Le recuit d’activation

Comme nous venons de le voir, une étape de recuit thermique est indispensable après l’étape d’implantation ionique, ceci afin d’apporter l’énergie nécessaire pour la recristallisa- tion du substrat et pour la redistribution des atomes de bore dans les sites substitutionnels du réseau afin de les rendre électriquement actifs. Les caractéristiques principales des jonctions ultra-minces étant une faible profondeur et un niveau d’activation important, les recuits doi- vent être adaptés : leurs durées sont réduites pour minimiser la diffusion des dopants (et donc la profondeur des jonctions) alors que les températures doivent augmenter pour améliorer l’activation. Ainsi, nous passons de recuits à des températures typiques de 800°C de durée égale ou supérieure à une heure, à des recuits ultra-rapides de l’ordre de la micro voire nano seconde à des températures allant jusqu’à 1300°C.

I.2.2.1. Le recuit « seconde » dit « Spike - RTA»

Les durées des recuits thermiques rapides (RTA pour Rapid Thermal annealing) introduits dans les années 90 de l’ordre de quelques dizaines de secondes (recuits « soak » cf. Figure 9.), ont évolués aujourd’hui vers des durées maximales quasi nulles (recuit « spike » cf. Figure 9). Pour ces recuits, réalisés à l’aide d’un banc de lampe « tungstène-halogène», les plaques sont généralement pré-stabilisés à basse température (environ 650°C) durant quelques

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secondes avant de subir une rapide montée thermique à une vitesse de l’ordre de 250°C/s jus- qu’à des températures de l’ordre de 1000-1100°C, le tout sous atmosphère contrôlée d’azote pour éviter toute oxydation. Les plaques ne restent pas plus d’une seconde à la température maximale avant d’être refroidies à une vitesse moyenne de 80°C/s. Pour une meilleure uni- formité du recuit, on agit sur la rotation de la plaque au cours du processus.

I.2.2.2. Le recuit « milliseconde » dit « Flash - RTA »

Plus récemment, des systèmes permettant d’augmenter considérablement les rampes de montée en température ont été mis au point, il s’agit des recuits « Flash » (pour Flash Lamp Annealing) [17]. Ici, des lampes primaires incandescentes portent préalablement la plaque à une température intermédiaire de 750°C, ce pour éviter une montée trop brutale en température qui pour- rait engendrer des contraintes dans le matériau. A ce système est couplé un réseau de lampes à arc fonctionnant à l’Argon (cf. Figure 8). Lors de la décharge électrique, les lampes vont générer un échauffement impul- sionnel du substrat à une température pouvant aller jusqu’à 1300°C pendant une durée de 1 à 10ms. La rampe de montée en température atteint 106 °C/s.

Sur la Figure 9, nous pouvons voir l’évolution des cycles de tempéra- ture des divers types de recuit. Alors que les plaques sont exposées plu- sieurs dizaines de seconde lors des recuits de type « Soak », elles ne le sont plus que quelque milliseconde au cours d’un recuit « Flash », et ce avec des rampes de montée et de descente en température passant de 250°C/s pour les recuits « Soak » et «Spike » à 106 °C/s pour les recuits « Flash ».

Figure 9 : Représentation de l’évolution des profils de température en fonction du type de recuit. Lors des recuits de type « Soak », les plaques restaient plusieurs dizaines de seconde à la température maximale, alors qu’elles n’y restent que quelque milliseconde lors des re- cuits Flash.

Figure 8 : Schéma de principe d’une lampe Flash utilisée pour les recuits millisecondes.

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Une autre technique de recuit est étudiée depuis les années 80 pour être appliquée à la réalisation de jonctions ultra-minces ; il s’agit du recuit laser.

I.2.2.3. Le recuit « nanoseconde » dit laser

Au début, des problèmes d’homogénéité ont limités son application aux procédés de recuit du silicium, principalement due aux nombreux balayages nécessaires pour recuire la totalité d’une plaque. Depuis, le recuit laser a évolué et vient concurrencer le recuit « Flash ». On distingue deux procédés de recuit LTP (Laser Thermal Processing) : avec ou sans phase de fusion du matériau. Le recuit laser avec fusion superficielle du matériau (melt-annealing) permet l’épitaxie en phase liquide du silicium cristallin sous-jacent pendant la solidification, ainsi on améliore considérablement l’activation électrique et on limite la formation de défauts cristallins. Cependant, le contrôle local de la température de recuit reste très difficile et les profondeurs de jonction obtenues par cette méthode sont trop importantes. De plus, ce procé- dé est difficilement intégrable dans la chaine de fabrication d’un transistor car la fusion du matériau pourrait facilement endommager les autres parties du composant. Par contre, le re- cuit LTP sans fusion (non-melt annealing) s’avère le plus compatible avec les procédés de fabrication actuels, il atteint des rampes de montée en température de l’ordre de 1010 °C/s jus- qu’à 1300°C avec des temps d’impulsion pouvant descendre à 20 ns. Par ailleurs, les très fortes densités d’énergie et les grandes fréquences utilisées permettent de traiter quelques di- zaines de cm² en une impulsion sans avoir recours au balayage [18].

Il existe également la technique dite GILD (Gas Immersion Laser Doping) [18] qui, contrairement au procédé LTP où les dopants sont préalablement implantés, consiste à amener en surface du silicium un précurseur dopant gazeux qui va se chimisorber. Une irradiation laser va alors incorporer une partie de ces dopants dans le silicium. Cette technique permet donc d’incorporer et d’activer le dopant simultanément, mais elle est difficile à intégrer dans un procédé de fabrication MOS car elle pourrait endommager fortement les autres parties du transistor.

A l’heure actuelle, aussi bien les procédés de recuit « Flash » que les procédés laser LTP sans fusion sont utilisés en production pour la fabrication de transistors MOSFET [19] par des compagnies comme Intel, Toshiba, AMD, Fujitsu.

La réalisation de jonctions ultra-minces par implantation ionique et recuit d’activation présente cependant des limites physiques importantes. En effet, elle induit plusieurs types de défauts cristallins qui peuvent venir dégrader les caractéristiques de la jonction. La connais-

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sance de ces défauts, de leur mécanisme de formation et d’évolution, mais aussi de leur im- pact sur les paramètres électriques est primordiale pour contrôler leur création et ainsi limiter leur influence. Dans la section suivante, nous allons décrire en détail les différents types de défauts que l’on rencontre lors de la fabrication des jonctions ultra-minces, ainsi que les con- séquences qui peuvent en découler.

I.3. LES PROBLEMES ASSOCIES A L’IMPLANTATION IONIQUE