Evolution cinétique des défauts {113} en cours de recuit thermique de silicium implanté : influence sur la diffusion des dopants

Kinetic evolution of {113} defects in implanted silicon during thermal annealing : influence on the diffusion of dopants

• Auteur / Autrice : Pascal Calvo
• Direction : Alain Claverie, Filadelfo Cristiano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, technologies et composants de l'électronique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions -- Implantation

Semiconducteurs -- Défauts

Semiconducteurs -- Jonctions

Bore

Diffusion (physique)

Mots clés libres

Semi-conducteurs

Défauts étendus

Implantation ionique

Interstitiels

Maturation d'Ostwald

Diffusion accélérée et transitoire

Défauts {113}

Résumé

Dans les structures MOS, la réalisation de jonctions ultraminces p+/n par implantation ionique de bore reste la voie privilégiée pour l'élaboration d'extensions source/drain d'une profondeur inférieure à 20 nm. Cependant, au cours du recuit d'activation, cette méthode s'accompagne de la formation de défauts étendus de type interstitiel (clusters, défauts {113} et boucles de dislocation) qui sont à l'origine de problèmes majeurs tels que la diffusion accélérée et transitoire (TED) des dopants et la dégradation des propriétés électriques des jonctions. Afin d'élaborer des stratégies permettant de limiter ces effets, il est nécessaire de comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent l'évolution thermique des défauts étendus, notamment dans le cas des défauts {113} pour lesquels les points de vue divergent. L'objectif de ce travail a été d'obtenir une base de données fiable qui, reposant sur une analyse statistique rigoureuse des défauts par Microscopie Electronique en Transmission (MET), est indispensable pour répondre à ces attentes. Cette étude doit également permettre la calibration des nouveaux simulateurs de la TED des dopants. Pour caractériser les défauts {113}, nous avons développé une nouvelle technique d'imagerie par MET permettant une amélioration des analyses statistiques. Nos études expérimentales montrent ainsi clairement qu'au cours du recuit ces défauts évoluent toujours suivant un mécanisme de croissance de type Ostwald ripening non conservatif. Suivant les cas étudiés, ces défauts finissent ainsi soit par se dissoudre rapidement soit par se transformer progressivement en boucles de dislocation. Tous nos résultats ont pu être parfaitement interprétés à partir des concepts physiques développés au cours de ces dernières années par notre équipe. Le modèle physique, auquel nous avons apporté quelques améliorations, est actuellement testé à partir de nos résultats et a été implémenté dans un simulateur commercial.

The fabrication of p+/n ultra-shallow junctions by ion implantation of boron remains the most promising way to realise MOS source/drain extensions at depths typically less than 20 nm. Nevertheless, during activation annealing, this process is accompanied by the formation of different types of extended defects (interstitial clusters, {113} defects and dislocation loops) which are responsible for major problems such as transient enhanced diffusion (TED) of dopants or degradation of electrical junction properties. In order to define strategies to limit these effects, it is necessary to understand the physical mechanisms governing the thermal evolution of extended defects, especially in the case of {113} defects which is still a matter of controversy. The aim of this work has therefore been to build-up a reliable data base from the accurate and statistical analysis of defects by Transmission Electron Microscopy (TEM). This work has also been mandatory for the optimisation of the new predictive models for TED of dopants. To characterize the {113} 048904570, we have developed a new set of imaging conditions by TEM allowing an improvement of statistical analysis. Our experimental results clearly show that these defects always undergo a non conservative Ostwald ripening process during annealing. Depending on the initial conditions, we found that {113} defects can either dissolve rapidly or progressively transform into dislocation loops. All our results have been discussed and can be well explained in the framework of physical concepts which have been developed by our team during the last decade. The physical model for defect evolution that we have improved is now tested using our results and has been implemented into a commercial process simulator.