DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM. ÉTUDE DE LA CINÉTIQUE ET DE LA DISTRIBUTION DES IMPURETÉS

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Submitted on 1 Jan 1973

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DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM. ÉTUDE DE LA CINÉTIQUE ET

DE LA DISTRIBUTION DES IMPURETÉS

P. Baruch, M. Bouvatier, C. Picard, Y. Epelboin, J. Monnier, B. Netange

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P. Baruch, M. Bouvatier, C. Picard, Y. Epelboin, J. Monnier, et al.. DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM. ÉTUDE DE LA CINÉTIQUE ET DE LA DISTRI- BUTION DES IMPURETÉS. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C5), pp.C5-131-C5-136.

�10.1051/jphyscol:1973525�. �jpa-00215312�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C5, supplément au no 11-12, Tome 34, Novembre-Décembre 1973,page C5-131

DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM.

ÉTUDE DE LA CINÉTIQUE ET DE LA DISTRIBUTION DES IMPURETÉS

P. BARUCH *, M. BOUVATIER *, C. PICARD *, Y. EPELBOIN **, J. MONNIER ***,

et B. NETANGE ****.

Groupe de Physique des Solides de l'ENS Paris.

Laboratoire de Cristallographie, Université Paris VI.

LETI, CENG-Grenoble et

Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF, Orsay, France

Résumé. - L'étude de la diffusion accélérée des impuretés dans le silicium, sous l'effet d'un bombardement de protons, a été reprise. La détermination de la distribution des impuretés apparaît nécessaire afin de mieux comprendre le mécanisme de diffusion. Des résultats préliminaires sont présentés ici. Nous avons calculé le profil théorique et son évolution dans le modèle d'une diffusion lacunaire, avec une cinétique d'ordre 1, et nous les avons comparés avec les profils expérimentaux obtenus sur des échantillons bombardés par des protons de 5 à 600 keV. La théorie lacunaire simple ne peut pas rendre compte de l'ensemble des résultats expérimentaux : la longueur de diffusion des lacunes dépend de l'énergie d'irradiation, variant de 0,2 pm pour 30 keV a 5 pm pour 600 keV ; les profils expérimentaux, dans certains cas, sont très éloignés des profils calculés.

Abstract. - We have started again the study of radiation enhanced diffusion of impurities in proton bombarded silicon. It appears necessary to have a better knowledge of the impurity dis- tribution, to understand the basic mechanisms for enhanced diffusion. Only preliminary results are presented here. We have calculated the theoretical impurity profile and its evolution in a vacancy diffusion model, with first order kinetics, and we have made the comparison with experi- mental profiles, obtained on samples irradiated with 5 to 600 keV protons. The simple vacancy model cannot account for the experimental results : the vacancy diffusion length depends on the irradiation energy, ranging from 0.2 pm for 30 keV protons to 5 pm for 600 keV protons ; the experimental profiles, in some cases, are totally different from the calculated profiles.

Depuis la mise en évidence [l], en 1962, dans l'un des laboratoires participant à cette étude, de l'accé- lération par irradiation de la diffusion des impuretés dans Ies semiconducteurs, la plupart des travaux sur ce sujet ont utilisé, pour caractériser ce phénomène, le déplacement d'une jonction n-p. L'irradiation à haute température (de 600 OC à 1 100 OC) d'un échan- tillon dopé non uniformément (déposition préalable d'impuretés par diffusion, épitaxie, implantation) conduit à une redistribution des impuretés, donc à un déplacement de la jonction. Dans nos études antérieures [2], nous avons montré que les résultats étaient compatibles, pour les impuretés (B, Ga, Al,

* Groupe de Physique des Solides de l'ENS Université Paris VII, Tour 23 2, place Jussieu, 75221 Paris Cedex 05.

** Laboratoire de Cristallographie Université Paris VI,

Tour 26 4, place Jussieu, 75230 Paris Cedex 05.

