Chapitre II
Bulles et cavités dans le silicium cristallin
II.1 Introduction
Les bulles/cavités créées dans le silicium ont fait l’objet de plusieurs travaux de recherche parce qu’elles ont une grande importance dans la modification des propriétés de ce matériau. Ces bulles/cavités trouvent leur intérêt dans l’obtention des structures SOI (Silicon On Insulator) par le procédé Smart-Cut comme ils peuvent servir pour le piégeage des impuretés. La création de ces bulles/cavités se fait généralement par la technique de l’implantation ionique d’un gaz dans une matrice.
Dans ce chapitre, nous allons faire une description de l’implantation ionique, nous présentons l'état de l’art sur les différents travaux sur la création des bulles/cavités.
II.2 Principe de l’implantation ionique
L’implantation ionique consiste à bombarder un matériau avec des ions de l’impureté désirée et à des énergies variant de quelques eV à quelques MeV. Un ion pénétrant dans un substrat va perdre son énergie par chocs avec les atomes de la cible pour finir par se placer dans une position où il peut être actif électriquement, optiquement, mécaniquement ou chimiquement selon la qualité du substrat. Par ces chocs, l’ion peut déplacer des atomes de la cible et créer ainsi sur son parcours de nombreux défauts. Donc l’implantation ionique est caractérisée par [1]:
La distribution des ions dans le substrat,
Les défauts crées par l’implantation dans le substrat,
L'implantation ionique trouve de nombreuses applications dans divers domaines de la science des matériaux : fabrication de guides de lumière, de mémoires à bulles, de circuits intégrés ou de pièces aux propriétés mécaniques spécifiques.
Le choix de cette technique est basé sur les différents avantages qu’elle offre :
L’implantation se réalise à plus basse température que la diffusion ;
La possibilité de contrôle de la dose d'ions introduits par le choix de l’énergie du faisceau et de la dose ;
L'énergie des ions permet de pouvoir contrôler la profondeur d'implantation et de déterminer l'épaisseur du substrat modifié ;
La possibilité de traiter tous genres de matériaux (isolants, semi-conducteurs et conducteurs) ;
La possibilité de ne traiter qu'une partie du matériau (en cachant l'autre partie par un masque) ;
La possibilité d’effectuer un traitement de surface qui n'affecte pas les propriétés et la composition du matériau en volume.
La figure II.1 montre le synoptique d’un implanteur ionique, il est composé d’une source d'ions, dans laquelle on introduit un composé de l'impureté désirée sous forme gazeuse. Une décharge en haute fréquence provoque l'ionisation. Les ions créés sont accélérés une première fois, un champ magnétique intense fait tourner la trajectoire des ions et sépare les ions désirés des impuretés indésirables en fonction de leur masse atomique. Le deuxième champ électrique les accélère pour leur donner leur énergie finale suivi d'un système de lentilles électroniques qui les oriente avec précision sur la plaquette.
L’implantation ionique est concernée par la gamme d’énergie d’ions incidents de quelques eV jusqu’aux MeV. En dehors de cette gamme, d’autres applications des interactions
Figure II.1 : Schéma d'un implanteur par faisceau d'ions [2]
ion-matière sont possibles (figure II.2) tel que dépôt de films, chimie des plasmas, érosion ionique, physique nucléaire [3].
La théorie de l’implantation ionique est basée sur les collisions binaires BCA (Binary Collision Approximation) [4], les principaux paramètres qui gouverne cette théorie sont : l’énergie d’incidence de l’ion implanté et l’angle d’incidence. La figure II.3 présente les différentes interactions ion-matière telles que [5,6] :
Des chocs élastiques par transfert de la quantité de mouvement aux atomes cibles ;
Des chocs inélastiques par excitation-ionisation de la cible ;
Une production de photon ;
Apparition de diverses réactions nucléaires.
