Découplage de la siliciuration des NFs du frittage des jonctions NF-NF

Comme cela a pu être discuté dans le premier chapitre, des petits diamètres de NFs sont nécessaires afin

d’obtenir des biocapteurs avec une sensibilité élevée (Noor and Krull, 2014). Par conséquent, après

optimisation des paramètres de croissance, des NFs avec des diamètres fins, environ 40 𝑛𝑚, ont été

synthétisés par VLS. Néanmoins, pour des diamètres aussi faibles, nous avons été confrontés à une forte

dégradation voire à une perte totale de contact électrique lors de l’utilisation de notre première version

du procédé de recuit qui impliquait un retrait de l’oxyde natif avant le recuit (Ternon et al., 2015). Un tel

protocole avait été choisi car la siliciuration se déroulait alors simultanément au frittage des jonctions

NF-NF grâce au retrait de l’oxyde natif des NF-NFs précédant le recuit à 400°𝐶 sous azote. Après désoxydation et

traitement thermique, les observations au MEB révèlent que les NFs présentent fréquemment une rupture

à l’interface entre le contact et les NFs comme l’illustre la Figure II-32(a). Cette image montre notamment

que la rupture d’un des NFs s’étend sur plus de 100 𝑛𝑚 ce qui explique donc la forte dégradation des

caractéristiques électriques des dispositifs.

80

Figure II-32 : (a) Image MEB de deux ruptures de NFs après désoxydation puis recuit à 400°𝐶 sous azote pendant

30 𝑠. (b.1) Image TEM et (b.2) avec une plus grande résolution d’une rupture après siliciuration d’un NF de

silicium avec du platine à 500°𝐶 pendant 2 𝑚𝑖𝑛 (Dellas et al., 2012).

De telles ruptures de NFs de silicium ont été étudiées dans la littérature par Dellas et al (Dellas et al.,

2012) lors de la siliciuration des NFs avec du platine. D’après leurs observations par TEM, présentées en

Figure II-32(b.1) et (b.2), cette rupture est intervenue lors du changement de type de siliciures durant le

recuit. En effet, pour les siliciures de Pt, l’espèce de diffusion dominante Pt ou Si dépend de la phase

formée. Ainsi, après formation de la phase Pt2Si, l’apparition de la phase PtSi implique que le Si devient

l’espèce de diffusion dominante. Ceci provoque par l’effet Kirkendall (décrit précédemment en II.3.2.4.1

page 65), l’apparition de lacunes puis de vides dans le NF. La poursuite de cette réaction peut alors

entrainer la rupture du NF au niveau du contact électrique. Cependant, dans notre cas, le nickel est

reconnu pour être l’espèce de diffusion dominante pour les siliciures Ni2Si et NiSi (Ottaviani, 1979) et ne

semble donc pas expliquer une telle diffusion du silicium. Des analyses plus approfondies des images MEB

montrent que, outre la rupture de certains NFs, une importante quantité de NFs présentent une

morphologie intermédiaire avec un amincissement du diamètre au niveau du contact électrique (Figure

II-33(c)). Une étude de l’amincissement des NFs au niveau du contact électrique en fonction de leur diamètre

initial (mesuré à quelques centaines de nanomètre du contact) a donc été menée et est illustrée en Figure

II-33(a).

Sur la Figure II-33(a), nous pouvons identifier trois zones distinctes :

① Rupture des NFs : Pour des diamètres de NFs inférieurs à environ 30 𝑛𝑚, les NFs sont quasi

systématiquement coupés au niveau du contact électrique (Figure II-33(b)).

② Forte réduction du diamètre : Dans cette zone d’environ 30 à 90 𝑛𝑚, les NFs présentent une

importante réduction du diamètre par rapport à leur diamètre initial globalement entre 8 et 26% (Figure

II-33(c)) ce qui correspond à une réduction du diamètre comprise entre 3 et 10 𝑛𝑚, comme cela est illustré

sur l’insert de la Figure II-33(a).

