Partie 1: Techniques de dopage. I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion

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1 Partie 1: Techniques de dopage I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion ENSERG/ENSPG/ENSEEG Option «Dispositifs et Microsystèmes» Mercredi 17 octobre 2007

2 Introduction Pourquoi doper? contrôle local de la résistivité, ajustement de la tension seuil, etc. création de barrières de potentiel ou jonctions réalisation de couches d arrêt de gravure (etch-stop) MEMS Introduire une quantité de dopant donnée, suivant un profil aussi précis que possible Méthodes : par pré-dépôt et diffusion thermique par implantation ionique Diffusion thermique Types de dopage : homogène (au tirage du monocristal) homogène en surface (pendant l épitaxie) localisé en profondeur et en surface Ions Implantation

3 Dopage dans un transistor MOS

4 Dopage dans un transistor MOS avancé

5 Type de Dopage et Resistivité Epitaxie Diffusion Implantation La concentration des porteurs de charges dépend de la profondeur. Le profil dépend très fortement de la méthode de dopage utilisée. Résistivité moyenne : 1 1 σ= = σ ρ t ( x) dx

6 Critères de choix d un dopant Type (N/P) Concentration en surface (solubilité limite) Contraintes minimales dans le réseau Diffusion Enlèvement du matériau de surface "verre au Bore Reproductibilité Coût-productivité

7 Partie 1: Techniques de dopage I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion Diffusion thermique

8 Solubilité limite Si Dopants usuels

9 Activité électrique et solubilité limite La formation de clusters électriquement inactif à très forte concentration est à l origine de la différence entre activité électrique et solubilité limite.

10 Dopage par diffusion Les principaux facteurs du dopage par diffusion: gradient de concentration température défauts cristallins : dislocations, joints de groin Diffusion en substitutionnel nécessite la présence d une lacune =>processus lent impuretés des groupes III et V type P : Al, B, Ga, In type N : Sb, As, P Diffusion en interstitiel impureté électriquement inactive impuretés des groupes I et VIII Li, K, Na, Ar, He, H

11 Coefficients de diffusion, D (cm 2 /s) Substitutionel Interstitiel Le coefficient de diffusion D (cm 2 /s) est activé thermiquement

12 Diffusion : Première loi de Fick F

13 Deuxième loi de Fick C/ t = (F in -F out )/ x Ce qui rentre et ne sort pas reste à l intérieur

14 Deuxième loi de Fick Equation de continuité: F F Équation de diffusion

15 Deuxième loi de Fick N t = D 2 x N 2 D: coefficient de diffusion (diffusivité) D = A exp (-B/T) A et B dépendent du dopant Il faut résoudre cette équation différentielle selon les conditions aux limites de chaque problème.

16 Solutions analytiques des équations de diffusion : Cas d une fonction delta dans un milieu infini δ(x) Conditions aux limites : C 0 quand t 0 pour x> 0 C quand t 0 pour x= 0 et C( x, t) La solution de l équation de Fick décrit un profil Gaussien : = Q C( x, t) 2 2 Q x x = exp = C(0, t)exp 2 π Dt 4Dt 4Dt

17 Evolution du profil Gaussien Le pic de concentration décroît en 1/ t et est donné par C(0,t). La longueur de diffusion est donnée par x=2 Dt, qui correspond à la distance de l origine jusqu à ce que la concentration chute de 1/e.

18 Solutions analytiques des équations de diffusion : Cas d une fonction delta près d une surface La symétrie du problème est identique au cas précédent, en introduisant une dose effective de 2Q, introduite dans un milieu infini (virtuel). C( x, t) with avec : Q = π Dt C(0, t) = exp Q π Dt 2 x 4Dt = C(0, t)exp 2 x 4Dt

19 Solutions analytiques des équations de diffusion : Cas d une fonction delta près d une surface Echelle Log Echelle linéaire C( x, t) = Q π Dt exp 2 x Dt 4 = C(0, t)exp 2 x Dt 4 avec : C(0, t) = Q π Dt

20 Solutions analytiques des équations de diffusion : Cas d une source infinie de dopants Conditions aux limites : C= 0 quand t= 0 pour x> 0 C= C quand t= 0 pour x< 0 C C( x, t) = 2 π Dt n i= 1 x i exp ( x x ) i 4Dt 2 C( x, t) avec ( x α) 2 Dt ( α) x/ 2 C x C = exp dα = 2 π Dt 4Dt π η = 0 2 Dt 2 exp( η ) dη

21 Fonction erreur : erf(z) erf z 2 ( z) = exp( η 2 ) dη π 0

22 Solutions analytiques des équations de diffusion : Cas d une source infinie de dopants Diffusion à partir d une source infinie : C x C ( x, t) = 1 erf ( ) = 2 2 Dt C 2 erfc( 2 x Dt )

23 Concentration de surface constante : profondeur de diffusion Echelle Log Echelle linéaire C(x,t)/Cs en fonction de la profondeur de diffusion x(µm) pour une concentration en surface constante pour 3 valeurs de Dt, c est à dire pour différentes températures (D(T)), ou temps (t).

24 Nombre total d impuretés (predeposition dose) La fonction erreur est quasiment triangulaire. La dose totale peut être estimée par l intégrale sous le triangle de hauteur C s et de base 2 Dt, donc : Q C s Dt. Plus rigoureusement : α t avec: = distance caractéristique de diffusion. C S = concentration de surface (solubilité solide limite).

