentration globale au sein du silicium. Ainsi cette diminution de la concentration d interstitiels permet à la fois de limiter la désactivation (cf. équation II.5) et la formation de précipités B x I y et I x (cf. équation II.6 et II.7) dont la coalescence peut conduire à la création de dislocations. Enfin la chute de la sursaturation induit aussi une diminution de la diffusion anormale du bore, car le coefficient de diffusion du bore hors équilibre thermodynamique est directement proportionnel à [I]/[I * ] (cf. équation II.8). B s + I B I Équation II.5 I x +I I x+1 Équation II.6 B x I y + I B x I y+1 Équation II.7 73

74 D D I * [ ] b b * [ I] Équation II.8 concentration (ohm/carré) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 1E+17 zone amorphe bore diffusant ULE BF 2 2keV cm -2 non recuit spike 1080 C profondeur (nm) Figure II.13 : profils SIMS avant et après recuit d une implantation ULE mettant en évidence le mécanisme de pseudo-spe Rs (ohm /carré) Xj=27nm température ( C) Figure II.14 : représentation de la valeur de résistance de couche optimale pour une profondeur de jonction de 27nm dans le cas d une implantation ULE. La profondeur d amorphisation de l implantation correspondante est aussi représentée p ro fo n d eu r am o rp h e (n m ) Sur la figure II.14, la valeur optimale de résistance de couche est représentée pour une profondeur de jonction fixée à 27nm, la profondeur d amorphisation correspondant aux conditions d implantation a été calculée en utilisant le logiciel TRIM. On observe une dégradation de la valeur de la résistance de couche avec l augmentation de la température de recuit, dans le même temps les conditions d implantation correspondantes induisent une profondeur d amorphisation de moins en moins importante. Comme décrit auparavant, le meilleur compromis est donc obtenu pour les implantations les plus amorphisantes combinées à un recuit basse température, en effet plus le budget thermique est faible, moins la désactivation du bore est importante. Cette observation permet de confirmer notre hypothèse, on peut donc parler de «pseudo SPE». Pour conclure, ce paragraphe a tout d abord permis de mettre en évidence une amélioration des caractéristiques des jonctions activées par diminution de la température maximale du recuit spike et par une optimisation des paramètres d implantation (augmentation de la dose et de l énergie). Ensuite, l analyse de l évolution du compromis R s /X j et de la profondeur d amorphisation induite par ces conditions particulières d implantation et de recuit nous a conduit à identifier un nouveau régime spécifique au procédé d implantation ionique de type ULE combinées à un recuit spike pour la fabrication de jonction ultra fines : le régime de pseudo SPE. Lors des premières secondes du recuit la couche amorphe formée lors du procédé d implantation va se recristalliser et annihiler les défauts contenus sur les premiers nanomètres. La formation de précipités est alors évitée et tous les atomes de bore sont activés dans cette zone. Même si le budget thermique important du recuit spike va conduire à une désactivation partielle du bore activé lors de la recristallisation, ce régime de pseudo SPE permet à la fois d augmenter la solubilité limite et de réduire la diffusion du bore. Toutefois l intégration d une température de recuit spike réduite pose des problèmes d intégration comme nous l expliquons dans l introduction du paragraphe II B en particulier en terme de courant de fuite. 74

75 II B Cas du PLAD Des analyses MET ont été réalisées afin de comparer la quantité de défauts cristallins introduits par les deux techniques d implantation avant recuit. Les conditions d implantation de la figure II.15 conduisent à une jonction ayant une profondeur de 27nm et une résistance de couche de 800 /carré après recuit à 1020 C pour chacune des deux techniques. La profondeur d amorphisation de 7nm obtenue pour l implantation ULE est significativement réduite dans le cas du PLAD (2nm seulement). Figure II.15 : coupes TEM réalisées après des implantations ULE 2,8keV/ at cm -2 (à gauche) et PLAD 1keV/1, at cm -2 (à droite) Ensuite des mesures «thermawave» (TW) sont effectuées afin de confirmer le résultat précédent. Cette fois des implantation très fines et peu dosées sont étudiées afin de ne pas perturber le signal thermawave. En effet celui-ci est sensible à la quantité de défauts ponctuels générés par implantation, les conditions d implantation sont donc choisies pour éviter la formation d une couche amorphe qui conduirait à la saturation de la mesure. Le tableau II.2 montre que pour une valeur de 200 unités TW obtenue pour les deux implantations, la valeurs de résistance de couche obtenue après un recuit à 1030 C pendant 20s est quasiment deux fois plus faible dans le cas du PLAD. C est-à-dire que pour une dose d implantation plus élevée dans le cas du PLAD, une quantité de défauts ponctuels similaire à l ULE est introduite. Résistance de couche Unités thermave ( /carré) + ULE BF 2 500eV / cm PLAD BF 3 450V / cm Tableau II.2 : résistance de couche et signal thermawave obtenus pour deux implantations fines et peu dosées en ULE et en PLAD On peut donc considérer que pour des conditions d implantation comparables en terme de compromis Rs/X j, la quantité de défauts cristallins introduits par ULE est plus importante que dans le cas du PLAD. Ainsi même si le régime de pseudo-spe considéré précédemment peut contribuer à améliorer le niveau d activation du bore dans le cas du PLAD pour les 75

76 fortes tensions d implantation et les fortes doses, ses effets restent limités comparés à l ULE (faible amorphisation dans le cas du PLAD). Lors des premiers instants du recuit la majorité des clusters va se former au niveau de l interface cristal/amorphe [FEL02]. Ainsi dans le cas du PLAD, ces défauts vont être localisés plus superficiellement que dans le cas de l ULE. Or Lenoble a pu démontrer que la nucléation des défauts est d autant plus difficile que la surface est proche, car elle constitue un puit infini de recombinaison pour les défauts ponctuels [LEN00]. Ainsi pour des conditions expérimentales usuellement utilisées lors de la réalisation des jonctions fines (tension<1kv), la nucléation de défauts étendus semble impossible lors du recuit spike. On peut donc en déduire que la formation de défauts étendus est plus difficile dans le cas du PLAD que dans le cas de l ULE pour des conditions d implantation comparables R s (ohm/carré) % ULE PLAD X j (nm) Figure II.16 : comparaison du compromis R s /X j des jonctions élaborées par PLAD et par ULE (résultats expérimentaux) La figure II.16 représente le compromis R s /X j de jonctions fabriquées par PLAD et par ULE. Nous observons que pour les jonctions les plus fines (X j <25nm), le PLAD permet d élaborer des jonctions mieux activées que dans le cas de l ULE pour une profondeur de jonction donnée. Le gain atteint 25% sur la valeur du R s pour une jonction de 20nm. On peut attribuer ce gain sur l activation du bore à une meilleure recombinaison des défauts : une quantité moins importante de bore inactif est piégée par précipitation et la diminution de la sursaturation induite par cette recombinaison permet de limiter la diffusion anormale du bore. Pour les jonctions plus profondes (X j >25nm) le gain est identique pour le PLAD et l ULE. En effet, dans ces conditions, le régime de pseudo SPE mis en évidence dans le cas du procédé ULE permet de compenser une recombinaison moins efficace des défauts ponctuels que le PLAD. Nous pouvons aussi noter que la possibilité de réaliser une jonction postimplantation plus fine avec le PLAD permet de fabriquer des jonctions activées de 15nm alors qu avec des conditions de recuit similaires la profondeur de jonction minimale en ULE est plus proche de 20nm. 76

77 II Les modélisations du procédé PLAD L objectif de ce paragraphe est tout d abord d évaluer l influence des trois paramètres d entrée étudiés (tension, dose et température) sur le compromis R s /X j du procédé PLAD. De cette façon l impact significatif de la température de recuit est mis en évidence. Enfin considérant la problématique de l intégration d un tel procédé sur une plateforme CMOS actuelle, l optimisation d un procédé PLAD combiné à un recuit haute température (à savoir 1080 C) est également étudiée. II A Résultats et interprétation Les graphiques représentent des résultats modélisés à partir du plan d expérience réalisé pour les jonctions implantés par PLAD et activées par un recuit RTP. Figure II.17 : représentation de l optimum résistance de couche / profondeur de jonction à tensions d accélération constante Sur la figure II.17, on constate que l augmentation de la tension permet d améliorer le compromis R s /X j. Toutefois le phénomène semble saturer à partir de 400V et pour les jonctions les plus fines (X j inférieur à 16nm). A noter que la dose et la température de recuit optimales diminuent à mesure que les jonctions deviennent fines. Figure II.18 : représentation de l optimum résistance de couche / profondeur de jonction à dose implantée constante 77

78 Cette fois l augmentation de la dose permet d améliorer l activation et donc de diminuer la résistance pour une jonction donnée (cf. figure II.18). Néanmoins on constate qu à partir d une dose cm -2, il n y a plus d intérêt à augmenter la dose implantée dans les bornes expérimentales considérées. Figure II.19 : représentation de l optimum résistance de couche / profondeur de jonction à température de recuit constante La diminution de la température de pic du recuit spike conduit à un gain significatif sur le compromis R s /X j pour des jonctions inférieures à 24nm (cf. figure II.19). La tendance est d autant plus forte que les profondeurs de jonction sont faibles (tension et dose faibles). La figure II.20 représente la profondeur de jonction minimale réalisable par PLAD et ULE à résistance de couche fixée à 1600 / en fonction de la température de pic du recuit spike. Ces résultats proviennent de simulations à partir de plans d expérience. Tout d abord, ce graphique confirme bien qu une augmentation de la température de pic du recuit spike entraîne une dégradation du compromis et ceci quelle que soit la méthode d implantation. En effet, à valeur de R s fixe, la profondeur de jonction augmente avec la température profondeur (nm) PLAD +12% ULE +25% température ( C) Figure II.20 : représentation de la profondeur de jonction activée minimale réalisable par PLAD et ULE pour une résistance de couche fixe de 1600 /carré (optimisation par approche DOE) Ensuite, on constate que le gain du PLAD est d autant plus important que la température de recuit est élevée. Ce gain sur la profondeur de jonction atteint 30% à 1080 C et passe à 15% à 1020 C. Plus la température de recuit diminue, plus l activation de la jonction implantée par ULE est de type pseudo-spe. En effet, pour conserver une valeur de résistance de couche constante avec la diminution de la 78

79 température, la dose d implantation doit être plus élevée pour conserver un bon niveau d activation. Dans le cas de l ULE les conditions d implantation sont 1keV/ cm - 2 à 1080 C et passent à 1,3keV/ cm -2, ce qui correspond à des profondeurs amorphisées de 2nm et 7nm respectivement (cf. figure II.14). Ainsi la combinaison de conditions d implantation amorphisantes et d une température faible de recuit spike (1020 C) va conduire à une meilleure activation par pseudo-spe dans le cas de l ULE. C est pourquoi le gain du PLAD est plus faible à basse température (faible amorphisation par rapport à l ULE). II B Optimisation à haute température (1080 C) Malgré les résultats précédents mettant en évidence une amélioration du compromis R s /X j (cf. figure II.20) par diminution de la température d activation. La plateforme actuelle de la technologie 65nm utilise une température de 1080 C. En effet, plusieurs points rendent l intégration d un recuit «basse» température (spike inférieure à 1050 C) difficile : La résistance de contact siliciure/jonction Les fuites de jonction (en particulier pour les transistors faible puissance) La diffusion sous la grille (pour assurer le contact jonction-canal) L activation de la grille Rs (ohm/carré) V 300V 400V 500V 600V Xj (nm) Figure II.21 : représentation de la résistance de couche en fonction de la profondeur de jonction à tensions d accélération constante et pour une température de spike de 1080 C (implantations PLAD) A 1080 C, les courbes obtenues à 200V, 300V, 400V et 500V définissent globalement le même compromis R s /X j (cf. figure II.21). Contrairement à la figure II.16, l augmentation de la tension ne conduit pas à un gain sur le compromis. En effet, l obtention d une profondeur de jonction acceptable (<25nm) à forte tension et à 1080 C nécessite l implantation de faible dose, ce qui n est pas favorable pour l activation des dopants (cf. figure II.17). Remarque : Le symbole sur la figure II.21 représente les caractéristiques d une jonction implantée à 300V avec une dose de at/cm 2 (recuit 1080 C). 79

80 Rs (ohm/carré) C 1030 C réduction de température 1040 C 1050 C 1060 C 1070 C 1020 C réduction de température a) 300V 300V / 1e15cm- / b) Xj fixé c) Rs fixé 1080 C 1040 C Xj (nm) Figure II.22 : représentation du compromis R s / X j lors d une réduction de température pour des conditions d implantation fixes (a : 300V / cm -2 ) pour une valeur de R s fixée (b : R s =1330ohm/carré ) pour une valeur de X j fixée (c : X j =23,3nm) pour b et c, la tension et la dose sont réajustées pour obtenir l optimum La courbe a) de la figure II.22 montre clairement que l optimum obtenu à 1080 C (300V/ cm -2 ) ne permet pas de conserver une valeur de résistance de couche acceptable lors d une réduction de température (dégradation de l activation). Ensuite la stratégie illustrée sur cette même figure est d ajuster les conditions d implantation pour obtenir la valeur minimale de profondeur de jonction à résistance de couche fixée (courbe b) et inversement (courbe c). On voit clairement un gain avec la réduction de température de 1080 C à 1020 C quel que soit le paramètre fixé (X j : - 15%, R s : -20%) sachant que pour les deux courbes la tension et la dose sont augmentées avec la diminution de la température (cf. tableau II.3 et tableau II.4). Température ( C) 1080 C 1070 C 1060 C 1050 C 1040 C Tension (V) Dose (cm -2 ) 10 10, R s (ohm/carré) Tableau II.3 : évolution de la résistance de couche et des conditions d implantation lors d une réduction de température à profondeur de jonction constante (X j = 23,3nm) Température ( C) 1080 C 1060 C 1040 C 1020 C Tension (V) Dose (cm -2 ) 10 10, ,5 X j (nm) 23, ,9 20,1 Tableau II.4 : évolution de la profondeur de jonction et des conditions d implantation lors d une réduction de température à résistance de couche constante (R s = 1330ohm/carré) 80

81 II.1.4 La TED du bore Dans le paragraphe précédent, nous avons observé une amélioration du gain R s /X j dans le cas de recuit spike standard haute température lorsque le PLAD était préférentiellement utilisé à l implantation ionique standard. Sachant qu à haute température l influence des mécanismes de diffusion est d autant plus importante sur la profondeur de la jonction activée (cf. figure II.12), l objectif principal de ce chapitre est de comprendre l influence du profil spécifique du PLAD sur la diffusion anormale du bore. Dans un premier temps, la diffusion anormale du bore est mise en évidence sur une jonction implantée par PLAD en observant la diffusion du profil pour différents budgets thermiques et en considérant la notion de temps efficace de recuit. Ensuite une comparaison des deux techniques d implantation PLAD et ULE vis-à-vis de la TED est effectuée grâce à l utilisation de marqueurs de bore. II Mise en évidence de la TED II A La notion de temps efficace de recuit L utilisation de recuit de type spike avec des rampes de température élevées rend difficile l analyse des mécanismes de diffusion et d activation des dopants. C est pourquoi Fiory [FIO99] a mis au point le concept de temps efficace afin de pouvoir extraire les grandeurs caractéristiques des mécanismes mis en jeu quel que soit l allure du profil de recuit utilisé. Tout d abord pour tout mécanisme physique suivant une loi d Arrhenius, on peut définir une grandeur p(t) dépendante du temps : p(t) p 0 exp( E a /kt(t)) Équation II.9 avec : p exp(e /kt ) 0 ensuite on peut écrire : a réf t eff exp E a (1/kT réf -1/kT(t')) dt' Équation II.10 T réf : température de référence T(t) : grandeur décrivant la température en fonction du temps t eff : temps efficace du recuit à la température T réf E a : énergie d activation du mécanisme étudié Ainsi l équation II.10 permet de convertir un recuit dont la température est variable en fonction du temps en un recuit équivalent ou effectif à température constante à la température T réf. 81

82 II B Etude de la diffusion du bore après un procédé PLAD Mathiot a calculé l énergie d activation du mécanisme de diffusion du bore dans le cas d une diffusion purement thermique (pas de défauts d implantation et de précipités) [MAT84]. De cette façon, il a pu établir la loi d Arrhenius de ce mécanisme, à savoir : D D0 exp( E a /kt) Équation II.11 avec : D 0 = 2,64cm 2 /s E a = 3,6eV concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 PLAD 300V 1E15cm -2 profil non-recuit 1020 C 1040 C 1060 C 1080 C 1E profondeur de jonction (nm) Figure II.23 : profils SIMS de bore après implantation PLAD 300V / cm -2 et pour différentes températures de recuit L intégration des profils de température des recuits spike combinée à l utilisation de l équation II.10 permet de connaître le temps efficace de diffusion du bore. Dans notre cas, la température de référence T réf choisie correspond à la température de pic du recuit, car on veut extraire une valeur <D(T)> pour chaque température utilisée par application de la formule : 2 D 2 t eff Équation II.12 : longueur de diffusion calculée par soustraction de la profondeur de jonction à la température considérée moins la profondeur de jonction après implantation pour une concentration cm -3 D théorie <D> (cm 2 (nm) t /s) eff (s) (cm 2 /s) 1020 C 2, ,4 2,30 7, C 4, ,0 2,39 1, C 6, ,0 2,43 1, C 1, ,9 2,47 2, Tableau II.5 : tableau comparatif des coefficients de diffusion théoriques et calculés du bore (D théorie est calculé en utilisant l équation II.11) Tout d abord, la figure II.24 permet de constater que le coefficient de diffusion du bore calculé <D> est largement plus élevés que le coefficient théorique D théorie 82

83 quelle que soit la température de spike considérée. Sachant que D théorie est un coefficient de diffusion ne prenant en compte que la diffusion à l équilibre thermodynamique, on peut considérer que la divergence significative avec <D> est due à l influence des défauts d implantations sur la diffusion du bore (diffusion hors équilibre thermodynamique). coefficient de diffusion (10 14 cm 2 /s) D(théorie) <D> température ( C) Figure II.24 : comparaison des coefficients de diffusion théoriques et calculées selon les deux méthodes explicitées pour chaque température de recuit coefficient de diffusion (10 14 cm 2 /s) C 1040 C 1060 C t eff à 1020 C (s) 1080 C Figure II.25 : évolution du coefficient de diffusion en fonction du temps efficace de diffusion t eff à 1020 C Pour compléter ces calculs, le concept de temps efficace de diffusion est utilisé pour convertir les recuits spike à différentes températures en recuits avec plateau à une température de référence fixe T réf à savoir 1020 C, on parle alors de normalisation en température (cf. figure II.25). Nous constatons que lorsque la température de recuit spike passe de 1020 C à 1080 C, le temps efficace de diffusion à 1020 C est multiplié par un facteur cinq, le temps efficace de diffusion passant de 2 à 10 secondes. Ensuite le coefficient de diffusion moyen calculé grâce à l équation II.15 permet de mettre en évidence une diminution du coefficient de diffusion moyen du bore lorsque le temps de recuit augmente à température constante (ici 1020 C). Ce résultat montre bien que la diffusion anormale du bore, également appelée diffusion transitoire, se passe durant les premiers instants du recuit. Ainsi comme nos coefficients sont des valeurs moyennées dans le temps, ils diminuent avec l augmentation du temps efficace. II Les marqueurs de bore II A Introduction et conditions expérimentales L objectif de ce paragraphe est d étudier la diffusion transitoire du bore (TED) pour des conditions d implantation proches de celles utilisées pour la formation des jonctions ultra fines P + /N. La plupart des études dédiées à la compréhension fondamentale de la TED utilisent des conditions d implantation souvent éloignées des procédés USJ actuels (très faible dose de dopant, implantation d ions électriquement neutres ) afin de suivre avec précision l évolution de la TED [MAN02, HAL04]. Cette approche est bien entendue nécessaire à l identification des mécanismes complexes mis en jeu lors de la diffusion du bore. Pour notre étude, seules les conditions d implantation (forte dose, faible énergie) diffèrent de celles généralement utilisées. La quantification de la sursaturation d interstitiels repose, comme c est le 83

84 cas pour de nombreux travaux, sur l utilisation de marqueurs enterrés et les budgets thermiques sont limités pour observer les mécanismes inhérents à la diffusion anormale du bore (précipitation, évolution de la sursaturation S ). Pour la compréhension du paragraphe, il peut être utile de se référer à la partie consacrée à la diffusion anormale du bore du chapitre I (cf. I A ). La mise en évidence et l évaluation de la sursaturation sont basées sur l utilisation de marqueurs enterrés de bore. Un dépôt de type CVD (Chemical Vapor Deposition) est ainsi réalisé pour permettre la croissance par épitaxie de trois marqueurs à des profondeurs respectives de 200nm, 500nm et 800nm. Le pic de concentration en bore des marqueurs est de 1, at/cm 3 et leur largeur est de 30nm à une concentration de at/cm 3. Les recuits ont été réalisés en four sous ambiance N 2, les budgets thermiques utilisés sont 700 C/5mn, 800 C/1mn 800 C/5mn, 900 C/5mn. L utilisation d une technique récente appelée LEXES (Low Energy X-ray Electron Spectroscopy) nous a permis de quantifier la dose de bore post implantation pour chaque condition. Cette technique repose sur l analyse des rayons X générés par l échantillon suite à une irradiation préalable à l aide d un faisceau d électrons peu énergétiques (quelques kev) [STA01]. L objectif de cette mesure est de s assurer que la dose réellement implantée est équivalente pour tous les échantillons (dose nominale : at/cm 2 ) en particulier dans le cas du PLAD dont la dosimétrie est moins précise que celle d un implanteur ionique. Les simulations de diffusion des marqueurs de bore ont été réalisées à l aide du logiciel ISE TCAD [ISE05]. Nous n avons cependant pas utilisé de modèles prédéfinis par le logiciel qui permettent de modéliser la TED et les mécanismes de précipitation, car leur utilisation nécessite une calibration spécifique des constantes physiques difficile à réaliser. En fait, à partir des lois classiques de Fick (cf. équation II.13 et II.14), nous avons pu extraire les coefficients de diffusion du bore moyennés dans le temps et en déduire la valeur de la sursaturation d interstitiels S à partir des équations II.11 et II.15. c tot t divj 0 Équation II.13 j D(grad(cact ) qcactgrad( )) Équation II.14 c tot : concentration totale de dopant c : concentration active de dopant act j : flux de diffusion du dopant D : coefficient de diffusion du dopant : potentiel électrostatique [I] : concentration d interstitiels S : sursaturation d interstitiels [I] 0 D * D * S Équation II.15 0 [I]* D 0 84

85 concentration (at/cm 3 ) 1E+20 1E+19 1E+18 1E+17 avant recuit après recuit_expérimental après recuit_modélisé 1E profondeur (nm) Figure II.26 : Profils SIMS des marqueurs de diffusion utilisés dans cette expérience. Les profils avant et après recuit des marqueurs sont représentés (expérimentaux et modélisés). Les profils de surface PLAD BF 3 sont également partiellement représentés (tension : 5kV, dose : at/cm 2 ). Recuit effectué : 700 C/5mn La figure II.26 représente un profil expérimental de bore et un profil simulé après implantation PLAD et un recuit à 700 C/5mn. La diffusion importante des profils illustre l importance de la TED, en effet la diffusion thermique intrinsèque associée à ce recuit 700 C/5mn est approximativement de 0,3nm. La corrélation entre les profils expérimentaux et modélisés est très bonne au niveau des marqueurs ce qui permet de valider notre approche. Une simple loi de Fick permet de modéliser la TED du bore à condition de modifier la valeur D 0 dans l équation II.18. Cette approche ne tient cependant pas compte des phénomènes de précipitation, c est pourquoi le profil simulé du premier marqueur ne présente pas de pic (bore immobile). De plus, ce modèle simple repose sur une sursaturation homogène dans tout le volume, cette approche est tout à fait valable pour les marqueurs, néanmoins la sursaturation est surévaluée pour le profil implanté (mauvaise corrélation entre le profil expérimental et le profil modélisé). En effet la proximité de la surface induit une sursaturation locale moins élevée, d où une diffusion moins importante du profil expérimental comparé au profil modélisé. Enfin le protocole SIMS utilisé pour caractériser les marqueurs n est pas adapté à l analyse des jonctions fines (vitesse de pulvérisation plus élevée). C est pourquoi par la suite, les profils implantés de surface seront caractérisés avec le protocole décrit dans le chapitre I et dédié aux jonctions fines. II B Influence du fluor coimplanté II B.a Profils de surface La figure II.27 permet d illustrer l effet du fluor sur les précipités de bore. Dans cet exemple, les conditions d implantation ont été choisies de façon à obtenir un profil de bore similaire pour une implantation à partir de B + et de BF 2 + (B + à 400eV et BF 2 + à 2keV, dose at/cm 2 ). Lorsque l on observe les cinq premiers nanomètres des profils recuits à 1020 C, nous constatons une perte de dose plus importante pour l implantation BF 2 + (25% pour BF 2 + / 10% pour B + ). Ensuite le profil de bore de l implantation B + présente un léger épanchement à une concentration de at/cm 3 caractéristique d un pic de ségrégation (formation de précipités B x I y ). 85

