N° d'ordre École Doctorale Mathématiques Sciences de l'Information

Alexis Colin

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 524 École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur UdS – INSA – ENGEES THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Strasbourg Discipline : Électronique, Électrotechnique et Automatique Spécialité : Microélectronique par Alexis Colin Étude des couplages radiatifs et thermiques et des modifications physico-chimiques engendrés par un recuit laser milliseconde sur la grille polysilicium de la technologie CMOS 45 nm Soutenue publiquement le 16 Avril 2010 Membres du jury Directeur de thèse : M. Daniel Mathiot, Professeur, InESS, Strasbourg Co-Directeur de thèse : M. Eric Fogarassy, Directeur de recherche, InESS, Strasbourg Rapporteur externe : M. Olivier Bonnaud, Professeur, IETR, Université de Rennes Rapporteur externe : M. Remy Fabbro, Directeur de recherche, LALP, Paris Examinateur : M. Daniel Barbier, Professeur, INL/INSA, Lyon Examinateur : M. Pierre Morin, Ingénieur, STMicroelectronics, Crolles InESS UMR 7163 Thèse CIFRE en collaboration avec STMicroelectronics (Crolles)

• substrat de silicium


• polysilicium


• analyse des profils chimiques


• recuit laser


• introduction du recuit milliseconde dans les technologies cmos avancées


• spectroscopie de perte d'énergie d'électrons


• table des matières table des matières


• cmos

Sujets

• Barbier
• Bonnaud
• Fabbro
• STMicroelectronics
• Silicium polycristallin

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 avril 2010
• Nombre de lectures: 50
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

N° d’ordre : 524 École Doctorale Mathématiques, Sciences de l'Information et de l'Ingénieur UdS – INSA – ENGEES THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Strasbourg Discipline : Électronique, Électrotechnique et Automatique Spécialité : Microélectronique par Alexis Colin Étude des couplages radiatifs et thermiques et des modifications physico- chimiques engendrés par un recuit laser milliseconde sur la grille polysilicium de la technologie CMOS 45 nm Soutenue publiquement le 16 Avril 2010 Membres du jury Directeur de thèse : M. Daniel Mathiot, Professeur, InESS, Strasbourg Co-Directeur de thèse : M. Eric Fogarassy, Directeur de recherche, InESS, Strasbourg Rapporteur externe : M. Olivier Bonnaud, Professeur, IETR, Université de Rennes Rapporteur externe :Remy Fabbro, Directeur de recherche, LALP, Paris M. Examinateur :Daniel Barbier, Professeur, INL/INSA, Lyon M. Examinateur :Pierre Morin, Ingénieur, STMicroelectronics, Crolles M. InESS UMR 7163 Thèse CIFRE en collaboration avec STMicroelectronics (Crolles)

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Table des matières

Table des matières .......................................................................................................3 Table des symboles ......................................................................................................7 Table des abréviations...............................................................................................10 Introduction ...............................................................................................................11 Chapitre I : L’introduction du recuit milliseconde dans les technologies CMOS avancées ......................................................................................................................13 I.A. Les challenges de la miniaturisation du MOSFET. ........................................14 I.A.1 Le transistor CMOS avancé................................................................................................. 14 I.A.2 Formation de jonctions fines ............................................................................................... 15 I.A.3 Réduction de l’épaisseur effective d’oxyde de grille .......................................................... 16 I.B. Les recuits millisecondes dans la technologie CMOS 45 nm .........................17 I.B.1 L’introduction des recuits millisecondes ............................................................................. 17 I.B.2 Les étapes de procédés dans la technologie ST CMOS 45 nm............................................ 19 I.B.3 Les effets de motifs générés par les procédés millisecondes ............................................... 21 I.C. Le polysilicium....................................................................................................25 I.C.1 Propriétés d’un film de polysilicium.................................................................................... 25 I.C.1.(a) Structure d’un film de polysilicium colonnaire.......................................................... 25 I.C.1.(b) Diffusion des dopants dans le polysilicium ................................................................ 26 I.C.1.(c) Résistivité d’un film de polysilicium........................................................................... 26 I.C.2 Propriétés d’un film de polysilicium lors d’un recuit milliseconde..................................... 27 I.D. Conclusion et objectifs des travaux ..................................................................28 Chapitre II : Les dispositifs expérimentaux ...........................................................29 II.A. Les conditions expérimentales des différentes structures et matériaux .....30 II.A.1 Conditions de dépôts des différents matériaux................................................................... 30 II.B.2 Conditions d’implantations ioniques .................................................................................. 32 II.B. Les recuits rapides ............................................................................................34 II.B.1 Le recuit laser milliseconde DSA ....................................................................................... 34 II.B.2 Les autres procédés de recuit milliseconde ........................................................................ 36 II.B.3 Le recuit Spike.................................................................................................................... 37 II.C. L’évaluation de la température lors du recuit laser .....................................39 II.C.1 Mesure directe : le Pyromètre............................................................................................. 39 II.C.2 Mesure indirecte : la Résistance poly P+............................................................................ 40 II.C.3 Réflectométrie .................................................................................................................... 42