*** LETI, CENG, BP 85, 38041 Grenoble.

* * * * Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF BP 10, 91401 Orsay.

P, As, Sb) et les substrats (Si, Ge), avec un modèle de diffusion par lacunes : les lacunes en excès créées par irradiation disparaîtraient avec une cinétique du premier ordre sur des pièges fixes. La sursaturation locale en lacunes accroît la probabilité de saut, donc le coefficient de diffusion des impuretés.

Dans ce modèle, l'un des principaux paramètres que l'on tire de l'expérience est la longueur de diffusion des lacunes. Nous l'avons trouvée, en général de l'ordre de cm, dans nos conditions expérimentales (irradiation par des protons de 200 à 1000 keV, courants de 1 à 10 pA/cm2, fluence 10'7-1018 pro- tons/cm2),

Cependant, depuis quelques années, dans d'autres laboratoires, des expériences semblables ont été suscitées [3], [4], [5], [6], [7], [8] en raison des ana- logies avec les méthodes de dopage par implantation et des applications possibles. Les énergies de bom- bardement utilisées ont souvent été faibles (protons de 10 à 50 keV) ainsi que les fluences (1015-1016 cm-') ;

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973525

C5-132 P. BARUCH, M. BOUVATIER, C. PICARD, Y. EPELBOIN, J. MONNIER ET B. NETANGE dans de telles conditions, la longueur de diffusion

des lacunes apparaît en général inférieure par un ordre de grandeur cm) à nos résultats précédents, obtenus à plus haute énergie.

11 est donc évident que le modèle simple évoqué ci-dessus est insuffisant, mais les données obtenues par mesure du déplacement d'une jonction ne per- mettent pas une étude suffisamment détaillée du phénomène. Des mesures du profil de redistribution des impuretés et de la cinétique de ce phénomène seront beaucoup plus riches en informations. 11 existe peu de résultats publiés [5] donnant à la fois les profils « chimiques » et « électriques » dans toute la gamme de variation des paramètres utilisés. Nous présentons ici quelques résultats préliminaires d'études plus détaillées des profils d'impuretés, entreprises en coopération entre plusieurs laboratoires (').

1. Conséquences du modèle lacunaire. - Pour évaluer les conséquences du modèle lacunaire, nous

!Taux d e création

b) Pour x ⁼ x,, on suppose une création de défauts très localisée. On a ainsi une approximation très grossière des courbes de taux de création des défauts, suivant la théorie LSS [13]. Un calcul plus précis montre que, pour un proton de 400 keV (xR e 4 pm), 40 défauts sont créés entre la surface et x, par inter- actions coulombiennes et autant dans une couche d'environ 0,2 pm centrée autour de xR par interactions suivant un potentiel à court rayon d'action.

D 4Concentration d e s d é f a u t s I

FIG. 2. - Evolution (calculée) du profil de concentrations avec L,/xR = 0,04.

c) Les lacunes diffusent à partir de leur point de création avec un coefficient de diffusion D, et une durée de vie ^2, - donc une longueur de diffusion L,.

FIG. 1. - Profils de création de défauts, de concentration de lacunes et de coefficient de diffusion d'impuretés utilisés dans

le calcul avec le modèle de diffusion lacunaire.

avons calculé les profils obtenus en l'appliquant dans un cas simple [2] (Fig. 1).

a) La création des défauts est supposée uniforme entre x = O et x = xR (fin de parcours des protons).

(1) Les échantillons utilisés ont été préparés au LCR Thomson- CSF par M. Mercandalli.

d) Le coefficient de diffusion des impuretés est proportionnel à la concentration locale des lacunes.

Les lacunes créées à x = x, apporteront donc une contribution D m exp(- 1 x - x, IIL,) qui se super- posera à la création homogène entre O et xR.

e) A t = O, on partira d'une concentration d'im- puretés C(x, O) = Cs erfc (x(Do to)-Il2) représentant une prédiffusion à concentration de surface Cs constante pendant le temps to. Diverses conditions de surface, pendant la redistribution, peuvent être utilisées. Nous ne donnerons ici que celle correspon- dant à une surface « réfléchissante ». (Redistribution à quantité totale d'impuretés constante.)

DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM 125-133

Ce modèle, très simplifié, ne tient compte que d'une seule espèce de défauts (ici les lacunes, mais un mécanisme du type « interstitialcy » serait régi par les mêmes équations), et en particulier n'envisage pas l'effet de la recombinaison lacunes-interstitiels, comme calculé par Beyeler, Fiche et Lott [9].

Les calculs ont été faits à l'aide du programme DIFFUS1 [IO] et seront détaillés ailleurs [ll]. Nous représentons ici deux cas montrant i'influence du rapport LV/xR. Quand ce rapport est faible, la per- turbation à la distribution initiale est très localisée autour de x, et la rejoint avec un gradient très élevé.

Au contraire, si = 1, on a une modification d'ensemble de la distribution, sans accident localisé.

La cinétique théorique du déplacement d'une jonction (C(x - t) = Cte) apparaît aussi nettement.

Quand x, > xR, on note, comme un raisonnement intuitif le montre, que Ia vitesse d'avancée diminue en exp(- (x, - x,)/L,) quand on s'éloigne de x,.

L'étude des résultats numériques justifie la méthode employée par J. C. Pfister [2] pour mesurer L, (étude de (dx,/dt),=,,, en fonction de xJ = x,) et indique que pour x > x, on a sensiblement :

La relation précédente est en fait déduite d'une solution analytique des équations de Fick quand D(x) = D m exp(- (x - xR)/L,) pour x > x,. (Cette

DO relation a été donnée par Gibbons [4], avec l'omission du terme en t, qui permet de préciser les conditions initiales.)

Le principe du calcul permettra une extension à

Bo des situations plus complexes (meilleure approximation du profil de création de défauts, intervention des interstitiels, cinétique d'ordre supérieur à 1, etc...).

2. Résultats des irradiations à haute énergie (200

0 7t0 ^à 600 keV) ('). - Nous avons repris, dans un dis- positif expérimental voisin de celui utilisé précédem-

t + ^t,

x, = x,, + ^{L, log --}

to (1.1)

avec t, ⁼ L$/D,.

10-~-

d'échantillons non dopés ou à énergie telle que x, > x,, action sur des impuretés donatrices ou acceptrices, étude du désordre aux rayons X). Cepen- dant, il subsistait des irrégularités, difficiles à relier aux conditions expérimentales.

L'étude du profil de concentration a été abordée par microanalyse ionique et nucléaire et par des méthodes électriques. Les résultats préliminaires obtenus par des méthodes indépendantes (3) ont montré que le profil « chimique » présentait des anomalies considérables, incompatibles avec un simple modèle de diffusion. Les formes de profil observées expliqueraient l'irrégularité des résultats expérimen- taux où seul xJ est mesuré. Le détail de ces résultats et un modèle théorique seront publiés prochai- nement.

3. Irradiation à basse énergie (5 keV-30 keV) ^(4). - Une étude analogue à la précédente est faite sur des dopages superficiels correspondant aux profondeurs

i

h

v2

x=X/(D,~) pas toujours suivies. Nous estimons que, dans nos conditions expérimentales, l'effet compensateur des FIG. 3. - Evolution (calculée) du profil de concentrations avec défauts d'irradiation (voir 5 3) est éliminé par la L ~ X R = 0,36. température et la durée du traitement thermique.

Différentes observations le ~ r o u v e n t (irradiation

C= C s erfc-

L

m

( 2 ) Etude expérimentale effectuée au Groupe de Physique

des Solides de l'ENS. Nous remercions MM. d'Artemare et Vidal pour leur aide.

(3) Mesures effectuées au CENG par MM. Blanchard et Ligeon.

