ANALYSE CHIMIQUE : LA SPECTROMETRIE DE MASSE A IONISATION SECONDAIRE

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Le transistor MOS

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement du transistor à effet de champ (MOSFET) repose, comme son nom l’indique, sur l’action d’un champ électrique vertical. Deux réservoirs de charge (la source et le drain) sont séparés par une zone semi-conductrice appelée canal de conduction : le champ électrique régi par une électrode de commande appelée grille, à travers une couche isolante constituée par le diélectrique de grille, va moduler localement la concentration de porteurs à l’intérieur du canal. réservoirs de charge : la source et le drain, ainsi que l’électrode de commande : la grille. Les extensions des ces deux réservoirs, qui constituent les jonctions ultra-minces, sont les plus petits éléments du dispositif.
En mode saturé, le fonctionnement de l’électrode de grille s’apparente à un interrup-teur contrôlant le passage de l’état passant (interrupteur fermé, les porteurs peuvent passer d’un réservoir à l’autre) à l’état bloquant (interrupteur ouvert, les porteurs ne peuvent pas tra-verser de la source au drain). On parvient à l’état passant lorsqu’une certaine tension est at-teinte au niveau de la grille : c’est la tension de seuil Vth. On observe sur la Figure 3 les diffé-rentes parties citées précédemment constituant le transistor MOS. On obtient ainsi un inter-rupteur qui permet de contrôler un état O ou 1 en sortie, ce qui explique l’utilisation massive du transistor MOSFET dans la conception des circuits logiques.

Limitation de la réduction d’échelle

Nous avons vu que la réduction des dimensions d’un transistor MOS s’accompagne de la réduction de la longueur de grille LG et donc du canal de conduction. Mais cela donne lieu à l’apparition d’effets électrostatiques parasites dits de « canal court » (ou « Short Channel Effect »). Lorsqu’on rapproche le drain de la source (en diminuant LG), on rapproche l’une de l’autre les zones de charge d’espace (ZCE) source/substrat et drain/substrat. Ces ZCE jouent normalement le rôle de barrière pour le courant vers le subs-trat : les porteurs majoritaires des réservoirs de source et drain voient une barrière de potentiel qui les empêche de diffuser vers le substrat (et inversement). Quand la tension source/drain augmente, la ZCE drain/substrat s’étend et peut, pour des valeurs faibles de longueur de grille, rejoindre la ZCE source/substrat. Dans ces conditions, la barrière de potentiel à la frontière source/substrat diminue, les porteurs majoritaires de la source peuvent diffuser dans le subs-trat et un courant de fuite entre la source et le drain apparaît alors via le substrat.
La conséquence de ce phénomène est l’influence grandissante des jonctions sur le fonctionnement du transistor. Il s’agit d’une perte de contrôle de l’électrode de grille sur le canal de conduction : la tension de seuil Vth chute fortement alors que le courant de fuite Ioff augmente nettement. Ces effets peuvent être néfastes pour le bon fonctionnement d’un circuit CMOS.

