Thèse CIFRE en collaboration avec STMicroelectronics Crolles

Nathalie Cagnat

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
InESS UMR 7163 Thèse CIFRE en collaboration avec STMicroelectronics (Crolles) N° d'ordre : École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur ULP – INSA – ENGEES THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Électronique, Électrotechnique et Automatique (spécialité : Microélectronique) par Nathalie CAGNAT (DROGUE) Implantation ionique et jonctions ultrafines : Caractérisation, ingénierie des défauts et application aux technologies 65 et 45 nm Soutenue publiquement le 15 avril 2008 Membres du jury Président : M. Daniel Barbier, Professeur, INL/INSA Lyon Rapporteur interne : M. Jean-Jacques Grob, DR-CNRS, InESS Strasbourg Rapporteur externe : M. Daniel Alquier, Professeur, LMP Tour Examinateur : M. Fuccio Cristiano, CR-CNRS, LAAS Toulouse Examinateur : M. Emmanuel Josse, Docteur, STMicroelectronics Crolles Directeur de thèse : M. Daniel Mathiot, Professeur, InESS Strasbourg Invité: M. Cyrille Laviron, Ingénieur, CEA-LETI Grenoble

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Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 avril 2008
• Nombre de lectures: 648
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

N° d’ordre : École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur ULP – INSA – ENGEES THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Électronique, Électrotechnique et Automatique (spécialité : Microélectronique) par Nathalie CAGNAT (DROGUE) Implantation ionique et jonctions ultrafines : Caractérisation, ingénierie des défauts et application aux technologies 65 et 45 nm Soutenue publiquement le 15 avril 2008 Membres du jury Président :M. Daniel Barbier, Professeur, INL/INSA Lyon Rapporteur interne :M. Jean-Jacques Grob, DR-CNRS, InESS Strasbourg Rapporteur externe :M. Daniel Alquier, Professeur, LMP Tour Examinateur :M. Fuccio Cristiano, CR-CNRS, LAAS Toulouse Examinateur :STMicroelectronics CrollesEmmanuel Josse, Docteur,  M. Directeur de thèse :M. Daniel Mathiot, Professeur, InESS Strasbourg Invité:M. Cyrille Laviron, Ingénieur, CEA-LETI Grenoble

InESS UMR 7163 Thèse CIFRE en collaboration avec STMicroelectronics (Crolles)

« Il faut toujours viser la lune, car même en cas d’échec, on atterrit dans les étoiles. » Oscar Wilde

R EMERCIEMENTS

Remerciements

Jetiensàremerciertouteslespersonnesquiontfaitquemavieen2008,tant professionnellequepersonnelle,neressembleenrienàcellede2005.J’aipuisélaréussitede cestroisannéesenchacundevous. LesdirigeantsdeSTMicroelectronicsetdel’AllianceCrolles2,etnotammentKathy Barlaentantquemanagerdel’organisationFront‐EndR&D,quim’ontaccueillieetqui m’ontpermisdetravaillerdansd’excellentesconditionsmatérielles.Jeressorsmûried’une expériencedansungrandgroupe.J’auraibeaucoupapprisducontextedel’Allianceavec NXPetFreescale. DanielMathiot,mondirecteurdethèse,quejeneremercieraijamaisassez.Siloinet pourtantsiaccessible,sihautetpourtantsidisponible,sifortetpourtantsipédagogue.A chaquecontact,saréactivitém’asidérée.Grâceàtoutessesqualités,les550kmquiséparent GrenobledeStrasbourgn’ontpasétéunobstacle.Chacunedenosentrevuesm’ontrapprochée delaSciencequ’ilestsifaciledeperdredevueaumilieudescontraintesindustrielles.Ila donnédel’ampleuràmestravauxensoulignantleurintérêtpourlacommunautéscientifique etenmemontrantcequidevaitêtrepublié.Illeuradonnédelaprofondeurenm’indiquant toujourslesbasesscientifiquessurlesquellesjepouvaisappuyermesthéories(m’orientant verslaréférenceadéquatepuiséedanssamémoire).Jen’aiaucuneidéedecequemeréserve monavenirprofessionnelmaissij’aiàgravirleséchelonsdesresponsabilitésj’espèrearriver, commelui,ànejamaisoublierlasciencefondamentaleetsurtoutparveniràcommuniquer monsavoiravecautantdepédagogie. CyrilleLaviron,montuteurdethèseàSTMicroelectronics,sansquicetravail n’auraitjamaisétécequ’ilest.Jeluisuisreconnaissantedem’avoirimpliquédansdessujets passionnantsetd’avoirdéfendumesintérêtstoutaulongdecettethèse.Ilm’aégalementété d’ungrandsecoursdèsquej’étaisbloquée,trouvanttoujourslesmotsjustes,lapersonne appropriée,laméthodologieadéquatepourm’ensortir.Merciégalementpourlesvolants échangésquim’ontpermisdemaintenirunbonéquilibreentremoncorpsetmonesprit.Je prendraiexemplesursonomniscience,sonomniprésenceetsoneffacement. Lejury,pouravoirexaminémontravailavecattentionetpourleursremarquessi constructives.J’espèrequelemanuscritfinalcorrespondàleursattentes.Merciégalement pourlesparolesrassurantesavantlasoutenanceetlesretourssipositifsaprès. LaurentFrioulaud,monmanageren1èreeten3èmeannéedethèse,poursonécoute etsasympathie.Mêmesiseschangementsd’étiquetteontrendunosrapportsdistendus,c’est toujoursavecintérêtqu’ilasuivimestravaux. ChrisRando,monmanageren2èmeannéedethèse.Mêmesisonséjourfutcourt,et dansuncontextetumultueuxavantsonretourauxUSA,jegarderailongtempslesouvenir decemanagerprofondémenthumain.C’estavecémotionquejemeremémoresonhumour, sonécouteattentiveetsonintégrité.