La probabilité d’apparition de chacun de ces phénomènes dépend des caractéristiques de la particule incidente telles que la masse, la charge et l’énergie. Cependant, les deux derniers processus se déroulent lors des implantations à très hautes énergies [7]. Par ailleurs, il est clair que des phénomènes perturbateurs peuvent se produire, il s’agit de :
1. La rétrodiffusion des ions incidents : ayant lieu si la masse de la particule incidente est trop faible par rapport à la masse de l’atome cible. La particule incidente rebondit sur les noyaux du solide jusqu’à ce qu’elle sera rétrodiffusée ;
2. L’émission de rayonnement : par l’éjection de produits des réactions nucléaires : électrons secondaires, photons, particules légères et/ou lourdes ;
3. La pulvérisation : des noyaux peuvent être éjectés du matériau ;
Figure II.2 : Applications des interactions ion-matière
Implantation ionique
Collisions nucléaires et/ou électroniques Profondeur d’échappement 1nm Ions primaires Ions rétrodiffusés
e-
Électrons secondaires
hϑ Surface initiale
Neutrons
Agrégats moléculaires
+ -
Ions secondaires
4. La création de défauts : ayant lieu dans le matériau cible, si l’énergie transférée par collisions nucléaires aux atomes cibles est supérieure à l’énergie de liaison du solide. Ils peuvent avoir lieu sous forme de : lacunes, agrégats moléculaires. Chaque atome peut déplacer d’autres atomes par un processus en cascade.
Les ions incidents qui ne sont pas rétrodiffusés pénètrent dans le matériau où ils subissent des interactions avec la matière [8]. Ils perdent leur énergie selon deux processus décrits par la théorie LSS (due à Lindhard, Scharff et Schiott ) :
1. Les collisions élastiques directes avec les atomes du matériau donnent lieu à des changements rapides de quantité de mouvement ainsi que des transferts d’énergie cinétique.
2. Les interactions avec le cortège électronique qui peuvent être traitées comme une force de frottement sur la particule en mouvement. Elles peuvent donner lieu à des ionisations et/ou excitations (collisions inélastiques).
Figure II.3 : Les différents phénomènes produits au cours d'une l'implantation
II.3 État de l’art sur la création des bulles/cavités
Avant d’entamer l’étude de la formation des bulles/cavités, il est important de donner quelques notions fondamentales telles que :
II.3.1 Notion bulles/cavités dans le silicium
La terminologie généralement utilisée dans la littérature désigne les bulles comme des entités remplies de gaz tandis que les cavités sont supposées vides. Dans des cas où la distinction entre bulle et cavité n’est pas possible, le terme «bulle/cavité» sera employé.
II.3.2 Formation des précurseurs des bulles/cavités dans le silicium
Lors de l’implantation ionique, une large zone amorphe est créée, la densité du matériau dans la zone endommagée diminue. Ainsi tous les paramètres d’implantation pris au cours des phénomènes mèneront à une phase d’implantation qui va générer des sites précurseurs des bulles/cavités ; ces sites sont des complexes lacunes-particules.
D’une part, Altalo et al [9] supposent que les précurseurs des cavités sont des composés de deux atomes d’hélium interstitiels dans des sites tétraédriques adjacents. L’énergie de liaison des deux atomes d’hélium dans cette configuration est de 0,08 eV. C’est l’association de deux atomes d’hélium qui va jouer le rôle de centre de nucléation pour les bulles. Ces travaux ont montré aussi qu’une lacune ne pouvait pas piéger un He et donner lieu à une paire lacune- hélium, du fait de son instabilité.
D’autre part, Corni et al [10] remarquent que l’implantation donne lieu à trois zones au sein de la bande de défauts, comme le montre la figure II.4, telle que : la première zone, la plus proche de la surface, présente une grande concentration en lacunes décorées de quelques atomes d’hélium, La deuxième zone, plutôt au cœur de la bande de défauts, est constituée à la fois de fortes concentrations en lacunes et en hélium, ce qui se traduit par la formation de complexes lacunaires partiellement remplis d’hélium (Vn Hem). Ce sont ces complexes qui vont être les précurseurs des bulles et la troisième zone, elle se compose essentiellement d’atomes d’hélium en position interstitielle, pouvant diffuser rapidement ou former des amas.
E. Ntsoenzok a étudié la formation des bulles/cavités par implantation ionique des gaz (He ou H) dans le silicium pour des paramètres bien spécifiés tel que la gamme d’énergie (de quelques keV à MeV) et les différentes fluences d’implantation.