86 concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 Dose : /cm 2 + B 400eV non-recuit + B 400eV recuit 1020 C + B 400eV recuit 1080 C BF keV non-recuit BF 2keV recuit 1020 C + BF 2 2keV recuit 1080 C 1E profondeur (nm) Figure II.27 : profils SIMS des échantillons implantés en B + à 400eV ou en BF 2 + à 2keV avec une dose de at/cm 2. Les échantillons ont été soumis à un recuit spike à 1020 C ou 1080 C Dans le cas du BF + 2, la profondeur d amorphisation atteint 5nm conduisant ainsi à une recristallisation et donc à une dissolution des défauts ponctuels d implantation dans cette zone lors des premiers instants du recuit (mécanisme de pseudo-spe). La création d un fort gradient d interstitiels à la limite amorphe/cristal entraîne à la fois une exodiffusion importante du bore et une diminution de la sursaturation locale par formation d entités mobiles Si-B. Le fluor contribue aussi à la diminution rapide de la sursaturation par formation de paires Si-F capables de migrer vers la surface ; à la fin du recuit le substrat ne contient plus qu une concentration résiduelle de fluor. Ces deux mécanismes vont donc induire la diminution de la sursaturation d interstitiels et de la concentration de bore au niveau + du R p. Par conséquent la diffusion de la jonction BF 2 activée à 1020 C est plus faible que celle implanté B +. La longueur de diffusion calculée par soustraction de la profondeur de la jonction activée et de la jonction après implantation à une concentration de at/cm 3 passe de 13nm pour B + à 10nm pour BF + 2. A 1080 C, le pic de ségrégation du profil B + a disparu, le budget thermique est cette fois suffisant pour dissoudre les précipités de bore. L augmentation de la quantité de bore mobile et du budget thermique entraîne une exodiffusion du bore plus + importante qu à 1020 C (perte de dose : 30% pour BF 2 / 20% pour B + ). L influence positive du fluor sur la diffusion anormale du bore est confirmée, car la longueur de diffusion est 23nm pour B + et seulement 18nm pour BF + 2. Cette jonction plus fine combinée à une perte de bore plus importante explique une valeur de résistante de + couche plus élevée de 10% pour BF 2 (229 / contre 209 / ). En terme de compromis R s /X j, la coimplantation de fluor n apporte pas de gain, par contre elle permet a priori de limiter la formation de précipités. Dans le cas de l implantation B +, le bore précipite au niveau du R p pour former des précipités du type B x I y. C est aussi au niveau du R p que se situe la concentration maximale en interstitiels. En effet, on peut considérer que le profil d interstitiels est similaire au profil de bore (modèle «+1»). Des précipités I x sont donc aussi présents + au niveau du R p. Contrairement au cas de l implantation BF 2 où le réservoir d interstitiels se situe à l interface amorphe/cristal (profondeur estimée par simulation : 5,5nm), il se situe cette fois-ci plus près de la surface au niveau du R p. 86

87 Par conséquent, même si certaines entités Si-B et Si-Si vont diffuser vers la surface (puit infini de recombinaison), la majorité d entre elles vont diffuser dans le volume à cause du gradient de concentration du bore et d interstitiels. Au cours du recuit, la sursaturation va diminuer aux abords du R p pour devenir homogène dans le volume entraînant ainsi la dissolution progressive des précipités I x, B x I y. Ce flux d interstitiels entraîne donc la diffusion du bore et l augmentation de la profondeur de jonction. II B.b Marqueurs de bore Afin de tenter de discriminer l influence du fluor co-implanté lors du procédé PLAD du profil surfacique du PLAD, nous avons en premier lieu choisi d étudier l impact du fluor sur la précipitation et la diffusion du bore. Cette fois, nous avons utilisé des marqueurs de bore déposés par épitaxie. De cette façon, des implantations B + à 3keV/ at/cm 2 + et BF 2 15keV/ at/cm 2 sont réalisées, puis un recuit basse température (700 C/5mn). L énergie d implantation a été choisie afin d obtenir un profil de bore similaire pour les deux implantations. La figure II.28 représente les profils B + + et BF 2 après implantation. Tout comme dans l exemple précédent, l énergie d implantation a été choisie afin d obtenir un profil de bore similaire pour les deux implantations. Les doses extraites par la technique LEXES sont quasiment identiques : 9, at/cm 2 pour B + et 1, at/cm 2 pour BF + 2. La solubilité du bore à 700 C est de 1, at/cm 2, donc tout le bore contenu dans les marqueurs est susceptible de diffuser. Tout d abord nous constatons sur la figure II.29 que les marqueurs de bore ont moins diffusé après une + implantation BF 2 que B +. Les calculs de la sursaturation S fournissent une valeur de 2, pour B + et 9, pour BF + 2. Le fluor permet donc de limiter la sursaturation au sein du matériau. Ces deux valeurs de S sont particulièrement élevées et montrent bien qu après 5min de recuit à 700 C, la diffusion accélérée du bore est très importante. Ensuite on constate que le profil de surface du bore pour l implantation B + est + plus profond que celui obtenu par implantation BF 2 après recuit alors que les profils post implantation sont quasiment superposés (II.28 et II.29). Enfin un pic de ségrégation est présent sur le marqueur le plus proche de la surface pour les deux implantations. Ce pic est caractéristique de la formation de précipités B x I y. Des travaux aussi effectués à partir de marqueurs de bore ont pu montrer que seuls les marqueurs contenus dans la zone perturbée par l implantation présentent un tel pic de bore [PEL97]. Dans notre cas, même si les implantations ne recouvrent pas le premier marqueur avant le recuit, nous pouvons supposer que la proximité extrême du profil d implantation et du premier pic explique la formation de ces complexes B x I y. En fait, les interstitiels responsables de cette précipitation seraient générés lors de l implantation et non lors de l activation du bore [LEN00]. La réaction de précipitation semble avoir lieu durant l implantation ou durant les premiers instants du recuit. Si les précipités B x I y étaient formés à partir d entités diffusantes de type Si-B, les deux autres marqueurs devraient aussi présenter un pic de ségrégation. En effet ces deux marqueurs présentent une diffusion anormale similaire au premier marqueur, ce qui montre bien que la sursaturation est rapidement homogène dans tout le volume. Pour justifier ce phénomène, Pelaz suggère la réaction II.16 entre un diinterstitiel I 2 et un atome de bore en site substitutionnel contenu dans le marqueur qui permet d interpréter l allure des profils expérimentaux : 87

88 I 2 + B s BI 2 [PEL97] Équation II.16 Le précurseur BI 2 ainsi formé va évoluer pour former un complexe stable, Pelaz a démontré plus tard que la configuration la plus stable correspondait au précipité B 4 I [PEL99]. L observation du premier marqueur permet de déterminer la concentration C L à partir de laquelle le bore reste immobile. Pour B + cette concentration est 1, at/cm 3 alors qu elle vaut 2, at/cm 3 dans le cas de l implantation BF + 2. Ces résultats confirment l influence du fluor sur la précipitation, car une fois encore la quantité de bore piégé est diminuée en sa présence. Ces deux valeurs de C L sont largement en deçà de la solubilité limite du bore, mais sont tout à fait en accords avec une étude similaire réalisée par Solmi lors de laquelle il a déterminé C L à 700 C comme étant égale à at/cm 3 dans le cas d une implantation B + [SOL91]. concentration (at/cm 3 ) 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 dose : at/cm -2 B+ + 3keV + BF keV concentration (at/cm 3 ) 1E+20 1E+19 1E+18 avant recuit + B 3keV + BF 2 15keV 1E profondeur (nm) Figure II.28 : profils SIMS des échantillons implantés en B + à 3keV ou en BF 2 + à 15keV avec une dose de at/cm 2 1E profondeur (nm) Figure II.29 : Profils SIMS des marqueurs de diffusion utilisés dans cette expérience. Les profils de bore implantés B + et BF + 2 sont également partiellement représentés (dose : at/cm 2 ). Le recuit effectué : 700 C/5mn La coimplantation de fluor permet de limiter la précipitation et la diffusion du bore grâce à deux mécanismes bien distincts. Tout d abord, dès les premiers instants du recuit, le fluor va former des complexes Si-F qui vont diffuser vers la surface et ainsi diminuer la sursaturation d interstitiels dans le volume (cf. figure II.31). Le fluor empêche donc à la fois la nucléation de nouveaux défauts et la coalescence des précipités déjà formés à partir des défauts ponctuels d implantation I 2 (stable à température ambiante) et B x I y. Comme les défauts étendus sont responsables du maintien de la sursaturation dans le matériau par une dissolution progressive lors du recuit, la diffusion anormale du bore semble diminuée. Néanmoins il ne faut pas oublier que la quantité plus faible de bore piégée au sein des précipités va engendrer une exodiffusion plus importante de celuici, ce qui va entraîner à la fois une diminution de la profondeur de jonction et une diminution du bore disponible. On peut donc modérer l effet du fluor sur la TED en raisonnant à dose constante de dopant. 88

89 Figure II.30 : représentation schématique de la phénoménologie associée aux implantations B + à faible énergie au début du recuit d activation Figure II.31 : représentation schématique de la phénoménologie associée aux + implantations BF 2 à faible énergie au début du recuit d activation Le second mécanisme est lié à l utilisation d une molécule plus lourde à savoir + BF 2 au lieu de B + pour l implantation du bore. En effet, la profondeur de la couche + amorphe générée par l implantation de BF 2 est plus élevée que celle générée par l implantation de B + pour l obtention d un profil similaire de bore (énergie d implantation calculée au prorata des masses). Cette zone amorphe est recristallisée lors du recuit ce qui induit la guérison des défauts d implantation : la formation de précipités dans cette zone est évitée. Les interstitiels responsables de la TED sont générés par l activation des atomes de bore par une réaction de «kick out». Comme les atomes de bore passent en site substitutionnel lors de la recristallisation, la génération d interstitiels est évitée dans cette zone : la sursaturation dans le matériau s en trouve réduite d où une diminution de la TED. Il est important de noter que ce mécanisme de recristallisation engendre un gradient d interstitiels particulièrement élevé à l interface amorphe/cristal. C est pour compenser ce phénomène que des paires mobiles Si-F, Si-B et Si-Si se forment puis diffusent vers la surface engendrant ainsi l exodiffusion du fluor coimplanté, une exodiffusion importante du bore et une chute plus rapide de la sursaturation. Comme expliqué dans la partie I A.c, des travaux ont montré que le fluor permet de réduire la formation des défauts EOR. La diminution locale de la sursaturation par formation de paire mobile semble encore expliquer cette tendance. Lors de l implantation d une jonction ultra fine à partir de BF + 2, cette concentration de fluor se situe autour de at/cm -3, de plus le budget thermique induit par un recuit spike à une température autour de 1050 C est largement plus élevé que celui considéré dans les études précitées, c est pourquoi nous pouvons supposer que les défauts EOR se dissolvent rapidement dans les conditions étudiées à cause de la chute rapide de la sursaturation au niveau de l interface amorphe/cristal exacerbée par la présence de fluor. Pour conclure, la coimplantation de fluor permet donc de limiter la précipitation et la diffusion du bore pour la formation des jonctions ultrafines (forte dose, faible énergie). Ishida a d ailleurs montré que la coimplantation de fluor ne présente aucun effet dans le cas d implantation de bore à faible dose où les mécanismes de précipitation deviennent négligeables [ISH98]. Toutefois ces mécanismes liés à l implantation de BF 2 + s accompagnent d une exodiffusion accrue de bore comparée à celle observée pour une implantation B +. Enfin le fluor limite la nucléation des défauts crées à l interface amorphe/cristal appelés EOR, ce qui peut se révéler particulièrement intéressant pour la formation de jonctions ultra-fines 89

90 présentant des courants de fuite faibles. Néanmoins il faut garder à l esprit qu aucun gain n est observé à haute température sur le compromis R s /X j des jonctions activées. II C Comparaison avec une implantation PLAD Nous avons utilisés les marqueurs de bore pour étudier les spécificités de l implantation PLAD. En effet, comme nous l avons vu auparavant, le profil de bore obtenu par PLAD présente un pic de dopant en surface, de plus la proportion et la localisation du fluor coimplanté sont différentes de celles d une implantation BF + 2. Dans un premier temps, nous avons déterminé les conditions d implantation PLAD à utiliser pour obtenir un profil de bore post-implantation proche de celui obtenu en BF + 2. Vu l allure différente des profils, le but est de superposer les queues de profils. La figure II.32 représente les deux profils de bore après une implantation + PLAD BF 3 à 5kV et une implantation BF 2 à 15keV, la dose étant fixée à at/cm 2. La superposition des deux profils est tout à fait convenable et permet donc une comparaison des mécanismes de diffusion anormale pour les deux procédés. De plus, les doses fournies par l analyse Lexes sont elles aussi très proches quasiment identiques : 9, at/cm 2 pour le procédé PLAD et at/cm 2 pour le procédé ULE. 1E+22 1E+20 avant recuit concentration (at/cm 3 ) 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 dose : at/cm -2 PLAD BF 3 5kV + BF keV concentration (at/cm 3 ) 1E+19 1E+18 PLAD BF 5kV 3 + ULE BF 15keV 2 1E profondeur (nm) Figure II.32 : profils SIMS des échantillons implantés en PLAD BF 3 à 5kV et en ULE + BF 2 à 15keV avec une dose de at/cm 2 1E profondeur (nm) Figure II.33 : Profils SIMS des marqueurs de diffusion utilisés dans cette expérience. Les profils de bore implantés PLAD BF 3 et + ULE BF 2 sont également partiellement représentés (dose : at/cm 2 ). Recuit effectué : 700 C/5mn La figure II.33 représente les marqueurs de bore avant recuit et après recuit pour les deux procédés d implantation étudiés. On constate une diffusion plus importante des marqueurs après une implantation PLAD. La concentration C L à partir de laquelle le bore est immobile (formation des précipités B x I y ) est plus faible pour le procédé PLAD comparée à l implantation ULE BF 2 +. En fait, les marqueurs obtenus pour le procédé PLAD sont identiques à ceux obtenus lors de l expérience précédente pour l implantation B + (non représentés sur la figure, cf. figure II.28). Afin de comprendre ce résultat, il est important de revenir sur les spécificités du profil d implantation PLAD. La figure II.34 représente la répartition du fluor et du bore pour une implantation PLAD réalisée 5kV [LEN00]. Tout d abord, il faut noter que l équipement sur lequel a été réalisé cette implantation est différent de celui que nous utilisons actuellement, ce qui peut expliquer la différence entre les deux profils PLAD à 5kV (profil plus profond dans notre 90

91 cas). L objectif de cette figure est d observer la localisation et la quantité de fluor par rapport au bore. Tout d abord cette figure montre que le fluor est implanté moins profondément que le bore; ceci est dû à la contribution des ions B + du plasma dont l'énergie d'implantation est supérieure à celle du fluor contenu dans les ions BF 2 +, et dans une moindre mesure, BF +. Dans le cas de l'implantation ionique de BF 2 +, les distributions en profondeur du bore et du fluor sont superposées. La distribution respective du fluor par rapport au bore est donc un élément supplémentaire qui différencie la technique PLAD de l'implantation ionique. Ensuite Lenoble a pu estimer le ratio B/F lors d un procédé à 5kV à une pression de 15mT (pression également utilisée sur notre équipement). Ce ratio calculé à partir d analyses SIMS se situe entre 0,8 et 1. Même si ce résultat est une approximation (incertitude de mesure liée au régime transitoire du SIMS et équipements différents), il peut être considéré comme valable en première approche. En résumé, deux éléments importants différencient l'implantation de BF 2 + de la technique PLAD BF 3. Le premier est une localisation plus superficielle du fluor dans le cas d une implantation PLAD, ensuite la concentration de fluor coimplanté est plus faible Concentration (at/cm 3 ) PLAD 5 kv-15 mtorr Fluor Bore Profondeur (nm) Figure II.34 : Comparaison des profils SIMS de fluor et de bore après un procédé PLAD à 5kV [LEN00] Pour en revenir aux résultats des marqueurs de bore, il apparaît que l influence du fluor observé lors de la comparaison des implantations ULE B + + et BF 2 est invisible sur les marqueurs pour un procédé PLAD. La localisation plus superficielle du fluor du procédé PLAD semble expliquer cette tendance. En effet le fluor permet d empêcher la nucléation et la croissance des précipités B x I y et I x en particulier grâce à la formation des entités Si-F (effet chimique non démontré). Ainsi pour que son influence soit maximale, il faut que le fluor soit localisé aux abords de la zone + soumise aux mécanismes de précipitation, c est le cas pour l implantation BF 2 à 15keV. Or dans le cas du PLAD, le fluor est beaucoup trop en surface pour influencer les mécanismes de précipitation au niveau des marqueurs. Comme nous l avons décrit auparavant les interstitiels responsables de la formation des B x I y sont générés par implantation et lors des premiers instants du recuit, de plus ils se situent donc aux abords des marqueurs. On peut supposer que la proportion de B x I y est d autant plus élevée que la sursaturation au niveau de la queue du profil d implantation est élevée au début du recuit. Dans le cas du PLAD la queue de profil est soumise à une sursaturation identique à celle de l implantation B + car toutes deux sont exempts de fluor, contrairement au BF

92 Une étude similaire est réalisée mais cette fois l énergie d implantation est diminuée. La figure II.35 représente les deux profils de bore post implantation obtenus par PLAD BF 3 à 300V et par ULE à 500eV en utilisant des ions BF + 2. Cette fois encore les profils et les doses fournies par l analyse LEXES sont très proches (BF 3 PLAD : 9, at/cm 2 + et BF 2 ULE : 8, at/cm 2 ). Les profondeurs de jonction sont identiques à l erreur de mesure SIMS prêt. Les marqueurs avant et après recuit sont représentés sur la figure II.36, nous constatons que pour un même budget thermique, à savoir 700 C pendant 5mn, la diffusion des marqueurs est significativement réduite comparée à celle observée pour les implantations à plus haute énergie. Ensuite aucun des marqueurs ne présentent un pic dû à la formation de précipités borés. Ces remarques permettent de confirmer que la sursaturation volumique est d autant plus faible que l énergie d implantation est faible. Enfin contrairement à l expérience précédente, les marqueurs associés à l implantation ULE montrent une diffusion plus importante que ceux associés au procédé PLAD. concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 dose : at/cm -2 PLAD BF 300V 3 + BF2+ 500eV 2 concentration (at/cm 3 ) 1E+20 1E+19 1E+18 avant recuit PLAD BF 300V 3 ULE BF + 500eV 2 1E profondeur (nm) Figure II.35 : profils SIMS des échantillons implantés en PLAD BF 3 à 300V et en ULE + BF 2 à 500eV avec une dose de at/cm 2 1E profondeur (nm) Figure II.36 : Profils SIMS des marqueurs de diffusion utilisés dans cette expérience. Les profils de bore implantés PLAD BF 3 et ULE BF 2 + sont également partiellement représentés (dose : at/cm 2 ). Recuit effectué : 700 C/5mn La diminution de la sursaturation avec l énergie d implantation (toutes les doses sont fixées à at/cm 2 ) est liée à l influence de la surface. En effet, la surface considérée comme un piège parfait d interstitiels est d autant plus efficace que la distribution d interstitiels (ou de dopants : modèle «+1») en est proche. De plus un ion génère d autant plus de défauts ponctuels que son énergie incidente est élevée. Même si la plupart des modèles considèrent que les interstitiels générés par l implantation se recombinent rapidement lors du recuit, ils peuvent conduire à la formation de précipités I x et B x I y qui vont influer sur la sursaturation S. Les calculs de sursaturation après un recuit de 700 C/5min fournissent des valeurs de S autour 10 7 pour l expérience à haute énergie et 10 3 à basse énergie. Dans le chapitre précédent nous avons montré que pour des jonctions comparables une implantation BF 2 + en implantation ionique génère plus de défauts qu une implantation PLAD (signal thermawave et coupe TEM). Ce phénomène est en particulier dû au fait que l implantation PLAD est réalisée à l aide d ions BF 2 + mais aussi B + et BF + dont l implantation va générer moins de défauts ponctuels que l utilisation exclusive de l ion BF 2 + pour un profil fixé de bore. Donc l influence du fluor sur la recombinaison des interstitiels ne peut suffire à combler la différence de défauts générés par l implantation de BF 2 + lors du procédé ULE. Dans le cas d une implantation à plus haute énergie, nous avons déjà expliqué que l amorphisation du 92

93 substrat se combine à la formation de paires Si-F pour diminuer la sursaturation. Par contre à 500eV, on peut négliger cet effet lié à la recristallisation du substrat, car l amorphisation est insignifiante. Le procédé PLAD quant à lui combine plusieurs caractéristiques avantageuses pour la diminution de la diffusion anormale du bore. Tout d abord un pic de dopant en surface particulièrement efficace pour la recombinaison des interstitiels. Une quantité de défauts d implantation moindre comparé au procédé BF 2 + en particulier dans la queue du profil, car le bore implanté provient majoritairement de la contribution de l ion B + (ion léger qui génère moins de défauts comparé à BF 2 + ). Or les défauts sont d autant plus difficiles à se recombiner qu ils se situent profondément dans le substrat. Enfin une localisation du fluor en surface (maximum de dopant) qui permet de limiter la formation des défauts. Plusieurs budgets thermiques sont maintenant effectués afin d étudier l évolution de la sursaturation (cf. figure II.37). On observe une quasi-superposition des marqueurs après un recuit 700 C/5min et 800 C/5min traduisant une diffusion similaire malgré la différence significative en terme de budget thermique. L observation du premier marqueur permet néanmoins de voir l absence d un pic de ségrégation de bore à 800 C. En fait comme nous l avons observé auparavant avec la notion de temps effectif de recuit (cf. chapitre II A ), la diffusion anormale du bore est particulièrement intense au début du recuit. La prise en compte de l évolution des précipités I x est nécessaire. Ces précipités se forment dans la jonction où se situe le maximum de concentration d interstitiels qui sont soit générés par implantation, soit liés au passage des atomes de bore en site substitutionnel. C est-à-dire au niveau du R p pour une implantation ionique standard et à une distance suffisante de la surface dans le cas d implantation PLAD. Lors du recuit ces défauts I x croissent (augmentation de x) pour former des défauts {311}. Dans certaines conditions ces défauts {311} forme des boucles de dislocation [CLA99]. Néanmoins dans le cas de nos implantations peu profondes, ce mécanisme n a pas lieu : les défauts {311}, s ils se forment, se dissolvent car la sursaturation est insuffisante pour les faire évoluer. Les précipités B x I y subsistent après la dissolution des défauts {311} issus de la coalescence des complexes I x [PEL99]. Ainsi dans notre exemple, on peut considérer qu après 700 C/5min, les défauts I x et {311} sont totalement dissous. En effet malgré l augmentation du budget thermique induite par un recuit à 800 C/5min, nous n observons pas de diffusion supplémentaire visible sur les marqueurs, la diffusion transitoire du bore semble donc pratiquement terminée. Seule la dissolution des BIC à 800 C génère un relargage d interstitiels, mais celui-ci n a pas d influence sur la diffusion des marqueurs. Seul le premier marqueur contient de tels précipités et leur concentration est très faible. L exploitation du profil SIMS de bore nous a permis d estimer approximativement la dose de bore piégé dans ces précipités à at/cm 2, on peut donc tout à fait négliger l influence de leur dissolution sur la sursaturation. A 800 C, il semble donc qu il n y a pas de source d interstitiels supplémentaire comparé à 700 C, la différence de budget thermique induit principalement de la diffusion thermique or celle-ci est très limitée à 800 C. Par contre à 900 C, l augmentation de température est assez importante pour générer une quantité significative d interstitiels par activation d une concentration élevée d atomes de bore (modèle «+1»), ce qui conduit à de la diffusion anormale observable sur les marqueurs de bore. De plus la diffusion thermique étant plus intense à cette température, elle contribue à cette tendance. Il est important de noter que pour simplifier la représentation des résultats seule l étude concernant l implantation PLAD à 5kV est représentée, car les tendances observées pour les implantations ULE sont les mêmes que celles décrites auparavant. 93

94 De plus, les représentations graphiques des marqueurs n apportent pas d informations supplémentaires. concentration (at/cm 3 ) 1E+20 1E+19 1E+18 PLAD 5kV / at cm -2 non recuit 700 C/5min 800 C/5min 900 C/5min S 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E C/5min 800 C/1min 800 C/5min PLAD BF 3 5kV ULE B + 3keV PLAD BF 3 300V + ULE BF 2 500eV dose at cm -2 = 2(Dt) 0,5 900 C/1min 1,E+02 1E profondeur (nm) Figure II.37 : Profils SIMS des marqueurs de diffusion utilisés dans cette expérience. Les profils de bore implantés PLAD BF 3 sont également partiellement représentés (dose : at/cm 2 ). Recuit effectué : 700 C/5mn 1,E (nm) Figure II.38 : représentation graphique de la sursaturation moyenne S en fonction de la longueur théorique de diffusion associé aux différents budgets thermiques effectués La figure II.38 représente l évolution de la sursaturation S en fonction de 2(D t) 0,5 correspondant à la longueur théorique de diffusion associé à un budget thermique donné. Cette représentation présente l avantage de permettre une représentation de différentes températures et temps de recuits sur un même axe d abscisse. La principale information à tirer de ce graphique est que l on peut classer les courbes en deux catégories distinctes : les implantations faible et forte énergie. En effet, la sursaturation associée à la valeur de minimale (0,3nm correspondant au recuit 700 C/5min) est largement supérieure dans le cas des implantations fortes énergies. Comme nous l avons déjà expliqué auparavant, deux raisons principales expliquent cette tendance : l influence de l énergie d implantation sur la génération de défauts ponctuels et l influence de la surface sur la recombinaison des interstitiels. Dans le cas des implantations basse énergie, nous pouvons supposer que les complexes I x se dissolvent avant de former des défauts {311} à cause de la proximité de la surface. A la fin du recuit de 700 C pendant 5min, la sursaturation associée à ces implantations basse énergie est donc beaucoup plus faible et la diffusion anormale du bore est totalement terminée. Avec l augmentation du budget thermique la sursaturation diminue rapidement jusqu à se stabiliser autour de 50 pour une valeur de supérieure à 6nm. Cette allure similaire des courbes confirme bien que la diffusion anormale du bore est particulièrement intense au début du recuit et qu elle s achève rapidement quelle que soit les conditions d implantation étudiées. D après nos observations précédentes, elle devient négligeable après le recuit 700 C/5min. Comme la valeur de S est moyennée dans le temps, la décroissance de la sursaturation est atténuée, ce qui explique l allure exponentielle des courbes. Enfin dans le cas des implantations forte énergie, la valeur de sursaturation moyennée S de l ordre de 10 7 extraite de l exploitation des marqueurs de bore (700 C/5min) est particulièrement élevée, sachant qu elle correspond à la phase finale de la TED (BIC résiduels présents dans le cas d implantations ULE B + et PLAD BF 3 ). En consultant la bibliographie on constate que la dissolution des défauts {311} correspond à une valeur de sursaturation instantanée avoisinant 10 4 [CLA99, COW99]. Il est très difficile de comparer ces grandeurs de sursaturation moyennées et instantanées. De plus, ces expériences extraites de la littérature ont pour objectif 94