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Remerciements

PierreMorinqui,letoutpremier,m’afaitconfianceenmeprenantenstagedefin d’études.Evoluerdanssespaspendant7moism’amontrécommentmecomporterdansune telleorganisation.Jegarderaienmémoiresonfranc‐parlercru,sonaccessibilitémalgréson niveautechniqueetsescoupsdegueulelorsdelarédactiondemonrapport(sévèresmais justes…). GilbertVincent,leresponsabledemonmaster,unemaintendueaprèsdeuxansde recherched’emploi.Jeluiattribuelaréussitedecettepremièreexpérienceprofessionnelle. Pier‐FrancescoFazzinietFuccioCristiano,pourleuraccueilchaleureuxàToulouse. Mercid’avoirconsacréautantdetempspournousmontrervotresavoir‐faire.J’auraiaimé quenotrecollaborationintervienneplustôtdansledéroulementdemathèseafinqu’ellesoit plusfructueuse. NicolasEmonetetplustardAnissaLagha‐Emonetpourlespauses,lesfousriresetles ragotspartagés.Vousavezétéuneboufféed’oxygènequotidiennequim’abienmanqué pendantlapériodedifficiledelarédaction. TouslesmembresdeséquipesTT,TCADetII,lespermanentscommeceuxde passage,quim’ontaccueillisichaleureusement.J’avaisunevisionaustèredumondede l’industriequiatotalementchangéàvotre contact.Diredumalestuntelplaisiravecvous. Decetteambiance,professionnellemaisdétendue,jegarderailongtempsentêtelesgâteaux, lessoiréespokeretles«pétagesdeplombduvendredi». NicolasAuriac,pourlesservicesrendusetlestranchesderigolades.Sacapacitéà toujourstouttirerverslebas(…oulehaut,çadépendsionparledelachemiseoudu pantalon)estétonnante.Ilpoursuitsacarrièredansunpaysparadisiaqueoù«bitte»estune expressiondepolitesse. JulieBougueon,lesensduserviceàl’étatpur.Jeluiexprimetoutemagratitudepour m’avoirtoujoursaidépromptement,consciencieusementetdanslabonnehumeur.J’aiadoré voirlaviepartesyeux. JérômeBienacel,lecréatifdugroupe.Bonnombredegobelets,detrombones, d’aimants,destylos,depapiersetj’enpasse,ontétévictimesdesonartbrut,sansoublierses célèbres«bourloutes».Mercidem’avoirmontrélechemindelathèselorsquej’étaisenstage etlechemindugymnase(avecNico)pourjoueraubad. GuillaumeChabanne,l’indomptable…Yeehaa!Toutestdit. MaudBidaud,poursonénergie(parfoisfatiguante),sesencouragementsetses anecdotesquirendentlequotidiensensationnel. RémiBeneyton,pourêtresibonpublic.Cafaitdubiend’avoiruncollègueàl’écoute, prêtàrendreserviceetavecquipartagerlesprogrèsdenos«nains».

