Dans cet essai sur le lot Q342024, le silicium amorphe du polybase est remplacé par une couche de SiGe contenant environ 25% de germanium. Le but est ainsi d’augmenter la mobilité des trous et donc de réduire la résistivité de cette zone.
Le polybase SiGe de même épaisseur (50 nm) déposé par CVD, possède un profil pouvant être décrit simplement par :
Une fine couche de silicium (cap Si) de quelques nm pour une meilleure siliciuration
Une couche de SiGe contenant 25% de Ge, dopée bore in-situ
Une couche d’accroche en silicium (seed) de quelques angströms pour une bonne épitaxie SiGe sur l’oxyde du TEOS piédestal, et pour une meilleure reprise d’épitaxie lors du dépôt de la base intrinsèque
Figure 91 : Coupe TEM-EDX pour un polybase standard (gauche) et un polybase SiGe (droite) Les résultats STEM EDX de la Figure 91 montrent la répartition du germanium dans le lien entre la base intrinsèque et extrinsèque pour un polybase standard et un polybase SiGe. Il existe un artefact de Ge au niveau du lien dans la référence, qui provient du caractère sélectif de l’épitaxie de la base intrinsèque. On constate pour le polybase SiGe, la présence effective de Ge dans le polybase, même si la dose atteinte est inférieure à celle visée (20% au lieu de 25%). D’autre part, le lien semble plus large (54 nm à gauche, 70 nm à droite) mais la
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différence vient probablement de la variabilité de la désoxydation de la cavité. Il serait intéressant de pouvoir voir la répartition du bore dans le lien et la base en général, mais à notre connaissance aucun technique ne permet aujourd’hui de connaitre le profil exact du bore dans le lien. En EDX, il n’est pas possible d’évaluer la présence de bore car c’est un atome petit face à la résolution de la technique.
POR B55 Polybase SiGe
Matériau polybase Si amorphe SiGe
Recuit pré-implantation oui - Dopage bore implanté in-situ IC (µA) @ VBE = 0,7 V - 7% IB (nA) @ VBE = 0,7 V - 263% RE (Ω) - 2% VAF (V) - -27% VAR (V) - -1% RBX (Ω.µm) - 9% RACCBASE (Ω/bip) - 14% RSPBI (kΩ/sq) - 11% RSP2R (Ω/sq) - 69% RSP2W152_U (Ω/sq) - 217% fT (GHz) - -4% fMAX (GHz) - -14% CBE (fF) @ VBE = 0V - -1% CBC (fF) @ VBE = 0V - 4% BVCEO (V) - 7%
La résistivité RSP2W152_U mesurée sur une structure dédiée augmente plus de deux fois pour le polybase SiGe contrairement à ce qu’on attendait. Cette augmentation est répercutée sur RSP2R ce qui suggère que le niveau de dopants au niveau de la siliciuration est réduit par rapport à la référence, alors qu’on a un dopage de dose équivalente (vérifié par SIMS). La résistance de base est globalement dégradée que ça soit la composante extrinsèque RBX, la composante intrinsèque RSPBI et la résistance d’accès RACCBASE. D’autre part, on note la dégradation des paramètres VAF et CBC, ce qui indique une altération de la jonction B/C.
Pour expliquer ces variations, nous supposons que l’activation des dopants dans le polybase SiGe est réduite par rapport au silicium amorphe. Il est possible que les espèces dopantes aient été désactivées par le budget thermique de la fabrication du transistor, car moins stables dans le matériau SiGe. D’autre part on retrouve la diffusion du bore en excès dans la base intrinsèque à travers les paramètres de la jonction B/C. L’insertion du bore dans le réseau SiGe est probablement différente du silicium amorphe.
Concernant la dégradation du courant de base, on retrouve un comportement similaire aux essais précédents, mettant en évidence une fois de plus la création de recombinaison en base neutre.
Chapitre III. Optimisation de la rés. de base et impact du budget thermique
103 Les autre paramètres présentés ne sont pas ou peu changés tels la résistance émetteur RE, la
tension VAR et la capacité CBE, indiquant alors pas de changement à la jonction base/émetteur.
Face à la dégradation de la plupart des paramètres en jeu, la dégradation des fréquences fT et fMAX n’est pas surprenante.
3.
Conclusion sur l’étude du matériau polybase
Essais Résistance de base Effets secondaires
Dopage du matériau
Dopé in situ Pas d’impact visible
Energie ++ Légère de RBX, forte dispersion
Vitesse de gravure de l’oxyde piédestal
modifiée
Dose ++ Réduction globale de la résistance RB NBR & fuites en IB Structure du matériau Conditions de dépôt (T & P)
Pas d’impact – inférieur à la dispersion
Polysilicium Augmentation de la résistivité et
de la résistance NBR & fuites en IB
Sans recuit pré- implant. Augmentation de la résistivité du polybase Polybase SiGe dopé in situ Augmentation de la résistance de base
Dans cette partie nous avons pu voir qu’aucun de ces essais n’était conclusif pour l’amélioration de la résistance de base via le matériau polybase et la qualité du lien entre celui-ci et la base intrinsèque. Malgré le changement de la nature du matériau, de ses conditions de dépôt, ou de son dopage cela n’a pas d’impact bénéfique sur la résistance de base totale ni sur la qualité du lien. Certains de ces essais se sont également accompagnés de phénomènes secondaires qui dérèglent profondément le fonctionnement du TBH comme l’autodopage ou la recombinaison en base neutre, qui mérite des études plus avancées, son origine étant difficile à identifier. Dans l’ensemble nous avons donc conclu que le polybase actuel était optimisé. Ce procédé a donc été conservé pour le développement du BiCMOS055.