95 principal la compréhension fondamentale de la TED. Elles utilisent donc des doses d implantations beaucoup plus faibles (autour de at/cm 2 ). Dans notre cas, l objectif est de se rapprocher des conditions d implantation utilisées pour les jonctions ultra-fines (faible énergie, forte dose) afin de dégager des tendances spécifiques liées en particulier aux profils de dopant lors des procédés PLAD et ULE. L utilisation d une dose particulièrement élevée à savoir pour les + implantations les plus profondes de notre étude (BF 3 5kV, BF 2 15keV, B + 3keV) a entraîné une diffusion transitoire particulièrement intense lors des premiers instants du recuit, d où des valeurs de sursaturation S extrêmement élevées. Cette étude nous a tout d abord permis d étudier l impact de la coimplantation de fluor sur les caractéristiques des jonctions activées. Ainsi nous avons pu mettre en évidence à la fois un effet lié à la formation de complexe Si-F capable d exodiffuser et de limiter les mécanismes de précipitation. Ensuite l amorphisation induite par l implantation de BF 2 + entraîne une recristallisation lors des premiers instants du recuit. Ainsi la source d interstitiels responsables de la TED se situe à l interface amorphe-cristal et non au niveau du R p comme après une implantation B +. Cette configuration favorise grandement l exodiffusion de bore et donc permet de réduire la profondeur de la jonction. Toutefois en terme de compromis R s /X j, nous n avons pas observé d amélioration significative par coimplantation de fluor lors de recuit haute température. Ensuite nous avons comparé la diffusion des marqueurs de bore après une implantation PLAD et une implantation ULE BF 2 +. Il est important de noter que dans le cas d une implantation PLAD la localisation du fluor est plus superficielle et le ratio de fluor coimplanté est moins élevé que pour une implantation BF 2 +. Pour des implantations profondes (ULE BF keV et PLAD 5kV), la diffusion induite sur les marqueurs de bore est moins importante pour l implantation BF 2 +. L amorphisation puis la recristallisation d une épaisseur significative du substrat associée à une localisation plus profonde du fluor a permis de limiter la TED. Dans le cas du PLAD, la couche amorphisée est négligeable, de plus la localisation du fluor est trop superficiel pour agir efficacement sur la précipitation et la diffusion des marqueurs. Par contre à très basse énergie (ULE BF eV et PLAD 300V), la tendance est inversée. Cette fois, la localisation plus superficielle des dopants dans le cas du PLAD (pic en surface) et la génération d une quantité de défauts ponctuels moindre en particulier dans la queue de profil (ions B + uniquement) conduit à une sursaturation d interstitiels inférieure à celle observée après une implantation ULE BF 2 +. De plus dans ces conditions la couche amorphisée est négligeable pour le procédé ULE limitant ainsi la recombinaison des défauts d implantation par recristallisation. Ces travaux ont donc permis d illustrer l intérêt du dopage par plasma à basse énergie. En effet, dans ces conditions, le profil superficiel de dopants ainsi que la faible quantité de défauts d implantation générée dans la queue du profil contribue à accentuer la recombinaison des interstitiels en surface et donc à limiter leur impact sur la diffusion anormale du bore. 95

96 II.1.5 Le recuit Flash D après les specifications de l ITRS concernant les transistors CMOS 45nm, la profondeur des extensions source/drain doit être comprise entre 12 et 20nm pour une largeur de grille de 30nm [ITRS03]. Des papiers ont d ores et déjà montré que l approche actuelle basée sur la combinaison d une implantation ionique standard et d un recuit spike standard ne permet pas de remplir ces conditions [DAC03]. De même, le gain mis en évidence par l utilisation du PLAD ne semble pas suffisant pour remplacer l implantation ionique et conserver un recuit de type spike standard. C est pourquoi la voie privilégiée pour remplir ce challenge technologique consiste dorénavant à utiliser des recuits capables de supplanter les performances des RTP en terme de rampes de montée et de descente en température. C est dans cette optique qu un procédé PLAD a été développé afin d être associé à un recuit de type Flash. Le dopage par plasma est combiné à un recuit de type de flash (cf. chapitre I A ) pour la fabrication de jonctions P + /N. L utilisation d un tel recuit permet de minimiser la diffusion des dopants (rampes de température très élevées) tout en conservant un niveau correct d activation (température de pic de 1300 C). La haute température de ce type de technique implique des doses implantées bien plus élevées que dans le cas d un recuit d activation spike sur RTP. Des travaux ont pu mettre en évidence la présence de défauts étendus après un recuit Flash pour une implantation ULE préalable [USA86], or la présence de tels défauts est rédhibitoire quant aux caractéristiques de la jonction. C est pourquoi la tendance actuelle est d effectuer un recuit spike standard préliminaire après l implantation ULE afin d assurer une recristallisation optimale du substrat et améliorer l activation par un recuit flash ou laser. Même si cette approche a déjà permis d obtenir des résultats très encourageant [FUN04], elle implique l intégration de deux opérations de recuit ce qui constitue un inconvénient majeur en terme de productivité et également en terme de contrôle de diffusion. En effet, la nécessite d une dissolution complète des défauts étant corrélée a une diffusion importante du bore, les profondeurs de jonctions restent élevées (>25nm). L idée est donc de tester un recuit de type Flash après une implantation de PLAD afin d évaluer les caractéristiques des jonctions ainsi fabriquées en terme de compromis R s /X j et de défauts résiduels. Deux recettes d implantation PLAD ont été testées (600V/ cm -2 et 800V/ cm -2 ) avec un recuit flash dont la température intermédiaire est 700 C et la température de pic est 1300 C (cf. figure II.39). Le compromis obtenu est largement amélioré par rapport aux résultats obtenus avec un recuit RTP (PLAD ou ULE). En effet, le compromis des jonctions est respectivement 15nm-700 / et 19nm-560 / (cf. figure II.40) pour une tension d accélération de 600V et 800V (dose : cm -2 ). Sachant que les spécifications ITRS notifient une profondeur de jonction inférieure à 20nm et une résistance de couche inférieure à 800 /, ces deux procédés peuvent être envisagés pour une future implémentation sur des transistors CMOS 45nm. Toutefois en vue d une telle intégration, il est nécessaire de caractériser les jonctions en terme de défauts résiduels. 96

97 1E concentration (cm -3 ) 1E+21 1E+20 1E+19 PLAD 600V 4E15cm-2 PLAD 800V 4E15cm-2 R s (ohm/carré) V/ cm V/ cm -2 ULE+RTP PLAD+RTP PLAD+FLASH 1E profondeur (nm) Figure II.39 : profils SIMS des deux jonctions PLAD recuites par flash X j (nm) Figure II.40 : Compromis R s /X j de jonctions élaborées par PLAD (recuit spike et flash) et par ULE (recuit RTP) Une analyse TEM a donc été effectuée sur la jonction implantée à 600V/ cm -2 activée par recuit Flash (cf. figure II.41). Cette image montre clairement l absence de défaut étendu. Afin de vérifier cette première observation par des mesures électriques, nous avons utilisé des structures spécifiques qui nous ont permis d évaluer les courant de fuite de ces mêmes jonctions. Nous avons donc pu comparer les valeurs extraites à celles obtenues par le procédé de référence standard (implantation ULE et recuit spike standard). Les valeurs de courant de fuite obtenues avec la combinaison du PLAD et du recuit Flash sont comparable à la référence pour les jonctions P + /N et N + /P (cf. figure II.42). En effet, quel que soit le type des jonctions et les conditions PLAD utilisés, la différence avec la référence n excède pas une décade. Les jonctions P + /N présentent des valeurs de fuite autour de A/ m alors que pour les jonctions N + /P cette valeur est proche de 10-8 A/ m. Cette différence de deux décades peut s expliquer par le fait que l implantation d arsenic génère plus de défauts (conditions d implantation plus amorphisantes et atome d arsenic beaucoup plus gros que le bore) et aussi par un profil de dopants plus abrupt (implantations poches uniquement pour les transistors NMOS). Ces deux résultats complémentaires montrent que les jonctions PLAD+Flash ne contiennent pas de défauts étendus qui seraient rédhibitoires en vue de l intégration de tels procédés sur un dispositif nécessitant de très faibles courants de fuite (en particulier pour les technologies «faible consommation»). Figure II.41 : coupe TEM d une implantation PLAD 600V/ cm -2 (vue de dessus) log(i off ) (A/um) BF 3 600V / cm -2 BF 3 800V / cm -2 1keV / cm -2 BF 2 + PLAD PLAD ULE Flash+PLAD Flash+PLAD RTP+ULE AsH 3 3kV / cm -2 AsH 3 5kV / cm -2 PLAD PLAD As + 1keV / cm -2 ULE Figure II.42 : comparaison des courants de fuite de jonctions N + /P et P + /N L ensemble de nos résultats montre que la combinaison d une implantation PLAD et d un recuit flash uniquement (sans recuit RTP préalable) permet d élaborer des jonctions intégrables pour la génération CMOS 45nm. En effet, le compromis 97

98 R s /X j obtenu pour les jonctions P + /N est en spécification, de plus les caractérisations physiques et électriques mettent en évidence une recombinaison suffisante des défauts d implantation avec le recuit flash (pas de défaut étendu). Cette solution constitue une alternative à la fois intéressante d un point de vue performance (spécifications 45nm) et productivité (pas d opération supplémentaire). Cette approche ne demande pas de changement significatif dans l architecture du transistor. Toutefois de légères optimisations semblent nécessaires pour permettre à la fois une déplétion de la grille suffisante et un recouvrement des extensions source/drain sous cette même grille afin d assurer un contact convenable avec le canal de conduction. 98

99 II.2 LES JONCTIONS N+/P La plupart des papiers consacrés à la formation des jonctions ultra fines sont dédiés aux jonctions P + /N. En effet, l implantation du bore à très faible énergie et sa diffusion anormale constituent des challenges particulièrement difficiles à surmonter (cf. chapitre précédent). Néanmoins la marge qui existait jusqu alors pour la fabrication des jonctions N + /P répondant aux spécifications ITRS s amenuise au fur et à mesure des générations de transistors CMOS. De plus, la réduction des courants de fuite des jonctions fines devient une problématique majeure avec la diminution de la taille des dispositifs. L arsenic usuellement utilisé pour l implantation des extensions est un atome de grande taille, son implantation génère donc une quantité de défauts importante qui peut conduire à la formation de défauts étendus rédhibitoires pour les performances du transistor. L objectif principal de notre étude est de démontrer la possibilité d intégrer le dopage par plasma sur la plateforme 65nm impliquant ainsi l implantation des extensions des transistors PMOS, mais aussi NMOS. Ces travaux présentent pour la première fois à notre connaissance différents procédés de dopage par plasma pour la réalisation de jonctions ultrafines N + /P. II.2.1 recuit spike standard Dans un premier temps les recuits d activation des jonctions implantées ont été réalisés sur des équipements RTP standards dont les rampes de montée et de descente en température sont respectivement 75 C/s et 50 C/s. Deux gaz précurseurs ont été testés pour la fabrications des jonctions N + /P sur l équipement PLAD à savoir l AsF 5 et l AsH 3. L objectif est de comparer les caractéristiques des jonctions formées et d éventuellement privilégier l un des deux précurseurs. concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 1E profondeur (nm) A B C D 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 1E profondeur (nm) Figure II.43 : profils SIMS d arsenic réalisés à partir de jonctions N + /P élaborées par PLAD en utilisant de l AsH 3 (graphique de gauche) et de l AsF 5 (graphique de droite) Les figure II.43 et tableau II.6 présentent les profils SIMS et les caractéristiques de jonctions fabriquées par PLAD à partir d AsH 3 et d AsF 5. Ces jonctions ont été sélectionnées car elles présentent les meilleures performances en terme de compromis R s /X j. Dans le cas de l AsF 5, l obtention de telles jonctions nécessitent l utilisation de tensions d accélération plus élevées, en effet l énergie équivalente délivrée à l atome d arsenic lors de la collision d une molécule de gaz précurseur avec le substrat est proportionnelle au rapport des masses molaires M As /M molécule. Même si dans le cas du PLAD, les molécules peuvent subir des concentration (at/cm 3 ) A B C D 99

100 collisions (perte d énergie) et se dissocier avant d être implantées, ce raisonnement demeure valable en première approche. Tension (V) Dose (cm -2 ) AsH 3 AsF 5 Temp. ( C) R s ( /carré) X j (nm) Tension (V) Dose (cm -2 ) Temp. ( C) R s ( /carré) A 2, , B 2, , C 1, , D 0, , Tableau II.1 : caractéristiques des jonctions élaborées par PLAD en utilisant de l AsH 3 et de l AsF 5 comme gaz précurseurs Il est ensuite intéressant de constater qu en terme de compromis R s /X j, les deux gaz précurseurs conduisent à des résultats similaires. Pour la suite de nos travaux, l AsH 3 est utilisé comme précurseur, mais il est néanmoins important de garder à l esprit que l AsF 5 constitue une alternative tout à fait viable pour la réalisation de jonctions ultra fines par dopage par plasma. X j (nm) II.2.2 Recuit spike avancé Afin d améliorer les premiers résultats obtenus avec un recuit spike standard, des travaux ont été effectués en collaboration avec un fabricant de RTP afin de tester l effet d un recuit plus agressif en terme de rampe de température. RTP standard RTP avancé Ramp-up ( C/s) Ramp-down ( C/s) t 50 C (s) Oxygen ratio (%) 1 0,01 Tableau II.7 : comparaisons des caractéristiques des RTP utilisés Le RTP permet une montée et une descente en température plus rapide que le RTP standard (cf. tableau II.7), ce qui permet de diminuer le budget thermique. Le paramètre t 50 C fournit la durée durant laquelle la plaque de silicium se trouve à une température comprise entre la température maximale et la température maximale moins cinquante degrés, nous constatons une diminution significative de t 50 C grâce au recuit avancé. Ce paramètre est souvent utilisé pour comparer les performances des équipements de recuit. Néanmoins même si les mécanismes de diffusion et d activation sont particulièrement sensibles à cette période passée aux alentours de la température maximale, la désactivation du dopant a lieu tout au long de la descente en température. Ensuite ce RTP avancé permet un meilleur contrôle de la quantité d oxygène durant le recuit. Ce paramètre peut être primordial car selon la quantité d oxygène présente pendant le recuit d activation, la formation de la couche de SiO 2 de surface peut être plus ou moins exacerbée. Or celle-ci peut avoir deux effets antagonistes sur la quantité de dopant disponible. Tout d abord sa croissance consomme du silicium et peut donc conduire à la perte d une quantité significative de dopant. A l inverse, sa présence permet de limiter une exodiffusion trop importante de 100

101 dopant lors du recuit. Ces mécanismes sont traités plus en détail dans le chapitre I A. Les implantations PLAD ont été réalisées dans des conditions identiques à celles utilisées lors de l étude précédente avec le RTP standard, le gaz précurseur utilisé est l AsH 3. La figure II.44 compare les compromis obtenus avec les deux types de recuit. Nous observons un gain significatif grâce au recuit avancé. En effet pour une profondeur de jonction fixée, la résistance de couche est approximativement diminuée de 30% et ceci quelle que soit la profondeur de jonction considérée. En prenant en compte les spécifications ITRS [ITRS03], ces résultats permettent d atteindre le n ud de la technologie CMOS 45nm. Ce résultat est tout à fait remarquable car il permet de conserver un approche standard «implantation + recuit spike» pour une génération supplémentaire sans introduire de rupture technologique en particulier au niveau du recuit (flash ou laser). Il est maintenant essentiel de comprendre l origine de ce gain sur les caractéristiques des jonctions activées. 800 Rs (ohm/carré) AsH3 standard AsF5 standard AsH3 avancé profondeur (nm) Figure II.44 : représentation des compromis R s /X j des jonctions N + /P obtenues par PLAD Les deux profils SIMS en arsenic représentent deux jonctions activées après un recuit à 1080 C sur les deux équipements étudiés (cf. figure II.45). La limite de solubilité théorique C ss (calculée à l équilibre thermodynamique) est représentée sur le graphique, elle permet de connaître la concentration au-delà de laquelle l arsenic ne participe pas à la conduction en considérant les hypothèses décrites dans le chapitre II La solubilité limite de l arsenic déterminée grâce à la formule II.17 est de 3, at/cm 3 : S A exp (-E/kT) [HOY86] Équation II.171 Avec: A=2, at/cm 2 E=0,478eV 101

102 concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 Css théorique 1080 C AsH3 3kV/1, cm -2 Xj = 17nm Rs = 466ohm/carré AsF5 2,3kV/ Xj = 26nm Rs = 418ohm/carré recuit standard recuit avancé 1E profondeur (nm) Figure II.45 : profils SIMS d arsenic de deux jonctions activées à 1080 C à l aide d un recuit standard et d un recuit avancé On peut donc considérer que sur les dix premiers nanomètres la quantité d arsenic activable est comparable pour les deux profils. Ensuite la quantité de dopant disponible est largement plus élevée pour le profil issu du recuit standard (profondeur de jonction plus élevée), or les valeurs de résistance de couche sont voisines entre les deux jonctions. En utilisant la méthode de calcul de la résistance de couche par intégration des profils SIMS, on a pu calculer un niveau d activation pour chacune des jonctions, on a obtenu une limite de solubilité de 1, at/cm 3 pour le recuit standard et 1, at/cm 3 pour le recuit avancé. Les valeurs calculées sont bien en deçà de la valeur théorique (ici 3, at/cm 3 ). Néanmoins la limite de solubilité est quasiment deux fois plus élevée pour la jonction activée par le RTP avancé. Contrairement au bore, la diffusion et l activation de l arsenic est moins sensible aux défauts ponctuels générés pendant l implantation. Comme décrit dans le chapitre I, l arsenic diffuse majoritairement par un mécanisme assisté par lacune. Par contre, l arsenic a tendance à se désactiver lors de la rampe de descente en température. L utilisation d une rampe de descente en température plus agressive (80 C/s au lieu de 50 C/s) a donc limité la désactivation de l arsenic conduisant à une amélioration du compromis R s /X j. Pour confirmer cette hypothèse, le niveau de solubilité C ss a été extrait de la même manière sur tous les profils recuits. Dans le cas du recuit standard la moyenne de C ss est de 1, at/cm 3 et de 1, at/cm 3 pour le recuit avancé (calcul réalisé à partir de 15 profils pour chaque RTP). Toutefois il est important de noter que la rampe de montée en température ainsi que la réduction du temps passé à haute température (t 50 C ) n ont aucun effet positif sur le compromis. En effet, de nombreuses études ont permis de montrer que la réduction du budget thermique, même si elle permet de réduire la diffusion de l arsenic, induit inexorablement une détérioration de l activation [KAS00]. Des mesures d activation par effet Hall ont permis de calculer l énergie d activation E a du mécanisme d activation de l arsenic, or cette valeur est égale à l énergie d activation du mécanisme de diffusion de ce même dopant, à savoir 3,6eV [MOK02]. C est pourquoi, à rampe de descente en température égale, une variation de budget thermique ne permet que de se déplacer sur la courbe R s /X j sans amélioration possible du compromis. 102

103 Rs ( /carré) C 1060 C 1040 C 1020 C 1000 C Xj (nm) Figure II.46 : représentation de l optimum résistance de couche / profondeur de jonction à température de recuit constante pour des implantations ULE Pour confirmer cette divergence de comportement entre l arsenic et le bore, nous avons réalisé un plan d expériences permettant de modéliser le compromis R s /X j en fonction des paramètres d implantation sur ULE. La figure II.46 montre bien que contrairement au bore, l optimisation de la température de recuit n apporte pas d amélioration sur le compromis. II.2.3 L influence de l oxygène La quantité d oxygène durant le recuit est différente entre le recuit standard (1%) et le recuit avancé (0,01%). Pour évaluer l influence de ce paramètre, des jonctions implantées en AsH 3 ont été recuites sur le RTP standard avec 3 ratios d oxygène différents. La figure II.47 présente les valeurs de profondeurs de jonction (X j ) et de résistance de couche (R s ) obtenues. Il n y pas de différence entre les résultats obtenus à 0,5% et 1%, par contre on constate que l introduction d oxygène entraîne une augmentation de la valeur de X j et une diminution de R s Néanmoins la figure II.48 montre que le compromis R s /X j demeure le même. Il n y a ni amélioration, ni dégradation du compromis par modification de l ambiance de recuit. X j (nm) Xj Rs 2kV / 1.2E15 / 1050 C 2kV / 2.3E15 /1050 C 0.7kV / 1.2E15 /1050 C 0 0,5 1 ratio d'oxygène (%) Figure II.47 : évolution de X j et R s en fonction du taux d oxygène utilisé pendant le recuit pour différentes implantations PLAD Rs (ohm/carré) % 0,5% 1% Xj (nm) Figure II.48 : compromis R s /X j obtenus pour différents taux d oxygène lors du recuit 103

104 Le fait d introduire de l oxygène durant le recuit permet de diminuer l exodiffusion de l arsenic par croissance d une couche de SiO 2 à la surface du silicium. Le calcul de la dose à partir des profils SIMS confirme cette hypothèse (cf. tableau II.8). Sans oxygène, la perte d arsenic devient significative. Les doses calculées à 0,5% et 1% d oxygène sont identiques confirmant ainsi qu un ratio de 0,5% d oxygène permet de s affranchir totalement de l exodiffusion de l arsenic. La dose calculée est parfois supérieure à la dose de la recette. La précision du SIMS dans les premiers nanomètres de l analyse peut expliquer cette imprécision. De plus, le système de dosimétrie du PLAD n est pas aussi précis que celui d un implanteur en terme de valeur absolue. Pour conclure, la présence d oxygène permet d augmenter la dose active de la jonction (diminution de R s ), néanmoins ce gain en terme d activation conduit à une profondeur de jonction plus élevée (augmentation de X j ), c est pourquoi le compromis R s /X j est identique avec ou sans présence d oxygène pendant le recuit. Tension (kv) Dose (at/cm 2 ) Température ( C) 2 1, , ,7 1, Ratio d oxygène Dose calculée (%) (at/cm -2 ) 0 1, ,5 2, , , ,5 2, , , ,5 1, , Tableau II.8 : caractéristiques de jonctions formées par PLAD et en utilisant des taux d oxygène varaiable pendant le recuit d activation Pour les recuits effectués sur le RTP avancé, le ratio d oxygène utilisé n est que de 0,01%. Dans certaines conditions, l oxydation n est pas suffisante pour s affranchir de l exodiffusion de l arsenic. Par comparaison de la dose calculée par intégration du profil SIMS et celle notifiée dans la recette, on peut estimer la dose d arsenic retenue lors du recuit. Sur la figure II.49, ce paramètre est représenté en fonction de la tension d implantation. Nous observons que cette dose retenue au sein du substrat est d autant plus importante que la tension d implantation est élevée. En effet, la localisation des dopants est moins superficielle lors d une implantation réalisée à forte tension, ce qui limite l exodiffusion. De plus, lors d un recuit légèrement oxydant, la formation de la couche de SiO 2 va consommer du silicium. Par conséquent, l arsenic contenu dans les premiers nanomètres va aussi être consommé lors de la croissance de l oxyde. Finalement l implantation à forte tension permet à la fois de s affranchir d une perte de dopant importante par exodiffusion et par consommation de silicium lors de la formation de l oxyde de surface. 104

105 dose retenue (%) tension (kv) dose retenue (%) Tox (nm) Figure II.49 : dose d arsenic retenue lors du recuit d activation en fonction de la tension d accélération (à gauche) et de l épaisseur de SiO 2 formé (à droite) Ensuite l épaisseur du film SiO 2 formé T ox est représentée en fonction de la tension d accélération et de la dose implantée dans le cas d implantation AsH 3 /Xe par PLAD (cf. figure II.50). Globalement l oxyde thermique formé est d autant plus épais que la tension et la dose sont élevées. On peut noter que le xénon coimplanté contribue à ce phénomène. En effet, une augmentation de la croissance de l oxyde thermique lors de recuit oxydant a été constatée après implantation de xénon pur (cf. chapitre IV.4 ). Cette étude montre clairement que la cinétique de croissance d oxyde est d autant plus importante que la dose de xénon et la tension appliquée sont élevées. La figure II.50 confirme cette tendance, car l oxyde formé est d autant plus épais que les conditions sont amorphisantes (forte énergie, forte dose). 3, ,5 faible tension =1kV faible dose = at/cm 2 20 tension (kv) 2 1,5 1 0,5 tension dose dose (at/cm 2 ) Tox (angstroms) Figure II.50 : épaisseur de SiO 2 formé en fonction de la tension d implantation et de la dose d AsH 3 /Xe 0 Même si la croissance du SiO 2 induit une perte de dose d arsenic, ce mécanisme n est pas rédhibitoire. Au contraire, la dose retenue dans le silicium est d autant plus élevée que cet oxyde est épais, car il va permettre de limiter l exodiffusion de l arsenic pendant le recuit (cf. figure II.49). Dans le cas des implantations les moins profondes (basse tension), l oxyde fin formé lors du recuit ne permet pas d éviter une perte très importante d arsenic. Dans ce cas, le phénomène d exodiffusion est prépondérant par rapport à la perte de dopant par formation de l oxyde thermique. 105

