CONTRIBUTION A L ETUDE DE LA FORMATION DU SILICIURE DE TITANE Ti/Si(B), TiN/Ti/Si(B) MISE EN EVIDENCE D UN MODELE THERMODYNAMIQUE

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1 ourrir du Savoir 5, Juin 24, pp OTRIBUTIO A L ETUDE DE LA FORMATIO DU SILIIURE DE TITAE /(B), //(B) MISE E EVIDEE D U MODELE THERMODYAMIQUE M.S. BELATREHE (1), M. BERRABAH (2), D.MAHDI (1), L.TABET (1). (1) L.T.S.I ntr d rchrch scintifiqu t tchniqu d Soudag t ontrol (S) Rout Dlly Ibrahim héraga Algr Tl /55 /56. Post 12, Fa Hakimwa@caramail.com (2) L.H.S départmnt d élctroniqu faculté ds scincs d l ingénir univrsité d onstantin. RÉSUMÉ Dans ls nouvlls tchnologis ds circuits intégrés, il st nécssair qu la résistivité ds intrconnions soit très faibls, la concntration ds dopants au contacts siliciur/silicium détrmin dirctmnt ctt résistanc. Parmi cs dopants il y a l arsnic t l bor qui s caractérisnt par ds comportmnts variés d un siliciur à un autr. Dans c travail nous allons suivr l comportmnt du bor implanté dans un substrat d silicium avant l dépôt d la couch métalliqu. L titan st un métal très réactif avc l oygèn pour cla nous avons utilisé l ncapsulation. ous faisons l point quant à l fft d l ncapsulation par rapport à ds échantillon non ncapsulés. tt étud a été mné n rcuit thrmiqu rapid. L analys ds échantillons s fait par l rétro diffusion ds particuls (RBS). Ls résultats sront traité par un modèl basé sur la chalur ffctiv d formation c modèl qui s appliqur bin pour ls siliciurs purs (sans présnc ds dopants ou autrs impurtés). ous avons élaboré un modèl général qui tint compt ds impurtés 1 ITRODUTIO Ls siliciurs sont la résultant d la déposition du film métalliqu sur un substrat d silicium, on put aboutir à ds siliciurs différnts slon lurs propriétés t lurs séquncs d croissanc. Pour cla, différnts modèls d formation sont élaborés, parmi u l modèl d la chalur ffctiv d formation EHF (Effctiv Hat Formation). Sulmnt c modèl n prnd pas n compt la présnc ds impurtés lors d réaction, pour cla nous avons dévloppr c modèl pour qu il prnd n compt la présnc ds impurtés sous nom d EHFI. Dans c travail nous allons suivr l comportmnt du bor implanté dans un substrat d silicium, avant l dépôt d la couch métalliqu. L titan st un métal très réactif avc l oygèn pour cla nous avons utilisé l ncapsulation. ous faisons l point quant à l fft d l ncapsulation par rapport à ds échantillons non ncapsulés. 2 ETUDES EXPERIMETALES Ls échantillons utilisés sont ds plaqutts d silicium mono cristallin orintés (1), l'implantation du bor a été fait à travrs un couch d oyd d 25 Angstrom d épaissur. L énrgi t la dos d implantation st : 3Kv, at/cm 2 avc un profondur d implantation d l ordr d 1 Angstrom, ls échantillons sont rcuit n RTP flash par lamps à 13 pndant un duré d pour minimisr voir éliminr ls défauts d résau induit par l implantation, tt étap st suivi d un désoydation ds plaqutts. L dépôt d titan s ffctu par pulvérisation cathodiqu magnétron sous prssion d argon t on obtint ds couchs d titan d épaissur 6 Angström. Ls substrats sont maintnus à tmpératur ambiant au cours du dépôt. Ls siliciurs sont élaborés n partnariat avc l laboratoir LPM d ISA (Lyon, Franc). 3 RESULTATS La formation d siliciurs d titan, dans l cas d un faibl oydation notammnt n RTP smbl s produir par croissanc continu slon l mécanism suivant : La réaction commnc à l intrfac, t s poursuit à l intrfac siliciur jusqu à consommation total d la couch métalliqu d titan. Par aillurs, ls échantillons ncapsulés puvnt êtr considérés comm mpts d oygèn ; la réaction st plus précoc qu dans l prmir cas (non ncapsulé). Univrsité Mohamd Khidr Biskra, Algéri, 24

