HAL Id: jpa-00249029
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Submitted on 1 Jan 1993
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Caractérisation électrique des interfaces
P+-Si-poly/N-c-Si réalisées par dépôt LPCVD de films fortement dopés in situ au bore
M. Akani, C. Benouis, M. Benzohra
To cite this version:
M. Akani, C. Benouis, M. Benzohra. Caractérisation électrique des interfaces P+-Si-poly/N-c-Si réalisées par dépôt LPCVD de films fortement dopésin situau bore. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1993, 3 (8), pp.1675-1687. �10.1051/jp3:1993228�. �jpa-00249029�
J. Phys. III France 3 (1993) 1675-1687 AUGUST 1993, PAGE 1675
Classification Physic-s Absn.acts
72.20 73.40
Caractdrisation dlectrique des interfaces P+.Si.poly/N.c.Si
rdalis4es par ddpbt LPCVD de films fortement dopds in situ au bore
M. Akani, C. E. Benouis et M. Benzohra
Universitd des Sciences et de la Technologie d'oran, Oran El-Mnaouer 31000, Algdrie (Re~,u le 22 janvier J993, r£vis£ le 3 mai J993, acceptd le J8 mar J993)
Rksumd. Des diodes h dmetteur polycristallin dopd in situ au bore et ddposd par LPCVD sur des plaquettes de silicium monocristallin dopd N sont analysdes dlectriquement dans le but d'identifier [es mdcanismes de conduction h travers la jonction. Nous prdsentons les rdsultats des mesures I(V, T) et C(V, T) des diodes recuites (processdes) h 1050 °C pendant 11 min45 s dans des
atmosphbres d'oxygbne, d'argon et d'azote et les comparons aux rdsultats des diodes non recuites.
Nous essayons de corrdler les rdsultats des mesures dlectriques aux analyses de structure rdalisdes par ailleurs [I]. L'identification du mdcanisme de transport prdponddrant tdmoignera de la qualitd dlectrique des structures dtudides.
Abstract. Diodes with polycrystalline in situ boron doped emitter deposited by LPCVD on N
doped monocrystalline silicon wafers have been analysed electrically with the aim to identify the
conduction mechanism through the jonction. In this paper we present the I(V,T) and
C IV, T) measurements of the diodes annealed at 1050 °C during II min 45 s in oxygen, argon and nitrogen atmosphere. we also compare the non annealed diode data previously found with our present results, and try to correlate the electrical measurements to the structural analysis [I]. we
conclude that the dominant mechanism shows the electrical quality of the studied structures.
Introduction.
Pendant cette dernikre ddcennie, le silicium polycristallin a dtd marqud par une large utilisation dans le domaine de la micro-dlectronique. Ce matdriau a ouvert la voie vers de meilleurs performances pour les composants dlectroniques comme les diodes et les transistors pour
lesquels le silicium polycristallin est utilisd en couches minces comme dmetteur le gain des transistors ainsi fabriquds se trouve jusqu'h 7 fois plus dlevd que celui des transistors h dmetteur
monocristallin [2, 3].
Les dtudes rdcemment mendes sur les films de silicium polycristallin dopds in situ au bore et
ddposds sur des substrats de silicium monocristallin dans un rdacteur LPCVD, suscitent un intdrdt particulier. Les mdcanismes de croissance de ces films s'avbrent diffdrents de ceux non
dopds et dopds phosphore. Le dopage in situ au bore amdliore la structure cristalline par l'augmentation de la taille des grains et la disparition des phases amorphes auparavant
existantes sur les dchantillons non dopds et dopds phosphore et cela pour la mdme tempdrature de d6pbt [4].
Le mdcanisme de germination h la surface en contact avec la phase gazeuse gouveme les
ddpbts dopds bore, contrairement au cas des ddpbts dopds phosphore et non dopds qui mettent en jeu deux m6canismes de croissance en mdme temps, la croissance en phase gazeuse et la
croissance en phase solide [4, 5].
Cette amdlioration acquise sur la structure cristalline des films polycristallins dopds au bore
a des consdquences sur les propr16tds de transport dans les structures dlectroniques de type P+- Si-poly/N-c-Si. L'dtude mende dans notre laboratoire sur des diodes h 6metteur polycristallin et fortement dopds in situ au bore, nous a permis l'identification des mdcanismes de transport ainsi que le suivi de leur dvolution en fonction des parambtres technologiques. Nous avons pu
6galement corrdler ces mdcanismes de conduction aux analyses de structure effectu6es par ailleurs sur [es mdmes dchantillons [4].
