2.2 Transistors à nanoĄl planaires et verticaux
2.2.4 La siliciuration des contacts drain-source
La siliciuration des contacts sourceŰdrain est très utilisée dans la fabrication des MOSFETs, pour diminuer les résistance dŠaccès et créer des poches de dopages grâce aux phénomènes de ségrégation. Cette technique est également applicable pour les mêmes raisons aux transistors à efet tunnel avec un dopage in situ. Il existe diférentes techniques de siliciuration, les plus répandues pour les nanoĄls sont le recuit RTP ou RTA pour "Rapid Thermal Process/Annealing" [87, 88,89,90], fRTP "Flash-Assisted Rapid Thermal Process" [91] qui utilisent des lampes infraŰrouge et le recuit par laser ("laser anneal") [92]. Nous allons présenter dans ce paragraphe lŠétat de lŠart de la siliciuration sur nanoĄl de silicium et dŠalliage SiGe. Nous présenterons également notre procédé de siliciuration et les résultats obtenus.
2.2.4.1 La siliciuration des Ąls de silicium
Figure 2.19: Image TEM de la croissance de phases de siliciure de nickel dans un nanoĄl de
silicium après un recuit à 550◇C pendant plus de 8min.[93]
La siliciuration des nanoĄls de silicium, tout dispositif confondu, est largement documentée dans la littérature. Il existe diférentes phases de siliciure de nickel telles que NiSi, NiSi2,
Ni3Si2, Ni31Si12. Les phases riches en nickel peuvent déformer le nanoĄl et créer des défauts
cristallins, lorsque le taux de nickel est trop important, comme présenté sur la Ągure
2.19 pour les phases Ni31Si12 et Ni2Si. Par conséquent, la phase souhaitée est NiSi, car
elle évite ces problèmes et sa résistivité est faible (� = 14⊗ 20 µΩ cm). Comme présenté dans le tableau2.1, plusieurs groupes ont obtenu diférentes phases de siliciure pour des températures de recuits proches. Malgré la dispersion des résultats obtenus, il a été observé que le mécanisme de croissance de la phase NiSi dépend du Ćux de nickel disponible (donc du diamètre du nanoĄl comme cela est explicité plus bas) et de la température de recuit. Le protocole de réalisation des contacts siliciurés est le même pour tous les articles cités, et peut être résumé comme suit. Le dépôt de nickel est réalisé sur les nanoĄls déoxydés par un traitement HF. Car la siliciuration peut être bloquée par lŠoxyde de silicium [93]. Les températures de recuit sont comprises entre 400◇C et 600◇C aĄn dŠobtenir une phase riche
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2 Élaboration des transistors à nanoĄls Si et Si/SiGe et méthode dŠextraction des paramètres électriques
Table 2.1: Caption
Ref ∅ NanoĄl Si Trecuit phase obtenue
Wu et al [87] 20 nm 550◇C NiSi
Y-C Lin et al [93] 10 à 40 nm 500 à 650◇C NiSi
W. Weber et al [88] 7 à 40 nm 470◇C NiSi x W.Weber et al [89] 5 a 30 nm 480◇C NiSi 2 H-F Hsu et al [94] >80 à 150 nm 500◇C NiSi 2 et NiSi K. Byon [90] 5 à 20 nm 400 à 500◇C NiSi ? Y-C Lin et al [93] 50 à 70 nm 550◇C Ni 31Si12, NiSi2, Ni2Si
[95]. Le mécanisme de siliciuration dŠaprès lŠarticle de Hsu et al[94] est un processus en deux étapes. La croissance de siliciure commence dans la direction radiale du nanoĄl par une phase riche en nickel, puisque la phase obtenue dépend du ratio dŠatome Ni/Si. Cette réaction est similaire à celle dŠun Ąlm métallique à lŠétat solide sur une couche de silicium. Dans lŠétude [94], la phase Ni3Si2 a été obtenue sous les contacts de nickel, voir Ągure2.20
a). Une fois le volume sous le Ąlm de nickel siliciuré, la croissance continue dans lŠaxe du nanoĄl, cŠest la seconde étape de la siliciuration. Cette pénétration du siliciure de nickel dans le nanoĄl implique diférents processus thermiquement activés, tels que la difusion du nickel dans le volume, en surface et à lŠinterface siliciure/Si. La difusion du nickel en surface du siliciure est plus importante que la difusion en volume[94]. CŠest donc par cette difusion que le Ćux dŠatomes de nickel arrive à lŠinterface siliciure/Si aĄn de lŠalimenter pour permettre sa croissance [95]. La détermination de la phase du siliciure se produit à lŠinterface Si/siliciure car elle dépend du rapport entre le nombre dŠatomes de silicium par rapport à celui de nickel [94]. En efet, la phase NiSi souhaitée a été obtenue sur des nanoĄls de faible diamètre alors que cŠest la phase NiSi2 qui a été synthétisée sur les nanoĄls de plus
gros diamètre. La seule diférence entre ces deux Ąls est que la concentration dŠatome de nickel au centre de lŠinterface Si/Siliciure diminue lorsque le diamètre du nanoĄl augmente. Donc dans les nanoĄls ayant un diamètre plus grand, la concentration de nickel nŠatteint pas la saturation requise pour former la phase NiSi.
