Implantation ionique et jonctions ultrafines : Caractérisation, ingénierie des défauts et application aux technologies 65 et 45 nm

Ion implantation and ultra shallow junctionsImplantation ionique et jonctions ultrafines : characterisation, defects engineering and implementation to 65 and 45 nm mode technologies

• Auteur / Autrice : Nathalie Cagnat
• Direction : Daniel Mathiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique et automatique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Résumé

Le dopage est une étape clé de la fabrication des composants : de la quantité de dopants actifs dans le silicium va dépendre leurs propriétés électriques. Les zones dopées sont formées par implantation ionique car ce procédé possède de nombreux avantages. Toutefois, il génère des défauts qui assistent la diffusion des dopants (donc réduisent le contrôle dimensionnel) et qui sont la source de fuites de courant. L’objectif de cette thèse est de neutraliser ces défauts. Après avoir décrit les différents types de défauts connus et les mécanismes proposés dans la littérature pour leur évolution, nous expliquons leurs effets sur la diffusion des dopants. La compréhension des mécanismes physiques impliqués dans la formation des jonctions nécessite les caractériser avec des moyens adaptés. Nous discutons des limitations des moyens classiques pour les jonctions inférieures à 30 nm et nous présentons des alternatives possibles. Enfin, nous remplissons l’objectif de la thèse, en agissant sur les étapes d’implantation ionique sans modifier le reste du procédé. En étudiant les paramètres liés à l’implantation, nous identifions le flux d’implantation comme un paramètre clé dans la génération des défauts ponctuels. Puis nous proposons une solution intégrable réduisant la diffusion du bore, du phosphore et de l’arsenic : la co-implantation du carbone dans le silicium amorphisé. Nous optimisons la localisation du carbone en fonction des mécanismes de diffusion spécifiques du bore et du phosphore. En plus de cela, nous avons étudié l’interaction entre les dépôts espaceurs et ces dopants implantés dans les extensions des source-drain et les poches.

Doping is a key parameter of MOS devices processes : the amount of activated dopant in silicon manages its electrical properties. Doped areas are formed by ion implantation for its many advantages. However, it generates damages which assist diffusion (reducing junctions dimensional control) and are at the source of current leakage. The research topic of this dissertation is to neutralize these defects. After describing all known defects in silicon and their evolution mechanisms found in the literature, we explain their implication in dopant diffusion. The understanding of physical mechanisms involved in junction formation requires the use of accurate ways of characterization. We discuss classical ways limitations for junction depth below 30 nm et we introduce possible alternatives. Finally, we reach the dissertation’s target by acting on ion implantation without modifying other process steps. By studying implant parameters, we identify the dose rate as a key parameter in point defects generation. Then, we present an integrable solution to reduce Boron, Phosphorus and Arsenic excessive diffusion : Carbon co-implantation in amorphised silicon. We optimize Carbon location thanks to the understanding of Boron and Phosphorus specific diffusion mechanisms. Moreover, we study the interaction between low temperature spacers and usual dopant included in source drain extensions and pockets.