(4) Etude réalisée au Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF a l'aide du marché DRME, no 72-34-466.

:J\*

R et la courbe x,(t) ne suit que de très loin cette relation.

CS-134 P. BARUCH, M. BOUVATIER, C. PICARD, Y. EPELBOIN, J. MONNIER ET B. NETANOE

de pénétration des protons dans la gamme d'énergie 5 keV-30 keV (< 0,5 pm). Les températures d'irra- diation sont comprises entre 600 OC et 700 OC et les doses d'ions (Hf et H;) sont comprises entre 1015/cm2 et 10i6/cm2. Les modifications de profils d'impuretés (bore, phosphore) sont caractérisées par des métho- des électriques : biseau + révélation chimique, méthode C(V), résistance superficielle et décapage ionique, ainsi qu'à l'aide du microanaIyseur ionique CAMECA.

3.1 MISE EN ÉVIDENCE DE LA DIFFUSION ACCÉLÉRÉE DU BORE. - Le bore est soit diffusé (T ⁼ 1 000 OC, Cs = 10i9/cm3, 0,l < x , ~ < 0,5 pm), soit implanté (30 keV) sur des substrats de type n (1 à 10 Q.cm) pour les mesures de déplacements de jonctions.

FIG. 4. - Diffusion accélérée du bore.

0 : témoin.

1 : irradiation à 700 OC, 15 kV, 1 h, 100 nA/cmz.

A la suite de toutes les irradiations, une avancée de jonction a été observée sur les zones bombardées : 500 A à 2 000 A. Cependant, aucune corrélation n'a pu encore être faite avec les principaux paramètres du bombardement : température, énergie, dose dans la gamme étudiée. 11 apparaît en effet que des défauts résiduels peuvent affecter de façon importante la révélation chimique (HE : CuSO, : H,O) du biseau.

L'existence de ces défauts a été mise en évidence en

révélant un substrat non dopé, irradié dans les mêmes conditions que les échantillons dopés. Ces défauts sont stables jusqu'à 900 OC au moins et correspondent aux centres « accepteurs » déjà observés par Pfister [2].

La figure 4 montre l'évolution du profil de porteurs sur un substrat de type p (100 Q.cm) dopé au bore par implantation (40 keV - 1012/cm2) et irradié (courbe 1) à 700 OC. Les profils ont été déterminés par la méthode C(V) sur une barrière Schottky obtenue par pulvérisation de molybdène. L'avancée du profil (2 300 A au niveau C = 1015/cm3) semble pouvoir être attribuée à la diffusion accélérée du bore, car le profil électrique du substrat, non dopé par implantation, n'apparaît pas modifié par l'irradiation.

Le profil au voisinage immédiat de la surface ne peut pas être analysé par cette méthode : la diffusion semble être cependant beaucoup plus faible.

Des profils ont également été tracés à l'aide du microanalyseur ionique pour des concentrations de bore supérieures à 5 x 1017/cm3 : aucune modifi- cation sensible du profil n'a été enregistrée jusqu'à présent après irradiation.

FIG. 5. - Diffusion accélérée du phosphore pour différentes énergies d'irradiation.

O : témoin.

1 : irradiation à 700 OC, 7 kV, 1 h, 40 nA/cmz.

2 : irradiation à 700 OC, 15 kV, 1 h, 40 nA/cm2.

3 : irradiation à 700 OC, 25 kV, 2 h, 40 nA/cmz.

DIFFUSION ACCÉLÉRÉE PAR IRRADIATION DANS LE SILICIUM ^C5-135 3.2 MISE EN ÉVIDENCE DE LA DIFFUSION ACCÉLÉRÉE

DU PHOSPHORE. - Le phosphore est intro- duit par diffusion (T = 880 OC, Cs = 1019/cm3, 0,l < x,, < 0,5 pm) ou par implantation (80 keV).