Les jonctions ultra-minces

Pour remédier à l’influence des réservoirs de charges sur le contrôle exercé par l’électrode de grille, on doit réduire à la fois la profondeur Xj des régions source et drain [4, 5] et la longueur de grille LG. Cependant, les zones de contacts doivent rester fortement do-pées, on met donc en en place des jonctions intermédiaires entre les « véritables » source/drain et le canal. Ces extensions, qui apparaissent sur la Figure 3, constituent les jonc-tions ultra-minces étudiées dans ces travaux de thèse.
La réduction de la profondeur de jonction Xj a pour effet une dégradation de sa résis-tance. En effet, pour un même niveau de dopage, une couche conductrice voit sa résistance augmenter lorsque son épaisseur diminue. Ainsi, il est important de maximiser le niveau de dopage de ces extensions pour conserver des résistances faibles. D’autre part, un profil abrupt de dopant permettra de réduire des résistances parasites. Aussi, les jonctions ultra-minces doi-vent combiner à leur faible profondeur un niveau et un gradient de dopage très élevés.
Nous avons choisi pour l’ensemble de l’étude de nous intéresser à un seul type de do-pant : le bore. Le choix a été guidé par le fait que les jonctions p+/n sont les plus difficiles à réaliser compte tenu notamment des mécanismes de diffusion particulier du bore, mécanismes que nous présentons dans les sections suivantes.
Comme mentionné dans la section I.1.1, les dimensions caractéristiques des diffé-rentes parties des dispositifs sont données par l’ITRS. Dans le cas des jonctions ultra-minces, deux paramètre sont donc retenus : leur profondeur Xj et leur niveau de résistance électrique. Ce dernier est représenté par la résistance par carrée, RS, de la zone dopée (ce paramètre sera décrit en détail dans la section III.1.3.1). Les valeurs maximales de ces deux paramètres re-quises pour les jonctions p+/n dans la version 2007 de la feuille de route sont représentées sur la Figure 4, pour le cas des technologies 45nm et 65nm, sous forme d’un diagramme Rs/Xj. Les zones rectangulaires délimitent ainsi les valeurs acceptables.
D’après ce graphe, les profondeurs des jonctions demandées pour les technologies MOS 45nm sont de l’ordre de 7nm pour des valeurs de résistances carrées proches de 2500Ω/sqr. Nous décrivons dans la section suivante les techniques utilisées pour la fabrication de telles jonctions.

TECHNIQUES DE FABRICATION DES JONCTION P+/N

Pour des raisons financières, la tendance des industries des semi-conducteurs est de con-server au maximum les procédés de fabrication standard qu’il suffit donc d’adapter et d’optimiser pour atteindre les caractéristiques des jonctions requises par l’ITRS. La technique d’élaboration conventionnelle des jonctions source/drain consiste en l’incorporation des do-pants par implantation ionique suivi d’un recuit d’activation.

Le dopage par implantation ionique

Décrite en 1954 par William Shockley (1910-1989), l’un des trois prix Nobel co-inventeur du transistor dans les années 40, l’implantation ionique est la méthode la plus ré-pandue pour incorporer des atomes dopants dans un substrat semi-conducteur. Elle a vu ses premières applications industrielles au début des années 70 et a rapidement remplacé le pro-cédé d’incorporation des dopants par diffusion thermique, car elle peut s’appliquer à tout type de matériau.
Le principe de l’implantation ionique est le suivant : à partir d’une source gazeuse, so-lide ou liquide, contenant l’atome à implanter, un plasma est créé. Un champ électrique appli-qué à la sortie de cette source permet l’extraction des ions. Ce faisceau ionique traverse en-suite un aimant qui produit un champ magnétique permettant de sélectionner l’ion à implanter en fonction de sa masse atomique. Le faisceau est ensuite accéléré puis focalisé et enfin balaie toute la surface de l’échantillon. Les ions ainsi accélérés vont alors subir de nombreuses colli-sions avec les atomes de la cible, leur énergie va être graduellement réduite jusqu’à être nulle. L’avantage de cette technique est que l’on maîtrise parfaitement tous les paramètres du procé-dé. En effet, la profondeur d’implantation est directement liée à l’énergie des ions, et la quan-tité de dopant que l’on souhaite introduire est quant à elle, contrôlée par la mesure du courant d’ion du faisceau et le temps d’exposition. Pour créer une zone dopée p+, le bore présente les meilleures caractéristiques parmi les dopants de type accepteurs (colonne III du tableau de Mendeleïev) : sa faible énergie d’ionisation et surtout sa grande solubilité dans le silicium permettent d’atteindre les forts niveaux de dopage visés.

