3.2 Diffusion et solubilité dans le Silicium
3.2.3 Mécanismes diffusionnel
3.2.3.2 Impacts de quelques paramètres technologiques sur la diffusion 115
Lors d’une étape d’oxydation en température, les molécules d’O2 vont diffuser au travers de la couche d’oxyde natif pour atteindre le Si sous-jacent. La réaction avec le Si est partielle et se traduit par l’apparition d’auto-interstitiels proches de l’interface SiO2/Si [61]. Sans entrer dans les détails, la diffusion des espèces dont la diffusion est assistée par les auto-interstitiels sera favorisée. A l’inverse, les mécanismes dépendant de la présence de lacunes seront alors altérés [60]. Cependant, l’influence de l’atmosphère oxydante dépend de l’orientation du substrat de Si, de la nature des espèces diffusantes, de la nature de l’atmosphère oxydante humide ou sèche, du temps et de la température d’oxydation.
Dans le cas où les impuretés sont initialement présentes en surface de Si lors d’une oxydation, elles vont alors se redistribuer dans la zone proche de l’oxyde en croissance aussi bien du côté oxyde que du côté Si [65]. Leur profil de redistribution va dépendre de plusieurs facteurs [61]. D’une part, un premier facteur est leur coefficient de diffusion dans le SiO2. Un deuxième facteur est le coefficient de ségrégation qui est défini comme étant le rapport entre la concentration de l’impureté à l’équilibre dans l’oxyde et celle dans le Si. Elle aura tendance à "fuir" dans le Si tandis que dans le cas contraire elle sera plutôt "piégée" dans l’oxyde nouvellement formé. Et enfin, il faut également tenir compte de la vitesse d’oxydation et donc de la mobilité de l’interface SiO2/Si. La concentration de l’impureté aura tendance à diminuer dans l’oxyde quand celui-ci croit même dans le cas d’un coefficient de ségrégation égal à 1. Quatre cas sont illustrés dans
la figure 3.5 avec C0la concentration de l’impureté présente initialement et supposée homogène dans tout le volume de Si et C est la concentration de l’impureté introduite [66].
Si SiO2 Si x C/C0 1 slow
(a) Impureté emprisonnée - Lente
SiO2 Si
x C/C0
1
fast
(b) Impureté emprisonnée - Rapide
Si x C/C0 1 SiO2 m > 1 slow
(c) Impureté rejettée - Lente
SiO2 Si x C/C0 1 m > 1 fast
(d) Impureté rejettée - Rapide
Figure 3.5 – Profils de concentration suite à la redistribution d’espèces diffusantes
déjà présentes en surface de Si lors d’une oxydation thermique dans le cas d’une impureté emprisonnée par l’oxyde avec une diffusion plus lente dans l’oxyde (a), plus rapide (b) ou dans le cas d’une impureté rejetée par l’oxyde avec une diffusion plus lente dans l’oxyde (c), plus rapide (d) - C0 : concentration de l’impureté présente initialement et supposée homogène dans tout le volume de Si, C : concentration de l’impureté introduite
Nous distinguons :
1. Dans le premier cas, figure 3.5(a), l’oxyde garde l’impureté et sa diffusion dans celui-ci est plus lente que dans le Si,
2. dans le second cas, figure 3.5(b), l’oxyde garde l’impureté et sa diffusion dans celui-ci est plus rapide que dans le Si,
3. dans le troisième cas, figure 3.5(c), l’oxyde rejette l’impureté et sa diffusion dans celui-ci est plus lente que dans le Si,
4. enfin, dans le dernier cas, figure 3.5(d), l’oxyde rejette l’impureté et sa diffusion dans celui-ci est plus rapide que dans le Si.
Dans le cas où les impuretés sont présentes sur l’oxyde thermique et le traitement thermique n’entraîne pas une croissance de l’épaisseur d’oxyde, les impuretés vont pouvoir traverser l’oxyde et leur profil de diffusion a l’allure présentée sur la figure 3.6 avec Ci la concentration initiale d’impuretés en surface d’oxyde.
Si
Si
x C/C0
SiO2
Figure 3.6 – Diffusion d’impuretés de concentration depuis la surface d’un oxyde
La concentration en impuretés diminue entre la surface de l’oxyde et l’interface et diminue depuis l’interface jusqu’à profondément dans le volume de Si. Suivant les coefficients de ségrégation, de diffusion dans les deux matériaux et la solubilité des éléments (paramètre détaillé dans la prochaine section), le profil de concentration dans le Si peut ensuite revêtir plusieurs allures.
Les coefficients de diffusion des impuretés dans l’oxyde de Si en fonction de la température du traitement thermique appliqué sont résumés dans la figure 3.7.
Figure 3.7 – Coefficients de diffusion des principales impuretés dans l’oxyde de
3.2.4 Solubilité des impuretés dans le Si
La solubilité solide est définie comme étant la concentration maximale pouvant être dissoute dans un échantillon solide à une température donnée. Dans notre cas, l’échantillon est le cristal de Si. Au-delà d’une certaine concentration, solubilité limite, les impuretés vont alors précipiter, former des agrégats dans le Si. Ces derniers peuvent former des défauts dans le cristal qui, suivant où ils se situent, peuvent impacter les performances du composants électroniques : ils peuvent agir comme des pièges.
Quelques solubilités sont présentées dans la figure 3.8. En général, la solubilité des métaux dans le Si est définie à partir de Si intrinsèque, peu dopé et de type CZ4[3]. Or elle dépend d’une part des propriétés du cristal, de la proportion d’impuretés en site interstitiels ou substitutionnels et d’autre part du niveau de contamination. A titre indicatif, en cas de dopage fort en élément tels que le B, P ou As, principaux dopants du Si, la solubilité des métaux de transitions 3d peut être augmentée. C’est notamment le cas du Cu [67].
Figure 3.8 – Solubilité solide d’impuretés du Si [68]
3.2.5 Comportement de l’Ag, de l’Au et du Pt dans le Si