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Remerciements

MarionCharleux,poursacuriosité.C’esttrèsagréabledevoirquelqu’uns’intéresser ànostravaux,poserdesquestionssurtoutquandcen’estpassondomainedeprédilection. NathalieCherault,DavidBarge,HubertBono,AdrienDupuisetAlphonseTorres pourlesdiscussionsautourd’unbonplateauàlacafétéria. JulienSinger,FrançoisWacquant,DanielChanemougame,FrédéricSalvettietDavy ☺ Villanuevaquiontsimulépendanttoutletempsoùj’aitravaillé.Mercid’avoirpartagévos connaissances. AlexandreTarnowka,MorganeDesboisetAudreyBerthoud,del’équipeMétrologie, pourleurpatience,leurécouteetleurscompétences.J’aiadmiréleursang‐froidfaceàla pressionquotidienne. Etjesouhaiteboncourageauxautresthésardsquin’ontpasencoresoutenu:Thomas ‘ Kormann(«C’estGali,l’a‐li‐ga‐tor…»),GaétanRaymond(dit«TheBody»),Alexis Colin(quiadesprogrèsàfaireaubad),BertrandPelletier(Brazil!!!),BrunoImbert(çava, maisdeux…bonjourlesdégats!).QuelaSciencesoitavecvous! Jeremercieégalementlesnombreuxéquipementiersavecquij’aieul’occasionde travailler.Leurcontactaététrèsenrichissant,notammentSandeepMethadeVarianquim’a chaperonnéelorsdemapremièreexpérienceenconférenceinternationale. Mesamis,quiessayenttoujoursdésespérémentdecomprendrecequejefais.Ce documentdevraitlesaider...oupas. Mafifille,Noémie,néeàlafindema1èreannéedethèse.Etremèrem’afaitprendre dureculparrapportàmavie.Jesituemieuxmespriorités,jerelativisebeaucoupdechoses. Sesprogrèsontalimentébeaucoupdeconversationsetsonrirem’accompagnedansles momentsdifficiles. Monmarietami,Grégory,quej’aimedetoutmoncoeur.Ilalachancedepartager mesbonheursmaisildoitaussisubirmesmalheurs.Mercidemesupporterentoutes circonstances. Mesparents,quim’onttoujoursfaitconfiance.J’espèrequ’ilsonteuraison.Ilsont toujoursétédebonconseil,parfoistrop. Mabellefamille,ettoutparticulièrementmesbeaux‐parents,pourleurchaleuretleur soutien.

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Table des matières

T ABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS.................................................................................................................I TABLE DES MATIÈRES .....................................................................................................IV TABLE DES SYMBOLES .................................................................................................. VII TABLE DES ABRÉVIATIONS............................................................................................XI INTRODUCTION GÉNÉRALE ............................................................................................ 1 CHAPITRE I : LES DÉFAUTS INDUITS PAR IMPLANTATION IONIQUE DANS LE SILICIUM ................................................................................................................................. 3 I.A)L ES DIFFÉRENTS TYPES DE DÉFAUTS DU SILICIUM ............................................................ 5 I.A.1) Les défauts ponctuels ............................................................................................... 5 I.A.2) Les agglomérats (ou clusters) .................................................................................. 6 I.A.3) Les défauts {113} ..................................................................................................... 7 I.A.4) Les défauts {111} de type rodlike............................................................................. 8 I.A.5) Les boucles de dislocations ...................................................................................... 8 I.A.6) Autres types de défauts............................................................................................. 9 I.B)G ÉNÉRATION ET ÉVOLUTION DES DÉFAUTS INDUITS PAR IMPLANTATION IONIQUE ......... 10 I.B.1) Origine des défauts ................................................................................................ 10 I.B.1.(a) Origine des défauts ponctuels hors équilibre ................................................. 10 I.B.1.(b) Origine des défauts étendus ........................................................................... 14 I.B.2) Croissance et stabilité des défauts ......................................................................... 16 I.B.2.(a) Stabilité des défauts ....................................................................................... 16 I.B.2.(b) Croissance des défauts : cinétique de maturation d’Ostwald ........................ 18 I.B.3) Dissolution des défauts .......................................................................................... 19 I.C)L ES EFFETS DES DÉFAUTS ............................................................................................... 21 I.C.1) Diffusion à l’équilibre............................................................................................ 21 I.C.1.(a) Les mécanismes atomiques............................................................................ 23 I.C.2) Diffusion hors équilibre ......................................................................................... 27 I.C.2.(a) La diffusion accélérée et transitoire (TED) ................................................... 28 I.C.2.(b) Influence du niveau de Fermi ........................................................................ 29 I.C.2.(c) Influence du champ électrique induit............................................................. 30 I.C.3) Manifestations des effets des défauts sur les propriétés électriques des composants .......................................................................................................................................... 31 I.C.3.(a) Rappel : fabrication des zones dopées ........................................................... 31 I.C.3.(b) Les effets de canaux courts : direct, inverse et DIBL.................................... 33 I.C.3.(c) Résistance ...................................................................................................... 35 I.C.3.(d) Fuites ............................................................................................................. 36 I.D) C ONCLUSION .................................................................................................................. 36 CHAPITRE II : LIMITATIONS DES MOYENS DE CARACTÉRISATION & ALTERNATIVES .................................................................................................................. 37 II.A)R ÉPARTITION CHIMIQUE DES IMPURETÉS ...................................................................... 39 II.A.1) L’analyse SIMS ..................................................................................................... 40 II.A.1.(a) Principe de la mesure ................................................................................... 40 II.A.1.(b) Performances de la technique ...................................................................... 41 II.A.1.(c) Limitations pour les jonctions ultrafines ...................................................... 41