Activation des dopants

Lorsqu’ils sont introduits dans un substrat cristallin, les atomes dopants viennent se loger soit dans les interstices du réseau cristallin, c’est-à-dire dans un vide entre les atomes du réseau, on parle de position interstitielle (Figure 10 (b)) ; ils sont alors électriquement inactifs, soit dans un site substitutionnel du réseau (dans notre cas un site où aurait du se trouver un atome de silicium) ; on parle de position substitutionnelle (Figure 10 (d)). L’absence d’un atome sur un nœud du réseau cristallin est un défaut dit ponctuel appelé la-cune. Nous reviendrons en détail sur les différents types de défauts cristallins dans la section I.3. Pour pouvoir être électriquement actif, l’atome dopant doit se trouver en position substitu-tionnelle, le déplacement des impuretés interstitielles en site substitutionnel nécessite une grande quantité d’énergie fournie par un recuit dit « d’activation » qui suit l’implantation et dont nous décrivons les différents types dans la section I.2.2.
Toutefois, pour qu’il soit électriquement actif, l’atome de bore en position substi-tutionnelle doit aussi être ionisé. Un électron d’un atome de silicium voisin doit pouvoir être transféré et fixé sur l’atome de bore pour générer un porteur positif (ou trou) dans le cristal de silicium. L’énergie nécessaire à ce transfert est l’énergie d’ionisation, dans le cas du bore elle est très faible et l’énergie thermique à température ambiante est suffisante, d’où l’avantage de l’utilisation du bore comme dopant de type p.

Implantation du bore dans du silicium cristallin

Le silicium possède une structure cristalline de type diamant. Lorsqu’on implante des ions dans un tel substrat, la direction de propagation du faisceau d’ion incident peut cor-respondre à certaines directions cristallines, notamment les directions <110>, <111> et <100> (cf. Figure 5). S’ils pénètrent le long de ces « canaux » cristallins, les ions ne subissent aucun choc nucléaire et le freinage électronique est moins important en raison de la faible densité électronique régissante. Les ions vont alors s’infiltrer jusqu’à des profondeurs importantes [6] : on appelle cet effet le « phénomène de canalisation ». La conséquence de ce phénomène est l’obtention d’une jonction plus profonde et moins abrupte, ce qui va à l’opposé des carac-téristiques des jonctions que l’on veut obtenir.
Une première solution pour limiter ces effets de canalisation est d’orienter le subs-trat à implanter de telle façon que les ions incidents ne « voient » plus ces canaux cristallins. De manière générale, le faisceau incident est dévié d’un angle de 7° (tilt) et on applique au subs-trat une rotation d’un angle de 28° (twist) par rapport à l’axe du faisceau d’ions.
On combine également cette première solution avec l’utilisation de substrats préamor-phisés qui apportent des avantages supplémentaires.