Nous présentons ci-dessous les principaux résultats [11,8] sur l’influence des différents paramètres d’implantation et de recuit thermique pour la création et la croissance des bulles/cavités.
II.3.2.1 Cas d’hélium implanté dans le silicium
1. Implantation pour une énergie de 50 keV et une fluence de 2,83 10× 16 He / cm ²
La figure II.5 présente une image MET de l’évolution des cavités pour les différents recuits d’une heure sous atmosphère d’Ar avec des températures comprises entre 400 et 900°C.
Dans le recuit 400°C, des platelets parallèles à la surface apparaissent au niveau du pic de concentration d’hélium (figure II.15.a). Ces platelets sont associés à de fortes contraintes dans le réseau de silicium, ce stress est mis en évidence par les différences de contraste autour de ces défauts qui sont remplis d’hélium, et que leur pression interne génère ce stress dans la zone les entourant.
1 2
3
Figure II.4 : Profils de concentration d'hélium et de lacunes, calculés avec SRIM (The Stoping and Range of Ions in Matter), pour une énergie de 50 keV et des fluences
de 2,83 et 5×1016 He/cm² Profondeur (µm)
Concentration de lacunes (cm-3 ) Concentration d'He (cm-3 )
Dans ces conditions, les bulles/cavités ont des formes moins allongées, il y a un développement des grosses cavités au milieu de la bande pour les recuits de 700 et 900°C. Le système de cavités semble évoluer vers un système monocouche et la taille des bulles/cavités augmente au cours du recuit et la densité diminue (tableau II.1).
Température Diamètre moyen (nm) Densité (mm-2)
700°C 11 ± 3 (4,6 ± 1)×109
900°C 23 ± 5,4 (5 ± 0,9)×108
2. Implantation pour une énergie de 50 keV et une fluence de 5× 10 16 He cm² / a)
b)
c)
Figure II.5 : Images MET montrant la création et l’évolution thermique des bulles/cavités pour une énergie de 50 keV et une fluence de 2,83×1016 He/cm².
(a) 400°C ; (b) 700°C; (c) 900°C
Tableau II.1 : Evolution du diamètre moyen et diminution de la densité des bulles/cavités au cours du traitement thermique pour une énergie de 50 keV et une
fluence de 2,83×1016 He/cm²
Suite à ce travail, l’énergie d’implantation est maintenue par contre la fluence est augmentée, les résultats de la microscopie électronique (figure II.6) montre l’apparition des bulles/cavités. Cette figure présente l’évolution de la bande de cavités au cours de différentes températures. Les grosses cavités se développent au voisinage du milieu des cette bande et la distribution des cavités présente une légère asymétrie. Ces bulles/cavités ont des formes plus régulières que celles obtenues pour cette fluence.
Température Diamètre moyen (nm) Densité (mm-2)
400°C ≈ 3 -
700°C 12,1 ± 4,2 (1.8 ± 0,6)×1010
900°C 20,7 ± 3,6 (4,5 ± 1,4)×109
D’après le tableau II.2, plus la température augmente plus la densité des bulles diminue alors que leur diamètre augmente d’où une croissance de ces bulles/cavités. Ce qui laisserait penser que les petites cavités disparaissent au profit des plus grosses avec l’augmentation de la température après un recuit de 900°C (figure II.6.c).
a)
Tableau II.2 : Evolution du diamètre moyen et diminution de densité des bulles/cavités au cours du traitement thermique pour une énergie de 50 keV et une fluence de
5×1016 He/cm²
3. Implantation pour une énergie de 1550 keVet une fluence de 2 10× 16 He / cm²
Après une implantation a une fluence de 2×1016 H/cm² et une énergie de 1550 keV, il y a une formation de défauts comme le montre la figure II.7.
Après un recuit à 800°C pendant 30 min (figure II.7.b) ; une bande de plus grosses cavités accompagnées de part et d’autre de défauts étendus ainsi des changements sont apparus dans la zone de défauts, après un recuit à 900°C pendant 30 minutes, comparés au recuit à 800°C (figure II.7.a) :
Les bulles/cavités se sont agglomérées en clusters. Ces clusters se touchent à cette température et leur taille a augmenté.