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Table des matières

II.A.1.(d) Précautions pour les jonctions ultrafines ..................................................... 44 II.A.2) Sonde atomique ..................................................................................................... 46 II.A.2.(a) Principe de la technique ............................................................................... 46 II.A.2.(b) Performances de la technique ...................................................................... 47 II.A.2.(c) Points d’amélioration ................................................................................... 48 II.B)A CTIVATION DES DOPANTS ........................................................................................... 48 II.B.1) Résistance carrée par méthode 4 pointes ............................................................. 48 II.B.1.(a) Principe de la méthode ................................................................................. 48 II.B.1.(b) Performances de la technique....................................................................... 49 II.B.1.(c) Limitation pour les jonctions fines ............................................................... 50 II.B.2) Prospection d’alternatives auprès des fournisseurs ............................................. 54 II.B.3) Résistance carrée par méthode sans contact ........................................................ 55 II.B.3.(a) Principe de la méthode ................................................................................. 55 II.B.3.(b) Performances de la technique....................................................................... 56 II.B.3.(c) Points d’amélioration.................................................................................... 57 II.C)L OCALISATION ET QUANTIFICATION DES DÉFAUTS ........................................................ 57 II.C.1) Méthodes non destructives.................................................................................... 58 II.C.1.(a) Thermaprobe................................................................................................. 58 II.C.1.(b) Ellipsométrie spectroscopique...................................................................... 60 II.C.2) Méthodes destructives........................................................................................... 64 II.C.2.(a) Evaluation de diverses techniques ................................................................ 64 II.C.2.(b) MET en mode WBDF .................................................................................. 65 II.D)C ONCLUSION ................................................................................................................ 73 CHAPITRE III : INGÉNIERIE DES DÉFAUTS ............................................................... 75 III.A)L’ IMPLANTATION ........................................................................................................ 78 III.A.1) Paramètres de l’implantation : le flux d’implantation........................................ 78 III.A.1.(a) Rappels du fonctionnement d’un implanteur et différences entre l’implanteur multiplaque et monoplaque ..................................................................... 78 III.A.1.(b) Problématique ............................................................................................. 80 III.A.1.(c) Procédure expérimentale............................................................................. 81 III.A.1.(d) Résultats...................................................................................................... 83 III.A.1.(e) Discussion ................................................................................................... 86 III.A.1.(f) Conclusion................................................................................................... 87 III.A.2) Le dopant usuel de type p (B) .............................................................................. 88 III.A.2.(a) Le choix du carbone parmi les autres espèces ............................................ 88 III.A.2.(b) Optimisation de la co-implantation Ge + C pour réduire la diffusion du bore ...................................................................................................................................... 91 III.A.2.(c) Intégration de la co-implantation Ge+ C pour les source-drain du PMOS . 98 III.A.3) Les dopants usuels de type n (As et P) .............................................................. 107 III.A.3.(a) Comportement de différentes combinaisons d’implantation d’arsenic et de phosphore ................................................................................................................... 107 III.A.3.(b) Optimisation des conditions d’implantation pour réduire la diffusion du phosphore ................................................................................................................... 112 III.A.3.(c) Effet du carbone sur l’arsenic ................................................................... 120 III.A.3.(d) Intégration de la co-implantation du carbone pour les source-drain des NMOS ........................................................................................................................ 123 III.B) L ES DÉPÔTS : INTERACTION ENTRE LES MATÉRIAUX DES ESPACEURS ET LES EXTENSIONS ET POCHES NMOS ET PMOS .............................................................................................. 129 III.B.1) Procédure expérimentale................................................................................... 130

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Table des matières

III.B.2) Résultats ............................................................................................................ 131 III.B.3) Discussion.......................................................................................................... 133 III.B.3.(a) Recristallisation pendant les dépôts .......................................................... 133 III.B.3.(b) Profils de bore ........................................................................................... 134 III.B.3.(c) Profils de phosphore.................................................................................. 136 III.C)L E RECUIT D ’ ACTIVATION .......................................................................................... 136 III.D)C ONCLUSION ............................................................................................................. 138 CONCLUSION GÉNÉRALE ............................................................................................. 141 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................................... 145 LISTE DES PUBLICATIONS PERSONNELLES ...........................................................157

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