DÉFAUTS INDUITS DANS Si PAR IMPLANTATION DIRECTE OU A TRAVERS UNE COUCHE DE SiO2

HAL Id: jpa-00223134

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00223134

Submitted on 1 Jan 1983

HAL

is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire

HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

DÉFAUTS INDUITS DANS Si PAR IMPLANTATION DIRECTE OU A TRAVERS UNE COUCHE DE SiO2

B. Balland, B. Remaki, P. Pinard, E. Mercier

To cite this version:

B. Balland, B. Remaki, P. Pinard, E. Mercier. DÉFAUTS INDUITS DANS Si PAR IMPLANTATION

DIRECTE OU A TRAVERS UNE COUCHE DE SiO2. Journal de Physique Colloques, 1983, 44 (C5),

pp.C5-319-C5-324. �10.1051/jphyscol:1983548�. �jpa-00223134�

Colloque C5, supplement au nOIO, Tome 44, octobre 1983 page C5-319

DEFAUTS I N D U I T S DANS S i PAR IMPLANTATION DIRECTE OU A TRAVERS UNE COUCHE DE S i 0 2

B. Balland, B. Remaki, P. Pinard et E. ~ e r c i e r *

Laboratoire de Physique de l a Matisre (LA 3581, INSA de Lyon, 20, Avenue Albert Einstein, 69621 Vi l Zeurbanne Cedex, France

"Ecole Supe'rieure d 'EZectricite', B. P. 2 0 , 3551 0 Cesson-S&vigne', France Resume

-

Nous avons etudie, 1 des f i n s comparatives, l e s defauts i n d u i t s dans

-

-

13 Z

l e s i l i c i u m l o r s de l ' i m p l a n t a t i o n i o n i q u e (Energie = 180keV, dose=lO at/cm j dans deux cas :

i ) il y a i n t e r a c t i o n d i r e c t e du f a i s c e a u d ' i o n s avec S i : on detecte s i x types de centres.

i i ) ce d e r n i e r e s t protege par une couche mince de SiO d ' 6 p a i s s e u r i n f e r i e u r e 1 lOOnm : il n ' y a que deux niveaux profonds observablgs dont l ' u n e s t en

c o n c e n t r a t i o n elevee. La quasi u n i c i t e des defauts d e t e c t & p a r a i t i n t e r e s s a n t e : m e i l l e u r choix des c o n d i t i o n s de r e c u i t , p o s s i b i l i t e de r e a l i s e r en une seule o p e r a t i o n l e dopage du materiau e t l e c o n t r a l e de l a duree de v i e .

A b s t r a c t

-

We have made a compensative study o f t h e d e f e c t s created i n s i l i c o n , ,, ⁰ d u r i n g i o n i m p l a n t a t i o n (Energy = 180keV, dose = 10l')at/cmL) i n t h e f o l l o w i n g two cases :

i ) when t h e r e i s a d i r e c t i n t e r a c t i o n o f the i o n beam w i t h the s i l i c o n l a t t i c e : s i x types o f centres a r e detected.

i i ) when t h e l a t t e r i s s h i e l d e d by a t h i n f i l m o f SiO l e s s than 100 nm : o n l y two deep l e v e l s a r e observable o f which one has a h i g 6 c o n c e n t r a t i o n t h i s f e a t u r e i s r a t h e r i n t e r e s t i n g : b e t t e r choice o f annealing c o n d i t i o n , p o s s i b i - l i t y o f achieving i n a s i n g l e o p e r a t i o n t h e doping o f the m a t e r i a l and t h e c o n t r o l e o f t h e l i f e t i m e .

La technique de dopage par i m p l a n t a t i o n i o n i q u e presente de nombreux avantages (pure-

t e de l a source, c o n t r a l e de l a dose e t du p r o f i l

,

dopage 1 basse temperature) /I/.