II.D. La caractérisation de la grille de polysilicium ...............................................43 II.D.1 Analyse de l’activation et des profils des dopants ............................................................. 43 II.D.1.(a) Analyse de l’activation par la mesure de résistance par carré ................................ 43 II.D.1.(b) Analyse des profils chimiques par la spectroscopie de masses d’ions secondaires. 45 II.D.2 Analyse de la structure ....................................................................................................... 48

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II.D.2.(a) Diffraction des rayons X ........................................................................................... 48 II.D.2.(b) Microscopie électronique en transmission ............................................................... 50 II.D.3 Analyse des profils chimiques à l’échelle atomique .......................................................... 52 II.D.3.(a) Spectroscopie par perte d’énergie des électrons...................................................... 52 II.D.3.(b) Sonde Atomique Tomographique.............................................................................. 53 II.E Conclusion du chapitre .....................................................................................56 Chapitre III : La simulation du recuit laser et son application aux effets de motifs...........................................................................................................................57 III.A. L’interaction laser/silicium ............................................................................58 III.A.1 Le modèle radiatif ............................................................................................................. 58 III.A.2 Le modèle thermique ........................................................................................................ 60 III.A.2.(a) Transfert de chaleur par conduction thermique ...................................................... 60 III.A.2.(b) Autres mécanismes de transfert de chaleur ............................................................. 61 III.A.3 Propriétés optiques et thermiques ..................................................................................... 62 III.A.3.(a) Propriétés thermiques.............................................................................................. 62 III.A.3.(b) Propriétés optiques .................................................................................................. 64 III.A.4 Application à un cas simple : les transferts radiatif et thermique sur un substrat de silicium.......................................................................................................................................... 66

III.B. La simulation numérique par éléments finis ................................................68 III.B.1 Modèle radiatif .................................................................................................................. 68 III.B.1.(a) Méthodes de calculs interférentiels ......................................................................... 68 III.B.1.(b) Modèle développé avec Comsol Multiphysics ......................................................... 71 III.B.1.(c) Simulation d’un cas simple : diffraction par un trou............................................... 72 III.B.1.(d) Validation du modèle ............................................................................................... 75 III.B.2 Modèle thermique ............................................................................................................. 79 III.B.2.(a) Description du modèle thermique............................................................................ 79 III.B.2.(b) Modélisation et calibration du modèle thermique sur substrat de silicium ............ 81 III.B.2.(c) Modélisation sur un transistor type CMOS 45 nm .................................................. 84 III.B.3 Modèle radiatif et thermique ............................................................................................. 85

III.C. Application aux effets de motifs ....................................................................88 III.C.1 Définition des effets de motifs .......................................................................................... 88 III.C.1.(a) Origines physiques .................................................................................................. 88 III.C.1.(b) Influence sur les dispositifs : propriétés électriques et dégradation morphologique ................................................................................................................................................... 89 III.C.1.(c) Effets de motifs pour les recuits RTP et millisecondes ............................................ 90 III.C.1.(d) Diminution des effets de motifs................................................................................ 92 III.C.2 Etude de l’influence des effets de motifs : cas d’une irradiation laser sur une puce en présence d’une couche absorbante................................................................................................ 94 III.C.2.(a) Simulations sur des structures supérieures à L d ...................................................... 94 III.C.2.(b) Simulations thermiques sur des motifs inférieurs à L d ............................................ 98 III.C.3 Etude de l’influence des effets de motifs : cas d’une irradiation laser directe sur une puce ..................................................................................................................................................... 101 III.C.3.(a) La calibration du modèle conjugué sur substrat de silicium................................. 102 III.C.3.(b) Comparaison de la simulation avec des résultats expérimentaux......................... 103 III.C.3.(c) Les effets de motifs optico-thermiques sur des empilements et réseaux périodiques sans les couches SMT.............................................................................................................. 106 III.C.3.(d) Les effets de motifs optico-thermiques sur une puce CMOS 45 nm ...................... 114