106 La figure II.51 illustre l impact significatif de la perte de dopant sur les caractéristiques des jonctions activées lors d une implantation à faible tension. En effet lorsque la tension d accélération est égale à 1kV, le passage d une dose de at/cm 2 à at/cm 2 conduit à des jonctions activées quasiment identiques en terme de profondeur et de résistance de couches (pour les quatre jonctions implantées à 1kV, la résistance de couche est comprise entre 1000 / et 1100 / ). Par contre l augmentation de la tension à 3kV permet de limiter significativement ce phénomène. On constate sur les profils SIMS que le pic de ségrégation caractéristique de l arsenic (cf. chapitre I) a été largement consommé par exodiffusion pour les implantations à 1kV comparé à celles réalisées à 3kV. Cette tendance est d autant plus vraie à haute température, en effet le pic de ségrégation passe d une concentration de at/cm 3 à at/cm 3 lorsque la température diminue de 1080 C à 1020 C pour les implantations effectuées à 1kV. Comme nous l avons observé auparavant l oxyde formé est beaucoup plus fin lorsque la tension d implantation est faible, de plus la localisation superficielle du dopant contribue à accentuer l exodiffusion. Concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 1E+18 X5 X5 X5 dose X5 1kV/4E14/1020 C 1kV/2E15/1020 C 1kV/4e14/1080 C 1kV/2E15/1080 C 3kV/4E14/1020 C 3kV/2E15/1020 C 3kV/4e14/1080 C 3kV/2E15/1080 C 1E profondeur (nm) Figure II.51 : illustration de l exodiffusion de l arsenic pendant le recuit d activation Pour conclure, l impact de l oxygène sur les caractéristiques des jonctions ultra fines formées par PLAD est important. En effet, le profil spécifique du PLAD (pic de dopant en surface) est particulièrement sensible aux mécanismes d oxydation et d exodiffusion lors du recuit d activation. Même si la formation de l oxyde de surface conduit inexorablement à la consommation de dopant, sa présence permet de limiter significativement l exodiffusion de l arsenic. Dans le cas du recuit spike de type avancé, la très faible quantité d oxygène (0,01%) est insuffisante pour garantir la rétention du dopant à très basse tension. Néanmoins, même si la quantité d oxygène influe grandement sur la quantité d arsenic disponible et donc sur les caractéristiques de la jonction, elle ne modifie pas l allure de la courbe de compromis R s /X j. En effet, la dégradation de la résistance de couche induite par la diminution de la concentration d arsenic est compensée par une profondeur de jonction réduite. C est pourquoi les tendances observées de nos travaux en particulier concernant le recuit RTP avancé demeurent tout à fait valables. 106

107 II.2.4 Comparaison PLAD / ULE Des implantations ULE suivies d activation sur RTP avancé ont été réalisées pour comparaison avec les résultats PLAD (cf. figure II.52). En terme de compromis, l ULE permet de fabriquer des jonctions ayant un compromis identique à celui du PLAD. Néanmoins la capacité du PLAD à implanter des jonctions plus fines permet d étendre ce compromis vers des profondeurs de jonction inférieures à 15nm. Vu que l arsenic est peu sensible aux défauts d implantation, le profil spécifique du PLAD n apporte pas d avantage en terme de compromis R s /X j contrairement aux jonctions P + /N R s (ohm/carré) PLAD ULE X j (nm) Figure II.52 : représentation du compromis R s /X j des jonctions N + /P PLAD et ULE activées par un recuit avancé Ce résultat confirme que pour l arsenic le compromis R s /X j est fixé par la profondeur de jonction après implantation et par le budget thermique appliqué lors du recuit alors que la quantité de défauts générés et l allure du profil d implantation ont très peu d influence sur la diffusion et l activation. Seule la rampe de descente en température est capable d impacter l activation et donc le compromis R s /X j. Sur la figure II.52, la rampe de descente en température est identique, c est pourquoi les deux techniques d implantation définissent le même compromis. Finalement, la possibilité de réduire la profondeur de jonction post implantation grâce au PLAD est particulièrement intéressante pour répondre aux futurs besoins des prochaines générations de transistors CMOS. En effet quelle que soit la stratégie choisie par les technologues en terme d activation, le PLAD offre un gain vis-à-vis de l implantation ionique standard. En effet, si l activation est réalisé à l aide d un recuit de type RTP (standard ou avancé), le PLAD permet de réduire la profondeur de la jonction activée tout en conservant le même compromis R s /X j, de même si de nouveaux types de recuit «non diffusant» de type flash ou laser sont choisis, les profondeurs de jonction atteignables par le PLAD sont particulièrement bénéfiques. 107

108 II.3 CONCLUSION La première partie de ce chapitre est dédié à la fabrication des jonctions P + /N. Notre étude basée sur l utilisation des plans d expérience a tout d abord consisté à étudier les caractéristiques des jonctions fabriquées par PLAD. En plus d être en mesure d optimiser les paramètres d implantation et de recuit pour améliorer le compromis R s /X j des jonctions, nous avons pu mettre en évidence différents mécanismes physiques liés à l activation des dopants. De cette façon, nous avons pu déterminer la solubilité limite du bore à partir de nos données expérimentales de deux façons différentes et les comparer aux niveaux théoriques. Une dégradation de l activation du bore a été constatée pour les jonctions les plus fines quelle que soit la technique d implantation utilisée (PLAD et ULE). Une diminution de la mobilité des trous liés à de fortes concentrations de précipités aux abords de la surface (concentration maximale de dopant) semble être la cause principale de ce phénomène. Ensuite la prise en compte des spécificités des implantations PLAD et ULE en terme de génération de défauts et de profil d implantation combinée aux modèles issus des plans d expérience nous a permis de dresser des hypothèses capables d expliquer les tendances observées. C est ainsi que l on a pu définir le régime de «pseudo-spe» pour les implantations amorphisantes réalisées en ULE et recuites à des températures de spike peu élevées (<1020 C), ce régime permet une amélioration significative du compromis R s /X j. Néanmoins la combinaison d une forte quantité de défauts d implantation et d un budget thermique réduit semble peu compatible avec les besoins actuels des dispositifs en terme de courant de fuite. De plus, en terme d intégration l approche basse température demeure difficile à mettre en uvre (résistance de contact, déplétion de la grille ). Enfin comme l activation des dopants a lieu lors de la recristallisation de la zone amorphe, la jonction est dans un état métastable propice à la désactivation en cas de budget thermique ultérieur. Concernant le procédé PLAD, la localisation du pic de dopant en surface combinée à une faible génération de défauts a un effet positif sur la diffusion anormale du bore en permettant une recombinaison plus rapide des interstitiels en surface (puit infini de recombinaison) et en empêchant de cette façon la nucléation de défauts étendus. Cette tendance a d ailleurs pu être confirmée grâce à des expériences dédiées à l étude fondamentale de la TED utilisant des marqueurs enterrés de bore. Ainsi quelle que soit la température du recuit d activation, le PLAD permet d améliorer le compromis R s /X j de la jonction. Comme ce gain par rapport à l ULE est d autant plus élevé que la température est haute (influence des mécanismes de diffusion prépondérants), le PLAD est tout à fait compatible avec les recuits spike haute température (>1050 C) utilisés pour les filières actuelles. De plus, la capacité du PLAD à réaliser des implantations plus fines que l ULE (pas de limitation lié au transport des ions) et à générer une quantité restreinte de défauts ont permis de réaliser des jonctions activées présentant des caractéristiques exceptionnelles (15nm- 700 /, sans défauts étendus) grâce à l utilisation d un recuit de type flash. Dans le cas de l ULE, le budget thermique réduit de tels recuits avancés (flash ou laser) ne suffit pas à dissoudre les défauts étendus impliquant ainsi un recuit spike standard préalable. 108

109 Ensuite nous avons fabriquées les premières jonctions ultra fines de type N + /P par PLAD. Deux gaz précurseurs ont été testés à savoir l AsH 3 dilué au xénon et l AsF 5. L optimisation des conditions d implantation a permis de réaliser des jonctions ayant des caractéristiques similaires en terme de compromis R s /X j et répondant aux spécifications des transistors CMOS 65nm [LALL03]. L effet des rampes en température lors du recuit spike a ensuite été traité grâce à l utilisation d un équipement RTP avancé. Un gain significatif sur l activation atteignant 30% sur la résistance de couche a ainsi pu être obtenu grâce à l augmentation de ces rampes. La propension de l arsenic à la désactivation lors de la descente en température explique cette tendance, en effet le recuit RTP avancé a permis de «geler» une quantité supérieure d atomes dopant en site substitutionnel grâce à une rampe de descente plus agressive (80 C/s au lieu de 50 C/s). Contrairement au bore, l activation et la diffusion de l arsenic sont moins sensibles aux défauts générés par implantation (pas de TED aux conditions étudiées). En effet même si des précipités As n V m se forment durant les premiers instants du recuit dans la zone riche en lacune générée par implantation, la montée en température du recuit spike (>1000 C) suffit à les dissoudre dans leur grande majorité. C est pourquoi à rampe de descente en température fixée, le compromis R s /X j d une jonction fine dopée arsenic n est améliorable ni par une optimisation de la température de recuit, ni par les conditions d implantations. De plus, cette tendance permet d expliquer le compromis R s /X j identique obtenu avec le PLAD et l ULE : l arsenic est aussi moins sensible à l allure du profil d implantation. Néanmoins le PLAD permet, grâce à un profil post implantation plus fin, d étendre la courbe de compromis R s /X j à des valeurs de profondeur de jonction activée inatteignables avec une implantation ULE (<15nm). Enfin l influence de l ambiance de recuit a été étudiée en faisant varier la concentration d oxygène lors du procédé d activation de jonctions implantées AsH 3 /Xe par PLAD. Nous avons pu mettre en évidence la formation d un oxyde dont l épaisseur augmente avec le ratio d oxygène et les paramètres d implantation (dose et tension d accélération). Même si la formation de l oxyde induit une perte de dopant par consommation de silicium, sa présence permet de réduire significativement l exodiffusion d arsenic, qui est exacerbée dans le cas d une implantation PLAD (pic de dopant en surface). Néanmoins la quantité d oxygène ne permet pas de modifier le compromis R s /X j de la jonction, en fait elle influe uniquement sur la dose de dopant effectivement disponible au sein du silicium. 109

110 CHAPITRE III : PRESENTATION ET INDUSTRIALISATION DE L EQUIPEMENT PLAD Ce chapitre est consacré à la description de l équipement de dopage par plasma utilisé lors de nos travaux et à son industrialisation. En effet, le chapitre précédent nous a permis de mettre en évidence le potentiel technique de cette nouvelle méthode d implantation pour la fabrication des jonctions P + /N et N + /P de transistors CMOS. Néanmoins dans une optique de production, il est impératif d être en mesure de garantir à la fois des performances optimales mais aussi la fiabilité de l équipement et du procédé proposé. L équipement sera donc brièvement décrit dans un premier temps. Ensuite nous nous attacherons à souligner les problèmes rencontrés et les modifications apportées afin d accroître la robustesse du procédé en vue d une industrialisation. Deux exemples d optimisations de procédés seront aussi présentés pour évaluer l influence des différents paramètres expérimentaux. 110

111 III.1 PRESENTATION GENERALE DE L EQUIPEMENT L équipement industriel de dopage par plasma PLAD a été mis au point par la société Varian SEA spécialiste dans la conception et la fabrication d implanteurs pour l industrie du semiconducteur. Il est le fruit d une longue collaboration avec France Telecom R&D puis ST Microelectronics. Depuis 1998, des travaux communs ont permis de montrer l intérêt d une telle technique à partir d un réacteur prototype pour finalement aboutir à l installation du premier équipement sur le site de ST Microelectronics en arrivée de gaz turbo pompe turbo pompe turbo pompe sas de chargement évacuation gaz vanne papillon arrivée de gaz orienteur turbo pompe robot chambre de procédé chambre de transfert turbo pompe FigureIII.1 : représentation schématique de l équipement PLAD La configuration de l équipement est présentée sur la figure III.1. Un réseau complexe de pompes à vide permet d assurer un fonctionnement des deux chambres de procédé simultanément. En effet, à chaque étiquette «turbo pompe» de la figure correspond l association d une pompe primaire et d une pompe turbomoléculaire capables de se relayer pour la mise sous vide des deux sas de chargement, de la chambre de transfert et des deux chambre de procédé (autour de 10-6 Torr). La cassette contenant les plaques de silicium à implanter est placée dans un des deux sas de chargement à l avant de la machine. Lorsque le vide est atteint, la vanne reliant le sas et la chambre de transfert s ouvre et un robot vient prendre la plaque à implanter dans la cassette. Il est important de noter qu à cet instant les chambres de procédé, la chambre de transfert et le sas de chargement sont sous vide et communiquent entre eux (toutes les vannes sont ouvertes). La plaque est ensuite placée sur l orienteur, puis le robot vient la transférer dans la chambre de procédé voulue. La vanne de la chambre de transfert se ferme et le gaz précurseur désiré est envoyé au sein de la chambre de procédé. La vanne papillon se met alors en marche afin d assurer la régulation de la pression, lorsque celle-ci est satisfaisante le procédé d implantation peut démarrer. Comme nous le verrons par la suite, la pression est un paramètre clef du procédé PLAD, c est pourquoi un effort particulier a été fourni afin d optimiser la régulation de la pression tout au long de l implantation. A la fin de l implantation, la vanne papillon cesse la régulation en pression et s ouvre totalement 111

112 pour permettre l évacuation rapide du gaz. La pompe turbo fait ensuite descendre la pression à une valeur de vide acceptable afin que la vanne de la chambre de procédé s ouvre pour le retour de la plaque jusqu à la cassette. Ce protocole est répété jusqu à l implantation de toutes les plaques de la cassette. III.2 CONFIGURATION DE LA CHAMBRE DE PROCEDE Fig.? Figure III.2 : photo de la chambre de procédé PLAD (1 : anode / 2 : plateau sur lequel repose la plaque de silicium / 3 : anneau extérieur) La figure III.2 est une photographie de la chambre de procédé ouverte. On distingue l anode située sur la partie haute du réacteur, elle est reliée à la masse. En dessous, deux parties complémentaires sont reliées à la cathode : le plateau sur lequel est posé la plaque de silicium et un large anneau extérieur entourant le plateau sur lequel on peut distinguer les orifices de la cage de Faraday. Cet anneau extérieur et l anode permettent, comme la cathode, de générer le plasma et sont directement au contact de celui-ci. Pour réduire les problèmes de contamination métallique, ces pièces en aluminium sont recouvertes d un dépôt de silicium polycristallin (cf. chapitre III ). Le plateau est en céramique, il est percé de six orifices. Les trois premiers contiennent des doigts en céramique reliés à un système hydraulique pour permettre la mise en place de la plaque de silicium sur le plateau, à la fin du procédé ces doigts remontent la plaque pour qu elle soit ensuite ramenée par le robot dans la cassette située dans le sas de chargement. Les trois autres orifices contiennent des pointes métalliques en contact avec la plaque de silicium, deux d entre elles sont reliées à la cathode, la dernière permet la lecture du courant cathodique. 112

113 III.3 LA MESURE DU COURANT ET DE LA DOSE Comme les implanteurs traditionnels, l équipement PLAD possède un système de mesure de dose basé sur l utilisation d une cage de Faraday. Néanmoins la mise au point de ce système a nécessité un long développement, car le comptage des ions incidents d un plasma n est pas aussi trivial que dans le cas d un faisceau monoénergétique et monoespèce. Cette mesure in-situ de la dose est complétée par une mesure du courant cathodique pour un meilleur suivi du procédé. III.3.1 Le courant cathodique Tout d abord, le courant cathodique I cath est obtenu par une pointe métallique au contact avec la face arrière de la plaque de silicium, le signal brut extrait est traité électroniquement pour s affranchir des composantes parasites. I cath est la somme du courant électronique I elec, du courant de déplacement I dep correspondant à la charge et la décharge de la capacité entre le substrat et le plasma, du courant secondaire I sec (émission d'électrons secondaires) et du courant ionique I ions. Le courant cathodique s'écrit alors : I cath = I elec + I dep +I sec + I ions Équation III.1 Le courant électronique : I elec Le courant électronique est négligeable puisque la chute de tension entre le plasma et le substrat est grande par rapport au potentiel des électrons du plasma dont la température électronique est de quelques ev. La densité électronique à l'intérieur de la gaine ionique est alors très basse. Le courant de déplacement : I dep Le courant de déplacement est dû à la rampe de montée en tension et à l'évolution de la gaine ionique, il est donné par l'équation suivante : I dep C dv s dt s V dc s dt s Équation III.2 avec : S Cs 0 : capacité de la gaine ionique s S : surface de la gaine s : épaisseur de gaine 0 : permittivité du vide 113

114 Une fois le régime établi ( dv 0 ), le courant de déplacement devient négligeable dt puisque la variation de capacité, liée à la variation d'épaisseur de gaine, est alors très faible ( dc s Cs ds ). dt s dt Le courant électronique secondaire : I sec Le courant secondaire lié à l'émission d'électrons suite à l'interaction entre les ions incidents et la plaque de silicium peut s'écrire : I sec I ions Équation III.4 est le coefficient d émission d électrons secondaires. Il est caractéristique du couple d'interaction ion/matériau et évolue avec l énergie de l ion incident. Nous devons également noter que des neutres d'énergie cinétique non nulle (résultant d'un échange de charge entre ion et neutre induit par collisions) peuvent interagir avec le substrat. Pour un même matériau, le coefficient d'émission d'électrons secondaires de deux espèces de masse atomique équivalente (ion ou neutre) peut varier significativement [CHA80]. Pour les très basses énergies (<1 kev), quelques résultats expérimentaux suggèrent que l'émission électronique induite par bombardement de neutres devient négligeable comparée à l'émission secondaire induite par interaction ionique [MED63]. Lenoble a pu d'estimer le coefficient du silicium et de l'oxyde de silicium pour les ions d'un plasma BF 3 [LEN00] (cf. figure III.3). Dans ce cas, les espèces à étudier sont donc BF + 2, BF +, B + et F + de masses atomiques respectives égales à 49, 30, 11 et Coefficient d'émission d'électrons secondaires B + /Si B + /SiO 2 F + /Si F + /SiO 2 BF + /Si BF + /Si 2 BF + /SiO 2 BF 2 + /SiO Energie (kev) Figure III.3 : Valeurs du coefficient d'émission d'électrons secondaires du Si et SiO 2 en fonction de l'énergie des ions B +,F +, BF +, BF 2 + incidents [LEN00] I cath Pour conclure en régime stabilisé quasi-statique, le courant cathodique s écrit : ( 1 ) I Équation III.4 ions Même s il est impossible de connaître avec précision la valeur, on peut considérer en première approche que pour un procédé et un type de substrat donnés, sa 114

115 valeur est constante. La valeur et surtout l éventuelle évolution du courant cathodique constituent des informations intéressantes pour le suivi d un procédé connu sur un type de substrat donné. En effet, selon l état de surface de la plaque (présence ou non d un oxyde ou d une résine par exemple), la proportion d électrons secondaire peut varier significativement. I cath unités arbitraires avec résine pression sans résine temps (hh:mm) Figure III.4 : représentation graphique du courant cathodique I cath et de la pression au sein de la chambre durant une implantation PLAD 10kV/10 16 at cm -2 sur une plaque contenant une résine et une plaque contenant un oxyde thermique (20 ) La Figure permet de comparer le courant cathodique pour deux types de plaques : avec et sans résine. Les courbes de I cath présentent toutes deux un pic de courant au début de l implantation puis un retour à un régime plus stable. Cette période transitoire correspond au temps nécessaire pour réguler la pression à la valeur désirée. Dans le cas d une plaque avec résine, un phénomène de dégazage a lieu entraînant ainsi une augmentation de la pression (se reporter au chapitre III ). Globalement le courant cathodique est plus élevé sur la plaque ne contenant pas de résine (oxyde thermique uniquement). Il est aussi intéressant de noter que sur cette plaque, le courant cathodique décroît au fur et à mesure de l implantation alors qu il est relativement stable pour la plaque avec résine. Nous pouvons supposer que la proportion d électrons secondaires émis diminue au cours de l implantation de la plaque sans résine (modification de l état de surface). III.3.2 La dosimétrie La cage de Faraday utilisée par le système de dosimétrie de l équipement est un anneau en graphite sous lequel sont disposés des aimants capables d assurer un confinement magnétique des électrons secondaires éventuellement émis par la cage. Ce système d emprisonnement des électrons secondaires considéré comme parfait permet donc de s affranchir de la composante I sec I ions du courant total mesuré. Un travail important de dimensionnement de la cage a été effectué par l équipementier pour optimiser le confinement des électrons secondaires. De plus comme la cage de Faraday est polarisée au même potentiel négatif que la plaque implantée, le courant électronique I elec est négligeable. Dans le chapitre précédent, on a pu montrer que le courant de déplacement I dep est négligeable dans le cas d un procédé PLAD. 115

116 Figure III.5 : représentation schématique du système de dosimétrie de l équipement PLAD Dans une cage de Faraday parfaite, les électrons secondaires sont tous emprisonnés, leur contribution au courant total est alors annulée. Le courant mesuré dans la cage de Faraday correspond alors au courant ionique : I faraday = I elec + I dep +I sec + I ions I faraday = I ions Équation III.5 La cage de Faraday est donc en mesure de fournir le courant ionique lors du procédé de dopage par plasma. Même si ce système permet d envisager une future industrialisation de l équipement, il faut néanmoins garder à l esprit que tous les ions contenus dans le plasma sont susceptibles d être implantés et donc comptés par le système de dosimétrie. Une variation des caractéristiques du plasma peut donc conduire à modifier le ratio des espèces implantées. C est pourquoi il faut être particulièrement vigilant quant à l état de conditionnement de la chambre. De plus, selon la nature des plasmas formés, la dose mesurée peut être plus ou moins éloignée de la dose absolue du dopant considéré (chaque ion implanté ne comporte pas forcément un atome dopant). Ensuite le nombre de neutres non comptabilisé peut devenir significatif dans le cas d une gaine fortement collisionnelle (collisions et échanges de charges). Enfin l utilisation d une résine en polymère pour l introduction locale du dopant induit un dégazage d espèces carbonées qui peuvent être ionisées puis rétroimplantées. Ce mécanisme difficile à quantifier peut perturber la mesure de la dose car certaines espèces non dopantes sont susceptibles d être comptabilisées par le système de dosimétrie. Le chapitre III traite du dégazage lors du procédé PLAD. 116

117 III.4 LES MODIFICATIONS DE L EQUIPEMENT L objectif de ce chapitre est de décrire brièvement les améliorations apportées à l équipement depuis son installation sur le site de ST en 2002 jusqu à son industrialisation en Les deux principaux problèmes rencontrés sont les instabilités liées au plasma et le contrôle des paramètres du procédé en particulier la tension et la pression. Enfin des phénomènes spécifiques au dopage par plasma sont mis en évidence et des solutions sont proposés pour y faire face. III.4.1 Stabilité du plasma Lors des premiers mois d utilisation de la machine, de nombreuses instabilités du plasma (arcages) ont été observées. Pour remédier à ces problèmes des modifications de l équipement ont été effectuées. III Le plateau Tout d abord, le contact électrique entre la cathode et la plaque de silicium constitue un paramètre clef quant à la stabilité du plasma. En effet même si l anneau extérieur permet de contribuer à générer et à stabiliser le plasma, tout problème de contact entre les pointes métalliques et la plaque de silicium peut générer des arcages et des problèmes de contrôle du procédé (uniformité du dopage). Or, le contact entre la plaque et les pointes métalliques n est assuré que par la gravité, celles-ci doivent donc être parfaitement calibrées en terme de positionnement. Rapidement cette configuration a montré ses limites et ne pouvait être envisagée en vue de l industrialisation de l équipement. Un système plus robuste fut rapidement mis au point, à savoir l utilisation d un nouveau plateau électrostatique permettant d assurer un meilleur contact électrique entre la plaque de silicium et les pointes métalliques. Un effort particulier de conception a été nécessaire pour la réalisation de ce nouveau plateau afin que l attraction électrostatique entre le substrat et le plateau ne vienne pas perturber la tension appliquée par la cathode. Néanmoins pour des raisons de propriétés intellectuelles, nous ne pourrons pas développer ce sujet davantage. III L anode et l anneau extérieur Comme décrit dans le chapitre III.2, l anode et l anneau extérieur au plateau peuvent constituer des sources de contamination métallique, c est pourquoi ces pièces en aluminium sont recouvertes d un dépôt de silicium. Plusieurs inconvénients sont inhérents à l utilisation d un dépôt. Tout d abord, la qualité de celui-ci doit être irréprochable, car la présence d aluminium à nu engendre des arcages par modification locale du potentiel sur l anode. La fragilité importante du dépôt renforce la probabilité de rencontrer de tels problèmes. Enfin le dépôt présente une rugosité importante susceptible de générer des arcages par effet de pointe, en effet un arc électrique s amorce préférentiellement sur les défauts de surface (accumulation de charges). 117

118 Pour résoudre ces problèmes d instabilités de plasma, l anode et l anneau extérieur sont dorénavant en silicium pur. Cette solution permet de s affranchir de tous les problèmes évoqués précédemment. Il est de plus possible de procéder au nettoyage des deux pièces lors de l ouverture de la chambre ce qui était impossible auparavant à cause de la fragilité du dépôt (gain sur le coût de la procédure de maintenance). Enfin cette modification a permis de réduire la contamination métallique. En effet, avec le vieillissement des pièces recouvertes du dépôt en silicium, certaines zones pouvaient se retrouver à nu et laisser entrevoir de l aluminium qui pouvait être pulvérisé lors du procédé. Figure III.6 : évolution de la contamination métallique lors d une implantation d AsF 5 à 1kV et 5kV (dose : at cm -2 ) atomes Si pulvérisés Si-atoms/ion / ion incident 1.E E E-01 0,1 B+ B + BF+ + BF Xe+ + 1.E-02 0,01 0, , Ion Energy [kev] énergie des ions incidents (kev) Figure III.7 : simulation du rendement de pulvérisation d une cible en silicium lors de l implantation de différents ions en fonction de l énergie incidente (logiciel : SRIM2000) La contamination métallique demeure néanmoins un paramètre difficile à maîtriser dans le cas du dopage par plasma. En effet, comme la chambre de procédé en aluminium est au contact du plasma, elle est susceptible d être gravée lors de l implantation. La figure III.6 illustre ce phénomène, dans le cas d une implantation d AsF 5 (anode et anneau extérieur recouverts du dépôt de silicium), on observe que l élévation de la tension d accélération induit une augmentation significative de la contamination métallique quel que soit le contaminant considéré. Afin de comprendre le lien entre cette contamination métallique et la tension appliquée à la cathode, nous avons réalisé une simulation pour évaluer la pulvérisation induite par différents ions incidents sur une cible en silicium (cf. figure III.7). Nous constatons globalement une augmentation du nombre d atomes de silicium pulvérisés avec l énergie des ions incidents. Même si dans notre cas, il faut considérer une cible en aluminium, on peut affirmer que la contamination métallique est d autant plus importante que la tension et la dose (augmentation du temps de procédé et donc de pulvérisation) sont élevées. Ces résultats illustrent l intérêt d utiliser du silicium pur moins sensible au phénomène de pulvérisation pour l anode et de l anneau extérieur. 118

