Caractérisation après implantation ionique

A la suite d’une brève description de la procédure de fabrication de nos échantillons, nous allons caractériser à l’aide du MET la structure de l’échantillon après implantation ionique. On observe sur l’image MET (Figure 3) que l’implantation ionique de bore à 10 keV avec une dose de 5x10¹⁵ at/cm² a amorphisé le substrat de silicium sur une profondeur moyenne d’environ 5 nm.

Figure 3 : Image MET en champ clair de l’échantillon m-Si(B)_TA, en axe de zone [110]Si¹.

L’interface Si amorphisé/Si(001) est rugueuse (Figure 3). L’épaisseur de la couche amorphe varie entre 4 et 5,5 nm. Une large zone endommagée d’une épaisseur de 54 nm apparaît sous la zone amorphe, là où la concentration en bore est la plus forte. Selon cette image MET, le Rp est de 27 nm, sachant que le Rp attendu (par SRIM et Synopsis) est de 25 nm. A l’ambiante, l’oxyde amorphe se forme sur la surface de notre échantillon. Sur l’image MET, cet oxyde amorphe est observé à l’interface colle/zone amorphisée sur environ 2 nm d’épaisseur. Contrairement à la zone amorphisée, la couche de SiO₂ ne semble pas rugueuse sur l’image MET.

Les images MET en champ sombre (Figure 4.a) et en champ sombre à faisceau faible -WBDF (Figure 4.b), mettent en évidence la zone défectueuse crée par l’implantation ionique du bore. Ici, la zone amorphisée de 5 nm n’est pas visible, car elle apparaît en contraste noir dans les conditions de champ sombre.

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Figure 4 : a) Image en champ sombre de l’échantillon m-Si(B)_TA et b) Image en WBDF(g, 2g) avec g=400. Ces images ont été prises en axe de zone [110]_Si²_.

La Figure 4.b montre la présence des zones brillantes. Ces zones sont soit des défauts crées après implantation ionique (e.g. boucles de dislocations), soit des zones cristallines très distordues. Nous privilégions la deuxième hypothèse car ces zones n’ont pas de direction précise, ce qui nous laisse penser à des zones endommagées par l’implantation du bore, mais qui restent toujours cristallines.

Nous allons nous intéresser maintenant à la répartition du bore après implantation, et ceci à température ambiante. Pour cela, nous avons utilisé deux techniques expérimentales : le SIMS et la LaWaTAP. Le SIMS analyse directement les ions produits après érosion et nous donne un nombre de coups par seconde en fonction du temps. Si la vitesse de pulvérisation est constante, il est possible de transformer l’échelle de temps en échelle de profondeurs. Pour cela, il est nécessaire de calibrer l’instrument en utilisant des échantillons références, bien connus. Dans nos travaux, la calibration en profondeur a été réalisée avec un échantillon référence de silicium qui contient une concentration constante de bore (1x10¹⁹ at/cm³). Les conditions d’analyse sont : un angle d’impact de 45° et une énergie du faisceau primaire d’O₂⁺ de 3 keV. Il est important de préciser que contrairement aux analyses LaWaTAP, l’erreur SIMS n’est pas due principalement à une erreur statistique, mais plutôt à une erreur absolue sur l’ensemble du spectre. Cette erreur absolue est assez difficile à quantifier car elle dépend de la méthode utilisée pour calibrer les profils SIMS. Par exemple, si on utilise la méthode de la dose, l’erreur peut porter sur l’intégration, tandis que si on utilise la méthode des RSF, l’erreur absolue peut dépendre des conditions d’analyse. Néanmoins, une erreur absolue d’au moins 10% peut être considérée pour nos profils SIMS.

