Rappels sur les Semiconducteurs

La microélectronique, qui s’inscrit dans l’évolution de l’homme comme une mutation importante, est un moyen artificiel de prolongement de son intelligence, par l’emploi des systèmes miniaturisés complexes comme les circuits intégrés : mémoires, microprocesseurs, composants logiques et analogiques. Son importance et son utilisation croissante ne sont donc pas étonnantes, puisque la plupart des technologies de pointe utilisées actuellement : l’Informatique, la Télécommunication, la Robotique, et d’autres encore, en sont des fruits.

Ainsi, la capacité de mémoire est passée de un kilobit à une dizaine de Gigabits en vingt ans ; la puissance de traitement des microprocesseurs atteint maintenant plus de 60 Mips (Million d’Instructions Par Seconde) s’il n’y avait que moins de un Mips dans les années 70 [1]. Cette évolution est liée directement à l’évolution de la structure des CI (Circuits Intégrés), liée ellemême au progrès des connaissances et des technologies de réalisation.

L’implantation ionique, technique pour introduire des impuretés dopantes, décrite pour la première fois en 1954 par Shockley [ 2], a trouvé une évolution galopante depuis une vingtaine d’années. Son domaine d’application s’étend progressivement sur plusieurs branches avec une maîtrise parfaite. Actuellement, il devient une technologie indispensable pour la fabrication de composants en microélectronique, notamment pour la fabrication des circuits intégrés à très grande échelle (VLSI), à l’origine d’une grande révolution de notre génération.

Rappels sur les semiconducteurs 

La conduction d’électricité dans un solide est assurée par des charges ou porteurs pouvant être des trous ou des électrons. Un matériau est alors dit conducteur, s’il possède une concentration élevée de porteurs libres (de l’ordre de 10²⁸ m⁻³). Dans ce cas, la résistivité augmente avec la température. Par contre, on dit qu’un matériau est isolant si sa concentration en électrons libres est peu élevée, sa résistivité varie en sens inverse de la température. Entre ces deux types, on parle du semiconducteur. C’est un mauvais isolant et un mauvais conducteur à température ambiante (300°K). Mais, on peut diminuer sa résistivité par la présence d’impuretés ou dopants. Quand la température augmente, les électrons sont excités thermiquement de la bande de valence à la bande de conduction. Les électrons de la bande de conduction et les sites vacants ou trous créés dans la bande de valence contribueront à la conductivité électrique. De 0°K à 300°K, la bande interdite E g passe de 1,17 eV à 1,14 eV pour le silicium et, de 0,74 eV à 0,67 eV pour le germanium.

Matériaux cristallins

Un matériau à l’état cristallin est formé d’atomes présentant un arrangement périodique. Lorsque le solide présente un arrangement d’un seul type, il s’agit d’un monocristal, dans le cas contraire, on a un polycristal .

La structure cristalline est caractérisée par :
– une organisation spatiale de points, de type périodique, appelée réseau. Les points en sont les nœuds.
– un motif constitué d’un atome ou d’un groupement d’atomes associé à chaque nœud. Ce groupe est appelé la base ; elle est répétée dans l’espace pour former le cristal.
– le système cristallin peut être : cubique, tétragonal (ou quadrature), orthorhombique, hexagonal, monoclinique, trigonal (ou rhomboédrique), triclinique.

La majorité des matériaux utilisés en électronique ou microélectronique cristallise dans le système cubique (qui peut être simple ou centré ou bien à faces centrées) .

L’organisation spatiale des atomes d’un matériau cristallin peut présenter des défauts ponctuels sous trois formes, en général :
– Lacune («vacancy») : l’atome quitte son site à l’intérieur du cristal, laisse une place vacante et se déplace vers la surface; ce défaut est connu sous le nom de défaut de Schottky.
– L’interstitiel : l’atome en excès, prend une place normalement non occupée ( position interstitielle)
– La paire vacance-interstitiel (ou défauts de Frenkel) : un atome quitte son site régulier dans le cristal et prend une position interstitielle.