119 III.4.2 Stabilité du procédé D autres modifications de l équipement ont été effectuées afin d améliorer la stabilité du procédé de dopage par plasma en particulier vis-à-vis de la polarisation de la cathode (alimentation électrique) et de la régulation de pression pendant le procédé. III L alimentation électrique L énergie incidente des ions implantés est directement reliée à la tension appliquée sur la plaque de silicium par la cathode. C est pourquoi les créneaux en tension doivent être les plus précis et les plus répétables possibles. Des problèmes de forme des pulses ont rapidement été mis en évidence pour les faibles tensions avec la première alimentation électrique. La figure III.8 montre que pour un procédé à 300V, la tension réellement appliquée est supérieure à la tension demandée sur 20% de la durée du pulse (pic de tension atteignant 400V) engendrant ainsi une implantation plus profonde des ions (contamination énergétique). Ce phénomène conduit à la présence d un pic de courant au début de chaque pulse d implantation ce qui pose des problèmes de répétabilité du procédé. En effet, même si nous pouvons tenter de prendre en compte ce phénomène pour l optimisation d un procédé, l amplitude du pic de tension n est pas contrôlée par l alimentation et varie en particulier avec le vieillissement de celle-ci. Ensuite dans le chapitre III.3.2 dédié au système de dosimétrie, nous avons considéré que la contribution du courant de déplacement I dep sur le courant mesuré par la cage de Faraday I faraday est négligeable dans le cas d un procédé PLAD. Cette affirmation repose sur l hypothèse d une épaisseur de gaine constante durant le procédé d implantation. Or la présence d un pic de tension au début de chaque pulse induit inexorablement une variation de l épaisseur de la gaine plasmique. Le courant de déplacement I dep équivalent à un courant de capacités parasites au niveau de cette gaine ne peut donc plus être considéré comme négligeable vis-à-vis de I faraday, la précision du système de dosimétrie est donc dégradée. Pour une tension de 5kV, la forme du créneau en tension est tout à satisfaisante (cf. figure III.8), ce qui permet de s affranchir des problèmes décrit auparavant. courant cathodique courant cathodique tension cathode auxiliaire 1,5kV tension cathode 300V tension cathode 5kV Figure III.8 : représentation du courant cathodique, de la tension cathodique et de la tension de la cathode auxiliaire (uniquement à 300V) lors d un pulse pour une implantation à 300V (à gauche) et à 5kV (à droite) avec l ancienne alimentation électrique 119

120 Suite à la nécessité d intégrer l équipement PLAD pour l implantation source/drain d une technologie relâchée, la fenêtre de procédé limitée à 10kV en terme de polarisation maximale sur cette alimentation n a pas suffit à répondre aux besoins. Finalement une nouvelle source de tension dont la tension maximale est de12kv a finalement été intégrée sur l équipement. La figure III.9 montre la forme quasi parfaite des pulses, ce profil en tension est réalisable sur toute la fenêtre de procédé de la source (entre 600V et 10kV). 1kV Figure III.9 : représentation de la tension cathodique lors d un pulse pour une implantation à 1kV avec la nouvelle alimentation électrique III La régulation de pression Plusieurs raisons impliquent un contrôle précis de la pression durant le procédé de dopage par plasma. Tout d abord, les caractéristiques physiques du plasma sont étroitement liées à la pression du gaz précurseur (densités ioniques et électroniques, épaisseur de la gaine). Cette tendance est confirmée par l optimisation des recettes à 1kV et 450V (cf. chapitre III.5 ) montrant l influence dominante de la pression vis-à-vis des autres paramètres expérimentaux sur la répétabilité et l uniformité des procédés. Un gain sur la régulation de pression qui a lieu tout au long de l implantation induit donc une amélioration du contrôle du procédé. Ensuite lors du dopage des plaques de silicium avec une résine, la montée en température liée à l implantation d espèces fortement énergétiques va conduire à un dégazage important d espèces carbonées induisant une montée brusque de la pression au sein de la chambre. Ce phénomène significatif à forte tension d accélération est illustré pour des implantations à 10kV sur la figure III.10. En effet on constate une augmentation significative de la pression au début de l implantation pour la plaque avec résine. Des espèces carbonées de la résine sont alors ionisées puis implantées dans le substrat engendrant ainsi une contamination et une dégradation du contrôle du procédé (comptage par le système de dosimétrie). L augmentation du courant cathodique en début d implantation illustré sur la figure III.4 confirme cette hypothèse. Pour remédier à ce phénomène, nous avons testé différents débits du gaz précurseur afin de quantifier le dégazage de la résine. Sur la figure III.10, nous observons une diminution significative du dégazage avec l augmentation du débit. En effet, le débit élevé du gaz précurseur permet d assurer un flux important de gaz et ainsi permettre de limiter la proportion de ces espèces non désirées au sein du plasma. 120

121 120 x 100 dégazage (%) y pression dégazage (%) : x/y 100 temps débit BF 3 (sccm) Figure III.10 : représentation du dégazage en fonction du débit de BF 3 lors d une implantation à 10kV sur une plaque avec résine Cette stratégie implique donc une régulation de pression à la fois précise en terme de sensibilité et capable d ajuster rapidement la pression à la valeur désirée. De cette manière la vanne papillon initialement installée sur l équipement a été remplacée par un nouveau système basé sur l utilisation d un diaphragme dont l ouverture peut se modifier plus rapidement lors de fluctuations de pression. 121

122 III.5 EXEMPLES DE DEVELOPPEMENT DE PROCEDES INDUSTRIELS III.5.1 Le procédé imageur : basse tension, faible dose Ce chapitre résume la mise au point d un procédé de dopage par plasma dont la finalité est l intégration sur une plateforme CMOS imageur. Les caractéristiques de ce procédé en terme de tension appliquée (450V) et de dose implantée ( at cm -2 ) se situent entre les deux régimes de fonctionnement possible de l équipement (avec et sans cathode auxiliaire). Une analyse complète en terme de stabilité du procédé est réalisée afin de mettre en évidence les limitations ou les bénéfices de chacun des régimes possibles. III Optimisation des conditions d implantation Vu les caractéristiques de la jonction a élaborer, et notamment la faible tension d accélération des ions afin de garantir une implantation superficielle, les premiers essais ont été réalisés avec cathode auxiliaire afin d être en mesure de générer le plasma même à faible tension. En effet, nous rappelons que la cathode auxiliaire permet de décorréler la création plasma (tension élevée appliquée à la cathode auxiliaire : 1,5kV) et l implantation des ions (tension faible appliquée à la cathode sur laquelle repose la plaque de silicium). Cette méthode est particulièrement intéressante pour maintenir un courant d implantation élevé à faible tension (inférieure à 500V). Toutefois dans le cas présent, la dose désirée est tellement faible que les densités de plasma élevées obtenues avec la cathode auxiliaire induisent des temps de procédé très courts (inférieurs à 5s) d où une détérioration significative de l uniformité. Une optimisation par plan d expérience (non présentée ici) a été réalisée avec cathode auxiliaire mais n a toutefois pas permis de mettre au point un procédé avec une uniformité inférieure à 5%. La seconde solution est donc la mise au point d une recette d implantation sans cathode auxiliaire. Cette solution est d autant plus envisageable dans ce cas précis que la dose implantée étudiée est faible. En effet les courants d implantation atteignables sans cathode auxiliaire sont moins élevés car la densité ionique du plasma est plus faible. Cette faible dose est motivée par l application technologique visée et par la forte sensibilité de la résistance de couche (paramètre physique du suivi statistique) à toute variation de dose de dopants implantés. La problématique est maintenant différente car la tension appliquée à la cathode doit à la fois générer le plasma et permettre l implantation des dopants superficiellement. La tension de la recette à optimiser est 450V (valeur minimale pour la création d un plasma sans cathode auxiliaire) et la dose est at cm -2. De telles conditions nécessitent une pression de gaz précurseur dans la chambre nettement plus élevée (80mT minimum) que lors de l utilisation de la cathode auxiliaire (valeur de pression autour de 20mT) pour assurer un courant d implantation acceptable. Une 122

123 analyse par plan d expérience est utilisée pour modéliser la réponse du procédé en terme de résistance de couche et d uniformité. Les intervalles pour chacun des paramètres étudiés sont écrits ci-dessous : pression : entre 120mT et 180mT espace entre les électrodes : entre 4, 7cm et 6,3cm durée des pulses : entre 25 s et 45 s L uniformité du procédé d implantation est élevée quelles que soient les conditions d implantation sa valeur est supérieure à 4%. Comme il n y a pas d interaction significative du second ordre (non représenté), la figure III.11 permet de visualiser l impact de chacun des paramètres sur l uniformité du procédé. On constate que la diminution de la pression permet d améliorer significativement la valeur de l uniformité, elle passe de 8% à 4% lorsque la pression est diminuée de 180 à 120mT (les deux autres paramètres étant à leur valeur médiane). Cette tendance s explique principalement par une augmentation du temps de procédé et donc à une meilleure stabilisation du plasma dans ces conditions difficiles (très faible tension sans cathode auxiliaire et très faible dose). La figure III.11 représente l uniformité en fonction de la durée des pulses et de la pression, l espace inter-électrode étant fixé à sa valeur médiane 4,5cm (valeur optimale d après les résultats du plan d expériences). L optimum en terme d uniformité se situe à une valeur de 30 s pour la longueur de pulse pour une pression minimale à savoir 120mT (cf. figure III.12). Figure III.11 : variations de l uniformité de la résistance de couche en fonction des paramètres expérimentaux Figure III.12 : variations de l uniformité de la résistance de couche en fonction de la durée des pulses et de la pression, l espace interélectrode étant fixé à 4,5cm En prenant en compte les résultats précédents, de nouveaux essais sont réalisés en fixant la pression à des valeurs inférieures au domaine étudié lors du plan d expérience, la représentation de l uniformité en fonction de la pression est représentée sur la figure III.13. On constate clairement que la tendance soulignée auparavant est confirmée, l uniformité est même inférieure à 1,5% lorsque la pression est de 80mT. A noter qu en dessous de cette pression, il n est plus possible de créer le plasma même en modifiant l espace inter-électrode. En effet, le nombre de collisions entre les électrons et les molécules de gaz précurseurs n est plus suffisant, de plus comme la tension appliquée entre la cathode et l anode est très peu élevée ces mêmes électrons n ont pas assez d énergie cinétique pour permettre une ionisation suffisante du gaz. La figure III.14 représente la tension de claquage en fonction du produit pression distance inter-électrode. Cette courbe appelée courbe de Paschen a été 123

124 réalisée expérimentalement en fixant l espace inter-électrode à 4,5cm. La fenêtre de procédé étudiée lors de notre étude correspond à des valeurs de P d comprises entre 360 (pour 80mT) et 810 mt cm (pour 180mT), on constate sur le graphique que 450V est quasiment la valeur minimale de tension pour être en mesure de déclencher le plasma uniformité (%) tension de claquage (V) pression (mt) Figure III.13 : variation de l uniformité du procédé en fonction de la pression P d (mt cm) Figure III.14 : courbe de Paschen expérimentale obtenue pour une distance inter-électrode fixée à 4,5cm L optimisation des différents paramètres a permis d assurer un temps de procédé convenable (une dizaine de seconde) et surtout une uniformité inférieure à ce qui est réalisable avec cathode auxiliaire. Au final, la valeur d uniformité du procédé est satisfaisante en vue d une intégration sur des circuits. Un suivi quotidien est maintenant nécessaire pour évaluer la répétabilité du procédé et détecter d éventuelles limitations. III Résultats de l optimisation Durant six semaines, cinquante plaques de silicium totalement recouvertes de résine ont été implantées quotidiennement à forte tension et forte dose (10kV/ at cm -2 ) afin de simuler un régime de production. En effet, les implantations sur des plaques de production sont effectuées à travers une résine afin de localiser les zones implantées. L utilisation d une tension maximale et d une dose élevée a permis de se placer dans un pire cas en terme d encrassement de la chambre. Les résines en polymère utilisées vont d autant plus dégazer que les conditions d implantation sont agressives (pulvérisation physique). Les résultats du suivi quotidien du témoin implanté à 450V/ at cm -2 sont présentés sur la figure III.15. La répétabilité du procédé de 2,9% et l uniformité de 1,9% sont tout à fait acceptables pour les applications visées. Par contre on observe une dégradation de l uniformité dans le temps. Cette tendance s explique par une grande sensibilité du procédé vis-à-vis de l état de la chambre de l équipement. La très faible dose implantée contribue à accentuer cette sensibilité. Pour remédier à cette tendance, des procédures de nettoyage par plasma d argon et d oxygène ont aussi été testées. Ces essais ont été réalisés avec une anode et un anneau extérieur en aluminium recouvert d un dépôt de silicium rugueux, la nouvelle configuration de la chambre propose des pièces en silicium pur qui garantissent une meilleure stabilité du plasma (cf. chapitre III.4 ). 124

125 Rs uniformité répétabilité : 2,9% uniformité : 1,9% 3 2, : 50 plaques avec résine * à froid 3 2,6 Rs (ohm/carré) ,2 1,8 uniformité (%) Rs (ohm/carré) ,2 1,8 uniformité (%) Figure III.15 : représentation du suivi quotidien du témoin 450V/ at cm -2 1, * * Figure III.16 : mise en évidence de l «effet première plaque» 1,4 1 Nous avons réalisé d autres tests en implantant le témoin à froid (sans implantation préalable). La figure III.16 met en évidence un phénomène qualifié d «effet première plaque». La valeur de résistance de couche augmente d environ 15% dans ces conditions. Néanmoins l implantation des cinquante plaques avec résine à 10kV permet de retrouver une valeur de résistance de couche en ligne avec les valeurs usuelles comme le montre les témoins 15 et 18. Ces résultats confirment l importance de procéder au conditionnement de l équipement pour garantir une bonne répétabilité du procédé. Ce phénomène est caractéristique des procédés assistés par plasma (gravure, déposition), car les caractéristiques d un plasma sont fortement impactés par l état du réacteur et en particulier la température résidant au sein de celui-ci. L hypothèse la plus vraisemblable semble être un dégazage des espèces adsorbées sur les parois impactant ainsi le comptage de la dose. Une procédure précise de conditionnement est donc nécessaire pour garantir des conditions d implantation optimales. Les résultats précédents montrent l intérêt d effectuer un suivi de la résistance de couche afin de détecter une éventuelle dégradation du procédé PLAD. Le protocole à suivre impose une étape de recuit afin d activer le dopant. Nous avons tenté de simplifier cette approche en réalisant un suivi du signal thermawave (TW) des plaques témoins. En effet, cette mesure TW est sensible à la quantité de défauts ponctuels générés par implantation et ne nécessite donc pas d étape de recuit. La figure III.17 représente les résultats du suivi de notre procédé 450V/ at cm -2 par mesure de la résistance de couche et par signal thermawave. La corrélation entre les deux suivis est très bonne, en effet à une augmentation de la résistance de couche correspond une chute du signal TW et inversement. Cette tendance s explique par le fait que la résistance de couche augmente avec la résistivité du matériau ce qui correspond à une dose implantée plus faible et donc à une diminution du nombre de défauts ponctuels (diminution du signal TW). Les plaques 10 et 11 ont été implantées sans conditionnement afin d introduire des variations importantes de la résistance de couche, nous constatons que le signal TW est tout à fait sensible à cet «effet première plaque». Grâce à cette nouvelle méthode de caractérisation nous somme donc capables de suivre les éventuelles variations du procédé en s affranchissant du recuit d activation ce qui constitue un avantage certain en vue de l industrialisation de l équipement. 125

126 à froid Rs (ohm/carré) TW (unité) Figure III.17 : comparaison de la résistance de couche(ronds) et du signal thermawave (carrés) de plaques témoins implantées avec le procédé 450V/ at cm -2 Pour conclure, nous avons développé un procédé faible tension et faible dose (450V/ at cm -2 ) pour répondre à un besoin technologique de la plate-forme CMOS imageur. Notre objectif principal de garantir une uniformité acceptable a pu être rempli (uniformité inférieure à 3% sur le suivi quotidien pour des conditions de production) même si une dégradation de l uniformité a été constatée au fur et à mesure de l encrassement de la chambre. Des procédures de nettoyage in situ utilisant des plasmas (Ar et O 2 ) sont étudiées afin d accroître la période d utilisation de l équipement avant ouverture de la chambre. De plus, des modifications de certaines pièces sensibles (anode et anneau extérieur) ont été effectués pour améliorer la stabilité du plasma. L importance du conditionnement de la chambre a pu être mise en évidence en révélant un «effet plaque première» lors de l utilisation de l équipement à froid. Remarque : Dans le cas des applications usuelles de la technique PLAD (forte dose implantée à faible tension), le mode standard de fonctionnement (sans cathode auxiliaire) est à proscrire à cause du faible courant d implantation. Seul le mode utilisant l électrode auxiliaire est adapté lorsque les doses deviennent supérieures à at cm -2 et la tension d accélération devient inférieure à 600V. Cette gamme dose/tension est largement caractérisée dans le chapitre II car elle correspond à la fenêtre de procédés des jonctions ultra fines à fabriquer pour les dispositifs avancés. III.5.2 Le procédé 1kV Un second exemple de développement de procédé est présenté dans ce chapitre. Comme précédemment l optimisation a nécessité la mise en place d un plan d expérience. La mise en uvre et les détails concernant les conditions expérimentales utilisés pour le plan d expérience se trouvent en annexe 2 du manuscrit. Dans le présent chapitre, nous nous contenterons de commenter les grandes tendances et d illustrer les améliorations apportées par cette approche sur la robustesse du procédé. Le suivi statistique SPC (Statistical Process Control) de l équipement PLAD est réalisé par l implantation quotidienne d une plaque témoin avec une tension de 1kV et une dose de at cm -2. Cette plaque est recuite sur RTP puis une mesure 126

127 de résistance de couche Rs est effectuée. Afin d améliorer la répétabilité du procédé, c'est-à-dire diminuer la dispersion de la valeur de résistance de couche d une plaque à l autre, une optimisation des paramètres de la recette d implantation est réalisée. Une optimisation similaire préalable a permis de fixer les conditions de recuit et l épaisseur de l oxyde thermique des témoins afin de minimiser l impact de ces paramètres sur la résistance de couche. Le but de cette seconde étude est de maximiser la sensibilité de la résistance de couche quant à une éventuelle dérive du procédé PLAD. III Influence et interactions des paramètres expérimentaux La figure III.18 extraite de l exploitation du plan d expérience montre que l augmentation de la pression conduit à une diminution significative de la résistance de couche. Cette tendance peut être attribuée à un effet de la pression sur le système de dosimétrie de l équipement. En effet l augmentation de la densité du plasma avec la pression de travail induit une augmentation de la dose implantée par pulse à durée de pulse fixée. Le système de dosimétrie n est alors peut être pas en mesure d intégrer la totalité des charges incidentes et il sous-estime la dose implantée. Figure III.181 : variations de la résistance de couche en fonction des paramètres expérimentaux (interactions du premier ordre) Figure III.192 : variations de la résistance de couche en fonction des interactions du second ordre (A : pression, B : espace interélectrode, C : durée d un pulse) Ensuite la modification des caractéristiques du plasma avec la pression peut induire des variations significatives sur le ratio respectif des ions implantés. Néanmoins sachant que les espèces largement majoritaires du plasma contiennent chacune un atome de bore (B +, BF + et BF 2 + ), la quantité de bore introduit peut être supposé comme constante pour une quantité donnée d ions implantés. Le ratio de fluor par rapport au bore peut quant à lui être légèrement impacté, mais son influence sur la TED et l activation du bore ne peut expliquer d aussi grandes variations de la résistance de couche. Enfin l augmentation de la pression va engendrer une augmentation du nombre de collision au sein de la gaine (cf. chapitre I), on peut donc envisager une diminution de la profondeur de jonction implantée (diminution de l énergie incidente des ions par collisions inélastiques et dispersion de l angle d incidence (cf. dopage conforme)). Or cette hypothèse va à l encontre des résultats observés, en effet une diminution de la profondeur de jonction à résistivité constante induit une augmentation de la résistance de couche (R s = /X j ). Pour conclure, la 127

128 perturbation du système de dosimétrie par l augmentation de la densité du plasma semble l hypothèse la plus plausible. Après la figure III.19 montre un effet croisé de l espace inter-électrode et de la durée des pulses avec la pression. En fait, lorsque la distance entre l anode et la cathode est maximale et la durée de chaque pulse est minimale, l influence de la pression est minimisée. Comme nous voulons être en mesure de détecter une dégradation de la répétabilité du procédé en cas de dérive ultérieure de l équipement, il faut limiter l influence très marquée de la pression sur la résistance de couche. Or cette influence de la pression ne peut être limitée que par l ajustement des deux autres paramètres étudiés, en effet la résistance de couche évolue linéairement sur le domaine de pression étudié lorsque l on considère ce paramètre au premier ordre. Figure III.20 : représentation 3D de la résistance de couche en fonction de la pression et de l espace inter-électrode Figure III.21 : représentation 3D de la résistance de couche en fonction de la pression et de la durée des pulses Les figure III.20 et figure III.21 représentent l évolution de la résistance de couche en fonction de la pression et de chacun des deux autres paramètres sachant que sur chaque figure le paramètre non représenté est fixé de telle sorte à minimiser l impact de la pression. Les deux figures confirment bien la possibilité de minimiser cet impact par une distance inter-électrode maximale et une durée de pulse minimale. III Résultats de l optimisation 1150 nouveau procédé (pulse : 9 s / électrode : 6,5cm) Rs (ohm/carré) ancien procédé (pulse : 29 s / électrode : 5cm) Rs (ohm/carré) % uniformité Pression (mt) Figure III.22 : représentation modélisée de la résistance de couche en fonction de la pression pour l ancien procédé et le nouveau procédé optimisé 900 Rs unif (%) répétabilité Rs : 1.6 % uniformité moyenne Rs : 1,0% Figure III.23 : représentation du suivi quotidien du témoin 1kV/ at cm -2 avec les nouvelles conditions

129 La figure III.22 permet d évaluer le gain apporté par l optimisation par plan d expérience. En effet, l influence de la pression sur la résistance de couche est drastiquement réduite par l ajustement des deux autres paramètres (distance interélectrode maximale et une durée de pulse minimale). Pour conclure, la figure III.23 présente le suivi statistique de l équipement après optimisation par plan d expérience. La répétabilité du procédé a diminué de plusieurs pourcents (valeur initiale 3,9% sur un nombre de témoins identique) pour finalement atteindre 1,6% avec une uniformité tout a fait satisfaisante de 1%. Même si ce gain n est pas uniquement attribuable à l optimisation de la recette car des problèmes liés à l équipement ont perturbé le premier suivi, la recette mise au point permet dorénavant un suivi précis de l équipement. De plus, cette étude a souligné à la fois l impact très important de la pression sur la stabilité du procédé et la nécessité de remplacer l ancien système de régulation de pression utilisant une vanne papillon par un système plus adapté. En effet, l ajustement de l espace inter-électrode et de la durée des pulses à des valeurs extrêmes constitue une solution temporaire satisfaisante pour l implantation d un témoin quotidien mais ne peut être envisagé en vue de l industrialisation de l équipement. La diminution de la durée des pulses à une valeur très faible engendre une augmentation significative du temps de procédé qui n est pas compatible avec les besoins de la production. Le nouveau système de régulation permet dorénavant une plus grande flexibilité sur les paramètres de la recette d implantation. L augmentation de la durée des pulses et donc envisageable sans détériorer la répétabilité du procédé. III.6 CONCLUSION La première condition à remplir en vue d industrialiser un équipement tel que le PLAD est d évaluer la robustesse à la fois de la machine et du procédé à intégrer. Concernant l équipement trois années de développement ont été nécessaires pour être en mesure à la fois d identifier les faiblesses et proposer des solutions grâce à une collaboration étroite avec l équipementier. De cette façon, certaines pièces telles que l anode, l anneau extérieur et le plateau sur lequel repose la plaque de silicium ont été remplacées afin de répondre aux besoins de la production en terme de niveau de contamination et de stabilité du procédé. En parallèle, les différents procédés sélectionnés en vue d une future intégration ont été étudiés notamment grâce à une approche par plan d expériences. Cette méthode a permis d évaluer l influence des différents paramètres expérimentaux sur la jonction implantée. Ainsi il s est avéré que la pression constitue le paramètre clef en terme de stabilité du procédé (répétabilité, uniformité). C est pourquoi la vanne de régulation a été modifiée pour limiter l impact de ce paramètre. Enfin l importance du conditionnement du réacteur a aussi pu être mis en évidence lors du suivi statistique de la recette à 450V. 129

130 CHAPITRE IV : LES REALISATIONS TECHNOLOGIQUES ET LES APPLICATIONS AVANCEES Dans ce chapitre, certains des procédés développés sur l équipement sont intégrés sur des plateformes industriels ou en cours de développement afin d évaluer à la fois la compatibilité de la technique de dopage par plasma et son impact sur les performances des dispositifs. Nous avons ainsi testé trois familles d implantation PLAD : les jonctions ultrafines sur une plateforme CMOS 65nm, les jonctions de recombinaison des électrons parasites sur une plateforme imageur CMOS et les jonctions ultrafines conformes sur une plateforme prototype de transistors non planaires de type MugFet. Enfin dans une dernière partie, une application avancée sera aussi proposée à savoir l implantation d espèces inertes telles que le xénon et l argon par PLAD afin de modifier la cinétique de croissance des oxydes thermiques. 130