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III.D. Conclusion .....................................................................................................120 Chapitre IV : L’influence du recuit laser sur les propriétés du polysilicium dopé ...........................................................................................................................121 IV.A. Etat de l’art ....................................................................................................122 IV.A.1 Ségrégation des dopants dans les joints de grains .......................................................... 122 IV.A.1.(a) Définition du coefficient de ségrégation ................................................................ 122 IV.A.1.(b) Calcul du coefficient de ségrégation...................................................................... 123 IV.A.2 La diffusion dans le polysilicium.................................................................................... 125 IV.A.2.(a) La diffusion des dopants le long d’un joint de grain ............................................. 125 IV.A.2.(b) Calcul des coefficients de diffusion........................................................................ 126 IV.A.3 Conductivité du polysilicium.......................................................................................... 130 IV.A.3.(a) La concentration active de dopants dans le polysilicium ...................................... 131 IV.A.3.(b) Le modèle des porteurs piégés ............................................................................... 132

IV.B. La redistribution des impuretés N+ dans le polysilicium..........................134 IV.B.1 Etude de la diffusion dans les conditions technologiques............................................... 134 IV.B.2 Etude de la diffusion dans le silicium cristallin par SIMS.............................................. 136 IV.B.2.(a) Procédure expérimentale ....................................................................................... 136 IV.B.2.(b) Résultats ................................................................................................................. 136 IV.B.2.(c) Discussion .............................................................................................................. 139 IV.B.3 Etude de la diffusion dans le polysilicium par SIMS...................................................... 139 IV.B.3.(a) Procédure expérimentale ....................................................................................... 140 IV.B.3.(b) La diffusion de l’arsenic et du phosphore dans le polysilicium............................. 140 IV.B.3.(c) Influence de la coimplantation ............................................................................... 146 IV.B.4 Etude de la redistribution des impuretés N+ par SAT .................................................... 151 IV.B.4.(a) Elaboration des échantillons ................................................................................. 151 IV.B.4.(b) Observation expérimentales................................................................................... 151 IV.B.4.(c) Etude de la ségrégation aux joints de grains ......................................................... 155 IV.B.5 Etude de la redistribution de l’arsenic par STEM EELS ................................................ 161 IV.B.5.(a) Elaboration des échantillons ................................................................................. 161 IV.B.5.(b) Résultats ................................................................................................................. 162 IV.B.5.(c) Etude de la ségrégation aux joints de grains ......................................................... 164 IV.B.5.(d) Comparaison entre STEM EELS et SAT ................................................................ 169 IV.B.6 Synthèse des résultats et discussion ................................................................................ 170 IV.B.6.(a) Synthèse des résultats............................................................................................. 170 IV.B.6.(b) Mécanismes de diffusion dans le polysilicium dopé N........................................... 171 IV.B.6.(c) Conclusion.............................................................................................................. 174

IV.C. La redistribution des impuretés P+ dans le polysilicium ..........................175 IV.C.1 Etude de la diffusion du bore dans le silicium cristallin ................................................. 175 IV.C.1.(a) Procédure expérimentale ....................................................................................... 175 IV.C.1.(b) Résultats................................................................................................................. 175 IV.C.2 Etude de la diffusion dans le polysilicium ...................................................................... 177 IV.C.2.(a) Procédure expérimentale ....................................................................................... 177 IV.C.2.(b) Résultats................................................................................................................. 178 IV.C.2.(b) Calcul de la diffusivité effective du bore ............................................................... 180 IV.C.3 Discussion ....................................................................................................................... 183 IV.C.3.(a) Mécanismes de diffusion du bore dans le polysilicium.......................................... 183 IV.C.3.(b) Conclusion ............................................................................................................. 185

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IV.D. Influence du recuit laser sur la résistivité du polysilicium .......................186 IV.D.1 Etude sans recuit Spike ................................................................................................... 188 IV.D.1.(a) Résistivité du monosilicium dopé N+ .................................................................... 188 IV.D.1.(b) Résistivité du polysilicium co-dopé N+ ................................................................. 190 IV.D.1.(c) Résistivité du polysilicium dopé P+....................................................................... 197 IV.D.1.(d) Discussion.............................................................................................................. 199 IV.D.2 Etude avec recuit Spike................................................................................................... 201 IV.D.1.(a) Résultats sur lots C45 nm ...................................................................................... 202 IV.D.2.(b) Résistivité du polysilicium dopé N+ ...................................................................... 203 IV.D.2.(c) Résistivité du polysilicium dopé P+....................................................................... 207 IV.D.2.(d) Discussion.............................................................................................................. 210 IV.E. Conclusion ......................................................................................................212 Conclusion générale.................................................................................................215 Bibliographie ............................................................................................................218 Annexe : Bibliographie personnelle .......................................................................230