Matériaux amorphes 

Par implantation d’atomes neutres dans un matériau cristallin, on peut avoir une destruction de la qualité cristalline. C’est le processus de «préamorphisation». On dit alors qu’on a amorphisation du matériau implanté à la profondeur x lorsque tous les atomes de la matrice à cette profondeur ont été déplacés au moins une fois par collision. Lorsque la distribution des atomes ne présente aucun ordre ou tout au moins que l’ordre ne porte que sur un nombre limité d’atomes, le matériau est dit amorphe .

Dopage

On entend par dopage l’introduction volontaire d’impuretés de quantité convenable dans un semiconducteur. Le dopage d’un matériau semiconducteur change alors ses propriétés électrique et physique. Généralement, on choisit comme dopants d’un semiconducteur des atomes d’un corps présentant un rayon covalent peu différent de ceux (ou celui) de ses atomes de manière à ne pas perturber l’édifice cristallin [4]. Ainsi, pour le cas du silicium (groupe IV), pour avoir un semiconducteur de type P, on peut utiliser les éléments dopeurs du groupe III A de la classification, comme le bore (B), le gallium (Ga), l’indium (In), et, pour l’obtention d’un semiconducteur de type N, les éléments dopants couramment utilisés appartiennent au groupe V A de la classification comme le phosphore (P), l’arsenic (As), l’antimoine (Sb). Il est à noter que les éléments sont introduits en quantité très faible (de l’ordre de un atome pour un million, soit 10⁻⁶ en valeur relative). Et par conséquent, la probabilité pour qu’une impureté interagisse avec une autre dans un même cristal est quasi-nulle.

Semiconducteur de type N 

Si l’on introduit dans le silicium ou le germanium (groupe IV) des atomes d’arsenic (groupe V), on forme un semiconducteur de type N. Parmi les cinq électrons périphériques de l’atome étranger, quatre seulement seront impliqués dans les liaisons de covalence ; le cinquième électron est faiblement lié. Notons bien que cet électron est en excès au point de vue place, mais non en tant que charge : le cristal reste neutre après le dopage. L’électron excédentaire laisse une charge positive (ion) mais pas de trou en quittant son orbite . Il suffit alors d’une faible énergie (de l’ordre de 0.01eV) pour rendre libre cet électron. La concentration en électrons libres se trouve alors augmentée et par conséquent, la conductibilité augmente. Il s’agit ici d’une conductibilité de type N. Puisque les atomes dopeurs ont donné des électrons à la structure cristalline, on les appelle donneurs ou donateurs.

L’implantation ionique 

L’implantation ionique consiste à bombarder un matériau avec des ions de l’impureté désirée et, à des énergies variant de quelques eV à quelques MeV. Cette implantation peut se faire en un point bien déterminé de la surface de la cible, dans ce cas, on dit qu’elle est focalisée. L’implantation localisée consiste à un balayage d’une surface de la cible. A l’aide d’un implanteur [2], on peut fournir un faisceau d’ions focalisé, énergétique et pur. On peut régler avec précision l’énergie des particules à implanter, avant leur pénétration dans la cible.

Implanteur d’ions ou canon à ions 

Un implanteur d’ions est une machine qui fournit des ions :
– d’une seule masse (m),
– à une énergie bien précise (E),
– à une dose déterminée (φ),
– avec un angle d’incidence (θ0).

Typiquement, les impuretés à ioniser sont introduites sous forme de gaz dans une chambre située à l’entrée du système. Pour ioniser les atomes du gaz, on émet des électrons à partir d’un filament (cathode). Le rendement d’ionisation peut être augmenté par l’utilisation de champs magnétiques et électriques. Un champ électrique appliqué à la sortie de la chambre permet l’extraction des ions. Le faisceau ionique ainsi créé traverse ensuite un champ magnétique. Selon l’angle de déviation et la valeur de ce champ magnétique, on peut sélectionner une seule masse et une seule énergie. Après cette étape de séparation, on passe à la focalisation, qui consiste à utiliser un système de lentilles quadripôles pour aligner les ions avant de les accélérer. Et ensuite, avant que les ions arrivent sur la cible, pour supprimer les atomes neutres et pour rendre le faisceau homogène, on doit les faire passer dans un système de déflexion électrostatique.

