Dopage et amincissement localisé des substrats SOI

Afin de les utiliser pour la fabrication de nanostructures, les substrats SOI doivent être

dopés. Il faut également définir les zones de contact et les zones actives.

Le dopage et l’amincissement des substrats SOI utilisés ont été réalisés au CEA/LETI à

Grenoble. Ces étapes sont détaillées par L. Palun dans sa thèse [32]. Ce procédé conduit à la

définition de deux zones : zone ultra mince (15nm) et zone épaisse (80nm).

L’amincissement se fait en deux étapes :

• une oxydation pleine plaque, diminuant l’épaisseur à 80nm

• une oxydation localisée (LOCOS, local oxidation of silicon) permettant la

définition des zones protégées. L’oxydation et la désoxydation amincissent le

silicium de la zone active.

Ainsi nous obtenons deux régions sur la plaque : les zones de contact, de 80nm

d’épaisseur et les zones actives, de 15nm d’épaisseur. Les variations d’épaisseur ne sont pas

significatives sur de courtes distances [32].

Les plots de contact se trouvant dans les zones de 80nm, sont suffisamment épaisses

pour pouvoir poser des pointes de mesure sans détériorer localement l’oxyde enterré. De plus,

ces régions doivent être fortement dopées pour assurer un contact ohmique avec des pointes

ou des fils faiblement résistifs pour les mesures électriques. Le dopage est très important pour

les études de transport électrique à température ambiante, ainsi qu’à basse température.

Comme les propriétés électriques des contacts et des zones actives doivent être différentes, il

est nécessaire d’avoir deux dopages différents. Le dopage a été fait par deux implantations

ioniques (cf. Figure 10). Les contacts sont implantés avec du phosphore à forte dose

(2x10

cm

) et à forte énergie (30keV) avant la désoxydation du LOCOS, qui protège ainsi

les zones minces. Il en résulte un dopage de l’ordre de 2.5x10

cm

. Les études du LETI ont

montré que pour les zones ultraminces, les atomes de phosphore traversent le LOCOS, le film

mince de silicium pour se piéger dans l’oxyde enterré.

Le choix du dopant pour un film mince est très délicat afin d’éviter les éventuelles

migrations de dopants pendant les étapes suivantes. L’arsenic a été choisi comme dopant pour

les zones actives. Nous disposons de deux dopages différents pour les régions minces. Le

Tableau 1 résume les paramètres d’implantation pour les zones minces.

Figure 10 : Schéma d’implantations des zones de contact et actives. Pendant l’implantation

du phosphore dans les régions de contact, le LOCOS protège les zones actives minces. Le

dopage pour la zone mince est à l’arsenic. Les traits en pointillé montrent les pics

d’implantation dans chaque cas [33], [32].

Dopage faible Dopage fort

Energie 8keV 8keV

Dose d’implantation 5x10

cm

2x10

cm

Oxyde écran 2nm 2nm

Dopage équivalent 2.5x10

cm

10

cm

Résistivité équivalente 6x10

Ωcm 6x10

Ωcm

Tableau 5 : Paramètres d’implantation des zones minces pour le faible et pour le fort

dopage. Les deux dopages sont à l’arsenic, avec une énergie d’implantation de 8keV, à

travers un oxyde écran de 2nm. Les doses différentes induisent deux dopages différents :

2.5x10

cm

et 10

cm

.

Des simulations [33] ont montré que pour des doses d’implantation élevées (jusqu’à

2x10

cm

) et pour des couches de silicium plus minces que 7nm, la probabilité que le

silicium soit amorphisé à cause de l’implantation est très grande. Pour une couche de 15nm,

même pour de forts dopages, la cristallinité du silicium reste acquise.

Finalement, des séries de plots et de pistes de contact sont lithographiés (cf. Figure 11), dans

les zones fortement dopés et de 80nm d’épaisseur. Les plots sont des carrés de 110µm de côté.

Les pistes sortant des plots sont de l’ordre de 10µm de longueur et 1µm de largeur. Les

plaques utilisées ont un diamètre de 200mm et sont ensuite clivées par unités de 18mm de

côté.

plot de

contact

pistes de

contact

contact

de le grille

latérale

plot de

contact

source

plot de

contact

drain

pistes de contact

larges (~10µm)

pistes de contact

étroites (~1µm)

Figure 11 : Plots et pistes de contact en silicium d’épaisseur de 80nm, déjà existants sur les

plaques. Les plots sont des carrés de 110µm de côté. Les pistes s’affinent en largeur au

passage des plots de contact vers la zone active. Ainsi, il y a une première série de pistes de

largeur de l’ordre de 10µm et une deuxième série de largeur de l’ordre de 1µm. L’image

montre ces deux séries de pistes.

Les régions amincies du silicium ont une épaisseur de 15nm. Les deux dopages

disponibles sont : 2.5x10

cm

et 10

cm

. Les résistances par carré correspondant à ces

dopages sont : 40kΩ/carré (pour 2.5x10

cm

) et 4kΩ/carré (pour 10

cm

). L’épaisseur de

l’oxyde enterré est de 400nm (cf. Figure 12).

Substrat Si (dopé p)

SiO

enterré

15nm ^80nm

Dopée n (As)

Zone active Si

400nm

Contact Si

dopé n

(P)

Substrat Si (dopé p)

SiO

enterré

15nm ^80nm

Dopée n (As)

Zone active Si

400nm

Contact Si

dopé n

(P)

Figure 12 : Schéma d’une coupe verticale des substrats après l’amincissement et

l’implantation. Les zones actives ont une épaisseur de 15nm et sont dopées n, à l’arsenic.

Les contacts ont une épaisseur de 80nm et sont fortement dopés n, au phosphore.

L’avantage principal du SOI SmartCut

est la très bonne qualité des interfaces silicium

– oxyde de silicium (cf. Figure 13). De plus la couche mince de silicium dans les zones

actives est monocristalline, ce qui doit assurer une bonne reproductibilité de la fabrication et

des propriétés électriques des nanostructures.

Figure 13 : Coupe verticale au microscope électronique à transmission (TEM) d’une

couche de SOI amincie utilisée dans cette thèse (cliché LETI) [21]. L’image a été faite

avant la désoxydation du LOCOS. Nous remarquons la monocristallinité de la couche

mince de silicium et les interfaces très propres Si – SiO

. La maille atomique du silicium est

clairement visible.