25 Dopage par diffusion En pratique, le dopage thermique se fait en deux étapes 1 - Pré-dépôt : les plaquettes sont maintenues dans un milieux saturé en dopant (concentration constante), pendant un temps t, à une température T. 2 - Redistribution : la source étant coupée, les plaquettes sont maintenues à haute température pour répartir les dopants en profondeur. (accompagnée d oxydation).

26 Profils de dopage 1 - Diffusion avec une concentration en surface constante temps variable profil en erfc

27 Profils de dopage 2 - Redistribution des impuretés introduites nombre de particules = cste profil Gaussien Profondeur de jonction et concentration en surface sont fixées pendant cette étape.

28 Formation de jonction en 2 étapes 1- Predeposition: Predepot avec une source constante (erfc) 2- Drive-in: Diffusion limitée par la source (Gaussienne)

29 Profils de dopage Pour un profil donné : choix de T et t

30 Profil de dopage final Q= C s 2 ( Dt) π predep ; C( x, t= 0) Solution pour le profil de redistribution : C( x, t) Q exp = π ( Dt) 4( Dt) drive in drive in x 2 Q δ ( x) Au final : C( x) = 2C s π D1t D t / 2 exp 2 x 4D t 2 2 D 1 = coefficient de diffusion à la température de pré-dépôt t 1 = temps de pré-dépôt D 2 = coefficient de diffusion à la température de redistribution t 2 = temps de redistribution

31 Formation de jonction en 2 étapes

32 Techniques de dopage par diffusion Sources dopantes : susceptibles de fournir une concentration constante, de corps purs. Disponibles dans le four de diffusion porté à haute températures Solides : plaques saturées en dopant, nécessité d un gaz porteur Liquides : Gazeuses :

33 Principales sources de dopants

34 Sources de dopants (a) Gas Source: AsH 3, PH 3, B 2 H 6 (b) Solid Sources: BN, NH 4 H 2 PO 4, AlAsO 4 (c) Spin-on-glass: SiO 2 +dopant oxide (d) Liquid source: A typical bubbler arrangement for doping a silicon wafer using a liquid source. The gas flow is set using mass flow controller (MFC).

35 Techniques de dopage par diffusion

36 Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)

37 Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)

38 Impact de la nature du dopant => La valeur surfacique dépend de la nature du dopant

39 Diffusion latérale Problématique pour les dispositifs sub-microniques OK pour la plupart des MEMS

40 Partie 1: Techniques de dopage I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion Ions Implantation

41 Dopage par implantation ionique Ions Implantation Bombardement de l échantillon à doper avec un faisceau d ions accélérés. Paramètres importants : énergie (E), dose (D)

42 Dose et Concentration Dose (/cm 2 ) : en regardant vers le bas, nombre de poissons par unité de surface pour TOUTES les profondeurs. Concentration (/cm 3 ) : En regardant à une position particulière, nombre de poissons par unité de volume

43 Implantation ionique : mécanismes physiques Un ion incident, d énergie E, va rentrer en collisions avec les noyaux et les électrons de la cible. Arrêt lorsque E= 0, parcours moyen projeté : Rp.

44 Profil Gaussien Profil Gaussien : N(x) = Φ 2π R p exp ( x R ) p 2 R Φ : dose implantée Rp : profondeur du maximum de concentration Rp : écart-type Nmax = N(x=Rp) = Φ 2π R p p 2 Rp et Rp sont fonctions de l énergie

45 Profil Gaussien C( x) ( x exp R p = C p 2 2 Rp ) 2 Dose : Q = C( x) dx

46 Distribution d ions dans le Silicium implantés à 200 kev

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48 Rp(E), R p (E) et R (E)

49 Profondeur de jonction

50 Implantations Multiples : obtention d un profil uniforme

51 Mécanismes de perte d énergie Arrêt nucléaire Le substrat de silicium cristallin est endommagé par les collisions Arrêt électronique Les excitations électronique créent de la chaleur

52 Pouvoirs d arrêt Pouvoir d arrêt nucléaire : Pouvoir d arrêt électronique : S e (E) α k Si E 1/2

53 Effets de canalisation (channeling( channeling)

54 Implantation à travers un oxyde d encapsulation ajuster le profil de dopant en surface de Si éviter l exodiffusion pendant le recuit de redistribution atténuer le phénomène de canalisation (important pour Bore)

55 Amorphisation par implantation à très forte dose

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57 L implanteur ionique

58 L implanteur ionique

59 L implanteur ionique

60 Dosimétrie plaquette support ions incidents I dt la dose D (ions/cm 2 ) = I.t /q.s S : section implantée (cm 2 ) t : temps d'implantation (sec) I : courant faisceau : 1 µa 10 ma

61 Partie 1: Techniques de dopage I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion

62 Intérêt de l implantation ionique Avantages par rapport à la diffusion : Haute pureté du dopant (vide, séparation) Grande variété de profils (selon l'énergie) et de dopants Dose précise bon contrôle de concentration Processus à basse température ( K) Processus hors équilibre thermodynamique : possibilité de dépasser la solubilité limite lnconvénients : Equipement lourd Défauts crées par l'implantation recuit post-implantation, diffusion parasite

63 Vers le CMOS ultime.

64 Et au-delà Combien y-a-t-il de dopants dans une nanostructure??? 5 nm 10 nm 10 nm Volume=(10x10x5) nm 3 = 500 nm 3 Atomes de silicium : 5x10 22 cm -3 Nombre d atomes : 5x = Dopants : cm -3 Nombre de dopants : 5!!!