Système Ni-Si(B)

Pour améliorer les propriétés électriques, le silicium est dopé avec des impuretés adéquates (les dopants) permettant d’introduire les porteurs libres. Deux types des dopants peuvent être utilisés : les accepteurs qui sont les éléments de la colonne III (le plus utilisé est le bore) et les donneurs qui sont les éléments de la colonne V (les plus utilisés sont le phosphore et l’arsenic). Ensuite pour diminuer la résistance de contact des transistors MOS, une couche mince de Ni est déposée et un recuit thermique est appliqué pour former la phase de faible resistivité, NiSi. La présence des dopants peut influencer la cinétique de formation des siliciures et leur distribution peut changer les propriétés électriques de la structure siliciure-silicium.

Dans le cadre de ce sous-chapitre, nous allons présenter les résultats issus de la littérature sur l’influence du bore sur la cinétique de formation des siliciures de Ni, ainsi que sur la redistribution du bore dans les siliciures de Ni.

a- Diagramme de phase

Dans la Figure 26, nous présentons le diagramme de phase ternaire Ni-Si-B à une température de 850°C (23). Selon ce diagramme de phase, plusieurs phases binaires peuvent exister entre le Ni et le Si (Ni₃Si à basse température, Ni₃₁Si₁₂, Ni₂Si, NiSi et NiSi₂), entre le Si et le B (B3Si et B6Si) et entre le B et le Ni (BNi, B3Ni4, BNi2 et BNi3). De plus, ce diagramme Ni-Si-B obtenu à 850°C nous informe sur l’existence de plusieurs phases ternaires, à l’équilibre, comme : BNi4Si2, BNi6Si2, B2Ni9Si4 et probablement B4Ni11Si5.

Figure 26 : Le diagramme ternaire NiSiB à 850°C (83).

Ces phases ternaires apparaissent dans les matériaux massifs contenant du Ni, du Si et du B à 850°C. Notre étude ne se base pas sur des matériaux massifs mais sur un film mince de Ni (épaisseur inferieure à 100 nm) qui réagit avec le substrat de Si fortement dopé en bore à faibles températures (inferieure à 850°C). Quelle phase se forme à l’équilibre thermodynamique dans le cas d’un film mince de nickel ?

Par exemple dans le cas de film mince de nickel déposé sur un substrat de silicium dopé B, Kudo et al. (84) ont observé la précipitation du B dans NiSi à l’aide de la sonde

atomique tomographique (SAT), à une température pour la quelle la phase NiSi s’agglomère (Figure 27). Même si les auteurs n’ont pas donné des informations sur la température de recuit, nous savons que l’agglomération de la phase NiSi se produit à hautes températures (environ 600°C-700°C).

Figure 27 : La redistribution des atomes de Si (rose) et bore (noire) dans le volume analysé. Le profil de concentration en bore a travers un amas riche en bore (84).

Dans la Figure 27, nous observons des gros précipités très riches en bore (70 %) mais aussi des petits précipités moins riches en bore. Ces précipités contienne à la fois du nickel et du silicium, mais la concentration en silicium est quasiment trois fois plus élevée que celle du nickel. Ainsi la question qui nous interpelle est la suivante : Dans le système Ni/Si(B), pouvons-nous parler de la formation des phases binaires ou ternaires, comme celles numérotées ci-dessus ?

Dans ce travail de thèse nous essayons d’apporter une réponse en ce qui concerne la formation des phases mais aussi sur la distribution du bore à travers les phases formées.

b- L’influence du bore sur la formation des siliciures de Ni

Durant ces dernières années, il y a eu plusieurs travaux sur les effets des dopants sur la formation et la stabilité de siliciures de Ni (85), (86), (87). Tous ces travaux affirment que la présence du bore n’a aucun effet sur la séquence des phases dans les siliciures de Ni. Par contre, elle peut retarder la formation de certaines phases. Par exemple, Xu et al. (86) ont

observé que la transition de NiSi à NiSi₂ a été retardée par la présence du bore lors de la formation des siliciures de nickel.

A haute température, le NiSi présente un inconvénient. Il peut s’agglomérer, c’est-à-dire former des îlots. Ce phénomène diminue les performances électriques du transistor CMOS. La présence du bore dans le NiSi peut retarder cette agglomération. Par exemple, Ahmet et al.(85) ont observé que l'agglomération de NiSi est ralentie dans les siliciures de nickel formés sur le substrat de Si fortement dopé en bore (au pic d’implantation CB=1,5x10²⁰ at/cm³) en comparaison avec les siliciures de nickel formés sur le substrat de silicium faiblement dopé en bore (au pic d’implantation CB =7,5x10¹⁹ at/cm³).

c- Redistribution du bore

Comme nous l’avons décrit au début de ce sous-chapitre, les siliciures de nickel sont obtenus à l’aide du procédé Salicide, qui est une technologie-clé pour la fabrication des transistors CMOS modernes. Dans ce procédé, le métal est déposé sur les parties actives du transistor (la source, la grille et le drain). Le recuit thermique permet la formation des siliciures de nickel par réaction à l’état solide entre le métal et le silicium. Pendant la formation de ces siliciures, les dopants vont se redistribuer dans la structure siliciure/silicium dopé bore et cela peut changer les propriétés des jonctions source/drain. Il est donc très important de savoir comment ces dopants sont distribués aux alentours de l'interface siliciure/silicium.

Zaring et al. (88) ont étudié la redistribution du bore lors de la formation des siliciures de nickel tel que Ni₂Si, NiSi et NiSi₂. Les auteurs ont montré à l’aide de la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) que le bore s'accumule à la surface du siliciure et à l'interface siliciure/silicium ; le profil du bore à l’interface siliciure/silicium ayant une forme quasiment exponentielle. Jiang et al. (89) ont confirmé les résultats obtenus par Zaring et al. (88) dans le cas de la formation du NiSi après un recuit thermique à 450°C. Deux pics d’accumulation de bore sont révélés : un premier localisé près de l'interface NiSi/Si et un deuxième localisé près de la surface du monosiliciure de nickel, NiSi.

L’accumulation du bore à l’interface siliciure/silicium peut être due au phénomène appelé « effet de chasse-neige » (en anglais « snow-plow effect »). Ce phénomène peut-être expliqué par un rejet du bore dans le silicium (la phase qui se consomme) lorsque l’interface se déplace au cours de la croissance d’une nouvelle phase (par exemple la phase NiSi).

« L’effet de chasse-neige » a pour origine la différence de limite de solubilité ou de diffusion entre le deux phases.

Dans le cadre de ce travail nous allons étudier la redistribution du bore lors de la formation de siliciures de nickel à l’échelle atomique. Ce travail apportera plus des détails sur la nature de la distribution du bore dans les siliciures de nickel.