Mais l e bombardement i o n i q u e e s t 1 l ' o r i g i n e d ' u n grand nombre de defauts / 2 / cer- t a i n s sont electriquement a c t i f s /3/ e t se cornportent comme l e s centres profonds. Les t r a i t e m e n t s thermiques peuvent l e s f a i r e d i s p a r a i t r e /4/ ou f a v o r i s e r l e u r d i f f u s i o n vers l e volume /5/ du s i l i c i u m , ou encore p r o d u i r e l e u r t r a n s f o r m a t i o n en de nouveaux centres /6/. Nous avons compare l e s centres i n d u i t s dans l e s i l i c i u m l o r s q u e l e bom- bardement i o n i q u e e s t r e a l i s e s o i t directement, s o i t t r a v e r s une couche de dioxyde.

Cette comparaison a 6 t 6 f a i t e independamment de t o u t r e c u i t thermique ou par f a i s c e a u d ' e n e r g i e a f i n d ' e v i t e r un eventuel changement de l a n a t u r e des imperfec- t i o n s /6/. Les centres profonds sont c a r a c t e r i s e s p a r l e s techniques classiques de spectroscopie c a p a c i t i v e e t derivee /7, 8/.

I

-

REALISATION DES ECHANTILLONS

Les d i s p o s i t i f s t e s t s u t i l i s e s s o n t des diodes Schottky r e a l i s e e s sur des tranches de

18 3

s i l i c i u m dope Antimoine avec une c o n c e n t r a t i o n ND supi'rieure 1 10 at/cm s u r une epaisseur de 280~m. C e l l e s - c i sont couvertes d'une couche e p i t a x i a l e dopee phosphore

15 3

avec ND egale i 10 at/cm

.

Certaines plaquettes ( B ) subissent une oxydation t h e r - mique sous O2 sec 1150°C. E l l e s sont e n s u i t e exposees au bombardement i o n i q u e ( P ou As). Des f e n e t r e s sont u l terieurement ouvertes par p h o t o l i thographie. AprPs nettoyage

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1983548

CS-320 JOURNAL DE PHYSIQUE

e l l e s sont ensuite m@tallis&es (evaporation sous vide de Al) ; l a geometric des diodes e s t rigoureusement definie par gravure de Al. Les autres plaquettes (A) sont oxydees s u r une epaisseur de 300nm

.

Les fenetres correspondant aux diodes Schottky sont ensuite ouvertes e t permettent l'implantation d i r e c t e dans l e silicium, avant metallisation.

Les conditions de bombardement ionique sont identiques dans l e s deux types de struc- tures (A) e t ( B ) . L'energie e s t choisie suffisamment elevee (180KeV) pour que l e pro- f i l d'implantation presente son maximum & une grande distance de l a surface

. -

ⁿ ; ce qui permet de separer l e s defauts de volume e t de surface. La dose 10'' at/cmL) e s t cal- culee a f i n d ' o b t e n i r une augmentation notable de l a concentration de dopage, sans a t - teindre l a d6generescence (meme lorsque tous l e s ions implant& sont actives e l e c t r i - quement)

.

Les diodes Schottky (A) e t ( B ) sont soumises 1 des contrbles preliminaires consistant en un affichage des c a r a c t e r i s t i q u e s C-V e t I-V (Figure 1 ) . Pour l e s deux classes de s t r u c t u r e s on observe l a meme a l l u r e de courbe. Notons l a presence d'un tableau re- velant l ' e x i s t e n c e d'une charge d'espace s i t u e e a environ 0.27~m de l a surface, ce qui correspond & R ( = 0.234vm), l a profondeur thgorique du pic d'implantation.

P

( 1 ) ^{T =} 77K I ( a ) C(PF)

1 ^$

^{= 6OmV/s}

A

-

implantation d i r e c t e ),

B

---

implantation a travers l O O n m de Si02 2 O k

Fig.1

-

Caracteristiques C-V e t I-V des deux s e r i e s de diodes

Fig.2

-

Reponse capacitive & rampe de tension suffisamment rapide, e t Fi basse temperature.

Dans ces mesures capacitives, on a s@p&?-6 l a participation des niveaux s u p e r f i c i e l s e t profonds en soumettant l ' e c h a n t i l l o n , place a basse temperature (77K),

a

une rampe de tension t r e s rapide (32V/ms) grlce un traitement experimental specifique 1 echanti 1 lonnage on enregistre directement l a courbe C-V (Figure 2 ) . La comparaison avec c e l l e s de l a figure 1 permet de determiner N,

-

l e taux de dopage (concentration des porteurs l i b r e s ) e t Nt, l a concentration globale des centres profonds electrique- ment a c t i f s .