131 IV.1 INTEGRATIONS DE JONCTIONS FINES IMPLANTEES PAR PLAD DANS UNE FILIERE CMOS AVANCEE IV.1.1 Présentation L objectif de ce chapitre est de présenter les principaux résultats électriques de transistors dont les extensions source/drain sont dopées par PLAD et de les comparer au standard actuel réalisé par implantation ionique de type ULE afin d évaluer l impact de cette nouvelle technique de dopage sur les performances de transistors avancés. Pour la première fois, le procédé PLAD a pu être intégré pour la réalisation des jonctions P + /N et N + /P d une plateforme CMOS 65nm. Dans un premier temps, nous avons introduit ce procédé sur une architecture standard sans modification des autres étapes de la filière. Les performances des transistors se sont révélées comme étant comparables à celles obtenues par implantation ionique. De plus, l introduction du PLAD a permis une diminution significative des courants et des capacités parasites [LAL04]. Afin de tenir compte de l allure spécifique du profil de dopant induit par un procédé PLAD, nous avons optimisé les implantations poches nécessaires au contrôle des effets canaux courts pour la présente étude [DUM05]. IV.1.2 Conditions Expérimentales Les transistors ont été fabriqués selon une filière définie par ST Microelectronics dont les principales étapes sont décrites ci-dessous : NMOS PMOS Oxydation de grille + nitruration (SiON) Dépôt grille polysilicium Prédopage grille Gravure grille Implantation extensions source/drain (ULE / PLAD) Implantations poches (conditions spécifiques pour PLAD) Formation des espaceurs (procédé basse température) Implantation source/drain (ULE) Recuit spike RTP (1080 C) Siliciuration NiSi Extensions source/drain Poches (ULE) gaz/ion tension/énergie dose énergie (kv/kev) (at/cm 2 ion ) (kev) dose PLAD AsH 3 1, BF , ULE As + 1 6, BF PLAD BF 3 0, As , ULE + BF As Tableau IV.1 : Conditions d implantation utilisées pour les extensions source/drain et les poches des transistors 131

132 Afin d optimiser le procédé PLAD intégré sur la plateforme 65nm, de nombreuses conditions d implantation ont été testées (extensions source/drain et poches). Néanmoins pour des raisons de clarté, seuls les meilleurs résultats obtenus pour les transistors NMOS et PMOS sont présentés. Le tableau IV.1 contient les caractéristiques des implantations des extensions source/drain (PLAD : meilleure condition et ULE : procédé standard) et des implantations poches réalisées par ULE. IV.1.3 Les Résultats IV Les performances des dispositifs A partir des mesures électriques des dispositifs, il est possible d extraire le courant de sortie I on et le courant de fuite I off des transistors pour une tension d alimentation donnée. L objectif est bien entendu de maximiser I on pour un niveau de fuite I off fixé. La figure de mérite I on /I off des transistors NMOS obtenue pour une tension de drain de 0,9V montre une amélioration grâce à l introduction du procédé PLAD (cf. figure IV.1). Cette tendance est confirmée lorsque l on considère uniquement une longueur de grille L g de 50nm correspondant à la technologie 65nm, le gain atteint alors 4% (graphique de droite). I off (Log A/µm) V dd = 0,9V PLAD ULE Ioff (Log A/µm) -7 L g = 50nm V dd = 0,9V PLAD ULE I on (µa/µm) I on (µa/µm) Figure IV.1 : Compromis I on /I off des transistors NMOS implantés par PLAD et ULE Soit G m la transconductance du transistor, elle est l'expression du mécanisme de commande d'un transistor : c'est la variation du courant de drain en fonction de la polarisation de grille à tension drain-source constante. Elle n'est donc pas constante avec V GS. La transconductance s exprime en Siemens (S) et est définie par l équation suivante : (ID ) G m avec V DS constant Équation IV.1 (V ) GS La transconductance du canal des transistors NMOS dopé PLAD est largement supérieure à la référence (+25%) grâce à une diminution de l énergie et surtout de la dose de poche (cf. figure IV.2). En effet, l augmentation de la dose de poche entraîne une dégradation de la mobilité des électrons au niveau du canal de conduction dans le cas de transistors NMOS [BER03]. Ce résultat permet d expliquer en partie le gain sur le courant de sortie observé avec le PLAD. 132

133 Gm (S) 5.E-04 4.E-04 3.E-04 2.E-04 1.E-04 0.E , , 0.5, 0.75, , Vg-Vth (V) PLAD Ref ULE Lg = 50nm Vdd=0.1V, Figure IV.2 : representation graphique de la transconductance des transistors NMOS implantés par PLAD et ULE Id (A/µm) 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 S=94mV/dec 1.E-08 NMOS 1.E-09 PMOS 1.E Vg (V) Vdd = 0.9V Vdd = 0.1V S=87mV/dec Figure IV.3 : représentation de la figure de mérite I d (V g ) des transistors NMOS et PMOS implantés par PLAD (L g =50nm) La figure IV.3 de mérite I d (V g ) est représentée pour deux tensions d alimentation (0,1 et 0,9V). Les valeurs de pente sous le seuil 87/94 mv/dec et de DIBL à savoir 100/150 mv respectivement pour les transistors NMOS et PMOS sont tout à fait satisfaisantes pour la technologie CMOS 65nm et similaires aux valeurs du procédé standard ULE (non représentées). I off (Log A/µm) Vdd = 0,9V PLAD ULE I on (µa/µm) Figure IV.4 : Compromis I on /I off des transistors PMOS implantés par PLAD et ULE Concernant les transistors PMOS, la figure de mérite I on /I off montre un compromis identique pour les deux techniques de dopage (cf. figure IV.4). Ces données confirment bien la possibilité d intégrer le PLAD pour les transistors PMOS d une telle plateforme [LAL04]. Il faut tout de même remarquer que dans le cas présent les poches sont moins dosées que pour les précédents travaux. C est ce qui explique la diminution de la tension de seuil pour les transistors PLAD (PMOS et NMOS) à longueur de grille fixée (cf. figure IV.5). Cette tendance est particulièrement marquée pour les transistors longs alors que dans le même temps, les poches plus dosées intégrées sur le procédé standard ULE permettent de conserver une valeur constante de V t malgré la diminution de la longueur de grille de 100nm à 60nm. Par contre à partir de 50nm, la chute de la tension de seuil est moins abrupte pour les transistors PLAD NMOS et PMOS. Cette tendance conduit à des valeurs de tension seuil quasiment identiques entre le PLAD et l ULE pour les transistors NMOS et PMOS les plus petits ayant des largeurs de grille de 35nm. En fait, ce résultat confirme une fois de plus que les jonctions PLAD activées sont plus fines que celle élaborées avec l ULE, car pour les grilles les plus fines, la contribution des jonctions fines devient prépondérante par rapport à celle des poches sur le contrôle des effets canaux courts. La figure IV.6 illustre cette tendance et montre que le gradient de V t du PLAD est inférieur à celui de l ULE pour des longueurs de grille inférieures à 50nm. 133

134 En vu d une future industrialisation, le procédé PLAD est donc avantageux, car la dispersion naturelle de la largeur de la grille induite par le procédé de gravure est alors moins critique (diminution des fluctuations sur la tension de seuil). Vt lin (mv) 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4 NMOS PMOS Vdd=0,9V PLAD ULE L g (nm) Figure IV.5 : représentation de la tension de seuil en fonction de la largeur de grille des transistors (régime linéaire) V t / L g (V/nm) 0,015 0,01 0, ,005-0,01-0,015 NMOS PMOS V dd =0,9V PLAD ULE L g (nm) Figure IV.6 : représentation de la pente de V t en fonction la largeur de grille des transistors (régime linéaire) Nous allons maintenant analyser les données extraites des mesures électriques du dispositif. Les valeur des résistances des extensions source/drain sont réduites avec le PLAD (cf. figure IV.7). Côté PMOS cette tendance très marquée concernant la résistance LDD (-35%) peut en partie s expliquer par le gain démontré sur le compromis R s /X j vis-à-vis de l ULE pour les jonctions très fines (inférieures à 20nm). Par contre sachant que les jonctions intégrés par PLAD sont plus fines, le gain observé sur les résistances en NMOS est plus difficile à expliquer car le compromis R s /X j est le même pour les deux techniques d implantation (cf. chapitre II). En fait, la dose plus faible des poches introduite avec le procédé PLAD est en partie responsable du gain sur la résistance de l extension source/drain car le contre dopage induit par les implantations poches annihile une partie de la dose des extensions. résistance de couche des extensions (ohm/carré) NMOS PLAD ULE PMOS Figure IV.7 : représentation des résistances de couche des extensions source/drain de transistors dopés par PLAD et ULE La jonction plus fine élaborée par PLAD va moins diffuser latéralement sous la grille à budget thermique équivalent. Ainsi la capacité de déplétion directement dépendante de la diffusion sous la grille est largement diminuée avec le procédé PLAD (cf. figure IV.8). Ce résultat confirme le gain observé avec le PLAD sur les effets canaux courts. 134

135 60 PLAD 1,4 PLAD capacité de déplétion [log(ff/ m2)] ULE capacité de jonction [log(ff/ m2)] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 ULE 0 NMOS PMOS Figure IV.8 : représentation des capacités de déplétion de transistors dopés par PLAD et ULE 0 NMOS PMOS Figure IV.9 : représentation des capacités de jonction de transistors dopés par PLAD et ULE Concernant les améliorations observées grâce à l utilisation du PLAD sur les courants de fuite en bord de grille (cf. figure IV.10), les courants de fuite de jonction (côté NMOS uniquement, cf. figure IV.11), mais aussi les capacités de jonction (côté NMOS uniquement, cf. figure IV.9), deux raisons principales peuvent être avancées. Tout d abord, la dose plus faible des poches induit un niveau de dopage réduit à la jonction limitant ainsi le niveau de fuite tunnel bande à bande et la capacité de la jonction. Ensuite on a montré dans le chapitre 2 que le dopage par plasma induit moins de défauts et permet donc d éviter la formation de défauts étendus lors du recuit d activation, or ces défauts au sein de la zone active de la jonction sont aussi source de courant de fuite. Cette explication permet ainsi d expliquer le gain de plus d une décade observé en particulier sur les fuites de jonction des transistors NMOS avec le PLAD. courant de fuite en bord de grille [log(a/ m2)] NMOS PLAD ULE PMOS Figure IV.10 : représentation des courants de fuite en bord de grille de transistors dopés par PLAD et ULE courant de fuite de jonction [log(a/ m 2 )] NMOS PLAD ULE PMOS Figure IV.11 : représentation des courants de fuite de jonction de transistors dopés par PLAD et ULE Ces résultats permettent de souligner le bénéfice à utiliser le PLAD pour améliorer les paramètres électriques du «second ordre» des transistors par comparaison aux figures de mérite I on /I off et V t /L g. Le fait d avoir réduit drastiquement la dose des poches a permis d accroître ce gain au prix d une dégradation de la tension de seuil pour les largeurs de grille supérieures à 50nm. Néanmoins la chute de V t est moins brutale et la tension de seuil est comparable au procédé ULE pour les grilles les plus fines (<50nm). Ce résultat est très encourageant en vue d une intégration du PLAD pour les futurs générations de transistors (45nm et après) sachant que l objectif principal de cette étude était d anticiper les futurs besoins des transistors. En conservant des doses de poches plus élevées, le PLAD permet d obtenir des résultats identiques au procédé de référence avec ULE en terme de I on /I off et V t /L g [LAL04]. 135

136 Il est aussi intéressant de remarquer que le gain sur le compromis I on /I off obtenu pour les transistors NMOS n est pas obtenu côté PMOS. Malgré l amélioration sensible des paramètres électriques de la jonction, les performances des transistors PMOS sont alignées avec la référence. Il semble que la jonction ne soit pas le facteur limitant vis-à-vis des performances du dispositif PMOS. En effet d autres composantes sont susceptibles de «masquer» l optimisation réalisée sur la jonction P + /N comme l implantation source/drain et surtout la résistance de contact considérée comme le paramètre limitant de la résistance série du dispositif dans de nombreux travaux [KIT03], [MKN04]. C est pourquoi contrairement aux transistors NMOS, nous n avons pas observé d amélioration de la transconductance côté PMOS avec le procédé PLAD malgré des caractéristiques de jonctions améliorées et une diminution de la dose des poches. Par contre, le PLAD apporte un gain significatif sur les courants de fuite, paramètre important dans le cadre du développement des technologies faibles consommations. IV Intégrité de l oxyde de grille Lors d un procédé PLAD, la plaque est totalement immergée au sein du plasma. L oxyde de grille est donc susceptible d être endommagé, car il est au contact d une grande quantité de charges. Dans le cas de l implantation ionique standard un gaz d électrons est généralement utilisé pour neutraliser les charges induites par les ions incidents. Dans le cas du PLAD, un flux d électrons provenant du plasma vient naturellement neutraliser la plaque après chaque pulse (cf. chapitre I), néanmoins seules des mesures de fiabilité peuvent garantir que l oxyde de grille n est pas endommagé. Weibit NMOS 99% 90% 50% % Cumulative value valeur cumulée (%) -2 ULE -2-3 PLAD 1 10% ULE 10% -3 PLAD 1 PLAD 2-4 PLAD 2 PLAD 3-4 1% PLAD 3 1% Tbd (s) Tbd (s) Figure IV.12 : représentation graphique du test d intégrité des oxydes de grille (représentation de Weibull) de transistors NMOS (à gauche) et PMOS (à droite) élaborées par ULE et PLAD (trois procédés caractéristiques ont été testés) pour une tension appliquée de 2,8V Weibit PMOS NMOS PMOS ULE 1keV (As + ) 1keV (BF + 2 ) PLAD1 1,3kV (AsH 3 ) 200V (BF 3 ) PLAD2 1,9kV (AsH 3 ) 250V (BF 3 ) PLAD3 2,3kV (AsH 3 ) 300V (BF 3 ) 99% 90% 50% Tableau IV.2 : énergie ou tension d implantation ULE et PLAD utilisées pour le test d intégrité de l oxyde de grille (dose : at/cm 2 ) valeur % Cumulative cumulée value (%) 136

137 Un test représentatif de la cinétique de défaillance de l oxyde de grille est donc effectué. De cette façon, la durée nécessaire au claquage de l oxyde T BD des transistors NMOS et PMOS est mesurée lors d une polarisation à 2,8V et représentée sur la figure IV.12 (loi de Weibull). La durée nécessaire au claquage de la moitié des transistors T 50% est déduite de cette mesure. Nous constatons sur le graphique que les trois procédés PLAD testés pour les deux types de transistors permettent d augmenter légèrement la grandeur T 50% par rapport au procédé ULE. Ce résultat démontre que l intégrité de l oxyde de grille est garantie lors de l utilisation de cette technique de dopage. De plus, les courbes obtenues pour les trois procédés PLAD sont très similaires côté NMOS et PMOS, c est pourquoi on peut considérer que dans la gamme de tension testée, la tension d implantation en PLAD a peu d influence sur l intégrité de l oxyde de grille. IV.1.4 Conclusion Pour conclure, ces résultats montrent que le dopage par plasma constitue une solution alternative particulièrement intéressante pour l implantation des extensions source/drain des futures générations de transistors. En effet, le profil d implantation PLAD plus fin que celui de l ULE permet de diminuer la dose des poches tout en conservant un contrôle convenable des effets canaux courts en particulier pour des grilles inférieures à 50nm. Une augmentation du courant de saturation est obtenue pour les transistors NMOS (grille de 50nm) alors que les performances côté PMOS sont identiques au procédé standard par implantation ionique. Les valeurs des courants et des capacités parasites associés à la jonction sont largement diminuées grâce à ce nouveau procédé. Enfin des tests de fiabilité d oxyde de grille post implantation ont permis de démontrer la possibilité d intégrer le PLAD sur une plateforme industrielle. Ces résultats font de la technique PLAD un candidat privilégié pour l intégration d USJ sans défauts, de résistivité acceptable et à faible courant de fuite. Ainsi, dans le triptyque R s /X j /fuites des jonctions, le PLAD apparaît comme un candidat idéal pour les technologies CMOS les plus avancées puisque nous avons démontré que quelle que soit la technique d activation usité, le compromis tripartite est amélioré. 137

138 IV.2 LE PROCEDE IMAGEUR Afin de limiter la migration d électrons parasites provenant de l interface espaceur-silicium vers la zone de charge d espace de la photodiode, une implantation très fine et peu dopée de type P est réalisée avant dépôt des espaceurs. Cette jonction doit permettre la recombinaison des électrons parasites sans pour autant perturber le transfert des photoélectrons vers le canal lorsque la grille de transfert est polarisée. Le développement de ce procédé sur l équipement PLAD est largement décrit dans le chapitre 3. Dans le présent chapitre, nous nous focaliserons sur la caractérisation de la jonction obtenue, les contraintes d intégration et le gain d une telle intégration en terme de performance sur le dispositif. IV.2.1 Caractérisation de la jonction Il est intéressant de noter que le budget thermique associé au recuit d activation (1055 C / 20s) de la plateforme imageur est important comparé à celui utilisé sur une plateforme CMOS avancé (recuit spike). C est pourquoi la jonction post implantation doit être particulièrement fine pour limiter la profondeur de diffusion lors du recuit et ne pas perturber le dispositif. La capacité du PLAD à implanter à des tensions particulièrement faibles ainsi que la présence d un pic de dopant en surface rendent ce procédé particulièrement attractif pour une telle application. La figure IV.13 représente les profils SIMS de bore du procédé 450V/ at/cm 2 avant et après recuit d activation. La profondeur de la jonction post implantation mesurée à une concentration de at/cm 3 est particulièrement fine à savoir 5nm ; après recuit cette même profondeur passe à 32nm. La résistance de couche associée est de 3450 /carré. 1E concentration (at/cm 3 ) 1E+20 1E+19 1E+18 implanté recuit (1055 C/20s) 450V / at cm-2 Rs (ohm/carré) Rs TW TW (unité) 1E profondeur (nm) Figure IV.13 : profils SIMS de bore correspondant aux jonctions obtenus après un procédé PLAD 450V/ at/cm 2 avant et après recuit d activation (1055 C/20s) ,0E+14 1,5E+14 2,0E+14 2,5E+14 3,0E+14 dose nominale (at cm -2 ) Figure IV.14 : évolution de la résistance de couche et du signal TW pour différentes doses d implantation et une tension d accélération de 450V (oxyde chimique superficiel de 8 ) La figure IV.14 représente l évolution de la résistance de couche et du signal thermawe (TW) pour différentes doses implantées à 450V. Comme prévu l augmentation de la dose implantée et donc de la quantité de défauts ponctuels s accompagne d une augmentation du signal TW et d une diminution de la résistance de couche. Il est important de noter que l implantation est réalisée à travers un oxyde 138

139 chimique de 8. En effet, vu la tension d accélération très faible utilisée, une partie non négligeable de dopants est implantée dans l oxyde et n est pas comptabilisé par le signal TW (sensible aux défauts ponctuels dans le silicium uniquement) et la valeur de R s (sensible à la quantité de dopant actif). Cette notion sera développée dans le chapitre suivant. IV.2.2 Les pertes de dose Les pertes de dose induites par l oxyde chimique superficiel et le nettoyage post implantation nécessaire au retrait de la résine peuvent être significatives lors de l intégration d un tel procédé sur une filière imageur. C est pourquoi nous avons réalisé des travaux afin de quantifier ces pertes par suivi du signal TW. En effet, cette mesure présente l avantage d être réalisée avant activation ce qui permet de s affranchir de l impact du recuit sur la dose restante au sein du silicium. IV Lors du procédé d implantation Nous avons tout d abord procédé à un nettoyage HF avant implantation pour enlever l oxyde chimique superficiel sur cinq plaques témoins. Ensuite une implantation plasma BF 3 450V/ at/cm 2 a été réalisée sur le premier témoin juste après nettoyage HF. Les quatre autres plaques ont été implantées en prenant soin de respecter un délai d une heure entre chaque implantation. Les mesures TW des différents témoins sont représentés sur la figure IV.15. Nous constatons une décroissance du signal TW avec l augmentation du délai avant implantation. Toutefois cette décroissance n a lieu qu à partir de la deuxième heure d attente. Des mesures par ellipsométrie ont pu montrer que la croissance de l oxyde chimique après HF n excède pas 1 au bout de quatre heures d attente [RIC03]. Une consommation de silicium et donc du dopant lors de la réoxydation de la surface du silicium ne peut donc expliquer la chute importante du signal TW observée. Dans cette même étude il est aussi expliqué qu une couche de contaminants organiques de plusieurs vient s adsorber en surface après quelques heures d attente. Même s il est très difficile de quantifier avec précision l épaisseur de cette couche, on peut admettre qu elle peut rapidement constituer une couche d arrêt vis-à-vis des ions implantés à très faible énergie lors du procédé PLAD. Cette hypothèse est donc privilégiée pour expliquer la variation du signal TW correspondant à une chute de la quantité de dopant au sein du silicium. La chute du signal atteint 15% au bout de quatre heures d attente. Il est intéressant de comparer les ordres de grandeur du signal TW obtenu après HF (compris entre 523 et 463) avec ce même signal obtenu après une implantation identique à travers un oxyde thermique de 8 à savoir 373. Le profil spécifique du PLAD explique cette chute significative du signal TW, car la quantité de dopant implanté dans l oxyde (pic de dopant en surface) est particulièrement élevée pour un tel procédé faible tension, faible dose. 139

140 TW (unité) h 1h 2h 3h 4h durée écoulée entre le nettoyage HF et l'implantation Figure IV.15 : variation du signal TW après HF pour différents délais d attente avant une implantation BF 3 450V/ at/cm 2 Afin de quantifier la perte de dose inhérente à ce procédé faible énergie, une droite d étalonnage permettant de connaître la dose réellement implantée au sein du silicium en fonction du signal TW a été tracée. Plusieurs hypothèses ont été considérées pour obtenir cette droite : La réponse du signal TW est considérée comme linaire sur le domaine d étude considéré La valeur TW correspondant à une plaque non implantée à savoir 128 fournit l origine de la droite d étalonnage (dose nulle) L intégration du profil SIMS avant recuit de l implantation BF 3 450V/dose nominale : at/cm 2 (cf. figure IV.13) fournit la dose à reporter pour définir la courbe d étalonnage à savoir 5, at/cm 2, la valeur thermawave mesurée est : 239. Cette hypothèse repose sur une extraction exacte de la dose par intégration du profil SIMS. La valeur du signal TW de l implantation BF 3 450V/dose nominale : at/cm 2 réalisée juste après nettoyage HF à savoir 523 fournit la valeur associée à la dose at/cm 2 de la courbe d étalonnage. La droite d étalonnage ainsi obtenue est représentée sur la figure IV.16. Les données des figures IV.14 et IV.15 sont aussi représentées en reportant chaque valeur TW associée sur la droite d étalonnage. Le tableau IV.3 permet de résumer les résultats obtenus. Nous constatons dans un premier temps que mis à part pour les deux témoins implantés juste après le nettoyage HF (plaque étalon, plaque implanté après une heure d attente), les doses réellement implantées dans le silicium sont en deçà des doses nominales. Selon les conditions, deux explications peuvent être avancées. Pour les plaques ayant subi un nettoyage HF, la formation d une couche de contaminants organiques permet d expliquer une perte atteignant 16% au bout de quatre heures d attente. En effet, après un tel nettoyage la surface hydrophile est très réactive et constitue un site privilégié pour l adsorption de molécules organiques. Une contamination particulaire particulièrement élevée (nombre de particules ayant une taille d au moins 0,12 m supérieur 500) a d ailleurs été observée 24 heures après le nettoyages sur toutes les plaques témoins. Dans le cas des témoins présentant un oxyde chimique de surface, une contamination organique a lieu lors d une attente prolongée avant implantation, néanmoins celle-ci est moins importante qu après un traitement HF (surface moins réactive), c est pourquoi nous négligerons ce paramètre dans notre interprétation. La perte de dose est dans ces conditions particulièrement élevée et atteint environ 40% 140

141 pour les trois doses nominales testées à savoir at/cm 2, at/cm 2 et at/cm 2. La visualisation du pic de bore du profil SIMS de la figure IV.13 permet de comprendre l impact néfaste de l oxyde de surface sur la dose finalement contenu dans le silicium. L intégration des deux profils SIMS (avant et après recuit) de cette même figure, nous a permis d estimer à 20% supplémentaire la perte de dose ayant lieu lors du recuit d activation. Cette valeur est approximative car elle ne tient pas compte de l erreur expérimentale liée à la mesure SIMS. Elle permet de donner un ordre de grandeur de la perte de dopant liée cette fois à la consommation de silicium par formation d un oxyde thermique sur nos plaques témoins. Il importe de remarquer que lors de l intégration de ce procédé sur des dispositifs, cet effet n existe pas car la jonction fine est encapsulée sous l espaceur (oxyde déposé). TW (unité) étalonnage nettoyage HF oxyde chimique 8A durée écoulée entre le nettoyage HF et l'implantation (dose nominale : at/cm -2 ) 3h 2h 4h at/cm at/cm at/cm -2 doses nominales 0h 1h 0 5E+13 1E+14 1,5E+14 2E+14 dose dans le silicium (at cm -2 ) Figure IV.16 : représentation de la droite d étalonnage fournissant la dose réellement implantée dans le silicium en fonction du signal TW Nettoyage HF Oxyde chimique Dose (at cm 2 ) Durée (h) Dose dans Si (at cm -2 ) Perte dose (%) , , , x 5, x 1, (8 ) x 1, Tableau IV.3 : quantification de la dose réellement implantée au sein du silicium et de la perte de dose pour différents procédés type imageur Pour limiter ces pertes de dopant successives, l utilisation d un nettoyage HF avant implantation pourrait être envisagé. Toutefois une telle intégration engendre la mise en place d une contrainte d enchaînement difficilement acceptable pour un procédé industriel. De plus nos résultats montrent qu en l espace de quelques heures, la couche organique superficielle devient significative et constituerait donc une source de dispersion importante sur notre procédé. Même si la présence d un oxyde superficiel piège une quantité très importante de bore, il présente l avantage d être particulièrement stable dans le temps et uniforme. Sa présence est donc nécessaire pour assurer une bonne répétabilité du procédé, elle doit donc être prise en compte pour la mise au point du procédé PLAD. Une autre étape est à prendre en compte visà-vis de la quantité de dopant disponible au sein du silicium, à savoir le nettoyage utilisé pour enlever la résine. IV Lors du retrait résine Le retrait de la résine s effectue en deux étapes successives. Une première consiste à graver la résine en polymère à l aide d un plasma d oxygène. La seconde est un nettoyage humide dont l objectif est de retirer d éventuels résidus organiques de la résine encore présents après le procédé plasma. C est lors de cette seconde étape qu une quantité non négligeable de silicium est consommée. Pour palier à ce phénomène, un nouveau procédé de nettoyage dit «SOFT» a été développé pour 141

