3.3 Evolution des d´ ´ efauts au cours du recuit d’activation
3.3.1 Recombinaison des d´ efauts
a- ´Epitaxie en phase solide.
L’implantation , dans le cas des fortes doses ou lorsque l’ion implant´e est relativement lourd, peut endommager fortement le substrat et lui faire perdre son caract`ere cristallin. On se retrouve alors avec un substrat pr´esentant en surface une couche amorphe et plus en profondeur un mat´eriau cristallin (voir fig. 3.5b.). L’´epaisseur de la zone amorphe est caract´eristique des conditions d’implantations telles que la nature de l’ion implant´e, l’´energie d’implantation, la dose ou la temp´erature du substrat. On observe de plus, proche de la limite amorphe/cristal et apr`es un recuit `a plus de 900◦C, des d´efauts de fin de parcours constitu´es essentiellement de boucles de dislocations [MAUD94]. Pendant les premiers instants du recuit et `a basse temp´erature (typiquement entre 500◦C et 600◦C) la couche amorphe va recristalliser par ´epitaxie en phase solide (SPE) [CSEP75] [LAU80]. La vitesse de recristallisation de la couche est d´etermin´ee en mesurant successivement l’´evolution de l’´epaisseur de la couche amorphe [WILS86]. Ainsi pour du silicium orient´e <100> et recuit `a 550oC, on obtient une vitesse de recristallisation constante avec le temps [CSEP75]. Cette vitesse de recristallisation est fonction de l’orientation cristalline, de la concentration de dopant et de la temp´erature [LAU80]. Une fois la couche recristallis´ee, la concentration des d´efauts ponctuels est revenue `a sa concentration d’´equilibre.
b- Recombinaison en profondeur.
Parmi les possibilit´es d’´evolution, la plus simple est l’annihilation des paires de Fren-kel. Lorsqu’un auto-interstitiel de silicium passe `a proximit´e d’une lacune, il va alors se re-positionner en position substitutionnelle. Les recuits d’activation s’op´erant `a haute temp´erature, les d´efauts ponctuels diffusent alors tr`es rapidement et ainsi augmentent la probabilit´e qu’un interstitiel rencontre une lacune.
La vitesse de recombinaison entre ces interstitiels et ces lacunes constitue un des pa-ram`etres importants pour d´eterminer l’´evolution des concentrations de d´efauts ponctuels. La r´eaction peut ˆetre exprim´ee sous la forme :
I + V kf −−→ ←− kr < 0 > (3.7)
o`u < 0 > repr´esente l’absence de d´efaut dans le r´eseau cristallin. L’effet de cette r´eaction est d’apporter une interd´ependance entre la distribution des lacunes et celle des interstitiels. En d´epit du fait que cette r´eaction revˆet une importance non n´egligeable, sa cin´etique est actuellement tr`es mal comprise [FAHE89].
Erec
Ediss Em
E
Q
Fig. 3.6 – Vue sch´ematique du potentiel d’interaction entre la lacune et l’interstitiel. Les constantes de r´eaction kf et kr seront d´ependantes de la barri`ere d’´energie d’ac-tivation qui elle mˆeme est fonction des limites cin´etiques et diffusionnelles de la r´eaction. Ces limites sont repr´esent´ees dans la vitesse de r´eaction suivant[FAHE89] :
kIV = 4πr ΩCSi(DI+ DV) exp −∆Erec kT (3.8) o`u r est le rayon de capture effectif, CSi est la concentration atomique du silicium (5.1022cm−3), Ω est le volume d’un atome de silicium, DX est le coefficient de diffusion du
d´efaut ponctuel X et Erecest la barri`ere d’´energie libre qu’il faut surmonter pour la recom-binaison. Cette barri`ere est constitu´ee d’un terme entropique et d’un terme enthalpique et peut s’´ecrire :
Erec , ∆H(T ) − T ∆S(T ) (3.9)
Antoniadis et Moskowitz [ANTO82] ont obtenu une valeur de barri`ere totale situ´ee `a 1,5 eV. Ils obtiennent cette valeur `a partir des mesures sur la dur´ee de vie des d´efauts `a 1373K en supposant que la barri`ere est uniquement constitu´ee de son terme enthalpique, ce qui revient `a consid´erer que la contribution entropique est nulle. G¨osele et al.[GOSE83] consid`erent en revanche que la barri`ere ´energ´etique est constitu´ee uniquement du terme d’entropie avec une valeur `a 11,5 k. De r´ecents calculs ab-initio r´ealis´es par Tang et al. [TANG97] et bas´es sur les calculs dits de liaisons fortes (Tight Binding) ont estim´e la hauteur de cette barri`ere ´energ´etique de recombinaison `a Erec = 1.1 eV, confirmant ainsi les r´esultats de Antoniadis et Moskowitz.