Par conséquent, nos nanoĄls ayant un diamètre de 100 nm environ, nous supposons que les recuits nous fournirons une phase de siliciuration de type NiSix pour une température de
recuit inférieure à 450◇C. Dans notre cas, nous rappelons que la siliciuration des contacts
est réalisée sur des diodes pŰiŰn, ayant des parties dopées de 3 µm et une partie intrinsèque de 1 µm. Nous avons réalisé les contacts drain/source avec un espacement de 4 µm. Donc lŠespacement entre les contacts et la partie intrinsèque est supposée être dŠenviron 1,5 µm. Notre procédé de recuit doit nous permettre dŠutiliser la siliciuration pour obtenir un contact ohmique de faible résistivité et améliorer le proĄl de dopage en utilisant la ségrégation des dopants. Nous ne souhaitons pas réduire la longueur de la partie intrinsèque par le recuit. Donc nous ne devons pas obtenir de siliciure plus long que 1 µm hors des contacts métalliques. Dans la littérature, il existe de nombreux résultats dont la disparité sur nanoĄls dopés est large, comme par exemple [91] et [92].
2.2 Transistors à nanoĄl planaires et verticaux 51
Figure 2.20: Illustrations schématiques du mécanisme de la siliciuration en deux-étapes au
sommet des nanoĄls de Silicium[94], avec la comparaison des phases de siliciure obtenues en fonction du diamètre des nanoĄls.
satisfaisantes pour nos dispositifs, comme présentés dans le tableau 2.2.
Table 2.2: Résultats obtenus sur nos dispositifs en fonction des conditions de recuit (♯ signiĄant
nombre)
Température Gaz Temps Observations
415◇C N
2H2 30s perte de la continuité électrique pour tous les échantillons.
400◇C N
2 1 min perte de la continuité électrique ♯ > 1/2♯ des échantillons
400◇C N
2 15s ♯ > 1/2♯ des échantillons ont de bonnes caractéristiques électriques.
Lorsque les échantillons sont dits ń sans continuité électrique ż après le recuit (tableau
2.2), les nanoĄls ont typiquement la morphologie montrée en Ągure 2.21. Nous pouvons donc supposer quŠune phase riche en nickel sŠest tout dŠabord formée (zone de couleur claire et plus large que le Ąl à lŠorigine sur la Ągure 2.21). Ensuite il y a une partie de plus petit diamètre de couleur foncée et enĄn une partie de même couleur mais du diamètre original du Ąl. Nous pensons que la partie de diamètre plus faible est une zone où il y a un appauvrissement en silicium, dŠoù la perte de contact électrique sur ces dispositifs. Nous nŠavons pas dŠexplication permettant de comprendre pourquoi ce phénomène se produit sur certains échantillons et non sur dŠautres. En diminuant la température et le temps de recuit, nous avons obtenu une phase siliciurée satisfaisant nos conditions sur plus de la moitié des échantillons testés. Nous avons donc décidé de Ąxer les paramètres de recuit à 400◇C pendant 15s. Nous montrerons dans le chapitre 3 lŠamélioration des résistances
52
2 Élaboration des transistors à nanoĄls Si et Si/SiGe et méthode dŠextraction des paramètres électriques grâce au recuit sélectionné.
Figure 2.21: Images MEB typiques dŠun nanoĄl recuit dont le contact électrique a été perdu
après recuit.
2.2.4.2 La siliciuration des Ąls SiGe
Dans le cas dŠun nanoĄl dŠalliage SiŰGe, le recuit dŠun Ąlm de nickel conduit à la formation dŠune phase germanoŰsiliciure de nickel. CelleŰci a été étudiée sur Ąlm de SiGe par diférents groupes [96,97,98]. Ils ont montré que plus la concentration en germanium était importante dans lŠalliage SiGe et plus la courbe de transformation du système Ni/Si/Ge tendait vers celle du système Ni/Ge. Ce dernier permet dŠobtenir des germaniures pour des recuits décalées de 50 à 100◇C vers les basses températures par rapport à celle de la siliciuration.
Zhao Q.T. et al.[96] ont montré que des couches dŠalliage SiGe avec un taux de germanium Ąxe nŠauront pas la même stabilité morphologique de germanoŰsiliciure (cŠestŰàŰdire des agglomérats) si les couches nŠont pas le même niveau de contrainte et de relaxation. Le germanoŰsiliciure sera dŠautant plus stable que le taux de relaxation est important. Dans les couches dŠalliage SiGe, la formation du mono-NiSiGe est obtenue pour des températures de recuit supérieures à 350◇C. Mais au delà de 500◇C, une redistribution du germanium
entre le substrat et le germanoŰsiliciure conduit à un appauvrissement en germanium de la phase NiSiGe [98]. Nous avons observé cet efet sur les diodes pŰiŰn Si0,7Ge0,3, comme
présenté sur la Ągure2.22, après un recuit à 400◇C durant 1 min. CŠest pourquoi nous avons
repris les conditions de siliciuration sur nanoĄl de silicium, cŠestŰàŰdire 400◇C pendant
15s. Avec ce protocole, nous nŠavons pas observé dŠappauvrissement en germanium pour nos dispositifs. La température de recuit était plus faible dans nos expériences, comparé à [98], mais dans le cas des nanoĄls, la difusion en surface est plus importante que pour des couches.
Nous avons mis en place un protocole de siliciuration adéquat pour nos dispositifs à base de nanoĄls horizontaux de Si et SiGe. Nous présenterons lŠamélioration des performances électriques obtenues pour ces dispositifs grâce à la siliciuration dans les chapitres suivants. Nous allons à présent présenter les techniques dŠextractions des propriétés électriques des dispositifs réalisés.