Conditions expdrimentales.
Les films de silicium polycristallin sont d6posds dans un r6acteur LPCVD industriel et sont
fortement dop6s iii situ au bore (~10~° cm~~) par la d6composition du mdlange gazeux :
SiH~ + 3 % BCI~. Les films sont ddposds par le groupe « Wafer processing » des transistors de puissance de Motorola-Toulouse. Des films de 5501 et 30001 sont ddposds sur des
plaquettes de silicium monocristallin de 125 mm de diambtre, dop6es N (N~
=
10'~ cm~~),
orient6es (lll) et issues de lingots Czochralsky. Les plaquettes ont subi deux types de nettoyage avant ddpbt, dits standard et plasma, le nettoyage standard est un proc6dd chimique classique ddveloppd par RCA [6], les bains de nettoyage sont partiellement modifids pour tenir compte des impdratifs lids aux d6pbts Si-LPCVD de faibles 6paisseurs [4]. Le nettoyage plasma consiste h crder une d6charge dlectrique dans un gaz moldculaire de fapon h produire
des ions atomiques ou moldculaires, ceux-ci rdagissent avec la surface du matdriau et transforment les impuretds en produits volatils, ces produits seront 6vacuds par pompage [7].
Les films sont ddposds h trois temp6ratures de d6pbt diff6rentes : 520 °C, 555 °C et 605 °C.
Deux types de contact m6tal sont rdalis6s sur la surface sup6rieure (cbt6 polycristallin) des diodes, un contact d'aluminium suivi de chrome pour un premier lot et un contact de chrome suivi d'aluminium pour un deuxidme lot. La face inf6rieure de toutes les diodes est col16e au support h l'aide d'un eutectique or-silicium. La premidre s6rie d'6chantillons appe16e « as-
grown » n'a pas subi de traitement thermique post-d6pbt et est dtudide en fonction des
parambtres technologiques suivants 6paisseur des films, type du nettoyage et tempdrature de
ddpbt [15].
La deuxidme sdrie appelde « processde » est divisde en trois lots tous recuits h 1050 °C
pendant I I min 45 s et diffbrant par l'atmosphbre du recuit qui est l'oxygbne pour le premier lot, l'azote pour le second et l'argon pour le troisibme.
L'6tude structurale est r6alis6e par le groupe de Bielle-Daspet du L-A-A-S- de Toulouse.
Nous essayons dans cet article de corrdler cette Etude h l'dtude des mdcanismes de conduction rdalisde par notre groupe au laboratoire d'analyse des composants h semiconducteur.
Les mesures I (V, T) et C (V, T) sont rdalisdes dans un banc de mesure automatis6 et dots
d'appareils de prdcision (Fig. I). Les dchantillons sont chauffds dans un four h l'intdrieur
duquel la temp6rature est contr016e h I °C prbs. Les 6chantillons que nous analysons ici sont
regroupds dans le tableau I, ils sont tous rdalisds h la tempdrature de ddpbt de 555 °C cette tempdrature semble optimale pour le d6pbt par LPCVD des couches de silicium polycristallin fortement dopdes in situ au bore. Les analyses au microscope dlectronique par transmission et diffraction dlectronique tdmoignent d'une structure microcristallisde avec une taille moyenne
N° 8 CARACTERISATION ELECTRIQUE DES INTERFACES P+-Si-POLYfQ-c-Si 1677 1
~j~~r~~~
i~~~~~i~ ~~~~~~~ i~
sgteq~e de ~ o
li
~°~ ~~~~~~ Pmible ~i ~
PE13li7 °'
+ -
LCRMe~r
hnpression
des r£sultats
Table bagante les
num£rique £chantillons
PM
Fig. I Schdma synoptique du banc de mesure I IV, T) et C (V, T).
[Schematic of the setup used for I IV, T) and C IV, T) measurements.]
Tableau I. Liste des dchantillons analvsds et conditions technologiqiies.
[Name of analysed samples and experimental conditions.]
Sdrie 4-1 4-3 4-5 4-7
Epaisseur IA') 3 000 550
Nettoyage plasma standard plasma standard
Contact Al-Cr, Cr-Al
Atm. de recuit
T~ = 050 °C O~-N~-Ar N~-Ar
t~ =
I1' 45"
des grains comprise entre 3001et 10001. Au-dell de cette tempdrature de ddp0t, la rdsistivitd dlectrique des couches augmente (Fig. 2) [4].
