Modélisation physique des procédés de fabrication des jonctions FDSOI pour le nœud 10 nm et en-deçà

par Anthony Payet

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Patrice Gergaud et de Ignacio Martin-Bragado.

Soutenue le 18-05-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Claverie.

Le jury était composé de Frédéric Lançon.

Les rapporteurs étaient Evelyne Lampin, Lourdes M. Pelaz.


  • Résumé

    La fabrication de jonctions implique de nombreux défis technologiques à mesure que les dispositifs se rétrécissent. Afin de mitiger les problèmes liés à la diminution agressive des dimensions des transistors, des substrats SOI ainsi que du silicium-germanium (SiGe) contraint ont été introduits dans les nœuds avancés. Ces nœuds nécessitent toutefois une jonction abrupte fortement activée, qui est réalisable avec la recristallisation en phase solide (SPER) et un faible budget thermique (500°C-5h).Dans ce manuscrit, la SPER du silicium, germanium et d’alliages SiGe est étudiée avec des méthodes atomistiques telles que le Monte Carlo Cinétique (KMC) et la dynamique moléculaire (MD). Le modèle KMC de SPER se base sur une équation d'Arrhenius et distingue des configurations locales à l'interface amorphe-cristal pour simuler la dépendance de la vitesse de SPER par rapport à l’orientation de substrat. Les simulations en dynamique moléculaire montrent que la vitesse de SPER sur les orientations de {111} est fortement dépendante de la taille de la cellule ainsi que de la température et du temps de recuit.Le modèle KMC est de plus étendu afin de considérer l'effet du bore pendant la SPER. Le bore peut en effet créer des complexes à la fois dans l’amorphe et le cristal et augmenter la vitesse de SPER. Cette augmentation est toutefois saturée lorsque le bore atteint de trop fortes concentrations. Un modèle de réaction de défauts traitant les complexes a été adjoint au modèle de SPER afin de correctement simuler la vitesse de SPER pour toutes les concentrations de bore. Dans les alliages (100)SiGe relaxés, l'énergie d'activation de la SPER possède un maximum à 40% de concentration de Ge.Le modèle KMC doit introduire en plus des liaisons Si-Si et Ge-Ge, la liaison Si-Ge pour simuler correctement la recristallisation des alliages. Le modèle est également utilisé pour émettre des hypothèses sur la vitesse de SPER sur d'autres orientations. Les simulations en dynamique moléculaire confirment également le comportement de l’énergie d'activation dans les alliages SiGe.Des expériences de diffractions par rayons-X suivant en temps réel la recristallisation d’alliages de SiGe contraints ont été réalisées avec un rayonnement synchrotron. La contrainte est perdue dans les alliages riches en Ge et la température de recuit semble avoir un rôle sur la relaxation. La rugosité de l'interface pourrait être le lien entre la relaxation de la contrainte et la température, du fait que des simulations en dynamique moléculaires révèlent l’influence de la température de recuit sur la rugosité de l'interface et que les défauts relaxant la contrainte ont été associés à une interface rugueuse.En résumé, le SPER et ses diverses dépendances ont été étudiées dans ce manuscrit par des approches atomistiques. Les conclusions tirées améliorent la compréhension actuelle de la SPER, permettant ainsi une meilleure optimisation de la fabrication des jonctions.

  • Titre traduit

    Physical modelling of junction fabrication processes on FDSOI substrate for the 10 nm node and below


  • Résumé

    The junction fabrication involve numerous technological challenges as the devices shrink. To alleviate issues brought by the aggressive device scaling, Fully Depleted SOI substrates as well as strained silicon-germanium (SiGe) have been introduced in advanced nodes. They however require a highly-activated abrupt junction achievable with solid phase epitaxial regrowth (SPER) and a low thermal budget (500$^circ$C-5h).In this manuscript, the SPER of silicon, germanium and SiGe alloys is investigated using Kinetic Monte Carlo (KMC) and Molecular Dynamics (MD) methods. The KMC model of SPER uses an Arrhenius equation and distinguishes local configurations at the amorphous-crystalline interface to simulate the SPER rate dependence on substrate orientations. In MD simulations, the SPER rate on {111} orientations is found to heavily depends on the cell size, anneal temperature and time.The KMC model is furthermore refined to consider the effect of boron during SPER. Boron is known to create complexes in both amorphous and crystalline phases and increase the SPER rate. This increase however saturates at high boron concentrations. A defect reaction model handling the complexes has been conjoined to the SPER model to correctly simulate the SPER rate behaviour for all boron concentrations.In relaxed (100)SiGe alloys, the SPER activation energy possesses a maximum at 40% of Ge concentration. The KMC model introduces in addition to Si-Si and Ge-Ge bonds, the Si-Ge bond to correctly simulate alloy recrystallisation. The model is also used to hypothesise the rates on other orientations. MD simulations also confirm the activation energy behaviour in SiGe alloys.Finally, X-ray diffractions following in real-time the recrystallisation of strained SiGe alloys are performed with synchrotron radiations. The strain is lost in Ge-rich alloys. The strain relaxation can be related to the anneal temperature. The interface roughness could be the link between the strain relaxation and the temperature, as MD simulations exhibit an influence of the anneal temperature on the interface roughness and strain relaxing defects are associated to a rough interface.In summary, the SPER and its several dependencies are investigated in this manuscript with atomistic approaches. The drawn conclusions increase the current understanding of SPER, allowing a better optimisation of junction fabrication.


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