Les mesures de déplacements de jonctions (sur sub- strats typep, 1 à 3 i2 .cm) montrent aussi des avancées de jonction de l'ordre de 2 000 A dans nos conditions expérimentales. Comme dans l'étude sur le bore, l'interprétation est rendue délicate à cause de défauts résiduels de type « donneur » que l'on observe aussi sur des substrats non dopés (ces défauts ont déjà été signalés par Pfister [2] et Abe et al. [12]).

FIG. 6. - Diffusion accélérée du phosphore pour des durées d'irradiation différentes.

i) : témoin.

1 : irradiation à 700 OC, 15 kV, 1 h, 40 nA/cmz.

2 : irradiation à 700 OC, 15 kV, 2 h, 40 nA/cm2.

Des profils obtenus par la méthode C(V) sont présentés sur la figure 5 pour trois énergies d'irra- diation différentes. Le profil témoin (courbe O) correspond au profil de phosphore implanté (80 keV -

1012/cm2). On remarque que l'irradiation à 25 keV (courbe 3) provoque un étalement plus important du profil que les irradiations à 7 keV et 15 keV.

La figure 6 montre les profils obtenus pour deux durées d'irradiation : une heure et deux heures, pour un même courant d'ions : 40 nA/cm2. Les deux pro- fils 1 et 2 ne diffèrent pas sensiblement, ce qui sem- blerait indiquer une saturation de la diffusion liée à une longueur de diffusion maximale des défauts assez faible : 0,2 Pm.

Des profils ont été tracés par mesures de résis- tance superficielle, combinées à un décapage ionique pour des concentrations initiales de phosphore plus élevées (80 keV - 5 x 1015/cm2), les irradiations ayant lieu dans les mêmes conditions que précédein- ment. Dans ce cas, aucune diffusion détectable n'a été mise en évidence au-dessus de 101*/cm3.

3.3. - Il ressort des résultats présentés ici que l'irradiation par les protons à 700 OC accélère la diffusion du bore et du phosphore dans le silicium.

Cependant, cette diffusion semble dépendre du niveau de concentration en ne modifiant que les queues de profils. Elle parait également dépendre de façon critique - en accord avec les calculs présentés ci- dessus - de la position du pic de défauts par rapport au profil initial et il semble que la longueur de diffusion de ces défauts soit faible (de l'ordre de 0,2 pm).

Ces deux derniers résultats sont en accord avec ceux de Minear [4]. Par contre, les travaux de Minear n'indiquent pas de dépendance de la diffusion vis- à-vis de la concentration. La présence de défauts résiduels d'irradiation n'a pas non plus été signalée par cet auteur, bien que les conditions de bombar- dement soient apparemment semblables à celles décrites ici. Comme on l'a constaté, la présence de ces défauts, actifs électriquement, peut perturber I'in- terprétation des mesures de profondeur de jonction par la révélation chimique.

4. Conclusion. - En conclusion, si l'effet de diffusion accélérée par irradiation a été confirmé, dans des conditions expérimentales variées, malgré les difficultés dues à l'effet électrique des défauts d'irradiation, il apparaît clairement que le modèle simple de diffusion lacunaire ne peut expliquer l'ensemble des phénomènes observés. Si certaines précautions de traitement thermique permettent de minimiser l'effet des défauts, il n'en reste pas moins que les profils de concentration et leur évolution en fonction de la fluence ne suivent, à basse énergie, que qualitativement les prédictions du modèle simple, et sont incompatibles avec celui-ci à haute énergie.

La grande variabilité des « longueurs de diffusion de lacunes » - plus proprement « longueur d'inter- action entre défauts et impuretés » - suivant l'énergie, pour des échantillons de même provenance, doit conduire à la recherche d'un modèle plus élaboré faisant intervenir en particulier des défauts différents en interaction réciproque.

C5-136 P. BARUCH, M. BOUVATIER, C. PICARD, Y. EPELBOIN, J. MONNIER ET B. NETANGE

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