③ Faible amincissement : Pour un diamètre supérieur à 150 𝑛𝑚, la réduction du diamètre

81

Figure II-33 : (a) Pourcentage de réduction du diamètre des NFs et réduction du diamètre des NFs en insert au

niveau du contact électrique en fonction de leur diamètre initial après désoxydation puis recuit à 400°C sous

azote. Les indications (b), (c) et (d) sur le graphique réfèrent aux images MEB représentant (b) des ruptures de

NFs avec des diamètres inférieurs à 30 nm, (c) un NF fortement réduit avec un diamètre de 36 nm et (d) des NFs

épais (220 et 255 𝑛𝑚), peu réduits mais présentant une rugosité visible au niveau du contact. 𝐽_𝑁𝑖𝑆 et 𝐽_𝑆𝑖𝑆 font

références à la diffusion de surface du nickel et du silicium, respectivement.

Une telle corrélation entre l’amincissement et le diamètre initial des NFs combinée à la géométrie des NFs

amincis (Figure II-33(c)) suggère qu’un mécanisme de diffusion de surface est à l’origine d’un tel

phénomène. La diffusion de surface du silicium est en effet aussi le mécanisme prépondérant qui

intervient lors du frittage des jonctions NFs-NFs (Ternon et al., 2015). Ainsi, en l’absence de l’oxyde natif

lors du recuit, deux mécanismes de diffusion de surface, simultanés et de directions opposées, sont en

compétition : la diffusion du Ni en surface du siliciure vers le NF et à l’inverse la diffusion du Si en surface

du NF vers le contact. A ces deux mécanismes vient s’ajouter la diffusion de lacunes formées dans le NF

après diffusion du silicium. De l’association de ces mécanismes résulte la formation d’un siliciure au

voisinage du contact, l’amincissement du NF, et la formation de vides au sein de ce dernier et jusqu’à la

rupture des NFs de plus petits diamètres. La comparaison des longueurs de diffusion de la Figure II-33(c)

montre que, malgré la diffusion du nickel visible sur quelques dizaines de nanomètre (50 𝑛𝑚), la diffusion

du silicium reste plus active que celle du nickel en raison de l’amincissement du NF visible sur 180 𝑛𝑚.

Ainsi, ce phénomène, qui devait déjà être présent mais non critique lors des travaux de thèse de Pauline

Serre (Serre, 2014) devient ici problématique car nous travaillons avec des NFs de très petits diamètres et

a dû être inhibé. En nous appuyant sur les travaux de Jean-Marie Lebrun (Lebrun, 2012), où il est

clairement démontré que la présence de SiO2 en surface du Si diminue drastiquement la diffusion du Si en

(a)

0 50 100 150 200 250 300

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 Rédu ction du diamè tre (n m) Diamètre initial (nm)







(d)

(c)

Diamè

tr

e rédu

it

(%)

Diamètre initial (nm)

(b)

(b)

500 nm

Rupture des NFs

30 nm

27 nm

(c)

100 nm

36 nm

(d)

500 nm

255 nm

220 nm

𝑱_𝑺𝒊^𝒔

62 nm

𝑱_𝑺𝒊^𝒔

64 nm

82

surface, nous avons choisi de réaliser la siliciuration sans désoxydation préalable de la surface. Dans ce

cas, aucun NF ne présente de rupture au niveau du contact électrique (procédé décrit précédent dans la

partie II.3.2.4.3 page 68). La coquille de SiO2 entourant les NFs inhibe en effet la mobilité du silicium en

surface et permet au nickel de diffuser à l’interface siliciure/SiO2 en tant qu’espèce de diffusion dominante.

En conclusion, l’absence de dioxyde de silicium autour des NFs joue un rôle primordial dans le frittage des

jonctions NFs-NFs alors que, pour des NFs de faibles diamètres, inférieurs à environ 50 𝑛𝑚, sa présence

est indispensable pour leur bonne siliciuration avec du nickel. Par conséquent, il est nécessaire de

découpler le frittage de la siliciuration pour de tels diamètres de NFs, adaptation que nous avons faite pour

la filière d’intégration présentée précédemment.

Dans le document Conception, étude et modélisation d’une nouvelle génération de transistors à nanofils de silicium pour applications biocapteurs (Page 94-97)