Approches innovantes pour promouvoir la formation du siliciure CoSi2 pour les technologies avancées 65 nm

Innovative approaches to promote the formation of CoSi2 silicide for advanced 65 nm technologies

• Auteur / Autrice : Andréa Newman
• Direction : Dominique Mangelinck
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence
• Jury : Président / Présidente : André Vantomme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Mangelinck, Magali Gregoire, Claudia Wiemer, Guilhem Larrieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claudia Wiemer, Guilhem Larrieu

Mots clés

Mots clés libres

Siliciure de cobalt

Contacts CMOS

Préparation de surface

Pré-amorphisation par implantation

Alliage Co1-xNix

Couche intermédiaire

Cobalt silicide

CMOS contacts

Surface preparation

Pre-amorphization by implantation

Co1-xNix alloy

Intermediate layer

Résumé

Dans l’industrie microélectronique, les siliciures de cobalt sont actuellement utilisés pour former les contacts entre les transistors et les interconnections de cuivre. Cependant, à partir du nœud technologique 65 nm, désignant la largueur de grille du transistor, la formation de la phase CoSi2 de faible résistivité est devenue plus difficile à cause de la réduction de cette dimension critique. Différents axes de recherche ont donc été abordés durant ce travail de thèse pour promouvoir la formation de couches minces de CoSi2 pour ce type de technologie, notamment de manière à rendre possible sa réalisation dans les usines 200 mm. Tout d’abord, une première étude a été menée sur la préparation de surface du substrat Si avant le dépôt d’un film mince de Co afin de mettre exergue l’influence de différents procédés sur la microstructure et l’épaisseur des siliciures formés après les recuits thermiques. La pré-amorphisation par implantation (PAI) du substrat Si a été l’objet d’une seconde étude car la PAI a une influence sur la force motrice de germination du CoSi2, sur la stabilité thermique et la taille de grains du disiliciure de cobalt ainsi que sur les propriétés électriques des dispositifs. De plus, l’utilisation d’une couche intermédiaire de Ti entre la couche mince de Co et le substrat Si a été étudiée dans le but d’améliorer la qualité épitaxiale du film final de CoSi2, et donc sa stabilité thermique. La présence ou non de la couche d’encapsulation en TiN modifie l’effet de la couche intermédiaire de Ti. Différents alliages Co1-xNix ont également été étudiés dans le détail afin dé définir une concentration en Ni optimale de cet alliage en vue d’une utilisation industrielle. L’ensemble des résultats expérimentaux sont discutés et analysés en termes de formation des phases et de propriétés des films de CoSi2. Des perspectives pour l’intégration de ces différentes méthodes au sein d’un processus industriel sont également proposées à la fin de ce manuscrit.

In the microelectronics industry, cobalt silicides are currently used to form contacts between transistors and copper interconnections. However, from the 65 nm technology node, denoting the transistor gate width, the formation of the low resistivity CoSi2 phase became more difficult because of this critical dimension reduction. Various research axes were thus addressed during this thesis work to promote the CoSi2 thin films formation for this type of technology, in particular in order to produce CoSi2 contacts in 200 mm factories. A first study was conducted on the Si substrate surface preparation before the deposition of the Co thin film in order to highlight the influence of different processes on the microstructure and thickness of silicides formed after thermal annealings. The pre-amorphization by implantation (PAI) of the Si substrate was the subject of a second study because PAI has an influence on the driving force for CoSi2 nucleation, on the thermal stability and grain size of cobalt disilicide as well as on the devices electrical properties. In addition, the use of an intermediate layer of Ti between the thin layer of Co and the substrate Si was studied in order to improve the epitaxial quality of the final film of CoSi2, and therefore its thermal stability. Whether or not the TiN encapsulation layer is present changes the effect of Ti intermediate layer. Various Co1 xNix alloys have also been studied in detail in order to define an optimal Ni concentration of this alloy for industrial use. All experimental results are discussed and analyzed in terms of phase formation and properties of CoSi2 films. Perspectives for the integration of these different methods within an industrial process are also proposed at the end of this manuscript.