I1

-

CARACTERISATION DES NIVEAUX PROFONDS

Les centres profonds sont caracterises par spectroscopie capacitive t r a n s i t o i r e . NOUS avons compare l a degradation induite par l e bombardement ionique en presence e t e n 1 'absence de couche de dioxyde s u r l a tranche de silicium. La figure ( 3 ) represente des spectres de DLTS a i n s i obtenus ; l a figure ( 4 ) d e c r i t l a signature des niveaux profonds detectes dans l e s deux types d'echantillons. Notons que s i Nt > N D , l e s ap- proximations classiques conduisent & des r g s u l t a t s e t conclusions errones (surestima- tion de l a section e f f i c a c e de capture, erreur s u r l a profondeur energetique due a une d i s t r i b u t i o n non uniforme / 9 / ) .

(+) centres dans l e s diodes A (implantation d i r e c t e )

( e ) centres dans l e s diodes B (implantees & t r a v e r s Si02).

Pour e v i t e r ces erreurs dans l'obtention des r e s u l t a t s mentionnes sur l e tableau 1, nous nous sommes places dans des conditions experimentales favorables ; notannnent, l e s impulsions de remplissage-vidage sont de f a i b l e amplitude de s o r t e que l a region prospectee s e s i t u e autour du Crossover (EF, E t ) e t donc en= n . cn (vitesse de cap- t u r e e t d'emission t r e s voisines : l e s t r a n s i t o i r e s de remplissage e t vidage ont meme constante de temps).

C5-322 JOURNAL DE PHYSIQUE

Tableau 1

-

Profondeur energetique 1 p a r t i r du bas de l a bande de conduction de Si, e t s e c t i o n e f f i c a c e de capture pour l e s d i v e r s niveaux obervss (o correspond 2 l a s e c t i o n e f f i c a c e apparente d e d u i t e des diagrammes dlArrh@nius de l a f i g . 4 ) .

Nous avons a i n s i mis en evidence d i f f e r e n t s defauts electriquement a c t i f s selon que l ' i m p l a n t a t i o n e s t r e a l i s e e directement ou 1 t r a v e r s une couche d'oxyde. Les centres profonds sont i n d u i t s par l e bombardement i o n i q u e ; mais i l s ne semblent pas speci- f i q u e s 1 l a nature de I ' i r r a d i a t i o n & l a q u e l l e o n t & t @ exposees l e s s t r u c u t r e s . En e f f e t c e r t a i n s d ' e n t r e eux o n t @ t & detect& dans des e c h a n t i l l o n s soumis ii un bombar- dement e l e c t r o n i q u e

/ l o /

ou une i r r a d i a t i o n photonique /11/. I 1 s s o n t probablement des complexes l a c u n a i r e s /12/aux f a i b l e s p o l a r i s a t i o n s , l e niveau EaA e s t masque par

*

Centre A : A s s o c i a t i o n lacune-oxygene /V-O/(- ,0) Bilacune /V-V/ ( =

,

^-)

Centre non i d e n t i f i e ; p r o f i l etendu, t r e s sen- s i b l e au champ e l e c t r i q u e ; type probablement donneur.

Bilacune /V-V ( - , 0)

C a r a c t e r i s t i q u e v o i s i n e du c e n t r e lacune-phosphore /P-v/ (- , 0)

Centre E l A E2 A E3 A

E4 A E5 A

.. .

l e niveau ESA, c e l u i - c i presentant une c o n c e n t r a t i o n elevee 1 p r o x i m i t e de l a surface.

I 1 en e s t de m@me pour 1es c e n t r e E6A, q u i de ce f a i t n ' o n t pu S t r e Studies systema- tiquement.

AE (eV) 0.16 0.20 0.27

0.4 0.44

E l B E2 B

Dans l e s s t r u c t u r e s implantees 1 t r a v e r s une couche de SiO?, nous avons constate l a a (cm2)

4.

4

. l o - l 6

10-l6

10-l4 8 .