Implantation du bore dans du silicium préamorphisé

• Notion de solubilité limite
La solubilité limite est définie comme la concentration maximale de dopant au delà de laquelle des phénomènes de précipitation surviennent. C’est à la fin des années 70 qu’Armigliato et al. [7] ont étudié en détail la solubilité limite du bore dans le silicium. Ils ont permis d’établir les seuils de concentrations à partir desquelles le bore précipite et ont été les premiers à proposer une loi décrivant la variation de la solubilité limite solide du bore dans le silicium de 900°C à 1325°C. En dessous de 800°C, une régression linéaire des points expéri-mentaux a permis d’établir une autre loi. Une compilation des différents résultats publiés dans la littérature est montrée sur la Figure 6 [8]. On note qu’entre 800°C et 950°C les valeurs de solubilité limite évoluent entre les deux régressions linéaires et il a été montré que pour ces températures, les seuils de concentration augmentaient avec les temps de recuit [8-10].
• Principe et avantages de la préamorphisation
L’étude de cette technique a commencé au début des années 80 [11-14]. L’étape de préamorphisation consiste à « casser » la structure cristalline du substrat afin de le rendre amorphe. Pour ce faire, avant l’implantation du bore, on bombarde le substrat avec des ions lourds et électriquement neutres (en général des ions Ge+ ou Si+). Cette étape va considé-rablement atténuer le phénomène de canalisation comme le montre la Figure 7 qui représente des profils de concentration de bore implanté dans des substrats de silicium cristallin et amor-phisé.
Ces profils ont été réalisés par spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS), technique que nous détaillerons au chapitre III. Il apparaît clairement que l’on obtient un pro-fil plus abrupt lorsque l’on implante le bore dans un substrat préalablement amorphisé, en l’occurrence ici une implantation d’ions Ge à une énergie de 30keV et une dose de 1x1015cm-2, créant une zone amorphe de 50nm depuis la surface.
Une étape de recuit est ensuite nécessaire, non seulement pour restaurer la cristallinité de la région amorphisée mais aussi pour redistribuer les atomes de bore dans les sites substitu-tionnels du réseau. La recristallisation se produit à partir d’une température de recuit basse (environ 550°C), elle correspond à un déplacement planaire de l’interface amorphe/cristal du substrat vers la surface, on parle alors de croissance par épitaxie en phase solide (ou SPEG pour Solid Phase Epitaxy Growth) [15]. Lors de cette étape se produit l’activation des dopants par leur mise en site substitutionnel. Dans ce cas, la température, donc l’énergie demandée est nettement inférieure à celle nécessaire à l’activation du bore implanté dans un substrat cristal-lin. Ainsi les niveaux d’activation obtenus par cette technique sont très importants et peuvent dépasser largement les valeurs de solubilité limite du bore dans le silicium, notamment pour des basse températures de recuit [16]. Par exemple la solubilité limite du bore dans le silicium cristallin à 650°C est de 1x1019cm-3 alors qu’elle est de 2x1020cm-3 lorsqu’on réalise la préa-morphisation du substrat. En résumé, l’étape de préamorphisation du substrat présente deux principaux avan-tages qui sont l’obtention de profils de concentration plus abrupts, et de meilleurs niveaux d’activation des dopants. Cependant, l’introduction des dopants par implantation ionique con-duit à des limites physiques en particulier la création de défauts cristallins qui peuvent être à l’origine d’importantes dégradations des paramètres des jonctions fabriquées. Nous revien-drons en détail sur ces défauts cristallins dans la section I.3. Mais auparavant, pour compléter cette partie sur la fabrication des jonctions ultra-minces, nous allons présenter les différents types de recuit d’activation utilisés.

Le recuit d’activation

Comme nous venons de le voir, une étape de recuit thermique est indispensable après l’étape d’implantation ionique, ceci afin d’apporter l’énergie nécessaire pour la recristallisa-tion du substrat et pour la redistribution des atomes de bore dans les sites substitutionnels du réseau afin de les rendre électriquement actifs. Les caractéristiques principales des jonctions ultra-minces étant une faible profondeur et un niveau d’activation important, les recuits doi-vent être adaptés : leurs durées sont réduites pour minimiser la diffusion des dopants (et donc la profondeur des jonctions) alors que les températures doivent augmenter pour améliorer l’activation. Ainsi, nous passons de recuits à des températures typiques de 800°C de durée égale ou supérieure à une heure, à des recuits ultra-rapides de l’ordre de la micro voire nano seconde à des températures allant jusqu’à 1300°C.

Le recuit « seconde » dit « Spike – RTA»

Les durées des recuits thermiques rapides (RTA pour Rapid Thermal annealing) introduits dans les années 90 de l’ordre de quelques dizaines de secondes (recuits « soak » cf. Figure 9.), ont évolués aujourd’hui vers des durées maximales quasi nulles (recuit « spike » cf. Figure 9). Pour ces recuits, réalisés à l’aide d’un banc de lampe « tungstène-halogène», les plaques sont généralement pré-stabilisés à basse température (environ 650°C) durant quelques secondes avant de subir une rapide montée thermique à une vitesse de l’ordre de 250°C/s jus-qu’à des températures de l’ordre de 1000-1100°C, le tout sous atmosphère contrôlée d’azote pour éviter toute oxydation. Les plaques ne restent pas plus d’une seconde à la température maximale avant d’être refroidies à une vitesse moyenne de 80°C/s. Pour une meilleure uni-formité du recuit, on agit sur la rotation de la plaque au cours du processus.