142 limiter la consommation de silicium. Son efficacité a déjà été prouvée pour assurer un retrait suffisant de la résine, nous devons donc évaluer son impact vis-à-vis de la perte de dopant. Afin de quantifier la perte de dose engendrée par les procédés de nettoyage standard et «SOFT» pour le retrait résine, une implantation BF 3 450V/ at/cm 2 est réalisée à travers un oxyde chimique de 8 sur des témoins. Chacun des procédés de nettoyage est ensuite testé. TW (unité) standard avant nettoyage après nettoyage SOFT Figure IV.17 : représentation du signal TW avant et après le nettoyage nécessaire au retrait résine (procédé standard et SOFT) suite à une implantation BF 3 450V/ at/cm 2 dose (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% standard perte retrait résine perte oxyde bore restant SOFT Figure IV.18 : représentation de la contribution du nettoyage retrait résine (procédé standard et SOFT) et de l oxyde chimique vis-à-vis de la perte de dopant La figure IV.17 montre la chute significative du signal TW après un procédé de nettoyage standard (retrait résine) comparé au procédé SOFT. L utilisation de ce nouveau procédé consomme une très faible quantité de dopant. La figure IV.18 permet de quantifier la contribution associée à chacun de ces procédés sur la dose restante de bore. La contribution de l oxyde thermique est similaire pour les deux représentations, car le piégeage du bore dans l oxyde a lieu durant le procédé d implantation. L intérêt du nettoyage SOFT est largement illustré sur cette figure, en effet seulement 10% du bore implanté est consommé par ce procédé contre 30% avec le procédé standard. Encore une fois, la raison d un tel impact des traitements de surface est inhérente au profil de dopant très superficiel du procédé PLAD. Dans le même temps, ce profil est particulièrement avantageux pour permettre une bonne recombinaison des électrons parasites sans perturber le fonctionnement du dispositif. IV.2.3 Résultats électriques et conclusion Le procédé PLAD a été introduit sur une plate forme imageur 180nm afin de quantifier un éventuel gain vis-à-vis du courant d obscurité. L implantation est réalisée avant dépôt des espaceurs afin de créer une zone de recombinaison des électrons parasites. 142

143 Figure IV.19 : représentation du courant d obscurité lors de l introduction du procédé PLAD pour créer un zone de recombinaison d électrons parasites sous l espaceur. Le procédé standard sans implantation (STD) est aussi représenté. La valeur du courant d obscurité I D se situe autour de 10aA/pixel pour le procédé standard (cf. figure IV.19). L introduction du procédé PLAD à 300V permet une légère diminution de cette valeur pour l implantation la plus dosée, à savoir 8aA/pixel (dose de at/cm 2 ). Néanmoins le gain le plus significatif est obtenu pour une implantation PLAD à 450V, dans ces conditions nous observons une diminution significative de I D avec la dose d implantation. Le courant d obscurité est même divisé par cinq comparé au procédé standard (2aA/pixel au lieu de 10aA/pixel) pour une dose de at/cm 2. Il semble donc que la perte de dopant décrite dans le chapitre précédent est telle à 300V que la quantité de bore retenu après les différentes étapes de la filière n est pas suffisante et ne permet pas une recombinaison significative des électrons parasites. En effet à cette tension, la jonction est plus fine qu à 450V, elle est donc d autant plus sensible à l oxyde chimique et au nettoyage durant le retrait résine. Pour conclure, l intégration d une jonction élaborée par PLAD permet une réduction drastique du courant d obscurité des dispositifs imageurs. Il est important de noter que des mesures complémentaires effectuées sur lot (en particulier la tension de saturation) ont montré que cette jonction ne perturbe pas le transfert des électrons de la photodiode vers la grille de transfert. La localisation très superficielle du bore obtenue par PLAD permet d expliquer ce phénomène. Toutefois l industrialisation d un tel procédé requiert une optimisation du nettoyage pré-implantation pour la formation d un oxyde chimique peu épais et uniforme, puis l utilisation d un nettoyage retrait résine consommant peu de silicium. Nos travaux ont permis de montrer qu une dose significative de dopant est piégée au sein de l oxyde chimique de surface pendant l implantation. L utilisation d un nettoyage HF a donc été envisagé pour supprimer cet oxyde avant implantation, mais la croissance rapide d une couche de contaminant organique non contrôlé n est pas compatible avec les besoins de la production en terme de répétabilité. C est pourquoi la formation d un oxyde chimique uniforme et fin (8 angströms d épaisseur) constitue la solution la plus viable. Ensuite l impact du nettoyage humide utilisé lors du retrait résine a aussi été évalué. Le procédé standard engendre une perte significative de dopant par consommation de silicium. C est pourquoi notre choix s est rapidement orienté vers un nettoyage alternatif dit SOFT et moins agressif. Ce nouveau procédé permet un retrait efficace de la résine tout en étant quasiment transparent vis-à-vis de la dose de bore implantée. 143

144 IV.3 LE DOPAGE CONFORME IV.3.1 Introduction, application visée : les transistors nonplanaires Le dopage uniforme de tranchées profondes constitue un nouveau challenge pour l industrie du semiconducteur. En effet de telles structures 3D permettent d augmenter la surface de stockage de charges en particulier pour les applications mémoires DRAM. De plus, ce type d implantation peut être envisagé pour le dopage de structures surélevées en vue de la réalisation de transistor non-planaires. Le faisceau ionique focalisé utilisé en implantation ionique standard ne permet pas de répondre à ces besoins en particulier pour les cavités à fort facteur de forme (phénomène d ombrage et dégradation de l uniformité du procédé). C est pourquoi le dopage par plasma s annonce comme un candidat idéal pour de telles applications. En effet, cette technique permet une dispersion de l angle d incidence des ions dans certaines conditions de procédé (gaine collisionnelle, lignes de champ sensible à la topographie du substrat). Qian fut le premier chercheur à réaliser un procédé de dopage conforme par dopage par plasma en dopant uniformément au bore une cavité à faible facteur de forme 6 :1 [QIA91]. oxyde enterré film silicium grille en polysilicium coupe transverse aileron / canal (silicium) Fig. Figure IV.20 : représentation schématique d un transistor FinFET Le transistor à grilles multiples (MuGFETs) est une nouvelle architecture de transistor non-planaire pour s affranchir des effets canaux courts pour des largeurs de grille inférieures à 30nm et ainsi fournir une alternative à l industrie pour suivre la loi de Moore. Ce type de transistor repose sur le principe des transistors FinFET (cf. figure IV.20). Construit sur un substrat SOI, le silicium est gravé à la manière d un aileron (Fin en anglais) ; la grille est réalisée autour et sur l aileron. La largeur de l aileron vertical est très fine (plus faible que la largeur du canal) pour fournir un contrôle adéquate des effets de canal court. Une grille définie lithographiquement entoure l aileron, formant des électrodes de grille auto-alignées et connectées entre elles le long des parois de l aileron. La première difficulté est la réalisation d un aileron fin, qui nécessite d être une fraction de la longueur de grille impliquant ainsi des techniques sub-lithographiques. Ensuite le dopage conforme de l aileron constitue 144

145 une difficulté importante difficilement surmontable par les implanteurs ionique standard. Les travaux décrits dans ce chapitre ont été réalisés en collaboration avec le laboratoire de recherche IMEC et a permis de tester pour la première fois à notre connaissance la possibilité d implanter les extensions source/drain de tels transistors par dopage par plasma. IV.3.2 Intérêt du dopage conforme La figure IV.21 est une simulation tridimensionnelle représentant les zones d isoconcentration de dopant des extensions source/drain surélevées pour différentes conditions d implantation. On observe que dans le cas d une implantation ionique standard tiltée de 10, la partie supérieure de l aileron est plus dopée que les flancs. Le dopage conforme permet par contre d obtenir une bonne uniformité sur toute la structure de l extension. Enfin, le cas parfait d une concentration de dopant uniforme dans tout le volume de l extension est aussi représenté. Implantation tiltée 10 Fig. Figure IV.21 : simulation 3D montrant le profil de dopant des extensions source/drain pour trois conditions d implantation : a) implantation ionique standard tiltée de 10 / b) dopage conforme / c) dopage uniforme dans le volume de l aileron [GOO05] L évolution du courant de sortie selon les différentes conditions d implantation est simulée en fonction de la tension de grille (cf. figure IV.22). Les courbes montrent l intérêt d un dopage uniforme sur toute la structure surélevée. Pour l implantation standard, un fort angle de tilt est nécessaire pour assurer un courant acceptable de sortie, or pour les prochaines générations de plateformes CMOS (45nm et au-delà), le phénomène d ombrage causé par la proximité dispositifs limite l angle de tilt à 10 [NAC03]. Même si un dopage uniforme de la structure surélevée conduit aux meilleures performances, le dopage conforme constitue une solution potentielle tout à fait acceptable. 145

146 courant de sortie normalisé courant de sortie normalisé tension de grille (V) tension de grille (V) Figure IV.22 : simulation représentant le courant de sortie en fonction de la polarisation à la grille pour différentes conditions d implantation des extensions source/drain [GOO05] a) courant de sortie en échelle linéaire / b) courant de sortie en échelle logarithmique IV.3.3 Le Procédé PLAD Afin de proposer un procédé compatible avec l application visée, une optimisation des paramètres de l équipement PLAD a été réalisée sachant que les conditions expérimentales de dopage doivent permettre de fabriquer une jonction fine et conforme. Tout d abord la gaine du plasma doit être la plus collisionnelle possible pour induire une dispersion des angles d incidence des ions par collision. Dans le chapitre I, on a montré que le nombre de collisions au sein de la gaine est d autant plus élevé que la pression de travail est grande. Des travaux de Chu démontrent que la conformité du procédé est d autant meilleure que la tension d accélération est faible, en effet la trajectoire des ions traversant la gaine est plus facilement modifiable par collision lorsque leur énergie cinétique est faible [CHU96]. Cette condition est tout à fait compatible avec nos besoins puisque la jonction doit être fine. Au final, les principales conditions à respecter pour une implantation tridimensionnelle sont d utiliser une pression de travail très élevée et de limiter la tension d accélération. Les autres paramètres sont ajustés pour permettre le claquage du plasma et assurer une uniformité convenable du procédé. concentration (at./cm 3 ) PLAD BF 3 PLAD AsH 3 profondeur (nm) Figure IV.23 : profils SIMS d arsenic et de bore des procédés PLAD AsH 3 et BF 3 après un recuit spike à 1050 C 146

147 Les deux gaz utilisés pour le dopage des extensions source/drain N + /P et P + /N sont l AsH 3 et le BF 3. Le recuit utilisé pour l activation des jonctions est un recuit spike à 1050 C. On peut noter que la nécessité d utiliser de fortes pressions avec une basse tension d accélération (en particulier pour le bore, cf. tableau 4) a nécessité de travailler sans cathode auxiliaire. Les profils SIMS obtenus pour les deux types d implantation sont représentés sur la figure IV.23. Tension (V) Dose (at/cm -2 ) Gaz de dilution AsH , Xe BF confidentiel Tableau IV.4 : conditions d implantation utilisées pour le procédé PLAD IV.3.4 Caractérisation des implantations PLAD Dans un premier temps, les implantations sont réalisées sur des structures surélevées tests afin de vérifier la conformité du dopage. La technique SSRM (Scanning Spreading Resistance Microscopy) est utilisée pour caractériser les jonctions activées. Cette technique permet d obtenir le profil de dopage actif d un échantillon grâce à l utilisation d une pointe conductrice montée sur un cantilever AFM (Atomis Force Microscopy) comme décrit sur la figure IV.24. Une polarisation est appliquée sur l échantillon à analyser, la pointe conductrice balaye la zone analyser et permet d extraire une valeur de résistance proportionnelle à la quantité de dopant actif (cf. figure IV.25). Figure IV.24 : représentation schématique la technique SSRM Figure IV.25 : principe de la mesure SSRM Les figures IV.26 et IV.27 correspondent aux résultats des caractérisations SSRM des extensions dopées arsenic (graphiques de gauche). On constate que le procédé PLAD permet de réaliser un dopage conforme des structures surélevées sur une très fine épaisseur (40nm environ). La résistance de la jonction se situe autour d une centaine de k. Quelle que soit le plan de découpe utilisé par la mesure SSRM, l épaisseur dopée est constante. Les même figures montrent les même caractérisations pour les échantillons dopés bore (graphiques de droite). Cette fois, la conformité du dopage n est pas aussi bonne que pour les jonctions dopées arsenic. Les flancs sont moins dopés que les zones horizontales de la structure surélevée. Toutefois le rapport entre la valeur de 147

148 résistance mesuré sur le haut de la structure et sur les flancs est égal à 1,4 alors qu il est égal à 2 dans le cas d une implantation standard tiltée à 45. Le gain à utiliser le dopage par plasma reste donc significatif. Figure IV.26 : caractérisation SSRM 2D représentant les zones d isorésistance pour le procédé PLAD AsH 3 (à gauche) et BF 3 (à droite) résistance (k ) résistance (k ) profondeur (nm) profondeur (nm) Figure IV.27 : représentation de la résistance par SSRM selon les différents chemins de mesure représentés sur la figure IV.26 pour le procédé PLAD AsH 3 (à gauche) et BF 3 (à droite) IV.3.5 Résultats électriques sur dispositifs MugFET Le procédé PLAD est ensuite intégré sur des transistors MuGFETs. La figure IV.28 représente les caractéristiques I d -V g des transistors dopés PLAD. Nous observons des courants de fuite plus élevés côté NMOS. Figure IV.28 : représentation du courant de sortie I d en fonction de la polarisation de la grille V g pour les transistors NMOS et PMOS dont les extensions source/drain sont implantées par PLAD 148

149 L avantage à utiliser le procédé PLAD est illustré par les graphiques de la figure IV.29 représentant les courants de fuite en fonction des longueurs de grilles des transistors. En effet pour les transistors PMOS et NMOS, le procédé PLAD permet de diminuer la longueur de grille de 20 à 25nm pour un niveau de fuite fixé à savoir 10-7 A/ m. Implantation ionique PLAD Implantation ionique PLAD Figure IV.291 : représentation graphique de I off en fonction de la largeur de la grille L poly des transistors NMOS et PMOS implantés par implantation ionique et par PLAD La réduction des effets canaux due aux jonctions PLAD plus fines que le procédé standard par implantation ionique est illustrée sur la figure IV.30. En effet la combinaison d une jonction plus fine et d un procédé conforme dans le cas du PLAD permet d améliorer les effets canaux courts et permet donc d envisager la réalisation de dispositifs multi-grilles dont les grilles sont inférieures à 45nm. Pour conclure, il est important de noter que l objectif principal de ces travaux était de proposer un procédé de dopage conforme par PLAD, ce qui a été réalisé sur les structures tests surélevées. Une optimisation du procédé BF 3 devrait rapidement permettre d obtenir des résultats comparables aux premiers résultats obtenus avec l AsH 3 en terme de conformité. Concernant les résultats électriques, l intégration d un procédé PLAD optimisé sur des transistors non-planaires constitue un second challenge et demande des travaux complémentaires actuellement en cours. NMOS-implantation ionique NMOS - PLAD PMOS-implantation ionique PMOS - PLAD Figure IV.30 : représentation graphique de la tension de seuil en fonction de la longueur de la grille L poly des transistors NMOS et PMOS implantés par implantation ionique et par PLAD 149

150 IV.4 MODIFICATION DE LA CINETIQUE DE CROISSANCE D OXYDE IV.4.1 Intérêt et état de l art Depuis quelques années, l implantation d espèces inertes telles que l azote, l argon et le xénon est largement étudiée pour modifier la cinétique de croissance des oxydes thermiques. La principale application est la réalisation de transistors ayant des épaisseurs d oxyde de grille différents sur une même plaque pour la fabrication de systèmes embarqués sur puce. Néanmoins ce procédé nécessite des doses élevées difficilement réalisables par implantation traditionnelle. L objectif de nos travaux est d évaluer la capacité à modifier la cinétique de croissance d oxyde par implantation d argon et de xénon par PLAD sachant que cette technique permet l implantation de fortes doses même à basse énergie. L utilisation d un masque en résine combiné à un procédé d implantation permet l introduction locale d espèces susceptibles de modifier la cinétique de croissance d oxydation. De nombreux travaux ont pu mettre en évidence une diminution de cette cinétique lors de l implantation d azote ([LEE03], [CAR02]). Liu a même observé une amélioration de la qualité de l oxyde de grille attribuée au fait que l énergie de liaison de Si-N est supérieure à Si-O [LIU98B]. Enfin, la présence d azote permet de limiter la pénétration du bore dans l oxyde de grille pour les transistors PMOS. D autres travaux ont quant à eux souligné une accélération de la cinétique d oxydation par implantation de doses supérieures ou égales à at/cm 2 d argon [RAJ01]. L amorphisation superficielle du réseau cristallin (rupture des liaisons Si-Si) permet de diminuer l énergie d activation de la réaction d oxydation. Une tendance similaire a pu être constatée lors d implantation d oxygène [KIN98]. IV.4.2 Les méthodes de caractérisation utilisées L ellipsométrie est une méthode d analyse optique basée sur le changement de polarisation de la lumière lors d une réflexion en incidence optique sur une surface plane. Cette technique permet la mesure des épaisseurs et indices de couches minces. Pour notre étude, l ellipsométrie est utilisée afin de mesurer l épaisseur de l oxyde thermique formé après une implantation et un recuit oxydant. La spectroscopie XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) permet de mesurer le nombre d'électrons émis dans un intervalle d'énergie en fonction de l'énergie de liaison des électrons. L excitation des électrons est réalisée par utilisation de rayons X. Chaque élément chimique étant caractérisé par un spectre unique, cette méthode spectroscopique permet d'analyser précisément la nature chimique d'un matériau donné. Des analyses semi quantitatives peuvent être également extraites des spectres XPS normalisés en se basant sur la hauteur des pics et sur la surface sous les pics. L'identification de l'état chimique d'un élément peut être obtenue à partir de la mesure exacte de la position des pics et de leurs séparations en énergie. Connaissant les énergies de liaison de Si-O, il est donc aussi possible par exploitation des spectres de connaître l épaisseur de l oxyde chimique ou thermique de surface. 150

151 IV.4.3 L implantation de xénon La figure IV.31 présente l épaisseur des oxydes obtenus par implantation de xénon après le recuit d oxydation ( 1000 C, 20s). Ces mesures d épaisseur d oxyde T ox proviennent d analyse par ellipsométrie et spectroscopie XPS. Tout d abord quelles que soient les conditions expérimentales et d analyse, on observe une augmentation significative de l épaisseur de l oxyde comparé à la référence non implantée (T ox =16,4 ). Ensuite l épaisseur de l oxyde formé augmente avec la dose implantée en particulier pour les mesures obtenues en ellipsométrie. En spectroscopie XPS, les valeurs de T ox sont plus faibles et nous observons une saturation pour les doses supérieures à at cm -2. Il faut savoir que la valeur de T ox extraite grâce à cette analyse repose sur l exploitation du pic correspondant à la liaison Si-O du spectre. Parallèlement les mesures réalisées par ellipsométrie présentent une grande précision (+/- 2 ) qui nous permettent d être confiants vis-à-vis des résultats. En admettant que l ellipsométrie fournit l épaisseur réelle de l oxyde et sachant que le T ox obtenu en XPS est proportionnel au nombre de liaisons Si-O, l hypothèse la plus probable est que les oxydes formés par implantation de xénon sont sous stoechiométriques SiO x (avec x<2). Le fait que les oxydes implantés à 1kV (tension testée la plus faible) soient ceux dont l épaisseur mesurée par XPS est la plus élevée semble confirmer ce scénario. A faible tension et à dose fixée, l épaisseur amorphisée est fine, le réseau cristallin et le mécanisme d oxydation sont donc moins perturbés : x est plus proche de deux (si x=2, oxyde stoechiométrique SiO 2 ) que lorsque la tension d implantation est élevée (désordre cristallin plus important). De même, les courbes obtenues en XPS pour les deux tensions les plus élevées (1,5kV et 3kV) sont superposées alors que l épaisseur déduite par ellipsométrie est supérieure à 3kV, on peut supposer que x est plus faible à 3kV (oxyde plus épais pour un nombre liaison Si-O similaire). La figure IV.32 représente l évolution de la variation d épaisseur d oxyde entre les deux techniques d analyse en fonction de la dose de xénon implantée à 1kV, 1,5kV et 3kV. On constate que l écart observé entre les deux méthodes d extraction est d autant plus important que les conditions d implantation sont amorphisantes. Ces résultats confirment notre hypothèse, l écart observé est d autant plus élevé que l oxyde est sous stoechiométrique (x est faible). Tox (A) kV 1.5kV 3kV référence non implantée ellipsométrie XPS 0 1E+14 1E+15 1E+16 dose (at cm -2 ) Figure IV.31: représentation graphique des épaisseurs des oxydes formés par implantation préalable de xénon (analyse par ellipsométrie et spectroscopie XPS) Tox (ellipsométrie)-tox (XPS) (A) kV 1.5kV 3kV 0 1E+14 1E+15 1E+16 dose (at cm -2 ) Figure IV.32: représentation graphique de la variation de T ox selon la méthode d analyse (ellipsométrie ou l analyse XPS) en fonction des conditions d implantation du xénon 151

152 IV.4.4 Comparaison des implantations xénon et argon La figure IV.33 présente les mesures obtenues en spectroscopie XPS en fonction des mesures par ellipsométrie pour les échantillons de xénon précédents et trois échantillons d argon. De plus, la référence non implantée est aussi représentée, nous constatons dans ce cas une très bonne corrélation entre les deux techniques de caractérisation. Ensuite la corrélation entre les mesures fournies par les deux techniques dans le cas de l argon est bien meilleure que dans le cas le xénon. Pour estimer la localisation des dopants et les profondeurs amorphisées, une simulation a été réalisée pour des implantations ioniques d argon et de xénon (cf. figure IV.34 et tableau IV.5). Les résultats mettent en évidence une localisation plus profonde de l argon pour des conditions identiques d implantation, induisant ainsi une couche amorphe plus épaisse. En effet, l atome de xénon étant plus gros (M Ar =39,9g mol -1 / M Xe =131,39g mol -1 ), il est plus rapidement freiné lors des collisions au sein du réseau cristallin. Par contre on peut noter que le R p correspondant à la profondeur pic de dopant est similaire pour les deux espèces (concentration de xénon plus importante au niveau R p ). Même si dans le cas du procédé PLAD, le pic de dopant est en surface et la profondeur amorphe est réduite comparé à un procédé d implantation standard, on peut considérer que le profil et la profondeur amorphe sont plus profonds pour l argon que le xénon à dose et tension d accélération identique. C est pour tenir compte de ces tendances que les tensions d accélération de l argon sont réduites par rapport au xénon. On constate tout d abord que l oxyde formé par implantation d argon est moins épais que pour le xénon en considérant les mesures par ellipsométrie. Néanmoins lorsque l on considère les mesures par spectroscopie XPS, les oxydes mesurés sont comparables à ceux obtenus par implantation de xénon, de plus nous observons une très bonne corrélation avec la mesure par ellipsométrie. Il semble donc que l oxyde obtenu est quasiment stoechiométrique pour les trois implantations d argon testées. Le mécanisme d oxydation est donc moins perturbé et x est plus proche de 2. Tox XPS (A) argon at cm -2 0,3kV 1kV 0,5kV xenon argon référence concentration (at/cm 3 ) 1E+22 1E+21 1E+20 1E+19 Xe 3keV / 5e14atcm-2 Xe 3keV / 2e15atcm-2 Ar 1keV / 5e14atcm-2 Ar 1keV / 2e15atcm-2 Ar 3keV / 5e14atcm-2 Ar 3keV /2e15atcm Tox ellipsométrie (A) Figure IV.33 : représentation de T ox mesuré par spectroscopie XPS en fonction de T ox mesuré par ellipsométrie pour des implantations préalable de xénon et d argon (la référence non implantée est représentée) 1E profondeur (A) Figure IV.34 : profils simulés d implantations ioniques de xénon et d argon 152

153 épaisseur amorphe ( ) épaisseur amorphe ( ) dose : at cm at cm -2 R p ( ) Xe 3keV Ar 1keV Ar 3keV Tableau IV.5 : résultats des simulations pour des implantations de xénon et d argon par implantation ionique Les figures IV.35 et IV.36 permettent de quantifier la quantité de xénon restante après le recuit d oxydation, la mesure est réalisée par XPS. La hauteur des pics normalisés est proportionnelle à la concentration de xénon. On constate que la quantité de xénon restante est d autant plus importante que la dose implantée est élevée. L analyse XPS permet de caractériser les cent premiers angströms de l échantillon (oxyde+silicium), donc on ne peut pas connaître avec précision la localisation du xénon par rapport à l oxyde formé. De plus, on peut imaginer qu une proportion non négligeable de xénon se situe à une profondeur supérieure à 100 en particulier pour les implantations les plus profondes. Ceci peut expliquer que les pics des spectres XPS les plus élevés soient obtenus pour la tension la plus faible à savoir 1kV. En fait, l information principale à extraire de ces graphiques est qu une partie du xénon implanté réside au sein du silicium après le recuit d oxydation. Malgré le fait que l on ne connaisse pas sa localisation, on peut supposer qu une certaine proportion se situe dans l oxyde. Dans le cas d implantations PLAD, on peut noter que le pic spécifique du profil d implantation contribue à accentuer cette localisation superficielle du dopant. nombre d'électrons énergie de liaison (ev) 668 1kV / 5e14cm-2 1kV / 2e15cm-2 1kV / 5e15cm-2 1,5kV / 5e14cm-2 1,5kV / 2e15cm-2 1,5kV / 5e15cm-2 3kV / 5e14cm-2 3kV / 2e15cm-2 3kV / 5e15cm-2 Figure IV.35 : spectres XPS des échantillons implantés xénon puis oxydés hauteur du pic (nombre d'électrons) kV 1,5kV 3kV 0 1E+14 1E+15 1E+16 dose (at cm -2 ) Figure IV.36 : comparaison de la hauteur de pics normalisés des spectres XPS des échantillons implantés xénon puis oxydés rayon atomique ( ) Si O Ar Xe 1,32 0,66 1,78 2,18 Tableau IV.6 : rayons atomique du silicium, de l oxygène, de l argon et du xénon Vu la taille très importante d un atome de xenon par rapport à l atome de silicium (cf. tableau IV.6), la croissance de l oxyde est donc particulièrement perturbée ce qui peut contribuer à former un oxyde épais sous stoechiométrique. Comme l atome d argon est plus petit que le xénon, on peut supposer que l oxyde 153