Le profil du matériau polybase étant fixé, nous allons maintenant chercher à améliorer la résistance du lien entre la base intrinsèque et la base extrinsèque. Pour cela le budget thermique est un outil clé, associé à un profil de base intrinsèque adéquat.
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B. Recuit additionnel pour l’optimisation de la résistance
de lien
La résistance du lien base dépend de la diffusion du bore de la base extrinsèque vers la base intrinsèque : en conséquence, le budget thermique vu par le transistor est déterminant pour la valeur de la résistance de base globale, qui a une influence sur les performances statiques et dynamiques du transistor. Face à la réduction du budget thermique associé au nœud CMOS 55nm, on recherche une solution pour augmenter la diffusion du bore localement, sans perturber le fonctionnement normal. C’est dans ce but qu’un recuit a été ajouté pendant la fabrication du module émetteur / base. C’est un recuit long durant 5 secondes, en s’assurant que les flux d’O2 et N2 soient nuls. Le recuit a été inséré sans modifier
les autres étapes de fabrication.
I. Ajout d’un recuit intermédiaire en technologie B5T
L’étude a été menée dans un premier temps en nœud avancé B5T, sur le lot J136SEC. Plusieurs configurations ont été testées avec :
3 températures : 1010°C, 1025°C, 1040°C
2 positions : Après l’épitaxie de la base et un nettoyage RCA ou Avant le dépôt de l’émetteur et après la gravure des espaceurs oxyde et silicium amorphe
2 profils de base : base de référence ou base plus fine
Nous verrons l’influence de chacune de ces configurations indépendamment les unes des autres. On fera référence à chaque essai via les lettres a, b, c, d, e, comme indiqué dans le tableau suivant :
Groupe (a) (b) (c) (d) (e)
Température du recuit Référence 1010°C 1025°C 1040°C 1025°C Position du recuit - Après épitaxie de la base Après épitaxie de la base Après épitaxie de la base Avant dépôt de l’émetteur
1.
Influence de la température du recuit additionnel
1.a. Diffusion du bore dans le lien, évaluée par simulations
Pour mieux comprendre les phénomènes de diffusion en jeu dans le transistor, nous avons réalisé des simulations TCAD via le logiciel Synopsis (outil présenté plus en détails dans l’Annexe B).
Chapitre III. Optimisation de la rés. de base et impact du budget thermique
105 Pour cela l’architecture du transistor est extraite des fichiers layout puis transcrite dans le logiciel. Les différentes recettes d’implantation, de gravure ou de recuit, pour ne citer qu’elles, sont utilisées pour construire un profil 2D du transistor duquel on extrait les profils de dopants, visible sur la Figure 92. A noter que seule la moitié du transistor est considérée dans un premier temps. Grâce à SDE, nous pouvons ensuite reconstituer tout le composant par symétrie et étendre le modèle en 3D. On peut alors calculer les paramètres électriques de cette structure grâce à SDevice. Le modèle complet a été préalablement calibré par l’équipe simulation.
Figure 92 : Exemple de profil 2D obtenu grâce aux simulations TCAD, centré sur la zone active du composant
Figure 93 : Résultats des simulations de l’ajout d’un recuit additionnel, pour différentes températures ; les couleurs rouge-orange représentent un dopage N (As), les bleus un dopage P (B)
Nous avons simulé les différents essais en température, en voici les coupes 2D visibles sur la Figure 93. De manière qualitative, on voit bien que la diffusion du bore (en bleu) est augmentée avec la température. Cette diffusion est observée de manière plus précise dans la Figure 94, avec respectivement à gauche et à droite, le profil de diffusion du bore dans la base intrinsèque sous la fenêtre émetteur et le profil au niveau du lien entre les deux parties de la base.
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Figure 94 : Profils de diffusion du bore dans la base intrinsèque (à gauche) et dans le lien (à droite) en fin de fabrication, extraits des simulations TCAD
Dans les deux cas on voit bien la différence de diffusion entre la référence (en noir) et les différents recuits (Bleu 1010°C / Rouge 1025°C / Vert 1040°C).
Dans la base intrinsèque, l’augmentation de la diffusion mène à un élargissement de la base (WB) et à une diminution du dopage maximum. La dose intégrée dans la base
calculée à partir des profils de simulations ne montre pas de différence sauf pour le recuit le plus fort à 1040°C, annonçant une dose légèrement inférieure (-4%). Les jonctions base/émetteur et base/collecteur sont également décalées.
Au niveau du lien, la courbe référence met en évidence la différence de dopage entre les deux parties de la base. Grâce au recuit, le profil de dopage est « lissé » et donc beaucoup plus favorable : on va voir que la résistance de lien est ainsi améliorée. Malheureusement il n’est pas possible de réaliser des caractérisations SIMS sur silicium pour confirmer ces observations.