Formation de nanoprécipités CoSi 2 dans du silicium sans pré-traitement

Du silicium de même provenance que celui utilisé pour la formation des (nano)cavités, a été implanté avec des ions cobalt de 370 keV avec un flux de 1,6x1012 .cm-2. s-1 jusqu’à une dose de 2.1015 Co/cm2. L’échantillon de plan de base {100} a alors été découpé puis aminci par tripode pour l’observation de coupes transverses. Le plan de coupe, {210} a été choisi de manière à pouvoir atteindre les axes de zones <100> et <114> nécessaires à l’observation sans ambigüité des 2 types de précipités de CoSi₂ qui se forment pendant l’implantation.

La Figure VII.2 met en évidence la présence d’une bande de défauts situés nettement à l’arrière de la distribution théorique. Ce phénomène, dans le silicium, de diffusion des interstitiels à l’arrière de la distribution des défauts est bien connu [Bourret 1987], [Eaglesham et al. 1995], [Claverie et al. 1999].

Des observations à plus fort grandissement (Figure VII.3) ont permis une analyse détaillée de la nature, taille et concentration des précipités obtenus selon leur position en profondeur dans la lame. Rappelons que les précipités de CoSi₂ ont une structure cfc dont le paramètre de maille est très voisin de Si.

- Les précipités de type B correspondent à une rotation autour d’un axe <111> par rapport à Si. Comme, dans un cristal cubique il y a 4 axes de type <111>, il y aura 4 orientations et donc 4 familles de type B différentes. Il a été montré que la population de chaque famille se créait de manière équivalente au cours de l’implantation (voir par exemple [Ruault et al. 2008]). Aussi, il suffit de quadrupler la concentration de précipités trouvée pour une famille pour obtenir la concentration totale des précipités B. Comme il a été écrit au chapitre I, §I.2.2.2, les précipités B sont des plaquettes aussi la famille dont le plan {110} est parallèle au plan {114} d’observation du silicium se rapprochera de la forme hexagonale, alors que 2 autres familles sont vues sur leur tranche (voir le champ clair Figure VII.3_a). L’étude de la première

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famille peut se faire par un champ sombre en utilisant comme tache de diffraction une des 4 taches <111> de l’axe de zone <110> des précipités de disiliciure. (Figure VII.3_b).

Figure VII.2 :Champ clair après implantation de cobalt à 650°C (370 keV, 2.1015 Co/cm2), dans du silicium massif de plan de base {100}. On y observe la zone de dislocations interstitielles. La flèche noire indique un repère commun aux figures V.2 et V.3abcd. Les simulations par TRIM des distributions d’arrêt du Cobalt (bleu) et des défauts créés (orange) ont aussi été reportées.

- Les précipités de type A sont parfaitement épitaxiés dans la matrice de silicium de structure diamant (Voir Chapitre I, § I.2.2.2). Il n’existe donc qu’une seule famille de précipités. La seule façon d’observer ces précipités de manière univoque est d’utiliser en champ sombre, un vecteur de diffraction (g) de type <200> ^CoSi2 dans un plan {001} ^CoSi2 // {001}Si puisque cette tache est interdite dans la structure cubique diamant. Ces précipités (octaèdres se projetant sous forme de carrés) sont plus difficiles à observer (Figure VII.3_d), en effet, si pour un cristal cubique diamant parfait la tâche 200 est éteinte, aussitôt qu’il y a présence de dislocations, une partie des électrons qui composent cette tâche provient de la diffraction sur ces dislocations. Aussi, il est parfois difficile de différencier un petit précipité de type A d’une petite boucle de dislocation ou d’une partie d’un contraste oscillant d’une dislocation traversant la lame (Figure VII.3_c,d).

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Cette analyse montre que :

- les précipités de type A ont une population équivalente dans les tailles entre 5 et 10 nm (Figure VII. 4_a) alors que la distribution des précipités B est de type gaussien.

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Figure VII.3 : Implantation de cobalt à 650°C (370 keV, 2.1015 Co/cm2), dans du silicium massif de plan de base {100}. Observations à plus fort grandissement de la zone montrée en Figure V.2. La flèche noire montre le repère commun sur les clichés. (a) Champ clair dans l’axe de zone <114> du silicium : les flèches vertes sont des exemples de précipités de type B correspondant à la famille de CoSi₂ dont l’axe de zone <110> est parallèle à l’axe de zone du champ clair. 2 autres familles sont visibles sur le cliché (flèches bleues). (b) Champ sombre utilisant un vecteur de diffraction <111> de l’axe de zone <110> des précipités de type B. Bien sûr seule une famille est visible. (c) Champ clair dans l’axe de zone <100> du silicium montrant plus clairement les dislocations dans la zone de dommage. (d) Champ sombre utilisant le vecteur de diffraction <200> des précipités A de CoSi2, parfaitement épitaxiés avec la matrice. Quelques exemples ont été montrés avec des flèches rouges.

- La concentration des précipités de type B suit le profil de la courbe théorique de l’arrêt des ions (Figure VII.4_b) (entre 100 et 600 nm). Cependant la courbe présente une traine de faible concentration entre 600 et 800 nm.

- La concentration des précipités de type A (Figure VII.4_b) est plus importante vers la surface (~ 60-160 nm). A cette profondeur les concentrations des deux types sont du même ordre. La concentration du type A varie peu entre 200 et 450 nm et, dans cette région, le rapport des concentrations A/B est ≤ 10%.

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(a) (b)

Figure VII.4 :Implantation de cobalt à 650°C (370 keV, 2.1015 Co/cm2), dans du silicium massif de plan de base {100}.

Ces résultats notamment pour la balance des concentrations entre les précipités A et B sont cohérents avec ceux obtenus précédemment par l’équipe pour des implantations in-situ (et donc observations en vue plane) d’ions cobalt de 50 keV [Ruault et al. 2008]. Ils montrent en outre, qu’il y a, comme pour les auto-interstitiels, diffusion du cobalt vers les plus grandes profondeurs.