Cas des autres dopants

Nous nous sommes concentrés sur le cas particulier du bore, car il constitue actuellement le dopant le plus problématique et sur lequel le plus grand nombre d‟études a été réalisé. Nous allons aborder le cas de la formation d‟agglomérat mixtes de dopants et de défauts ponctuels impliquant le phosphore, l‟arsenic ou l‟antimoine. Nous ferons une analogie avec le cas particulier du bore, les équations alors générées étant très similaires. Nous commencerons avec le cas de l‟arsenic, où la forte proportion de dopant non activé est attribuée à la formation d‟amas mixtes d‟arsenic et de lacunes. Le phosphore semble former des agglomérats mixtes de phosphore et d‟interstitiels appelés par analogie avec le cas du bore, des PICs.

IV.3.1 Arsenic

Malgré les propriétés intrinsèques particulièrement intéressantes de l‟arsenic en termes de diffusion et de niveau de solubilité, son utilisation nécessite des précautions particulières pour optimiser son activation et limiter à la fois son exo-diffusion et sa ségrégation lors de l‟étape de recuit. En effet, il a été démontré que l‟arsenic est susceptible de se désactiver lors de la rampe de descente en température du procédé de recuit. De plus, la formation d‟un pic de ségrégation des atomes d‟arsenic à l‟interface SiO2/Si peut conduire à une exo-diffusion significative et constitue une difficulté supplémentaire pour la réalisation de jonctions fortement activées.

La TED de l‟arsenic a pu être mise en évidence dans des conditions très particulières [90, 91]. La Figure 40 montre comment ce phénomène peut se traduire par le déplacement du profil de l'arsenic durant les premiers stades de recuit [91]. Ce phénomène n‟a pu être mis en évidence qu‟à basse température (autour de 700°C), il est négligeable dans les conditions de recuit utilisées pour la formation des jonctions fines.

Figure 40 : Exemple de diffusion mettant en évidence la TED de l’arsenic. Profils SIMS de la concentration d’arsenic pour une implantation à 35 keV et recuit à 750°C pendant. (d’après [91])

Des études expérimentales ont longtemps suggéré que la TED de l‟arsenic peut dépendre des mécanismes lacunaire ou interstitiel [15]. En injectant des quantités identiques de lacunes et d‟interstitiels dans un substrat de silicium dopé arsenic, Ural et al. ont montré que 60% de la diffusion de l‟arsenic est due à l‟excès de lacunes, et que 40% est due à l‟excès d‟interstitiels [92]. Cependant, de récentes études portant sur la formation des jonctions ultra-fines, ont montré que la TED de l‟arsenic est contrôlée par les interstitiels [91, 92, 93, 94]. Comme nous pouvons le voir, l‟ensemble des résultats étudiés doit être examiné avec une très grande précaution car des incohérences peuvent être mises en évidence.

Calcul théorique

Après implantation d‟une forte dose d‟arsenic (~1014

at.cm-2) dans le silicium sans toutefois amorphiser le substrat, la majeure partie des atomes d‟arsenic est contenue dans une zone riche en lacunes. Dès les premiers instants de la montée en température, les atomes d‟arsenic vont donc préférentiellement réagir avec les lacunes les plus proches pour former des précipités AsnVm inactifs (avec n>2m) : As3V, As4V, As6V2... De nombreux calculs théoriques ont permis de montrer que l‟énergie de formation de tels précipités est négative, leur formation est donc favorisée quel que soit le niveau de dopage et la température considérés [95, 96]. Néanmoins la structure exacte de ces précipités et leur mode de formation ne sont pas encore connus. Les deux principaux scénarios envisagés seront décrits successivement. D‟une part, de nombreuses publications considèrent que l‟entité As2V est aussi mobile et participe activement à la diffusion de l‟arsenic par un mécanisme similaire à celui mis en jeu pour l‟entité AsV [96, 97].

Lors de leur migration, les entités mobiles AsV et As2V vont pouvoir former les précipités inactifs et immobiles du type AsnVm par coalescence. Ce phénomène est d‟autant plus important que la concentration en arsenic soit élevée.