Rksultats et discussion.
MESURE I (V, T) et C (V, T). Les mesures I(V. T) et C (V, T) effectu6es sur les diodes P+ Si-poly/N-c-Si nous permettent d'identifier les diffdrents mdcanismes de conduction
susceptibles d'intervenir dans ce type de structures. Nous exploitons la partie lindaire du track
Log l~(V ) (voir Fig. 3) aux tensions intermddiaires. De cette rdgion on extrait les parambtres lo (valeur du courant extrapold h V
=
0), le facteur d'iddalitd n; l'dnergie d'activation
E~ est extraite du track Lnlo(T~'). La ddviation de la forme exponentielle est due
respectivement aux phdnombnes de recombinaison et h la r6sistance s6rie aux faibles et fortes tensions de polarisation. Le track C(V, T) pr6sente une variation lindaire en C~~(V qui
~
w
+e + I
w
Td j°c)
Fig. 2.
silicium par PCVD et fortement dopds au bore.
[Electrical resistivity variation with deposit of
olysilicon-LPCVD films [4].]
(
$ lo
IZ IO O
~ IO
~ 300°K
IO 325aK
~
350°K
IO 373°K
400°K
~~-8
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
tension (V)
Fig. 3. Caractdristique I(V, T) d'une diode processde sous atmosphbre d'argon.
[Measured forward current-voltage characteristics of a typical diode annealed in argon atmosphere.]
tdmoigne d'une jonction abrupte (Fig. 4). De ce track on extrait la concentration du dopant N~ dans le substrat et la barribre de potentiel q4~.
Les diodes « as-grown » peuvent dtre assimi16es h des diodes Schottky off l'dmetteur
polycristallin fortement dopd agit ici comme un mdtal, la couche de charge d'espace se trouve du c0td du c-Si et la jonction dlectrique coincide dans ce cas avec l'interface poly/mono. Dans
ce type de structures les mdcanismes de conduction susceptibles d'intervenir sont l'dmission
thermionique, l'dmission thermionique assist6e par champ et l'dmission assist6e par champ ; [es deux derniers m£canismes sont des m6canismes d'effet tunnel et interviennent h faible
temp6rature.
D'autres m6canismes sont 6galement possibles comme la g6n6ration-recombinaison,
l'injection des porteurs minoritaires et l'effet tunnel par saut (multistep tunneling).
Les diodes
« processdes » se comportent comme une jonction pn, celle-ci se trouve dans le
N° 8 CARACTfRISATION fLECTRIQUE DES INTERFACES P+-Si-POLYfQ-c-Si 1679 4e+19
a 3OOOK
* 325°K
3e+19 O 350°K
Qi . 375°K
I
o qgoK
/ 2e+19
le+19
-1 0 2 3 4
TENSION(V)
Fig. 4. Caractdristique C~~(V, T) d°une diode processde sous atmosphbre d'argon.
[Reverse C~~IV characteristics of a typical diode annealed in argon atmosphere.]
volume du substrat monocristallin loin de l'interface poly/mono, et le mdcanisme de
conduction dans ce cas serait la combinaison de la diffusion dans la zone neutre de la jonction
et la recombinaison dans la zone de charge d'espace ; l'effet de l'interface poly/mono serait
ndgligeable.
L'amplitude de chaque mdcanisme est fonction de la tension de polarisation, la tempdrature
de mesure et la nature des ddfauts dans les zones dlectriquement actives. Pour cerner les
mdcanismes prdponddrants, les tracks suivants sont effectuds: Lnlo(T), Lnlo(T~~) et
Ln lo [(nT~ ], (voir Tab. II) [9-1 Ii.
Dans [es figures 5a, b nous avons reprdsentd le profil SIMS rdalisd h la sonde ionique pour
une diode
« as-grown » et une diode « processde » ; nous remarquons que la concentration en
m m
~ ~
~ ~
< <
m z
°I I lo
f f Si-poly c-Si
$ $
# # lo i
f I '
~
~~17
~
~~17
pm ' ~~'
IO
O,O o,2 O,4 O.6 0,8 1,O 1,2 1,4 1,6 1,8 2,o 0.O O,2 O,4 O.6 0,8 1,O 1,2 1,4 1,6 1,8 2,O
Fig. 5. al Profil SIMS du bore des diodes
« as-grown ». b) Profil SIMS du bore des diodes pracessdes.