Le recuit « milliseconde » dit « Flash – RTA »

Plus récemment, des systèmes permettant d’augmenter considérablement les rampes de montée en température ont été mis au point, il s’agit des recuits « Flash » (pour Flash Lamp Annealing) [17]. Ici, des lampes primaires incandescentes portent préalablement la plaque à une température intermédiaire de 750°C, ce pour éviter une montée trop brutale en température qui pour-rait engendrer des contraintes dans le matériau. A ce système est couplé un réseau de lampes à arc fonctionnant à l’Argon (cf. Figure 8). Lors de la décharge électrique, les lampes vont générer un échauffement impul-sionnel du substrat à une température pouvant aller jusqu’à 1300°C pendant une durée de 1 à 10ms. La rampe de montée en température atteint 106 °C/s.
Sur la Figure 9, nous pouvons voir l’évolution des cycles de tempéra-ture des divers types de recuit. Alors que les plaques sont exposées plu-sieurs dizaines de seconde lors des recuits de type « Soak », elles ne le sont plus que quelque milliseconde au cours d’un recuit « Flash », et ce avec des rampes de montée et de descente en température passant de 250°C/s pour les recuits « Soak » et «Spike » à 106 °C/s pour les recuits « Flash ».

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : LES JONCTIONS ULTRA-MINCES : PRESENTATION GENERALE ET PROBLEMES INHERENTS
I.1. CONTEXTE
I.1.1. La miniaturisation des composants
I.1.2. Le transistor MOS
I.1.2.1. Principe de fonctionnement
I.1.2.2. Les limitations de la réduction d’échelle
I.1.3. Les jonctions ultra-minces
I.2. TECHNIQUES DE FABRICATION DES JONCTION P+/N
I.2.1. Le dopage par implantation ionique
I.2.1.1. Activation des dopants
I.2.1.2. Implantation du bore dans du silicium cristallin
I.2.1.3. Implantation du bore dans du silicium préamorphisé
• Notion de solubilité limite
• Principe et avantages de la préamorphisation
I.2.2. Le recuit d’activation
I.2.2.1. Le recuit « seconde » dit « Spike – RTA»
I.2.2.2. Le recuit « milliseconde » dit « Flash – RTA »
I.2.2.3. Le recuit « nanoseconde » dit laser
I.3. LES PROBLEMES ASSOCIES A L’IMPLANTATION IONIQUE
I.3.1. Les défauts d’implantation
I.3.1.1. Les défauts ponctuels
I.3.1.2. Les défauts étendus
I.3.2. La diffusion accélérée du bore
I.3.3. Les clusters de bore interstitiels : les BICs
I.3.4. Défauts et propriétés électriques des jonctions
I.3.4.1. Influence des défauts sur les courants de fuite
I.3.4.2. Influence des défauts sur l’activation des dopants
CONCLUSION
REFERENCES DU CHAPITRE I
CHAPITRE II : MOBILITE DES PORTEURS DE CHARGE ET THEORIE DE L’EFFET HALL
II.1. NOTION DE MOBILITE DES PORTEURS
II.1.1. Rappel sur le dopage
II.1.2. Mouvement des porteurs de charge
II.1.3. Les mécanismes de scattering (ou de collision/diffusion)
II.1.3.1. Interactions avec le réseau
II.1.3.2. Interactions avec les impuretés
II.1.3.3. Les autres interactions
II.1.3.4. Bilan
II.1.4. Mobilité totale
II.1.4.1. Règle de Matthiessen
II.1.4.2. Comportement général de la mobilité
II.2. L’EFFET HALL