Ces clusters sont aussi des centres émetteurs de boucles de dislocations.
Figure II.6 : Image MET montrant l’évolution thermique de la bande de bulles/cavités pour une énergie de 50 keV et une fluence de 5×1016 He/cm² ; (a) 400°C ; (b) 700°C;
(c) 900°C c)
b)
Les figures II.8 et II.9 montrent un groupement de ces grosses bulles/cavités. Les bulles se regroupent et forment des amas de bulles/cavités. ces bulles/cavités sont sphériques et les boucles de dislocation sont émises par ces groupes de bulles/cavités (figure II.8).
La figure II.9, met en exergue le fait que ces groupements de bulles/cavités sont contenus dans des familles de plans (100).
Figure II.7 : Image MET des défauts créées par une énergie de 1550 keV et une fluence de 2×1016 He/ cm² et un recuit (a) 900°C; (b) 800°C pendant 30 minutes
a)
b)
Figure II.8 : Image MET de cluster de bulles/cavités obtenu par une fluence de 2×1016 He /cm² et un recuit de 900°C pendant 30 min
II.3.2.2 Cas d’hélium implanté dans le silicium couvert par Al:
Dans ce travail, E. Ntsoenzok et al [12] montrent l’effet d’une couche d’Al sur l’apparition des bulles/cavités dan le silicium implanté hélium à une fluence de 5×1016 He/cm² et une énergie de 1550 keV.
La figure II.10 montre une distribution non uniforme des bulles/cavités, en plus sur cette image les grandes bulles/cavités sont entourées par les petites.
Figure II.9 : Image MET d’une vue sur la tranche d'un groupe de bulles/cavités obtenue avec une fluence de 2×1016 He /cm² et un recuit de 900°C /30 min
Figure II.10 : Image micrographique obtenue à une énergie de 1550 keV et une fluence de 5×1016 He/cm². L’implantation était effectuée par couvert d’Al (1,5 µm) à 800°C/ 30
min. (a) défauts et dislocations ; (b) cavités ; (c) zoom de la bande de bulles
II.3.2.3 Cas d’hydrogène implanté dans le silicium
H. Assaf et E. Ntsoenzok [13] ont étudié l’effet de l’implantation d’hydrogène dans le silicium pour une épaisseur comprise entre 10 et 50 µm. Le tableau ci-dessous résume les différents paramètres (fluences et énergies) pour atteindre cette gamme de profondeur obtenue après recuit de 600°C pendant 30 min.
Energie (MeV) Dose (H+/cm2) Épaisseur de la couche (µm)
0,65 5×1016 8,8 ± 0,14
1 5×1016 16,92 ± 0,5
1,5 5×1016 30,33 ± 1
2 8×1016 49 ± 2,3
La figure 11.a présente des patelets obtenus par implantation d’hydrogène après recuit thermique. Dans ce cas la fluence n’est pas suffisamment forte pour obtenir des couches de silicium, par contre dans la figure 11.b les fractures sont visibles.
Ce travail donne un moyen pour atteindre une couche de silicium de haute qualité avec des épaisseurs variant d’environ 9 à 50 µm par implantation d'hydrogène dans le silicium. Ils ont trouvé que l’épaisseur de la couche dépend de l'énergie des protons implantés.
Tableau II.3 : Couches obtenues après un recuit 600°C pendant 30 min
Figure II.11: Image MET montrant : (a) patelets ; (b) fractures induites par implantation d’hydrogène dans le silicium
a) b)
II.4 Rôle des bulles/cavités dans l’industrie électronique
Les bulles/cavités sont utilisées dans le piégeage des impuretés métalliques des bulles d'He [14] et la fabrication de structures SOI par l'intermédiaire du procédé Smart-Cut [15], dans le cas des implantations d’hydrogène où les bulles induites après recuit permettent l’élimination des micros défauts et l’hydrogène à la surface pour obtenir une nouvelle couche pure, mince et à faible coût ; aussi des dérivées de ce procédé, ont permis la mise sur pieds des structures ULSI (Ultra Large Scale Integration) et des matériaux à faible constante diélectrique "low-k materials"
ou à forte constante diélectrique "heigh-k materials"
II.4.1 Le procédé Smart-Cut
Le procédé Smart-Cut combine à la fois une implantation d’hydrogène et le collage par l’adhérence moléculaire direct [13,15-19]. Smart-Cut est un procédé technologique permettant le transfert de films minces de matériaux cristallins sur des substrats (figure II.12). La fabrication d’une couche mince de matériau semi-conducteur comprend l’exposition d’une plaquette de matériau semi-conducteur, les étapes à suivre sont :
1. Le bombardement d’une face du substrat avec des ions, afin d’implanter ces ions en dose suffisante pour créer une couche de bulles/cavités,
