Chapitre IV : Modélisation des courants en tenant compte des défauts de
II. Défauts associés aux procédés de gravures
Il existe deux types de gravure : les gravures chimiques et les gravures physiques.
La principale technique de gravure chimique est la technique dite de « gravure chimique humide » (chemical wet etching). Elle consiste à attaquer chimiquement la plaque à graver par des produits chimiques tels que des acides ou des bases. Par exemple, l’acide nitrique (HNO3) est utilisé pour graver du silicium alors que l’acide fluorhydrique (HF) sert à attaquer l’oxyde de silicium [11].
La gravure humide est très souvent sélective et rapide. D’ailleurs la vitesse de gravure typique pour le silicium est d’environ 1 μm/mn alors que la vitesse de gravure de l’oxyde de silicium, dans un bain d’HF dilué à 1%, est de l’ordre de 2 nm/mn. Parmi les inconvénients de cette technique, on peut citer :
son isotropie : elle n’est pas directionnelle [12] et favorise même une gravure sous le masque.
elle ne permet pas de reproduire fidèlement le transfert des motifs du masque avec les dimensions fixées lors de l’étape de microphotolithographie.
Ainsi, cette technique est limitée aux gravures des circuits avec des dimensions caractéristiques comprises entre 5 et 10 μm et elle est vraiment à proscrire dans le cadre de l’élaboration des structures submicroniques [13], [14].
La gravure par Plasma est une technique plus récente comparée à la gravure chimique [14], [15]. Elle consiste à attaquer une surface par un faisceau d’ions pour l’éliminer. Par exemple, on utilise des plasmas à base de CF4, de chlore (Cl2), SF6, SiF4, BCl3, NF3 ou de CCl2F2 pour la gravure du silicium [13], [15]..
La gravure plasma présente l’avantage de former des profils rigoureusement verticaux et d’assurer une anisotropie de gravure compatible avec les exigences de la miniaturisation [14]. Ainsi, vu qu’elle permet de maitriser correctement à la fois la taille et la forme des circuits fabriqués, elle est parvenue à remplacer définitivement la gravure humide. Cependant, malgré que la gravure plasma soit anisotrope, elle peut induire dans certaines conditions, des défauts de gravure. En effet, les fortes énergies de bombardement des ions sont responsables de la génération de défauts structuraux qui peuvent perturber les performances d'un circuit. Parmi ces
défauts, on peut citer la gravure sous le masque (ou undercut), le notching et le microtrenching (fig.IV.1) [13], [14].
La gravure ionique réactive (souvent désignée par son acronyme anglais RIE pour Reactive Ion
Etching) est une technique dérivée de la gravure au plasma [15]. C'est aussi une technique de
gravure fortement physique (gravure au plasma) à laquelle on ajoute une gravure chimique sèche. Les divers défauts de gravures perturbent la périodicité du réseau cristallin du matériau semiconducteur et induisent des niveaux énergétiques localisés dans la bande interdite de celui-ci qui vont inévitablement affecter les performances du composant électronique associé.
II.2 Modélisation des défauts de gravures dans les transistors TB-Si et
HBT-SiGe
On tient compte des effets des défauts profonds sur le fonctionnement du transistor en apportant des modifications sur l’équation de Poisson et les équations de continuité des électrons et des trous.
Dans l’équation de Poisson (II-1), leur influence est introduite par une charge supplémentaire nT
telle que :
𝜌 = 𝑞 ∙ (𝑛 − 𝑝 + 𝑑𝑜𝑝 + 𝑁𝑇) (IV-1)
NT : La densité totale des centres profonds.
Dans les équations de continuité, l’influence des centres profonds est intégrée dans le terme du taux de génération-recombinaison tel que [16], [17]:
Figure IV.1: Différents types de défauts survenant pendant la gravure [13] : a) undercut b) notching & c) microtrenching.