[al The SIMS profit of bore in non annealed (as grown) diode b) The SIMS profil of bore in annealed (processed) diode.]
Tableau II. Traitements dlectiiques pow- les dij$dieiits mdcanismes susceptibles d'interi,eni;
darts les structures P+-Si-poly/N-c-Si [9-11, 14].
[Electrical treatment for the different mechanisms which occur throughout the P+Si-poly/N-c- Si.]
M6canismes Traitement 61ectrique
Diffusion-recombinaison Log (I
= f(V
~
lin6aire, ~ n ~ 2 n(T)
= constant
Emission thermoionique Log (I
= f (V
~
lin6aire, n (T), Lglo (T~') lin6aire, qq~) constant, E~
= E~
Injection des porteurs minoritaires Log (I)
= f(V )(~ lin6aire, n
= I
Lg (lo (T~ ') lindaire
Effet tunnel par step Log (I = f(V )(~ lindaire,
~ n ~ 2
Lglo(T) lindaire, nT constant VT, qq~)
= f (T)
Emission thermoionique Log (I
=
f(V
~
lindaire,
~ n ~ 2
assistde par champ Lglo(nT~ ') lindaire, n varie avec T, E~ ~ E~
Recombinaison Lglo(T~ lindaire, Lglo(T) lindaire
n = 2, E~
= E~/2
bore est uniforme (2 x 10~° cm~~) dans la couche du polycristal puis chute brusquement h 0,3 ~Lm de profondeur, cette variation coincide avec l~interface poly/mono et sert de repbre
pour la profondeur de l'interface. Pour la diode «processde» on remarque dgalement
l'existence d'une concentration importante (3 x 10'~ cm~ de bore sous l'interface ce qui est
db h la diffusion de cet dldment sous l'effet du recuit. Une partie du substrat monocristallin de type N au ddpart se trouve transformde en type P, la concentration du bore chute par la suite
entre 1,0 ~Lm et 1,4 ~Lm. De ce fait la jonction dlectrique des diodes « processdes » ne coincide
plus avec l'interface poly/mono et se trouve nettement dans le volume du monocristal. Dans (es
figures 6a, b, nous avons reprdsentd )es schdmas de structure de bande des diodes. La barribre de potentiel q4~ s'exprime comme suit
a) diodes
« as grow,n »
4b"4)+4n
~~~C q4i~Eg+qV$~q4n+q4p
b) diodes
« processdes »
Dans ce cas, ii existe deux barribres de potentiel 4~j associde h la jonction pn et
4~~ associde h l'interface poly/mono
4bl ~ In + IS
avec 4$ le potentiel inteme h polarisation nulle, 4~ le niveau de Fermi dans la zone neutre cbtd N.
~bb2 ~ ~b~ + ~bp2 ~V~C ~b~ " ~bpl ~bp2 + ~~~
N° 8 CARACTfRISATION #LECTRIQUE DES INTERFACES P+-Si-POLY/N-c-Si 1681
n-c.Si
qvi~~ ~~~ ~~~~
x
EC t ~
~4~
EFn Be
~~
qV
iv .-.-.-.-.-~-. ~~
a)
n-c,Si ~ ~°~~ qV/~ ~~~°~~
iii?.-.-. X
g~
~ ~ q4n ie
"
~(l'[...[[-[-[[..-[[,ll$[[_[[
P qV
iv ~4p2
~~
Z Fpi
b)
Fig. 6. a) Structure de bandes d'dnergie d'une diode «as-grown» sous polarisation directe.
b) Structure de bandes d'6nergie d'une diode processde sous polarisation directe.
[al The Band diagram structure of non annealed (as grown) diode at forward bias, b) The Band diagram
structure of annealed (processed) diode at forward bias.]
4~(: le potentiel interne h polarisation nulle au niveau de l~interface, 4~j le niveau de Fermi
dans la zone neutre P-poly, 4~~, le niveau de Fermi dans la zone neutre P-mono,
Vi la chute de tension h l'interface poly/mono et h polarisation nulle.