D‟autre part, la migration de l‟arsenic est aussi assistée par des interstitiels (fI autour de 0.45). Ainsi des entités mobiles AsI sont capables de migrer au sein de la matrice silicium pour former des précipités du type As4I actifs dans lequel un atome de silicium est situé en site substitutionnel au centre d‟un tétraèdre d‟atomes d‟arsenic (cf. Figure 41.a) [98, 99]. Lors de la désactivation, l‟atome de silicium est éjecté par une des faces du tétraèdre (cf. Figure 41.a), un cluster inactif et thermodynamiquement plus stable de type As4V est alors formé. Des

travaux utilisant des marqueurs de bore ont permis de mettre en évidence une augmentation de la concentration d‟interstitiels de silicium lors de la désactivation de l‟arsenic [100, 101] (voir Figure 41.b).

b) a)

Figure 41 : Mécanisme de désactivation de l’arsenic d’après [98, 99].

Globalement, les deux scénarios précédemment décrits et largement traités dans la bibliographie sont en accords quant à une désactivation de l‟arsenic par formation de clusters arsenic-lacunes.

IV.3.2 Phosphore

De la même façon que l‟arsenic, le phosphore implanté à forte dose peut ne pas être activé [63]. Le phosphore forme des agglomérats préférentiellement avec des lacunes de type PnV [102, 103]. Cependant, certains auteurs [104, 105] ont démontre l‟existence de complexes phosphore–interstitiels, parfois appelés PICs (Phosphorous Interstitials Clusters) par analogie avec les BICs. Keys et al. [105, 106] ont développé un modèle utilisant une configuration moyenne PmmoyInmoy. Leurs calibrations les amènent à considérer mmoy = 3 et nmoy = 2. Plus récemment, Sahli et al. [107] ont calculé les énergies de dissociation des différents amas PnIm (phosphore-interstitiels) et PnVm (phosphore-lacunes) en utilisant des calculs ab-initio (Figure 42). L‟énergie de dissociation obtenue inclut à la fois l‟énergie de liaison et l‟énergie de migration de l‟espèce émise. Leur modèle prenant en compte plusieurs espèces de défauts (V, I, P, PV, PI, PI2, P2, P2V, P2I, P3, P3V, P3I et P4V) leur a permis de simuler le profil de diffusion de phosphore implanté dans le silicium dans plusieurs conditions de procédé.

I - 3.453 No defect - - V - 3.553 PI2 -2.583 4.323 PI -0.852 2.601 P - - PV -1.207 2.346 P2I -2.037 1.416 P2 0.066 0.066 P2V -2.488 1.064 P3I -2.034 1.419 P3 0.127 0.127 P3V -3.328 0.225 P4V -4.674 -1.121 I - 3.453 No defect - - V - 3.553 PI2 -2.583 4.323 PI -0.852 2.601 P - - PV -1.207 2.346 P2I -2.037 1.416 P2 0.066 0.066 P2V -2.488 1.064 P3I -2.034 1.419 P3 0.127 0.127 P3V -3.328 0.225 P4V -4.674 -1.121

Figure 42 : Valeurs des énergies de formation issues de calculs théoriques de Sahli et al. [107].

IV.3.3 Antimoine

Le cas de l‟antimoine est comparable à celui de l‟arsenic. Gaiduk et al. [108] montrent que l‟antimoine peut, dans certaines conditions, former des agglomérats de type Sb2V. Cependant, il existe, à notre connaissance, très peu d‟informations relatives à ces agglomérats.

V L’INTERFACE SI/SIO2

Dans les technologies émergeantes, les dispositifs étant de plus en plus proches des interfaces, il est primordial de modéliser précisément les mécanismes physiques liés aux interfaces semi- conducteur/isolants. En pratique, ces interfaces jouent un rôle dans la diffusion, de plus en plus prépondérant au fur et à mesure que les jonctions sont plus fines.

En premier lieu, il convient de remarquer que le silicium ne présente jamais une surface pure, directement en contact avec l‟atmosphère ambiante. Il se forme toujours une couche d‟oxyde natif à sa surface, d‟environ 1 à 2 nm d‟épaisseur. Nous allons donc nous intéresser dans cette partie aux différents phénomènes ayant lieu à l‟interface entre le silicium et son oxyde, la silice (SiO2).

Nous allons tout d‟abord nous pencher sur la façon dont les dopants interagissent avec cette interface. On distingue deux phénomènes, la ségrégation et l‟exo-diffusion. Nous examinerons ensuite les modèles de la littérature pour décrire la distribution des dopants au voisinage des interfaces Si/SiO2. Ces modèles étant les mêmes pour tous les dopants, nous nous concentrerons sur le cas particulier de l‟Arsenic, car il constitue actuellement le dopant le plus problématique et sur lequel le plus grand nombre d‟études a été réalisé.