L’efficacité de la source d’ions est mesurée par la valeur du courant d’ions délivrés à l’accélérateur et enfin à la cible. A la sortie de l’implanteur, les ions qui constituent le faisceau possède les caractéristiques désirées.

Interactions d’une particule chargée avec un solide 

En pénétrant dans un solide, une particule chargée va interagir avec le milieu qu’elle traverse [2]. Ces interactions auront lieu avec les électrons et avec les noyaux de la cible. En les supposant non corrélées, nous pouvons les définir ainsi :

Premier cas : Interaction avec les électrons,
Ce type d’interaction va provoquer une excitation et une ionisation des atomes de la cible. Ceci ralentit la particule de façon quasi-continue. Il s’agit d’un choc inélastique et la perte d’énergie de l’ion incident est déterminée par le pouvoir d’arrêt électronique Se(E) où E est l’énergie de l’ion, avant la collision.

Deuxième cas : Interaction avec les noyaux,
Ici, l’interaction est caractérisée par des chocs élastiques entre les noyaux et, ce phénomène dépend de l’énergie de l’ion incident. La perte d’énergie pendant la collision est égale à l’énergie reçue par l’atome cible du solide.

Plusieurs phénomènes peuvent se produire au cours de l’implantation :
•La pulvérisation : l’énergie transférée à un noyau proche de la surface peut être suffisamment grande pour que ce noyau soit éjecté de la cible ;
•La rétrodiffusion d’ions (ou rétrodiffusion de Rutherford) : la masse de l’ion incident est plus petite que celle des noyaux de la cible, l’ion incident peut rebondir sur les noyaux de la cible et ressortir du solide après avoir subi une ou plusieurs déviations de sa trajectoire par chocs élastiques. Ce phénomène est rare pour les ions lourds.
•La réaction nucléaire : lors de chocs inélastiques sur un noyau, une réaction nucléaire avec éjection des produits de la réactions hors du solide peut se produire.
•La cascade de collisions : l’énergie transférée au noyau cible par l’ion incident lors d’un choc élastique est suffisamment grande pour qu’à son tour, ce noyau en déplace d’autres.
•L’implantation : un ion, après avoir traversé le gaz d’électrons de la cible et, après avoir subi un certain nombre de collisions avec ses atomes, y prend une position bien déterminée.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : GÉNÉRALITÉS
I-1 Rappels sur les Semiconducteurs
I-1-1 Matériaux cristallins
I-1-2 Matériaux amorphes
I-1-3 Dopage
I-1-3-1 Semiconducteur de type N
I-1-3-2 Semiconducteur de type P
I-2 L’implantation ionique
I-2-1 Implanteur d’ions ou canon à ions
I-2-2 Interactions d’une particule chargée avec un solide
I-2-3 Influence de la structure cristalline de la cible
I-2-4 Parcours des ions dans une cible amorphe
I-2-5 Arrêt électronique
I-2-6 Arrêt nucléaire
I-2-7 Avantages de l’implantation ionique
I-2-8 Dégâts causés par l’implantation ionique
I-3 Applications
Chapitre II : MODELE DE L’IMPLANTATION IONIQUE
II-1 La méthode
II-2 Interaction ion incident et réseau cristallin
II-2-1 Chocs nucléaires
II-2-1-1 Evaluation analytique de l’angle da diffusion
II-2-1-2 Potentiel interatomique
II-2-1-3 Détermination du libre parcours moyen
II-2-1-4 Perte d’énergie nucléaire
II-2-2 Chocs électroniques
II-3 Possibilités offertes par le logiciel
Chapitre III : PRESENTATION, DISCUSSION ET COMPARAISON DES RESULTATS
III-1 Fonctionnement du logiciel
III-1-1 Les données nécessaires
III-1-2 Déroulement d’un traitement
III-1-3 Mode de présentation des résultats
III-1-4 Passage du nombre d’ions Nb(z) à la concentration n(z)
III-2 Les implantations
III-3 Résultats
III-3-1 Cible monocouche
III-3-2 Cible bicouche
III-3-3 Cible tricouche
III-4 Présentation, discussion et comparaison des résultats
CONCLUSION
ANNEXE

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