2 M.S. Bnlatrch & al. Dans tous ls cas, ctt réaction s accompagn d un diffusion important du dopant. Tablau 1 : Evolution d la croissanc n RTP d un duré d 2 s par RBS. Structurs /(B) // // (B) Structurs /(B) // // (B) Tmpératur (62) Tmpératur (65) liciur formé liciur formé Épaissur Å ~45 Épaissur Å ~515 A bass tmpératur durant la formation d il y a un légèr diffusion du bor dans la zon du réaction au mêm tmps qu l silicium voir ls figurs évolution du bor au cours d la formation du siliciur d titan fig [1,2]. [5.6] A haut tmpératur, tlls qu la tmpératur d formation d 2, il y a un haut diffusion d ct élémnt. La diffusion du Bor dans l siliciur s fait, avc un propagation dans l film métalliqu. La rdistribution d clui-ci n st pas uniform étant donné qu la présnc ds défauts dans c film métalliqu st important. [6,5] On rmarqu qu il y a un réaction avc l siliciur d titan l diagramm trnair Fig. [3] montr la formation d la phas 2 B à l intrfac / 2 stabilisant ainsi l bor dans l siliciur. [4] B 2 B 3 B 4 B B 14 B B B Figur 3 [7] : Diagramm trnair d //B Figur.4 [7] : Diagramm trnair 4 DISUSSIO Figur 1,2 : Distribution du bor dans - n RTP fait par SIMS Évolution ds dopants : En put classr l comportmnt du Bor suivant la tmpératur d formation du siliciur : 4.1 Efft d la rdistribution du Bor au cours d formation d2 D après ls résultats du RBS on not un fort migration du dopant (B) dans l siliciur d titan, ctt rdistribution influ sur la cinétiqu d formation. D après R.Byrs [3,4] : l tau d croissanc sur substrat dopé dépnd du concntration du bor dans l silicium, ntraînant la formation ds précipités comm dans l cas d B qui agit comm un barrièr d diffusion au silicium, 46

3 ontribution à l étud d la formation du siliciur d titan TI/SI(B), TI/TI/SI(B) mis n évidnc d un modèl thrmodynamiqu donc il gèn la transformation d phas Mais ls faibls doss du bor implantés dans ls substrats (comm dans notr cas) n gênnt pas la cinétiqu d formation. omm dans notr cas où on n rmarqu pas un grand différnc ntr l épaissur d la couch d siliciur dopé t non dopés tablau (1) 4.2 Ls causs d ctt rdistribution La rdistribution st l résultat d plusiurs mécanisms ntr autrs: La rdistribution ds dopants par diffusion dans, 2 t. L évaporation à partir d la surfac (d ). L mouvmnt ds dopants dus au déplacmnt ds différnts intrfacs. Ls forcs motrics dans ctt rdistribution sont principalmnt: La solubilité du B dans ls différnts phass Ls cofficints d ségrégation d c dopant au intrfacs. En outr, l cofficint d diffusion du bor dans 2 st d l ordr d 1-13 cm 2 /s à 6, d autr part t du mêm ordr d grandur qu clui d dans 2 qui st d cm 2 /s à 6 [8]. 4.3 Mécanism d la rdistribution: La rdistribution du bor dans l siliciur s fait par du chmins : La diffusion à travrs l résau du siliciur (du au défauts ponctuls, lacuns intrstitils ou l association d cs du défauts) ctt diffusion s fait à l intériur du grain ll st rsponsabl d la modification du profil d concntration au alntours d la profondur d implantation. La diffusion dans ls joins ds grains, prmt l transport du dopant à grand distanc (poly silicium). 5 LE MODELE EHF E PRESEE DES IMPURETES modèl st appliqur au siliciurs par R. prtorius (1997) t qui s bas sur la chalur ffctiv d formation, ctt chalur n st rin d autr qu la chalur dégagé par ls atoms librs lors d cs intractions pour formr un phas qulconqu. La stabilité ds phass dépnd généralmnt d ctt chalur, cll ci dépnd d sa part d la concntration ds atoms librs qui vont réagir [6]. 5.1 Règl général du modèl «La phas la plus apt à s formr c st la phas qui a l rapport d atom plus proch à clui du mélang, t la phas la plus stabl st cll qui possèd l point utctiqu l plus bas dans l diagramm ds phass t l pic l plus haut dans l diagramm d la chalur ffctiv d formation» [6]. Avc la présnc d dopant t impurtés comm dans notr cas l B t l par ds concntrations variants ntr 1 15 atm/cm atm/cm 3, dans la zon du réaction on a pu obsrvr la formation ds composés d cs drnirs avc y. omm on a vu précédant (diagramms trnairs fig.[3,4] pour l cas du bor n rmarqu ls composants suivants -B 2, 2 -B 2, B 2 t B. fig.[3]. Et pour l azot cs sont : -, 2 - t fig. [4] La présnc d cs dopants t impurtés influ sur l calcul d la chalur ffctiv d formation pour chaqu composé du modèl EHF par du façons :. L changmnt d la valur d la chalur ffctiv. L influnc sur l rapport d concntration ntr ls du élémnts t. 5.2 La mis n équation du modèl On a la réaction suivant : Avc = + + y L nombr total d atoms () disponibl pour la réaction. L nombr total d atoms y () disponibl pour la réaction. = : oncntration ffctiv ds atoms d titan dans cas pur. Mais dans notr cas où il y a un présnc d autrs élémnts tlls qu l azot ou l Bor l équation sra = r Avc : ri: l rapport d la formation du composé /B, /. Donc la concntration ffctiv dans notr cas st : = ri La consommation ds atoms M dégagnt un valur d (M/) H d chalur libr par mol d atom disponibl st : M = ri = y 47