154 formé est plus proche chimiquement d un oxyde thermique Si0 2, c est pourquoi la corrélation entre les mesures XPS et par ellipsométrie est bien meilleure. IV.4.5 Implantations à forte tension, forte dose Des implantations à forte tension et forte dose ont été réalisées afin d observer une éventuelle saturation du phénomène observé auparavant. Sur la figure IV.37, on constate tout d abord que le xénon et l argon semble définir la même courbe aux deux tensions étudiées. Pour une dose de at/cm 2, l épaisseur de l oxyde formé est très proche à 5kV et 8kV avec le xénon et l argon. Même si ces résultats doivent être confirmés par d autres méthodes d analyse car la précision de la mesure par ellipsométrie est dégradée par l amorphisation profonde du substrat, il semble que l épaisseur de l oxyde formé continue d augmenter avec la dose implantée au-delà de 100. On peut supposer que pour des implantations beaucoup plus profondes, l influence de la profondeur d amorphisation devient plus significative par rapport à l effet induit par la présence d atomes inertes tels que le xénon au sein de la zone oxydée. Dans ce cas l épaisseur amorphisée plus importante de l argon peut conduire à la formation d oxyde aussi épais que ceux obtenues par implantation de xénon pour des conditions d implantation similaires contrairement à ce que nous avons observé précédemment. 120 reference Tox ellipsométrie (A) xenon 5kV xenon 8kV argon 5kV argon 8kV E+14 1E+15 1E+16 1E+17 dose (at cm -2 ) Figure IV.37 : représentation graphique de l épaisseur d oxyde mesurée par ellipsométrie en fonction de la dose d échantillons implantés à forte tension en xénon et en argon Pour conclure, l implantation de xénon et d argon permet de diminuer l énergie d activation de la réaction d oxydation par rupture des liaisons Si-Si induisant une augmentation de la cinétique de la réaction d oxydation. La comparaison des résultats obtenus en spectroscopie XPS et en ellipsométrie semblent mettre en évidence la formation d un oxyde thermique sous stoechiométrique en particulier pour les conditions d implantation les plus amorphisantes réalisées en xénon. Il semble donc qu un tel procédé soit incompatible avec la réalisation d oxyde de grille (introduction de défauts dans le réseau SiO 2 ), néanmoins il peut être utilisé pour d autres applications moins sensibles. Des travaux complémentaires sont nécessaires pour comprendre le rôle joué par les atomes de dopant lors de l oxydation thermique et leur localisation par rapport à l oxyde formé. 154

155 IV.5 CONCLUSION La possibilité d intégrer le dopage par plasma pour l implantation des jonctions ultrafines N + /P et P + /N de transistors CMOS 65nm a pu être démontrée pour la première fois. Les performances des dispositifs ont même été améliorées par rapport au procédé d implantation standard pour les transistors NMOS grâce à l utilisation de poches moins dosées. Même si les caractéristiques électriques des deux types de jonctions s avèrent être meilleures dans le cas d implantation PLAD, les performances des transistors PMOS sont équivalentes à celles dont les jonctions sont implantées par ULE. Ils semblent donc que les caractéristiques de la jonction ne constituent pas le facteur limitant des transistors PMOS en terme de performance. Concernant la compatibilité de la technique de dopage par plasma avec les plateformes actuelles utilisant des masques en résine, elle a déjà pu être démontrée lors des travaux de Lenoble [LEN00]. Les mesures d intégrité de l oxyde de grille présentées dans nos travaux confirment néanmoins que l immersion de la plaque à implanter au sein du plasma n a pas d effet néfaste sur la fiabilité des dispositifs. Le PLAD a aussi été testé pour l implantation de zones de recombinaison d électrons parasites de transistors utilisés pour les applications imageur. Les résultats sont particulièrement encourageants, en effet la possibilité d implanter de façon très superficielle a permis de conserver des valeurs de courant de saturation V sat élevées tout en diminuant le courant d obscurité considéré comme un paramètre clef de tels dispositifs. Ensuite, pour la première fois le PLAD a été intégré sur des transistors non planaires de type MugFet. L objectif était de s affranchir des problèmes liés à l utilisation de l implantation standard pour doper des structures surélevées (ombrage, uniformité du procédé). Des implantations PLAD de type N et P ont donc été testées et ont montré la possibilité d une part de doper conformément des structures 3D en utilisant de l AsH 3 dilué avec du xénon et d autre part d améliorer le procédé usuel d implantation ionique côté PMOS grâce à l utilisation de BF 3. Les deux procédés ainsi développés ont dans un second temps été intégrés sur des transistors MugFet. Malgré des résultats intéressants en particulier en terme de contrôle des effets canaux courts, une optimisation de la tension d accélération et de la dose implantée demeure nécessaire en particulier côté NMOS pour profiter pleinement des avantages du PLAD en terme de conformité. Enfin des implantations de xénon et d argon par PLAD ont permis d accélérer la cinétique de croissance d oxydes thermiques. Cet effet est attribué à la diminution de l énergie d activation de la réaction d oxydation par rupture des liaisons Si-Si lors de l implantation. Une comparaison des épaisseurs mesurées par ellipsomètre et XPS semble montrer que les oxydes formés sont sous st chiométriques. 155

156 CHAPITRE V : CONCLUSION GENERALE Ces travaux de thèse traitent de l étude, de la réalisation et de l intégration de procédés industriels de dopage par plasma pour les semiconducteurs, l application principale étant la fabrication de jonction ultra-fines pour la technologie CMOS 65 nm. Gardant à l esprit ces objectifs, nous avons dans un premier temps commencé par rappeler les impératifs de fabrication des jonctions ultra-fines et la problématique en résultant dans le premier chapitre. Nous avons donc brièvement présenté l architecture et le fonctionnement d un transistor MOS. Cela nous a permis d identifier les deux caractéristiques physiques de la jonction influençant les performances électriques du transistor à savoir la résistance de couche R s et la profondeur de jonction X j. La diminution de ces deux paramètres va permettre respectivement d améliorer les performances en courant et de mieux contrôler les effets canaux courts du transistor. Pour résumer, la jonction idéale est peu résistive et ultra-fine tout en garantissant un faible courant de fuite pour les dispositifs a applications nomades. La seconde application visée pour le dopage par plasma est le transistor MOS pour les applications imageurs. En effet, un courant parasite appelé courant d obscurité est généré à la périphérie de la photodiode et constitue actuellement un frein pour l intégration des technologies CMOS imageurs. Pour limiter ce phénomène, une implantation en surface de bore peut être réalisée avant dépôt des espaceurs afin de permettre la recombinaison de ces électrons parasites. Une telle jonction doit à la fois être très fine et peu dopée afin de ne pas perturber le transfert des photoélectrons de la charge d espace vers le canal lorsque la grille de transfert est polarisée. Ces deux applications nécessitent la formation de jonctions particulièrement fines, or nous avons pu mettre en évidence les limites actuelles de l implantation ionique standard aux énergies nécessaires pour la réalisation de telles jonctions. Face aux difficultés du transport des ions faiblement énergétiques, des implanteurs dits basse énergie comportant un étage de décélération ont été développés, mais ceuxci engendrent une contamination énergétique pouvant être rédhibitoire dans certaines conditions. La solution proposée pour répondre aux challenges technologiques des jonctions ultra-fines est l utilisation d une nouvelle technique d implantation : le dopage par plasma (PLAD). Dans ce premier chapitre, nous nous sommes attachés à décrire les mécanismes physiques régissant l incorporation des dopants par immersion de la plaque de silicium au sein d un plasma. La prise en compte de ces mécanismes associés à nos résultats expérimentaux nous ont permis de mettre en évidence les particularités du profil obtenu par un procédé PLAD. L implantation de tous les ions contenus dans le plasma (masses molaires différentes) ainsi que la présence d une gaine plasmique collisionnelle juste au dessus de la plaque de silicium (énergies d implantation différentes) induisent un pic de dopant en surface. La capacité du procédé PLAD à implanter à des tensions d accélération autour de la centaine de volts sans contrainte liée au transport des ions constitue un gain 156

157 important pour la formation des jonctions ultra-fines vis-à-vis de l implantation ionique standard. Ensuite une partie dédiée à la diffusion des dopants de type N et P nous a permis de faire une synthèse bibliographique sur ce sujet et d identifier les principales difficultés liées à l implantation et à l activation des dopants usuellement utilisés pour les applications visées à savoir l arsenic et le bore. Ainsi l arsenic se caractérise par une exodiffusion importante lors du recuit et une désactivation lors de la rampe de descente en température. Le bore quant à lui présente une diffusion transitoire (TED) et accélérée très problématique pour la fabrication de jonctions fines. La compréhension des mécanismes mis en jeu tels que l évolution des défauts d implantation au cours du recuit et le rôle de la surface sur la sursaturation d interstitiels permet à la fois une meilleure interprétation des résultats expérimentaux et un choix optimal des conditions expérimentales. Ainsi le procédé de recuit constitue un levier intéressant pour limiter la diffusion des dopants hors équilibre. Une comparaison des différents équipements de recuit industriels ou en cours de développement a donc été effectuée. La solution pour les prochaines générations de transistors pourrait bien nécessiter l intégration de recuits avancés tels que le recuit laser ou le recuit flash, si les problèmes de défauts étendus résiduels sont résolus. Enfin le principe physique et les limites de chacune des techniques mises en uvre pour caractériser nos jonctions avant ou après activation ont aussi été présentés (SIMS, résistance de couche ). Le chapitre deux est consacré à l étude et à l optimisation des jonctions ultrafines en vue d une intégration sur une plateforme CMOS analogique 65nm. Nous avons utilisé la méthode des plans d expérience pour optimiser les procédés de dopage par plasma et d implantation ionique. Cette approche mathématique s est avérée particulièrement intéressante pour évaluer l influence des différents paramètres d implantation et de la température du recuit spike sur le compromis R s /X j des jonctions activées. De cette façon des mécanismes physiques spécifiques à chaque type d implantation ont pu être mis en évidence en particulier pour les jonctions P + /N. Nous avons extrait la solubilité limite du bore à partir des profils SIMS et des valeurs de résistance de couche de nos échantillons. Ces calculs nous ont permis de mettre en évidence une dégradation de l activation du bore pour les jonctions les plus fines. Cette tendance n est pas liée à la technique d implantation utilisée (PLAD et ULE), nous l avons attribué à une diminution de la mobilité des trous liés à de fortes concentrations de précipités aux abords de la surface (concentration maximale de dopant). Ensuite la prise en compte des spécificités des implantations PLAD et ULE en terme de génération de défauts et de profil d implantation combinée aux modèles issus des plans d expérience nous a permis de dresser des hypothèses capables d expliquer les tendances observées. De cette façon, on a pu définir le régime de «pseudo-spe» pour les implantations amorphisantes réalisées par ULE et recuites à des températures de spike peu élevées (<1020 C). Ce régime lié à l amorphisation d une fine épaisseur de + silicium par implantation d ions moléculaire BF 2 permet une amélioration significative du compromis R s /X j. Néanmoins la combinaison d une forte quantité de défauts d implantation et d un budget thermique réduit semble peu compatible avec les besoins actuels des dispositifs en terme de courant de fuite. De plus, l intégration d une stratégie à basse température demeure encore difficile à mettre en uvre (résistance de contact, déplétion de la grille ). 157

158 Concernant le procédé PLAD, la localisation du pic de dopant en surface combinée à une faible génération de défauts a un effet positif sur la diffusion anormale du bore en permettant une recombinaison plus rapide des interstitiels en surface et en empêchant de cette façon la nucléation de défauts étendus. Cette tendance a d ailleurs été vérifiée grâce à des expériences dédiées à l étude fondamentale de la TED utilisant des marqueurs enterrés de bore et permettant d extraire des valeurs de sursaturation moyennées dans le temps. Ainsi quelle que soit la température du recuit d activation, le PLAD permet d améliorer le compromis R s /X j de la jonction par rapport au procédé ULE. Comme ce gain est d autant plus élevé que la température est haute (influence des mécanismes de diffusion prépondérants), le PLAD est tout à fait compatible avec les recuits spike haute température (>1050 C) utilisés pour les filières actuelles. De plus, la capacité du PLAD à réaliser des implantations plus fines que l ULE (pas de limitation lié au transport des ions) et à générer une quantité restreinte de défauts ont permis de réaliser des jonctions activées présentant des caractéristiques exceptionnelles (15nm-700 / sans défaut étendu) grâce à l utilisation d un recuit de type flash. Dans le cas de l ULE, le budget thermique réduit de tels recuits avancés (flash ou laser) ne suffit pas à dissoudre les défauts étendus impliquant ainsi un recuit spike standard préalable. Ensuite nous avons fabriqué les premières jonctions ultra fines de type N + /P par PLAD. Deux gaz précurseurs ont été testés à savoir l AsH 3 dilué au xénon et l AsF 5. L optimisation des conditions d implantation a permis de réaliser des jonctions ayant des caractéristiques similaires en terme de compromis R s /X j et répondant aux spécifications des transistors CMOS 65nm. L effet bénéfique de l augmentation des rampes en température lors du recuit spike a ensuite été démontré. Il semble que la propension de l arsenic à la désactivation lors de la descente en température explique ce gain. Ainsi nous avons pu montrer qu à rampe de descente en température fixée, le compromis R s /X j d une jonction fine dopée arsenic n est améliorable ni par une optimisation de la température de recuit, ni par les conditions d implantations. Cette tendance permet d expliquer le compromis R s /X j identique obtenu avec le PLAD et l ULE : l arsenic est aussi moins sensible aux défauts générés par implantation et à l allure du profil d implantation. Néanmoins le PLAD permet, grâce à un profil post implantation plus fin, d étendre la courbe de compromis R s /X j à des valeurs de profondeurs de jonctions activées inatteignables avec une implantation ULE (<15nm). Enfin nous avons étudié l influence de l ambiance de recuit en faisant varier la concentration d oxygène lors du recuit d activation de jonctions implantées AsH 3 /Xe par PLAD. Même si la formation d un oxyde thermique épais induit une perte de dopant par consommation de silicium, sa présence permet de réduire significativement l exodiffusion d arsenic, qui est exacerbée dans le cas d une implantation PLAD (pic de dopant en surface). Finalement la quantité d oxygène ne permet pas de modifier le compromis R s /X j de la jonction, elle influe uniquement sur la dose de dopant effectivement disponible au sein du silicium. Le troisième chapitre de cette thèse est consacré à la description de l équipement de dopage par plasma utilisé lors de nos travaux et à son industrialisation. Le chapitre précédent nous a permis de mettre en évidence le potentiel technique de cette nouvelle méthode d implantation, néanmoins dans une optique de production, il est impératif d être en mesure de garantir à la fois des performances optimales mais aussi la fiabilité de l équipement et du procédé proposé. 158

159 De cette façon, certaines pièces telles que l anode, l anneau extérieur et le plateau sur lequel repose la plaque de silicium ont été remplacées afin de répondre aux besoins de la production en terme de niveau de contamination et de stabilité du procédé. En parallèle, les différents procédés sélectionnés en vue d une future intégration ont été étudiés notamment grâce à une approche par plan d expériences. Cette méthode a permis d évaluer l influence des différents paramètres expérimentaux sur la jonction implantée. Ainsi il s est avéré que la pression constitue le paramètre clef en terme de stabilité du procédé (répétabilité, uniformité). C est pourquoi la vanne de régulation a été modifiée pour limiter l impact de ce paramètre. Enfin l importance du conditionnement du réacteur a aussi pu être mis en évidence lors du suivi statistique d une recette faible énergie, faible dose. Dans le dernier chapitre, certains des procédés développés sur l équipement ont été intégrés sur des plateformes industriels ou en cours de développement afin d évaluer à la fois la compatibilité de la technique de dopage par plasma et son impact sur les performances des dispositifs. Nous avons ainsi testé trois familles d implantation PLAD : les jonctions ultrafines sur une plateforme CMOS 65nm, les jonctions de recombinaison des électrons parasites sur une plateforme imageur CMOS et les jonctions ultrafines conformes sur une plateforme prototype de transistors non planaires de type MugFet. Enfin dans une dernière partie, une application avancée est aussi proposée à savoir l implantation d espèces inertes tels que le xénon et l argon par PLAD afin de modifier la cinétique de croissance des oxydes thermiques. La possibilité d intégrer le dopage par plasma pour l implantation des jonctions ultrafines N + /P et P + /N de transistors CMOS 65nm a pu être démontrée pour la première fois. Les performances des dispositifs ont même été améliorées par rapport au procédé d implantation standard pour les transistors NMOS grâce à l utilisation de poches moins dosées. Même si les caractéristiques électriques des deux types de jonctions s avèrent être meilleures dans le cas d implantation PLAD, les performances des transistors PMOS sont équivalentes à celles dont les jonctions sont implantées par ULE. Les caractéristiques de la jonction ne constituent donc pas le facteur limitant des transistors PMOS en terme de performance. Des mesures d intégrité de l oxyde de grille présentées dans nos travaux montrent que l immersion de la plaque à implanter au sein du plasma n a pas d effet néfaste sur la fiabilité des dispositifs. L intégration d une jonction élaborée par PLAD permet ensuite une réduction drastique du courant d obscurité des dispositifs imageurs. La localisation très superficielle du bore obtenue par PLAD permet d expliquer ce phénomène. L industrialisation d un tel procédé requiert une optimisation du nettoyage pré implantation pour la formation d un oxyde chimique peu épais et uniforme, puis l utilisation d un nettoyage retrait résine consommant peu de silicium. Des mesures du signal thermawave de nos échantillons nous ont permis de quantifier les pertes de dopant inhérentes à ces deux étapes critiques de la filière. Ensuite, pour la première fois le procédé PLAD a été intégré sur des transistors non planaires de type MugFet. L objectif était de s affranchir des problèmes liés à l utilisation de l implantation standard pour doper des structures surélevées (ombrage, uniformité du procédé). Des implantations PLAD de type N et P ont donc été testées et ont montré la possibilité d une part de doper conformément des structures 3D en utilisant de l AsH 3 dilué avec du xénon et d autre part d améliorer le procédé usuel d implantation ionique côté PMOS grâce à l utilisation de BF 3. Les deux procédés ainsi développés ont dans un second temps été intégrés sur des 159

160 transistors MugFet. Malgré des résultats intéressants en particulier en terme de contrôle des effets canaux courts, une optimisation de la tension d accélération et de la dose implantée demeure nécessaire en particulier côté NMOS pour profiter pleinement des avantages du PLAD en terme de conformité. Enfin des implantations de xénon et d argon par PLAD ont permis d accélérer la cinétique de croissance d oxydes thermiques. Cet effet est attribué à la diminution de l énergie d activation de la réaction d oxydation par rupture des liaisons Si-Si lors de l implantation. Une comparaison des épaisseurs mesurées par ellipsomètre et XPS semble montrer que les oxydes formés sont sous st chiométriques. 160

161 ANNEXES ANNEXE 1 L optimisation des conditions expérimentales d implantation et de recuit a été réalisée par plan d expériences. Un plan d expérience ou DOE (Design Of Experiments) peut être défini comme une stratégie optimale permettant de prédire avec le maximum de précision une réponse à partir d un nombre minimal d essais et en utilisant un modèle postulé. Ainsi l'objet des plans d expériences est de quantifier l'influence des paramètres sur la réponse étudiée à partir de résultats expérimentaux. Dans notre étude, le modèle utilisé est un modèle polynomial du second degré permettant de prendre en compte les non linéarités de réponse. Soit Y la réponse étudiée, A les coefficients du modèle et P les paramètres expérimentaux, le modèle quadratique s écrit : Y A 2 0 A ipi AijPi Pj AiiPi Soit k le nombre de paramètres expérimentaux, le modèle quadratique comporte 2k+1+k(k-1)/2 coefficients inconnus à déterminer à partir de 2k+1+k(k-1)/2 expériences minimum. Dans notre cas, trois paramètres expérimentaux sont utilisés comme variables d entrée, à savoir la tension d accélération appliquée à la cathode V, la dose implantée D et la température du recuit spike T. Les réponses ou variables de sortie Y sont soit la profondeur de jonction X j, soit la résistance de couche R s, on obtient donc la formule suivante : Y A A1V A 2D A3T A12VD A13VT A 23DT A11V A 22D A33T avec Y = X j ou R s Le coefficient de régression multiple au carré ou coefficient de corrélation R 2 permet d apprécier le niveau de précision du modèle calculé par rapport aux résultats expérimentaux : R 2 1 (Y i Y i,calc ) 2 / (Y i Y moy ) Y i : valeur expérimentale de la ième expérience Y i,calc : valeur modélisée de la ième expérience Y moy : moyenne arithmétique des résultats expérimentaux 161

162 ANNEXE 2 Le procédé 1kV Le suivi statistique SPC (Statistical Process Control) de l équipement PLAD est réalisé par l implantation quotidienne d une plaque témoin avec une tension de 1kV et une dose de at cm -2. Cette plaque est recuite sur RTP puis une mesure de résistance de couche Rs est effectuée. Afin d améliorer la répétabilité du procédé, c'est-à-dire diminuer la dispersion de la valeur de résistance de couche d une plaque à l autre, une optimisation des paramètres de la recette d implantation est réalisée. Une optimisation similaire préalable a permis de fixer les conditions de recuit et l épaisseur de l oxyde thermique des témoins afin de minimiser l impact de ces paramètres sur la résistance de couche. Le but de cette seconde étude est de maximiser la sensibilité de la résistance de couche quant à une éventuelle dérive du procédé PLAD. Les conditions d implantation et de recuit initialement utilisées sont décrites ci-dessous. Paramètres d implantation : tension : 1kV dose : at cm -2 pression : 40mT espace inter électrodes : 5cm durée des pulses : 30 s Paramètre du recuit : température : 1040 C durée : 24s pourcentage d oxygène : 3% Caractéristiques du témoin : prime de type N épaisseur de l oxyde thermique : 16 Les paramètres étudiés par le plan d expériences sont la pression, la durée des pulses et l espace entre les électrodes. Treize expériences sont réalisées dont trois avec les conditions centrales (plaques 1, 7 et 13). La matrice d expérience et les mesures de résistance de couche R s ainsi que l uniformité de R s pour chacune des plaques sont contenues dans le tableau A.1. Tout d abord la reproductibilité des trois points centraux est excellente tout comme l uniformité (moyenne sur les treize plaques : 0,98%). 162

163 plaquette pression(mt) electrode (cm) durée pulses (ms) Rs (ohm/sq) unif. Rs (%) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,04 Tableau A.1 : matrice d expérience et résultats du plan d expérience des paramètres d implantation Le coefficient de corrélation de 99,5% traduit une très bonne corrélation entre les valeurs expérimentales et le modèle généré par le plan d expérience cf. Fig. A.1). La représentation des diagrammes de Pareto (Fig. A.2) permet de classer les paramètres (ou les coefficients du modèle) selon leur influence sur la résistance de couche. On constate que la pression est le seul paramètre du premier ordre significatif vis-à-vis de la résistance de couche, son influence est particulièrement marquée. Ensuite les paramètres du second ordre pression/espace inter-électrode et pression/durée des pulses doivent aussi être considérés pour l optimisation de la recette d implantation (niveau au dessus du seuil de significativité). Les figures A.3 et A.4 permettent d observer l évolution de la résistance de couche en fonction de chacun des paramètres. Pour chaque courbe, les paramètres non représentés sont à leur valeur médiane Rs modèle (nm) R 2 =99,5% Rs experimental (nm) Fig. A.1 : comparaison des valeurs expérimentales et modélisées de résistance de couche Fig. A.2 diagramme de Pareto pour chacun des coefficients du premier et du second ordre de notre modèle On constate que l augmentation de la pression conduit à une diminution significative de la résistance de couche. Cette tendance peut être attribuée à un effet de la pression sur le système de dosimétrie de l équipement. En effet l augmentation de la densité du plasma avec la pression de travail induit une augmentation de la dose implantée par pulse à durée de pulse fixée. Le système de dosimétrie n est alors peut être pas en mesure d intégrer la totalité des charges incidentes et il sous-estime la dose implantée. 163

164 Fig. A.3 : variations de la résistance de couche en fonction des paramètres expérimentaux (interactions du premier ordre) Fig. A.4 : variations de la résistance de couche en fonction des interactions du second ordre Fig. A.5 : représentation 3D de la résistance de couche en fonction de la pression et de l espace inter-électrode Fig. A.6 : représentation 3D de la résistance de couche en fonction de la pression et de la durée des pulses La pression a été fixée de façon à limiter la dispersion de la résistance de couche attribuable à l incertitude liée à la mesure de l espace inter-électrode (A) et à la durée d un pulse (B). Soit A et B les incertitudes expérimentales respectives de A et de B. On calcul la valeur de pression telle que + soit minimal, et étant défini par : R R B S A S A B mini. pression ajustée à 40mT Avec : A = 0,2cm B = 0,5 s 164