Etude des défauts induits par recuit laser excimère dans le silicium

Study of defects induced by excimer laser annealing in silicon

• Auteur / Autrice : Richard Monflier
• Direction : Filadelfo Cristiano, Elena Bedel-Pereira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano systèmes
• Date : Soutenance le 19/03/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à excimère

Microélectronique

Silicium

Mots clés libres

Recuit laser

Défauts

Photoluminescence

Diodes

Melt laser annealing

Defects

Photoluminescence

Diodes

Résumé

La micro-électronique est un domaine exigeant, en constante évolution, motivé par le secteur applicatif et les besoins des utilisateurs. La réalisation de jonctions ultra-minces et fortement dopées est un enjeu majeur pour la poursuite de son évolution, et notamment pour son composant de base, le transistor MOS. Dans ce contexte, de nouvelles techniques de dopage permettant d'obtenir des jonctions ultra-minces ont été développées. Le recuit par laser nanoseconde (LTA) en mode " melt " est une de ces techniques. En effet, il permet une très forte activation locale (en surface et en profondeur) et une distribution uniforme des dopants. Ce procédé utilisé en laboratoire depuis les années 1980 dans la fabrication des cellules solaires offre également de nouvelles possibilités technologiques comme le développement d'architectures 3D. Néanmoins, des dégradations électriques de paramètres sensibles aux défauts tels que la mobilité et le courant inverse d'un transistor MOS ou la durée de vie des porteurs dans le cas de cellule photovoltaïque ont été observées. Dans ce contexte, cette thèse propose une étude rigoureuse des défauts générés par recuit laser en deux volets. Le premier volet traite de l'impact du recuit laser sur les propriétés physiques du silicium et repose essentiellement sur des caractérisations approfondies par spectroscopie infrarouge et photoluminescence d'échantillons silicium non intentionnellement dopés soumis à diverses conditions de recuits par impulsions laser à excimère. L'étude met en évidence la formation de défauts suite au procédé de recuit laser. Leur identification a permis d'affirmer l'introduction d'impuretés d'oxygène et de carbone durant le recuit. A partir de cette identification, le suivi en profondeur par spectroscopie de masse à ionisation secondaire de chacune des impuretés a été effectué révélant une augmentation de la concentration et de la diffusion des impuretés avec l'augmentation de la densité d'énergie du laser et/ou du nombre de tirs. A haute énergie laser, les profils de concentration d'oxygène montrent la présence d'un pic immobile (en concordance avec la solubilité limite de l'oxygène dans le silicium liquide) associé à des cavités de silicium observées par microscopie électronique en transmission (MET). L'origine de ces impuretés est discutée ; la caractérisation de véhicules tests dédiés a permis de définir l'oxyde natif comme étant leurs sources. Le second volet permet de répondre au second objectif qui consiste à évaluer l'impact du recuit laser sur les propriétés électriques de composants à base de silicium et s'appuie sur la caractérisation de diodes Schottky et PN préalablement fabriquées. Les résultats obtenus constituent un moyen supplémentaire pour, non seulement localiser les défauts électriquement actifs, mais également les identifier. Les caractéristiques courant-tension des diodes montrent systématiquement l'impact du recuit sur le courant de fuite, paramètre sensible aux défauts. Plus spécifiquement, le courant de fuite se dégrade avec l'augmentation de la densité d'énergie. Ces mesures électriques ont permis également de mettre en évidence la présence de défauts localisés à l'interface liquide/solide, défauts ayant un fort impact sur les propriétés électriques des diodes. Les résultats sont en accord avec la littérature qui suggère la présence de lacunes à cette interface. Pour aller plus loin, des mesures de DLTS ont été effectuées et dévoilent, selon la localisation (zone fondue ou interface), des signatures singulières laissant présager plusieurs types de défauts.

The micro-electronic domain is constantly evolving in response to the continuous emerging of new application fields as well as new users' needs. The fabrication of heavily-doped regions for ultra-shallow junctions is a major issue to ensure its evolution. In this context, new doping techniques allowing to obtain ultra-shallow junctions have been developed. Nanosecond laser annealing in "melt mode" is one of these techniques. Indeed, it allows a very strong local activation (on surface and in depth) and a uniform distribution of doping. This process used in laboratory since the 1980s for the realization of solar cells offers also new technological possibilities such as the development of 3D architectures. However, degradation of several parameters sensitive to laser-induced defects were observed, such as carrier mobility and reverse current in MOS transistors or carrier lifetime in the case of photovoltaic cells. In this context, this thesis proposes a rigorous study of the defects generated by laser annealing in two parts. The first part analyses the impact of the laser annealing on the physical properties, thanks to infrared and photoluminescence spectroscopy characterizations of bare silicon samples submitted to different annealing conditions. The study highlights the formation of defects following the laser process. Their identification allowed to confirm the introduction of oxygen and carbon impurities during the annealing. From this identification, the impurities were followed in depth by secondary ion mass spectrometry allowing to reveal an increase of their concentration and diffusivity when increasing the laser energy density and/or the number of laser pulses. At high energy, the oxygen concentration profiles show the presence of an immobile peak (in agreement with the known solubility limit value in liquid silicon) which are related to silicon cavities observed by transmission electron microscopy. The origin of these impurities is also discussed and the characterization of dedicated test vehicles allowed to identify the native oxide as the source of the impurities. The objective of second part is to evaluate the impact of laser annealing on the electrical properties of silicon devices thanks to the characterization of PN and Schottky diodes. The obtained results provide an additional mean to localize the electrically active defects but also to identify them. The current-voltage characteristics of diodes systematically show an impact of the annealing on the leakage current, which is a strongly defect-sensitive parameter. More specifically, the leakage current deteriorates with increasing the laser energy. These measurements have allowed also to highlight the presence of defects at the liquid/solid interface, defects which also have a strong impact on diodes electric properties. The results are in agreement with the literature which suggests the presence of vacancies at the interface. To go further on this study, DLTS measurements have been carried out and reveal, depending on their localization (melt zone or liquid/solid interface), singular signatures suggesting several types of defects.