II.2.1. Historique
II.2.2. Théorie générale
II.2.3. Théorie avancée
II.2.3.1. A l’équilibre thermodynamique
II.2.3.2. Sous l’effet d’un champ électrique
II.2.3.3. Prise en compte de la distribution des vitesses
II.2.4. Le facteur de scattering
II.2.4.1. Calcul théorique
II.2.4.2. Cas particuliers
CONCLUSION
REFERENCES DU CHAPITRE II
CHAPITRE III : METHODES EXPERIMENTALES ET INSTRUMENTATION
III.1. ANALYSE CHIMIQUE : LA SPECTROMETRIE DE MASSE A IONISATION SECONDAIRE
III.1.1. Principe de base
III.1.2. Description détaillée de l’appareillage
III.1.3. Application à notre étude
III.2. ANALYSE STRUCTURALE : LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE EN TRANSMISSION
III.2.1. Principe et historique
III.2.2. Description détaillée de l’appareillage
III.3. ANALYSES ELECTRIQUES
III.3.1. Mesures par scanning capacitance microscopy (SCM)
III.3.1.1. Description
III.3.1.2. Principe
III.3.2. Mesures par la technique des quatre pointes
III.3.3. Mesures effet Hall par la méthode Van Der Pauw
III.3.3.1. Origines de la méthode Van Der Pauw
III.3.3.2. Principe
III.3.3.3. Appareillage et mesure
III.4. ANALYSE MATHEMATIQUE
III.4.1. Principe
III.4.2. Application
REFERENCES DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV : IMPACT DES BICS SUR LE FACTEUR DE SCATTERING DANS LES JONCTIONS ULTRA-MINCES
IV.1. MESURE DU FACTEUR DE SCATTERING DANS DES ECHANTILLONS DE REFERENCE
IV.1.1. Echantillons utilisés
IV.1.2. Mesure directe
IV.1.2.1. Effet Hall à très basse température
IV.1.2.2. Effet Hall à très fort champ magnétique
IV.1.3. Mesure indirecte
IV.2. MESURE DU FACTEUR DE SCATTERING EN PRESENCE DE BICs.
IV.2.1. Echantillons utilisés
IV.2.2. Résultats
REFERENCES DU CHAPITRE IV
CHAPITRE V : ROLE DES DEFAUTS SUR LES PROPRIETES ELECTRIQUES DES JONCTIONS ULTRA-MINCES
V.1. DEGRADATION DE LA MOBILITE DE DERIVE DES PORTEURS PAR LES BICS
V.1.1. Mise en évidence
V.1.1.1. Echantillons étudiés
V.1.1.2. Cas de structure entièrement active
V.1.1.3. Cas de structures partiellement actives
V.1.2. Cas de jonctions réalisées par implantation
V.1.2.1. Echantillons étudiés
V.1.2.2. Résultats et interprétation
• Evolution du coefficient de mobilité a avec la concentration de BICs
• Evolution de la mobilité des porteurs en fonction de la température
V.2. INFLUENCE DES DEFAUTS EOR SUR L’ACTIVATION DU BORE
V.2.1. Echantillons étudiés
V.2.2. Résultats et interprétation
CONCLUSION
REFERENCES DU CHAPITRE V
CHAPITRE VI : UTILISATION DE NOUVEAUX MATERIAUX SOI ET SIGE : APPLICATIONS ET PERSPECTIVES
VI.1. DIFFUSION ET ACTIVATION DU BORE DANS LE SOI : EFFET DE L’OXYDE ENTERRE SUR LA DISSOLUTION DES EOR
VI.1.1. Technologie silicium sur isolant (SOI) : présentation
VI.1.2. Expérience mise en place
VI.1.3. Résultats et interprétation
VI.1.3.1. Evolution des paramètres électriques
VI.1.3.2. Evolution de la diffusion du bore
VI.2.1. Les alliages Si1-xGex : présentation
VI.2.2. Expérience mise en place
VI.2.3. Résultats et interprétation
REFERENCES 

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