-

presence de deux niveaux. L ' u n E3B e s t t o u j o u r s present en t r e s f o r t e concentration, 0.16

0.39

avec un p r o f i l t r e s etendu en vorume dans S i ; ses cat.act6ristiques sont v o i s i n e s de c e l l e s de E4A mais sa c o n c e n t r a t i o n e s t beaucoup p l u s elevse. Une etude systematique de ce type de c e n t r e /9/ nous a permis de p r e c i s e r ses c a r a c t e r i s t i q u e s (Figure 5) e t son importance : a r e e l l e & 223 K = 10-l5 cm avec a f o n c t i o n de l a temperature 2

4.

4.

e t du champ e l e c t r i q u e ( a ~ z - ~ ' ~ ) . Sa c o n c e n t r a t i o n e t a n t t o u j o u r s au moins &gale 2 c e l l e des p o r t e u r s l i b r e s (dopage apres i m p l a n t a t i o n ) , il c o n t r b l e donc l a reponse c a p a c i t i v e comme l e s courbes C-V de l a f i g u r e 2 l e montrent. L ' a u t r e EBI a l e s m6mes

Centre A : A s s o c i a t i o n lacune-oxyg6ne /V-O/(- ,0) Centre non i d e n t i f i e ; c o n c e n t r a t i o n @levee ; p r o f i l Ctendu ; de type donneur ; n a t u r e probable- ment non l a c u n a i r e .

c a r a c t e r i s t i q u e s que EAI mais en c o n c e n t r a t i o n nettement i n f e r i e u r e . Des etudes du tauX dksordre 2 l ' i n t e r f a c e Si-Si02 l a i s s e n t supposer que l'absence des a u t r e s n i - veaux en volume p o u r r a i t r e s u l t e r d'une f i x a t i o n des defauts correspondant,& p r o x i m i - t e r immediate de c e t t e i n t e r f a c e .

au niveau E Z B (diodes implant6es a travers Si02),

111.

-

CONCLUSION

L'implantation

a

travers une couche mince d'oxyde i n d u i t dans S i un nombre t o t a l de defauts electriquement a c t i f s , pratiquement egal

a

celui cr66 par implantation di- recte ; mais l e u r nature e s t differente. E n presence de Si02, l a reponse 6lectrique de l a s t r u c t u r e Schottky e s t contrdlee essentiellement par un seul niveau profond (E7R). Cette p a r t i c u l a r i t 6 nous semble interessante sous deux aspects :

--

.

e l l e permet u n choix des conditions de r e c u i t plus souple (un seul type de defaut 5 g u e r i r ) ;

.

e l l e pourrait e t r e ?I l ' o r i g i n e d'une technologie permettant de r e a l i s e r , en une seule operation l e dopage e t l e contrble de l a duree de vie dans cer- t a i n s disposi t i f s electroniques

.

REFERENCES

/1/ NOBILE R . , These ing. Doct. Univ. Rennes I (1980) 24.

/2/ CEMBALIS F . , DORI L . , GALLON1 R .

,

SERVIDORI H . , ZIGNANI F., Radiations e f f e c t s 36 (1978) 111.

/3/ WANG K . L . , Appl. Phys. Lett. 36(1)(1980) 48.

/4/ KRYNICKI J.,BOURGOIN J.C., Inst. Phys. Conf. Ser.46 (1979) 482 /5/ EVWARAYE A . O . , SUN E . , J . Appl. Phys. 47 (9) (1976) 3776.

/6/ KRYNICKI J . , BOURGOIN J.C., Appl

.

Phys. 18 (1979) 275.

/ 7 / LANG D . V . , J . Appl. Phys. 45 (1974) 3023.

/8/ BALLAND B . , MARCHAND J . J . , BRIOT R . , GRANGE G . , J . Phys. E 14 (1981)367.

JOURNAL DE PHYSIQUE

/9/ REMAKI B., SELMANI L., BALLAND B.,Sol. S t . E l e c t . (a p a r a i t r e ) .

/ l o / EVWARAYE A.D., J. Appl. Phys. 48 ( 5 ) (1977) 1840.

/11/ SHENG N.H., MIZUTA M., MERZ J.L., Appl. Phys. L e t t . 40(1)(1982) 68.

/12/ KRYNICKI J., BOURGOIN J.C., Rev. Phys. Appl

.

14 (1979)481.