c- Recombinaison avec des impuret´es.
Une autre ´evolution possible `a ne pas n´egliger est le pi´egeage des d´efauts ponctuels par une impuret´e diff´erente du dopant. L’utilisation du carbone pour pi´eger les auto-interstitiels est l’une des techniques utilis´ees par les technologues pour r´eduire la diffusion. Pour le silicium, la formation du complexe CsI va entraˆıner une diminution significative de la concentration d’interstitiels, r´eduisant ainsi la diffusion acc´el´er´ee. De nombreuses ´
etudes quantitatives ont montr´e qu’un atome de carbone Cs peut capturer en moyenne un peu plus qu’un atome de silicium interstitiel [CACC96] [COWE96] [CLAV97]. La for-mation des paires CiCs et CiI contribue de la mˆeme fa¸con `a la diminution de la diffusion acc´el´er´ee [MIRA02].
L’oxyg`ene influence aussi la diffusion des dopants, soit en se couplant avec les d´efauts ponctuels, soit en formant des complexes avec les atomes dopants.
d- Effet de la surface.
A mesure que les composants diminuent en taille, l’implantation ionique du dopant dans le silicium se r´ealise avec une ´energie r´eduite, `a tel point que l’on atteint les limites des implanteurs actuels. Cette diminution d’´energie va avoir pour cons´equence de g´en´erer beaucoup de d´efauts tr`es proches de la surface. Cette surface que l’on doit consid´erer
comme un puits infini de centres de recombinaison aussi bien pour les interstitiels que pour les lacunes, va entraˆıner une tr`es forte diminution des d´efauts.
Le flux de recombinaison des d´efauts intrins`eques du silicium `a la surface est donn´ee par la formule [HU75] :
JsurfX = σef f ([X] − [X]eq) (3.10)
o`u [X] est la concentration du d´efaut dans le silicium proche de la surface, [X]eq est sa concentration `a l’´equilibre thermodynamique et σef f repr´esente la vitesse de recombinai-son `a la surface.
La vitesse de recombinaison `a la surface constitue un param`etre physique qui retrans-crit `a la fois la capacit´e et l’efficacit´e pour l’interface `a absorber les d´efauts ponctuels. Ce param`etre est le plus souvent consid´er´e comme constant au cours du temps.
Cependant pour Tsamis et al. [TSAM98] cette derni`ere hypoth`ese est relativement restrictive. Ils consid`erent qu’il existe un nombre relativement grand mais limit´e de sites de recombinaison `a la surface. Partant de cette hypoth`ese, on peut alors s’attendre `a observer une saturation dans la recombinaison des d´efauts. Les premi`eres analyses qua-litatives qui d´emontraient que la vitesse de recombinaison ´etait fonction du temps ont ´
et´e men´ees par Ahn et al. [AHN87]. Ces analyses avait pour but d’expliquer la tr`es large diversit´e des valeurs exp´erimentales obtenues par diff´erents auteurs pour les coefficients de diffusion des auto-interstitiels.
On peut cependant assigner une vitesse de recombinaison des d´efauts `a la surface qui est constante si on consid`ere qu’au cours d’un recuit la surface se r´eg´en`ere sans cesse.