4 M.S. Bnlatrch & al. L prssion final d la chalur ffctiv d formation : H = H M + H D M H D : halur d formation du composé «y /» ou «y /B». M = ri l l : oncntration composé ds atoms dans l composé /B ou /. : oncntration composé ds atoms dans l composé y On a donc dans l cas ou st l élémnt limitur. H = H + H c D l Dans l cas au l élémnts limitur st () on donc H = H c : La concntration ffctiv ds atoms d dans la zon du réaction. -KJ/Mol Figur 6 : Ls courbs EHF ds structurs ncapsulé pur La dscription ds courbs On voit un différnc ntr ls du pics qui ont ls plus bas point utctiqu dans l diagramm ds phass, qui sont 2 t 3. Donc la phas la plus stabl st cll qui a l pic d EHF l plus haut ; soit donc 2. On put rmarqur l fft d l ncapsulation sur nos structurs qui s manifst par un légèr augmntation sur l pic d la phas 2, favorisant ainsi la stabilité d ctt phas. : La concntration ds atoms d dans l composé. -KJ/Mol Résultats d la modélisation Diagramms 6 5 -KJ/Mol Figur 5 : Ls courbs d EHF pour l état pur / Figur 7 : Ls courbs d EHF n présnc d B à65 -KJ/Mol Figur 8 : Ls courbs EHF ds structurs ncapsulés n présnc d B à65 48

5 ontribution à l étud d la formation du siliciur d titan TI/SI(B), TI/TI/SI(B) mis n évidnc d un modèl thrmodynamiqu La stabilité ds phass omm ls diagramms EHF montrnt fig. [3, 4, 5,6] pour l cas ncapsulé ou non n capsulés pur ou n présnc d dopant la phas la plus stabl st cll d composition 2. On voi un légèr diminution dans la hautur du pic d la composition 2 sans pour autant influ sur la stabilité d ctt phas, mais on n voit pas un changmnt dans ls pics ds autrs phass. Donc la phas la plus stabl dans notr cas st s 2. La présnc du dopant influ sur la form du pic par un modification d la droit gauch du pic, ctt modification ll corrspond à la consommation ds atoms d titan par la l composé 2 -B. Il faut savoir qu dans notr cas l dopant consomm ls atoms du titan favorisant ainsi la formation t la stabilité d la phas qui consomm moins d atoms d titan. Donc l ncapsulation t la présnc du bor d après l modèl EHF favoris la stabilité d la phas 2. 6 OLUSIO La formation d siliciurs d titan, dans notr cas smbl s produir par croissanc continu slon l mécanism suivant. La réaction commnc à l intrfac, t s pour suiv à l intrfac siliciur jusqu à consommation total du couch métalliqu d titan. Par aillurs, ls échantillons ncapsulés puvnt êtr considérés comm mpts d oygèn, donc la réaction st plus précoc dans l prmir cas non ncapsulé. omm nous avons rmarqué pndant la réaction la siliciuration (séqunc d formation ds phass) d la sulirisation d un diffusion important du bor. L modèl «EHFI» nous a parmi d considérr la présnc du bor dans la siliciuration, nos résultats théoriqus sont tout à fait n accord avc l étud périmntal. La présnc du bor dans nos substrats avc un faibl quantité, n influ pas sur la stabilité ds phass du siliciur formé pndant la réaction métal/silicium. RÉFÉREES [1]. S. P. Murarka, and D.B. frasr, J. Appl. Phys. 51(1) January 198. [2]. karn Ma, Matrials Scinc and Enginring,R11(1993) [3]. Robrt Byrs and nclair, J. Appl. Phys. 57(12) 15 Jun [4]. Robrt Byrs,.Mat. Rs. Soc. Symp. Proc. vol47. [5]. K,Ma, G,Ghash and L,dloy,v probst,p,lippns,l,van dn hr and R,F,dkrs mackr, J,Matr,Ris vol 4, o 5,spt act [6]. P. Gas, G. Scillo, A. Michl, F. k. lgous, O. Thomas, and F.M. d hurl [7]. J. Appl. Phys. 63(11) 1 Jun [8]. R. prtorius, J.Appl phys. 81(5) [9]. M. BERRABAH, thès doctorat ISA Lyon