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Table des symboles Variation d’entropie entre un site du grain et un site du joint de grain Silicium amorphe Absorptivité Largeur à mi-hauteur B du pic de diffraction Paramètre de maille du silicium Chaleur spécifique Concentration d’une espèce Concentration d’une espèce dans lesgrains depolysilicium Concentration d’une espèce dans lesjoints degrains Concentration d’une espèce dans grains et les joints de grains Silicium monocristallin Diffusivité effective d’une espèce Diffusivité d’une espèce dans les grains Diffusivité d’une espèce dans lesjoints degrains Diffusivité du silicium dans unjoint degrain Diffusivité intrinsèque d’une espèce dans le silicium monocristallin Pré facteur de la diffusivité Distancede deux plans réticulaires Champ électrique Energie d‘activation Chaleur de segregation Emissivité Permittivité d’un milieu Dose d’une espèce Flux de dopants migrant desjoints degrains vers lesgrains Champmagnétique Courant Densité de puissance pic Courant du transistor à l’étatOn Coefficient d’extinction Constante de Boltzmann Conductivité thermique Coefficient sans dimension caractéristique de la géométrie bidimensionnelle des pointes de la sonde de mesure de résistance carrée

A, A seg a-Si  B, B b C, C C C g C gb C tot c-Si D,, D eff D g D gb D S D Si D 0 d hkl E,   a E seg   F,  G, G H, H I, I I o I on K, k k k K

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L, L L d L g L gate Ȝ Ȝ M,   N, n n n N N Si P p-Si Q, q Q s  Q TE Q TE R, R R Rp Rs   ρ S, S    T, t T T T dep T ox  V, v V

Longueur d’absorption optique Longueur de diffusion thermique Taille moyenne de grain Longueurphysique de lagrille Energie surfacique de joint de grains Longueur d’onde Mobilité des porteurs Perméabilité d’un milieu Indice optique complexe Indice de refraction Densité de porteurs Quantité totale de dopantspar unité de volume Densité de sites dans le silicium Siliciumpolycristallin Charge Densité de sites de joints de grains Angle Flux du champ électrique absorbé Flux du champmagnétique absorbé Réflectivité Flux de dopants migrant des grains vers les joints de grains Photo courant Résistance par carré Résistivité Masse volumique Facteur de structure dupolysilicium Surface Constante de Planck Rayon du faisceau laser Conductivité d’un milieu Temps Température Transmitivité Epaisseur deplétée de lagrille Epaisseur physique du diélectrique de grille Temps d’interaction du recuit laser Vitesse de balayage du laser Tension

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V b V TH W, W gb X, x d Xj

Hauteur de barrière desjoints degrains Tension de seuil Densité de dopants dans les joints de grains Largeur de depletion Profondeur dejunction

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Table des abréviations Abréviation Développement Complementary MOS Chemical Vapour Deposition Electron Energy loss Spectroscopy Field Effect Transistor Focused Ion Beam Low Pressure Chemical Vapor Deposition Metal-Oxide-Semiconductor Effective Medium Theory End Of Range Equivalent Oxide Thickness PreAmorphisation Implant Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Rigorous Coupled-Wave Analysis Rapid Thermal Anneal Rapid Thermal Chemical Vapour Deposition Rapid Thermal Processing Sub-Atmospheric Chemical Vapour Deposition Short Channel Effects Source-Drain Scanning Electronic Microscope Secondary Ion Mass Spectroscopy

CAC CMOS CVD EELS FET FIB LPCVD MOS EMF EOR EOT PAI PECVD RCWA RTA RTCVD RTP SACVD SAT SCE SD SEM SIMS

SMT

SPER STI TE TM TED TEM XRD

Stress Memorization Technique

Solid Phase Epitaxy Regrowth Shallow Trenches Isolation Transient Enhanced Diffusion Transmission Electronic Microscope X-Ray diffraction

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Signification Couche absorbante de carbone Dépôt chimique en phase vapeur Spectroscopie par perte d’énergie des électrons Transistor à effet de champ Sonde ionique focalisée Procédé de dépôt basse pression Métal-oxyde-semiconducteur Théorie des milieux effectifs Défauts de fin de parcours Epaisseur effective d’oxyde de grille Procédé de dépôt assisté par plasma Méthode analytique de résolution des équations de Maxwell Recuit thermique rapide Procédé de dépôt thermique rapide Procédé thermique rapide Procédé de dépôt à pression sous- atmosphérique Sonde Atomique Tomographique Effets de canaux courts Microscopie électronique à balayage Spectroscopie de masse d’ions secondaires Technique de mémorisation de la contrainte Reconstruction par épitaxie en phase solide Tranchées profondes d’isolation Champ électrique transverse Champ magnétique transverse Diffusion accélérée et transitoire Microscopie électronique en transmission Diffraction des rayons X