Redistribution du bore et de l'arsenic implantés dans le silicium : apport de la sonde atomique tomographique

Redistribution of boron and arsenic implanted in silicon : tomography atom probe contribution

• Auteur / Autrice : Michel Ngamo Toko
• Direction : Kaouther Kétata, Philippe Pareige
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences des matériaux. Microélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sondes atomiques tomographiques

Ions -- Implantation

Semiconducteurs -- Dopage

Nanoélectronique

Microélectronique

Silicium

Arsenic

Bore

Résumé

L'augmentation des niveaux de dopages dans les extensions de source et de drain des transistors à effet de champ MOS est nécessaire à la miniaturisation des composants à semi-conducteurs. Les défauts créés par l'implantation ionique, technique principale de dopage des semi-conducteurs, entraînent au cours du recuit thermique l'apparition de phénomènes indésirables tels que la formation d'amas inactifs de dopants et la ségrégation de dopants aux interfaces avec des diélectriques. La sonde atomique tomographique assistée laser, technique récente, a été utilisée pour l'étude de la redistribution de l'arsenic et du bore dans le Si. Cette technique a été comparée à des techniques plus conventionnelles comme la spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) ou la microscopie électronique à transmission (MET). Nous avons étudié dans la première partie, la redistribution du bore implanté à forte dose dans le silicium avant et après recuit thermique à 740°C. Des amas de bore de tailles nanométriques encore dénommés BICs (Boron Interstitials Clusters) ont été mis en évidence dans le silicium. Parallèlement à ces amas, un ordre à courte distance a également été révélé avant et après recuit thermique par des techniques statistiques et relié à la désactivation électrique. Dans la deuxième partie, la redistribution de l'arsenic dans le silicium et sa ségrégation à l'interface Si/SiO2 ont été étudiées. Un ordre à courte distance a été mis en évidence dans les échantillons implantés et recuits (900°C) ainsi que pour des échantillons dopés par épitaxie et reliée aux mesures électriques. La ségrégation de l'arsenic à l’interface Si/SiO2, étudiée dans des conditions d'équilibre, a permis de mettre en évidence par SAT la forte accumulation d'arsenic (9% de la dose implantée) à l'interface en bon accord avec la technique de spectroscopie de fluorescence-X à incidence rasante (GI-XRF). Des mesures électriques de « Spreading Resistance Profiling » (nano-SRP) ont montré un très faible niveau d'activation de l'arsenic ségrégé.

The increase of level of doping in ultra-shallow junctions of MOS field effect transistors is necessary to scaling down semiconductor based devices. The defects created by ion implantation which is the main doping technique, lead during the thermal annealing, the appearance of undesirable effects such as inactive dopant clusters formation and dopant segregation at the interfaces with dielectrics. Very few tools allow the accurate characterization of this anomalous dopant redistribution in silicon. A recent technique, laser –assisted atom probe tomography, was used in this work. This technique was compared to conventional ones such as secondary ion mass spectrometry (SIMS) and transmission electron microscopy (TEM). We studied in the first part the redistribution of boron in silicon before and after annealing (740°C). Boron interstitial clusters (BICs) were identified. In addition to these clusters, a short-range ordering has also been highlighted before and after annealing and linked to electrical deactivation. In the second part of this work, the redistribution of arsenic in silicon after thermal processes and its segregation at Si/SiO2 interface were studied. Small clusters of arsenic were found for implanted and annealed samples (900°C) and also for samples doped by epitaxy. The study of the segregation of arsenic under equilibrium conditions has put into light a high accumulation of arsenic (9% of the implanted dose) at the interface in good agreement with the Grazing Incidence X-Ray Fluorescence spectroscopy (GI-XRF). Electrical measurements performed by Spreading Resistance Profiling (nano-SRP) showed the low level of activation of segregated arsenic.