5. Etude de faisabilité d’intégrations monolithiques et hétérogènes avancées de l’architecture
5.2. L’intégration dans un nœud CMOS 28 nm
5.2.2. Solutions technologiques
A la vue de ces premiers résultats, l’objectif est donc de limiter l’amorphisation du SOI afin de garder une zone cristalline permettant sa recristallisation durant le recuit. Pour cela trois axes ont été étudiés. Premièrement, l’espèce, la dose ainsi que l’énergie d’implantation ont été modifiées afin de déterminer les conditions permettant une reprise d’épitaxie sur le SOI. Dans un second temps, le rôle de l’utilisation d’un oxyde de 4 nm servant à limiter la contamination de surface durant l’implantation a également été investiguée. Pour finir, une méthode d’implantation à chaud permettant de limiter la génération de défauts a été étudiée.
Comme on peut le voir dans le Tableau 17, les différentes conditions d’implantation ont donné des résultats très intéressants. Effectivement, plusieurs conditions mènent à une reprise d’épitaxie fonctionnelle sur le SOI. La diminution de la dose d’arsenic (de 6e14 cm-2 à 5e13 cm- 2) permet de préserver une partie des liaisons du SOI qui peut ainsi être utilisé comme support
à l’épitaxie. L’utilisation de phosphore, espèce possédant un rayon ainsi qu’une masse atomique nettement inférieur à ceux de l’arsenic (1 ang. contre 1,15 angs. pour le rayon et 30,97 u.m.a. contre 74,92 u.m.a. pour la masse), est une option intéressante car créant beaucoup moins de défauts dans le SOI. Ici, les énergies ont été adaptées entre les espèces afin d’avoir la même profondeur d’implantation.
Tableau 17 Synthèse des résultats de la reprise d'épitaxie sur SOI implanté Espèce
implantée Oxyde 4 nm Energie (keV) Dose (cm-
2) Reprise d’épitaxie Arsenic OUI 60 5e13 OK 2e14 NOK 6e14 NOK NON 60 5e13 OK 2e14 NOK 6e14 NOK OUI 110 2e14 NOK NON OK Phosphore OUI 35 3e14 OK NON OK
Le résultat le plus surprenant concerne la branche utilisant l’implantation Arsenic à 110 keV à forte dose sans oxyde qui peut être utilisé afin de réaliser une reprise d’épitaxie fonctionnelle. Afin de comprendre ce résultat, des simulations TCAD ont été réalisées comme le montre la Figure 184. Les résultats ont permis de découvrir que la partie supérieure du SOI reste cristalline dans le cas d’une implantation sans oxyde (points verts) alors qu’elle est quasi- intégralement amorphisée si l’on utilise un oxyde en surface. L’explication réside dans le fait que les mécanismes de création de défauts sont quantifiés d’un point de vue énergétique. Les collisions entre les ions implantés et les atomes de silicium du substrat sont dites élastiques sur les premiers nanomètres du substrat et de permettent pas briser les liaisons entre les atomes de silicium.
Figure 184 Simulations TCAD montrant à gauche l’état du substrat après implantation à travers un oxyde et à droite après implantation sans oxyde
Une validation par imagerie TEM a été effectuée comme le montre la Figure 185 avec des résultats très similaires à ceux obtenus en TCAD.
Figure 185 Imagerie TEM montrant à gauche l’état du substrat après implantation à travers un oxyde et à droite après implantation sans oxyde
Les travaux présentés précédemment ont démontré la faisabilité d’implanter le collecteur du transistor TBH à travers un SOI tout en préservant ses propriétés cristallines. Néanmoins, les contraintes sont nombreuses en terme d’intégration (espèce, énergie, dose, protection de la surface etc…). Ainsi une série d’essais a été menée en collaboration avec un de nos équipementiers afin d’implanter des plaques à haute température dans le but de limiter la génération de défauts dans le SOI comme on peut le trouver dans la littérature et présenté sur la Figure 103 du chapitre 3.
Une première série de plaques a été implantée puis mesurée en ellipsométrie afin d’évaluer la cristallinité du SOI après implantations réalisées à différentes températures. Comme le montre la Figure 186, un comportement assez similaire est observé pour les implantations réalisées à 0°C et 150°C avec un taux d’amorphisation proche de l’unité. A partir de 275°C on remarque une diminution importante du taux d’amorphisation jusqu’à une valeur 1% pour une implantation réalisée à 500°C. A noter que la dose d’implantation n’ayant que peu d’impact sur le résultat (validé de 5e13 cm-2 à 6e14 cm-2), les implantations arsenic à 60 keV
ont été utilisées pour ces travaux.
Figure 186 Taux d'amorphisation du SOI en fonction de la température d'implantationditions d’implantation Des coupes TEM (Figure 187) réalisées sur ces mêmes plaques ont consolidé ces résultats. L’amorphisation du SOI mais aussi de la partie sous le BOX diminue largement avec la température d’implantation.
Figure 187 Imagerie TEM montrant l’état du substrat après implantation à 0°C, 150°C et 500°C de gauche à droite
Afin de valider ces résultats préliminaires, nous avons réalisé la reprise d’épitaxie sur trois plaques ayant été implantées à respectivement 0°C, 150°C et 500°C. La Figure 188 valide les mesures ellipsomètriques présentées précédemment. Le comportement à 0°C et 150°C est similaire où l’on retrouve d’une part la migration du SOI en surface ainsi que la gravure entre Si et SiO2. A 500°C, la reprise d’épitaxie est parfaite sans qu’aucun défaut dans le BOX ni dans
le SOI ne puisse être décelé. A priori, l’implantation à haute température permet de préserver les liaisons et donc la cristallinité du SOI, ce qui bloque le démouillage de ce dernier pendant la préparation de surface de l’épitaxie et donc par conséquent l’interaction entre le silicium et le dioxyde de silicium.
Figure 188 Imagerie TEM montrant l’état du substrat après épitaxie sur des substrats implantés à 0°C, 150°C et 500°C de gauche à droite
Il est à noter que toutes les reprises d’épitaxie sur SOI implanté à des températures supérieures à 275°C ont été considérées comme fonctionnelles. La prochaine étape consistera donc à travailler sur le type de masques pouvant être utilisé afin de réaliser ces implantations. Effectivement, la tenue en température des résines se situe entre 150°C et 300°C et doit donc être évaluée en fonction de la température d’implantation choisie. Dans le cas où les résines ne pourraient pas être utilisées, des solutions existent notamment au niveau de masques durs spécifiques mais présentent le désavantage de représenter un coût supplémentaire non négligeable.