γ : facteur de dégénérescence du niveau piège
τn et τp représentent respectivement les durées de vie des électrons et des trous. Elles sont étroitement liées aux propriétés électriques des défauts et sont données par :
𝜏𝑛 = 1
𝜎𝑛∙ 𝑁𝑇∙ 𝑣𝑡ℎ𝑛 𝑒𝑡 𝜏𝑝 =
1 𝜎𝑝∙ 𝑁𝑇∙ 𝑣𝑡ℎ𝑝
(IV-3)
Où σn,p sont les sections efficaces de captures du défaut profond, vthn,p, sont les vitesses thermiques des porteurs.
Les caractérisations des défauts dans les transistors ont fait l’objet de plusieurs études. Nous avons considéré les mêmes ordres de grandeurs publiés dans les travaux de recherches antérieurs [8], [10], [18] : les défauts sont de type accepteur, leur valeur moyenne est de l’ordre de 1018 cm-3, la section de capture est de l’ordre de 10-17
cm-2 et leur position dans le gap est à 0.6 eV.
La quantité des centres profonds est déduite à partir de l’amplitude du transitoire de capacité résultant de l’émission de charges par les centres profonds par la relation [10] :
∆𝐶 𝐶 = 1 2∙ 𝑁𝑇 𝑁𝑑 ≅ 0.5 (IV-4)
Avec Nd est le dopage dans la zone de charge d’espace où sont localisés les défauts responsables du Signal DLTS.
Pour le TB-Si, les défauts sont localisés au niveau de la région de sur-gravure, sous les espaceurs et sur les faces latérales de l’émetteur [18] alors que pour le HBT-SiGe, on les retrouve sur une petite distance sous les des espaceurs (fig IV.1b) et sur les faces latérales du composant (fig IV.2) [8]. 𝑔𝑟𝑆𝐻𝑅 = − 𝑛𝑝 − 𝑛𝑖 2 𝜏𝑛[𝑝 +1𝛾 ∙ 𝑛𝑖 𝑒𝑥𝑝 (𝐸𝑖 − 𝐸𝑡 𝑘 𝑇 )] + 𝜏𝑝(𝑛 +1𝛾 ∙ 𝑛𝑖 𝑒𝑥𝑝 (𝐸𝑡− 𝐸𝑖 𝑘 𝑇 )) (IV-2) (a) (b)
La simulation électrique de ces deux types de transistors permet de tracer les courbes de Gummel pour chacun d’entre eux (voir fig. IV.3).
Ces résultats montrent que les défauts liés aux gravures et dont les niveaux énergétiques sont situés au milieu de la bande interdites n’ont presque aucun effet sur le courant collecteur. Cependant, le courant de base se trouve énormément augmenté par rapport à sa valeur idéale (c’est-à-dire en absence de défauts de gravure) surtout dans le cas TB-Si. Ceci est dû à la présence de centres de générations recombinaison qui ont tendance à piéger les trous augmentant ainsi la composante du courant de recombinaison qui va s’ajouter au courant de base. Ainsi, dans ces conditions le gain de courant se trouve également réduit et plus particulièrement dans le cas du TB-Si (voir fig. IV.4).
Figure IV.3: Courbes de Gummel dans dans les deux types de transistors : a) TB-Si & b) HBT-SiGe
Figure IV.4: Variation du gain dans dans les deux types de transistors : a) TB-Si & b) HBT-SiGe
(a) (b)
Ces résultats démontrent que les HBT-SiGe sont beaucoup moins exposés aux défauts de gravures que les TB-Si. En effet nous remarquons que même si les surfaces latérales des poly-émetteurs des deux types de transistors contiennent des défauts de gravures, la région de jonction base-émetteur dans le HBT-SiGe est bien protégée puisqu’elle est située dans la partie de base loin des zones de gravures alors que celle du TB-Si, elle est carrément localisée dans la région de sur-gravure où il subsiste une densité de défauts qui perturbe énormément le fonctionnement du composant. De plus, nous remarquons que la surface de la base localisée sous les espaceurs est beaucoup plus protégée dans le HBT-SiGe que dans le TB-Si. Cette dernière zone a une grande influence sur la chute du gain du transistor comme des études antérieures l’ont déjà démontré [8].