En polarisation directe, la tension V se rdpartit sur les zones dlectriquement actives h savoir V~ pour la jonction pn et V~ pour l'interface poly/mono. Dans l'expression des deux barribres
dtablies ci-dessus et pour notre cas (concentration c0td N N~
=
10'~ cm~ et concentration
c0td P N~
=
3 x 10'~ cm~
~)~ on a
~b$ ~ ~b( + v) et 4
~ ~ 4
~j ce qui impiique 4
~j ~ 4
~~
La chute de tension V~ au niveau de la jonction pn serait dans ce cas plus importante que la chute de tension V, au niveau de l'interface poly/mono, par consdquent le courant traversant la
structure est contr01d par la jonction pn.
JOURNAL DE PHYSIQUE I>I -T I N' 8 AUGUST 1993 60
La corrdlation du profit du dopant (SIMS) et les mesures dlectriques sur les diodes
« processdes » nous permettent de conclure que le mdcanisme de conduction est un mdcanisme de jonction pn~ en l~occurrence la combinaison de la diffusion dans la zone neutre et la
recombinaison dans la zone de charge d'espace. L'expression du courant est donnde par [14].
J
= J~~[exp (qV/kT I + AW exp (qV/2 kT)
~vec J~d = q(D/Tp)~~~ n)/Nd
' Pn0 " ~p0 A
= qwvth ~t ~i/2
D~, T~, n~, N~ sont respectivement le coefficient de diffusion, la durde de vie, la concentration
intrinsbque et la concentration du dopant c0td N.
tr, V~~, N sont respectivement la section de capture~ la vitesse thermique et la concentration des niveaux recombinants.
Nous avons donna respectivement dans le tableau III et IV une synthbse des rdsultats sur les
parambtres dlectriques et l'dvolution de ces parambtres avec la tempdrature pour les deux types de diodes. Nous remarquons pour les diodes processdes que le facteur d~iddalitd n est compris
entre I et 1,5 pour l~ensemble des diodes et est inddpendant de la temp6rature ce qui implique
l'intervention d'un mdcanisme non activd thermiquement, en l'occurrence ici la diffusion et la
recombinaison dans la jonction pn, la recombinaison l'emporte sur la diffusion
(1,8 ~ n ~ 2,0 pour la diode PAr4. L'effet de l'interface poly/mono est ndgligeable dans ce
cas et agit seulement comme joint de grain parallble h la jonction dlectrique, pour les diodes
« as- grown », du fait que la jonction dlectrique coincide avec l'interface poly/mono, celle-ci a
un effet ddterrninant sur les mdcanismes de transport qui seront caractdristiques d'une structure mdtal-semiconducteur.
Les tracds prdcddents effectuds pour ces diodes font apparaitre (Voir Tab. III) diodes AG4 :
~ n ~ 2~ Ln I
o = f (T~ ') lindaire, n
=
f (T), 0,9
~ q4
~ ~ l,0 eV et E
~ =
0,6 eV diodes AGI et AG3
~ n ~ 4
,
Ln I o(nT~ ' lindaire, n
= f (T), E~ ~ q4
~ ,
diodes AG2
1,7 ~ n ~ 2,2
,
(nT)
=
Cte
,
Ln lo
= f(T) lindaire
,
q4 = f(T)
Le facteur d'iddalitd dans le cas de ces diodes est diffdrent de I h cause de la force image qui
induit un abaissement de la barribre de potentiel d'une quantitd 64~, [13] n prend l'expression
suivante en fonction de la barribre de potentiel q4 1/n
= (d4/dV) avec 4
= 4~ 64~~.
Pour V ~ 3 kT/q, n est ddduit du tracd I (V ) par la relation : I In
= kT/q. d (Ln J)/dV.
On ddduit de ces caractdristiques que le mdcanisme prdponddrant pour )es diodes AG4 est la recombinaison [9], pour les diodes AGI et AG3 c'est l'dmission thermoionique assistde par
champ [10, 13] et pour les diodes AG2 l'effet tunnel par saut (multistep tunneling) [I Ii.
L'intervention des mdcartismes h effet tunnel (l'dmission thermoionique assistd par champ et l'effet tunnel par saut) ainsi que les mdcanismes assistds par pibges (recombinaison et effet tunnel par saut) dans le cas de nos diodes « as grown » s'explique par le dopage dlevd qui est
supdrieur h 10'~ cm~~ et
par la forte concentration des ddfauts qui existent dans ce type de structures h l'interface poly/mono.
N° 8 CARACTERISATION ELECTRIQUE DES INTERFACES P+-Si-POLY/N-c-Si 1683
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