Contrairement au SIMS, la LaWaTAP permet de visualiser en trois dimensions la distribution du bore dans le silicium. La Figure 5 montre le volume reconstruit de l’analyse réalisée à l’aide de la LaWaTAP. Cette reconstruction tridimensionnelle présente la distribution du bore et de l’oxygène dans le volume analysé (41x41x150 nm³). Une couche fine d’oxyde natif de silicium (SiO2) de 2 nm d’épaisseur est révélée à la surface de l’échantillon. C’est bien connu dans la littérature que le silicium s’oxyde à l’ambiante, pour former l’oxyde natif SiO2 (5). La présence de cet oxyde nous aidera à identifier la surface de notre échantillon lors des analyses LaWaTAP.

Figure 5 : La reconstruction 3D des atomes de bore (vert) et oxygène (rose) dans un volume de 41x41x150 nm³ pour l’échantillon m-Si(B)_TA. Un oxyde natif de silicium (SiO2) de 2 nm d’épaisseur est observé à la surface de l’échantillon.

Comme attendu, la cartographie du bore nous indique clairement un pic de concentration en atomes de bore, à une distance proche de la surface (à environ 27 nm). Cette concentration diminue lentement avec la profondeur, pour des profondeurs supérieures à 27 nm (le pic d'implantation). De plus, d’après la Figure 5, nous n’observons pas clairement la présence d’amas de bore après implantation ionique.

Ensuite, nous avons comparé le profil de concentration en B¹¹ (en échelle logarithmique) tiré de l'image 3D au profil SIMS (voir Figure 6). Le profil LaWaTAP a été obtenu en déplacent une tranche mince (1 nm d’épaisseur et 15 nm de largeur) parallèlement à l'axe z (la profondeur). Pour réaliser ce profil nous avons sélectionné une région où les ions de Ga⁺ sont absents, afin de minimiser les effets de l’irradiation aux ions de Ga⁺. Le bruit de fond est d’environ 1,8x10¹⁹ at/cm³ et il a été calculé sur le spectre de masse dans une zone proche du pic de bore à 11 u.m.a. Ce profil (Figure 6) est corrigé : on a soustrait au profil brut de la sonde le bruit de fond.

On remarque un bon accord entre les deux profils, SIMS et LaWaTAP. Dans les deux cas, la concentration maximale en bore (7,6x10²⁰ at/cm³ ou 1,52%) est détectée à une profondeur de 27 nm.

Figure 6 : Profil de concentration en B¹¹ après implantation ionique obtenu par LaWaTAP et SIMS. Le profil de sonde a été obtenu en déplacent une petite boîte de 15x15x1 nm³ selon l’axe z du volume analysé.

Cependant, de légères différences sont apparentes. Le profil APT indique une concentration en bore à la surface de 3x10²⁰ at/cm³, tandis que le profil SIMS montre une concentration en bore de 4,2x10²⁰ at/cm³. Cette différence vient probablement de la présence

de l'oxyde natif à la surface de l’échantillon. Il est bien connu dans la littérature, que la présence d’une couche fine d’oxyde à la surface de l’échantillon peut avoir une influence sur les mesures SIMS (c’est l’« effet de matrice » (6)). D’autre part, cette différence pourrait aussi être due au transitoire en début d’analyse SIMS. Ces deux effets sont englobés dans ce qu’on appelle l’« effet de surface ».

Une autre légère différence entre les deux profils est observée à une profondeur près de 75 nm. Le profil de sonde donne une concentration en bore de 7x10¹⁹ at/cm³, tandis que le profil de SIMS donne une concentration en bore de 4x10¹⁹ at/cm³ (Figure 6). Pour l’instant, nous ne connaissons pas l’origine de cette différence. Cependant, il faut souligner que le volume analysée par le SIMS est environt 10⁶ fois supérieur à celui analysé par la LaWaTAP. Ainsi, le profil SIMS est un profil moyenné où les fluctuations statistiques sont très faibles, tandis que celui de sonde est très local avec des fortes fluctuations statistiques. Par contre, les deux profils sont cohérents au-delà de 90 nm, où la concentration en bore est autour de 10¹⁹ at/cm³.

En intégrant les deux profils de concentration nous obtenons une dose de 3,5x10¹⁵ at/cm², proche de la dose nominale (5x10¹⁵ at/cm²).