2. La mise en contact intime de cette face du substrat réalisée par liaisons hydrophiles entre les deux plaquettes,
3. Le traitement thermique pour générer un clivage du substrat au niveau de la couche de bulles/cavités.
Il est donc ensuite nécessaire de réaliser des traitements thermiques pour éliminer les défauts, les rugosités, etc. Puis un polissage. Le reste de la plaquette donneuse est intact et peut être recyclé pour former une autre plaquette support, ce qui diminue le coût matériel.
Comme toute technologie, celle-ci présente des avantages tel que la possibilité de choisir l’épaisseur de la couche tout en modifiant juste l’énergie d’implantation ionique, ce qui nous donne une couche uniforme avec très peu de défauts, et le recyclage de plaque permet une production à faible coût. Cependant, la structure atomique du matériau est modifiée, réduisant ainsi la résistance à la brisure du matériau ; aussi, les propriétés physico-chimiques sont modifiées en trainant une destruction de la structure cristalline.
Si (A)
SiO2
3. Séparation Couche H
Si (A)
SiO2
1. Implantation H+
Si (B) Si (B)
SiO2
Si (A)
Couche H 2. Collage
Si (B)
SiO2
4. Polissage Si (B)
Hydrogène
Cette technologie peut également s’appliquer à d’autres semi-conducteurs, (SiC, GaAs, InP, …) [20-22]. En utilisant une couche mince plutôt que le matériau massif, cela permettrait de réduire les coûts de fabrication. On pourrait ainsi remplacer le silicium pour des applications à haute température et forte puissance.
II.4.2 Le gettering des impuretés métalliques
Les impuretés introduites dans les composants pendant leur fabrication modifient les caractéristiques de ceux-ci [8]. Il est donc impératif de contrôler la concentration de ces impuretés, d’autant plus que la miniaturisation des composants les rend de plus en plus sensibles à ces défauts. La plupart de ces impuretés sont en fait des impuretés métalliques dues aux différents procédés de fabrication des composants.
Afin de diminuer la concentration de ces impuretés, des techniques de piégeage ont été mises au point. Elles consistent à faire diffuser et à piéger les impuretés, en dehors des zones
Figure II.12 : Le procédé de fabrication d'une plaquette SOI à l'aide de Smart-Cut
Bande de
nano-bulles/cavités
Zone active
He
1. Transfert à une 2.Diffusion 3.Capture par pièges position interstitiel
Substrat
actives des composants. Une des méthodes les plus utilisée est une méthode de piégeage par la face arrière, qui implique de forts bilans thermiques donc de forts coûts. Une des alternatives à cette méthode est l’utilisation des cavités induites par implantation d’hélium pour piéger les impuretés en dehors des zones actives des composants. Il s’agit du gettering de proximité. Ce phénomène est schématisé sur la figure II.13.
Donc, le mécanisme global du gettering consiste à dépiéger les impuretés de leurs positions, puis à les faire diffuser vers des sites pièges où elles seront moins nocives. Il existe trois mécanismes intervenant dans le gettering :
1. La relaxation : où la concentration d’impuretés introduites est supérieure à la solubilité limite. Ce phénomène arrive lorsque l’impureté est introduite lors d’un recuit et qu’il y a un brusque refroidissement de température. Ce mécanisme a plusieurs utilisations : la déposition de films non métalliques, la diffusion superficielle du phosphore….
2. La ségrégation : la ségrégation consiste à faire diffuser les impuretés dans des zones où leur solubilité est plus grande. Ce mécanisme ne nécessite pas la sursaturation des impuretés. Il peut avoir lieu dans une région fortement dopée du composant où l’impureté va former une paire avec un dopant. Il peut également avoir lieu dans une couche métallique collée au substrat, dans laquelle la solubilité de l’impureté est plus élevée.
3. L’injection d’auto-interstitiels : l’injection d’auto-interstitiels permet aux impuretés hybrides de passer d’une position substitutionnelle vers une position interstitielle. En fait, les
Substrat
Figure II.13 : Processus de piégeage (gettering)
auto-interstitiels favorisent le dépiégeage et la diffusion de ces impuretés, de plus ils peuvent aider à réduire la taille des précipités.
II.5 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons mis en évidence l’apparition des bulles/cavités dans la matrice silicium, les travaux réalisés montrent que l’effet thermique induit une croissance de l’ensemble de ces bulles/cavités.
Dans le chapitre qui suit, nous allons présenter les différents mécanismes de croissance des bulles/cavités.
II.6 Références bibliographiques du chapitre II
[1] A. Naas « Étude de l’oxyde de silicium implanté krypton ou xénon : Evolution de la constante diélectrique », Thèse de doctorat, Univ. Orléans, 2010.
[2] Internet : http : // dunham.ee.washington.edu/ee528, janvier 2008.
[3] P.N. Favennec « L’implantation ionique pour la micro-électronique et l’optique », éd.
Masson, 1993.
[4] G.H. Kinchin, R.S. Pease, Rep. Prog.Phys.18 5 (1955).
[5] M.D. Giles, "Ion Implantation in VLSI technology", New York, McGraw-Hill: (1988), pp.327-374.
[6] Internet: http://www.scei-concours.fr/tipe/sujet_2002/si_psi_2002.pdf
[7] L. Ottaviani, « Réalisation de jonction p-n dans le carbure de silicium par implantation ionique d'alliminium », Thèse de doctorat, Univ. Strasbourg, 1999.
[8] R. Delamare « Étude de la croissance thermique des cavités induites par l’implantation d’hélium dans le silicium », Thèse de doctorat, Univ. Orléans 2003.
[9] M. Alatalo, M.J. Puska, R.M. Nieminen, Phys.Rev.B. 46(1992) 12806.
[10] F. Corni, G. Calzlari, S. Frabboni, C. Nobili, G. Ottaviani, R. Tonini, J. Appl. Phys.
85(1999) 1401.
[11] IWPSD, 2003 : Proceedings of the Twelfth International Workshop on the Physics of Semiconductor Device.
[12] R. Delamare et al. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 186 (2002) 324–328 [13] H. Assaf, E. Ntsoenzok. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 240 (2005) 183–187
[14] S. Godey, « Etude des cavités et des dislocations créées par implantation d'hélium a haute énergie dans le silicium : intérêt pour le piégeage d'impuretés métalliques », Thèse de doctorat, Univ. Orléans, 1999.
[15] M. Bruel,Electronic Letters Vol.31 no 14, p 1201 (1995).
[16] L. DiCioccio, Y. Le Tiec, F. Letertre, C.Jaussaud and M.Bruel,Electron Lett.32 (1996) 1144.
[17] B. Aspar, C. Lagahe, H. Moriceau, E. Jalaguier, A.Mas, O. Rayssac, M. Bruel, ECS Honolulu (1999).
[18] E. Jalaguier, B.Aspar, S. Pocas, J.F. Michaud, M.Zussy, M.Bruel,Elec. Lett.34 (1998) 408.
[19] E. Jalaguier, N. Dessaud, S. Pocas, B.Aspar, J.F. Michaud, M.Zussy, M.Bruel, 7ème Journées Nationales de Micro-électronique et Opto-électronique (JNMO), Egat, France, 1999.
[20] Q.Y. Tong, U. Gösele, T.H. Lee, Appl. Phys. Lett.70 (1997)1390.
[21] Q.Y. Tong, Y.L. Chao, U. Gösele, Elec. Lett.35 (1999) 341.
[22] F.J. Kub, K.D. Hobart, J.M.Pond, S.W.Kirchoefer, Elec. Lett.35 (1999) 477.
