Atelier Atelier « Contamination »« Contamination »

Giens, Journées de l’IM2NP, 11-12 mai 2010

Résumé de l’atelierRésumé de l’atelier

Contamination Silicium « microélectronique »- « vieux sujet » mais contraintes ITRS « extrêmes »-liste de (contaminants + complexes) connue (ne pas oublier H, C et O), en concentration faible, interactions de paires métal–défaut uniquement …- techniques nombreuses mais compromis « magique »

à trouver: Détecter / Quantifier / Identifier / Localiser- Part importante de l’axe thématique « fiabilité du

matériau au composant »

Résumé de l’atelierRésumé de l’atelierContamination Silicium « microélectronique »- Projet « COMET » (FUI – 6 équipes IM2NP impliquées)

• Développement de techniques de pointe (EDMR, DLTS, MAFM, micro-PCD, + Méthode optiques : ellipsométrie, spectroscopie, diffusion de la lumière, imagerie …

• Étude des effets électriques (doses limite) • Etude physique de la diffusion / ségrégation y

compris dans des structures microélectroniques complexes multiples interfaces … +

• Données sur la recombinaison des porteurs Pour simuler la contamination et ses effets

Résumé de l’atelierRésumé de l’atelierContamination dans Si photovoltaïque-contamination de plusieurs décades supérieure à la microélectronique-défauts étendus (dislocations, joint de grains)-…mais même problèmes et techniques que la microélectroniqueContamination autres matériaux- SiGe, ZnO, Semi-conducteurs à grand gap (GaN, SiC…) - Sujet très en pointe au niveau international-Physique originale / Si: relaxation des défauts dans les SC grands gap

Résumé de l’atelierRésumé de l’atelierQu’est-ce qu’une contamination dans une nanostructure?- Au dans nanofils?- Comment « tient » un contaminant sur un nanofil? - Diffusion dopants dans boîte quantique?- Effets de surface?

Groupe de travail sur la DLTS … et l’EDMR- à mettre en place sous peu…

Des contaminantsDes contaminants… dans les matériaux semi-conducteurs et isolants … problématique ancienne qui fut « bloquante » dans l’industrie du MOS (Na, K)

Dopants: B, As, P, In + association dopant-défauts, dopant-contaminant…Organiques (COV – Composés Organiques Volatiles Inorganiques• métaux et leurs contaminants (soufre…)• carbone, oxygène, complexesAcides / Bases + … tout ce qui n’est pas attendu

Des contaminantsDes contaminants

Liste de contaminants établie lors du projet CIM-Conta (2005-2009)

Des contaminantsDes contaminants

Des effetsDes effets

Industriels : perte de rendement , de performances

Physiques : précipités, défauts, complexes, procédés

Electriques : instabilités, décalages en tension, claquages, vieillissement accéléré

Des effetsDes effets

Industriels : perte de rendement , de performances

Physiques : précipités, défauts, complexes, procédés

Electriques : instabilités, décalages en tension, claquages, vieillissement accéléré

Des Etudes multiplesDes Etudes multiples Différents aspects des études de contamination:

Identification des étapes sensibles du procédé de fab. et des causes de la contamination

Limitations des contaminations lors du procédé de fab. Effets sur le procédé de fabrication (délaminage,

masques…) Effets sur le fonctionnement du dispositif final Etudes statistiques (proportion de cellules

défectueuses…) Contrôle de la contamination

- Nettoyage (surfaces) - Piégeage et « gettering » (étape de décontamination + piège à demeure sur site)

- Barrières Etude sur les matériaux et les structures

(multicouches…) Etude sur les dispositifs

Des Techniques nombreusesDes Techniques nombreuses Caractérisation des contaminants dans le matériau:

Détection de présence Caractérisation de leur mobilité dans le matériau Réaction /précipitation dans le matériau (défauts étendus, interf.) Contraintes Propriétés mécaniques pour le procédé (adhésion des couches…)

Techniques de caractérisation physico-chimiques (détection /quantification)

surface STM, AES, MEIS, XPS, AFM magnétique, AFM électrique, LEED/RHEED, TXRF… Interfaces STM, AES, SAT, TEM, AFM magnétique, AFM électrique…

Volume SIMS, TOF-SIMS, D-SIMS, DLTS, RBS, SAT, TEM, XRD, FIM, EDMR

Techniques de caractérisation électrique (matériau / fonction. Dispo.) Durées de vie: voir tableau ci-joint… + Micro PCD Mobilité électronique : Piégeage de charges: décalages C-V, I-V Claquage d’oxydes: statistiques Vieillissement prématuré: cinétiques de vieillissement

Techniques de durée de vieTechniques de durée de vieTechnique Acronym Excitation MeasurementPhotoConductive Decay PCD Optical pulse Conductivity

Time of Flight Drift Mobility TFDM Optical pulse Current transient

Short Circuit Current Decay Open Circuit Voltage Decay

SCCDOCVD

Optical pulse I or V in a PN junction

Photoluminescence Decay PD Optical pulse Light emitted

Surface PhotoVoltage SPV Optical flux MOS Surface Voltage

Electron Beam Induced Current EBIC Electron Beam Current Junction

Reverse Recovery RR Electrical pulse PN diode current

Open Circuit Voltage Decay OCVD Electrical switch Diode voltage decay

Pulsed MOS capacitor ZERBST method Electrical pulse MOS capacitance

Gate-Controlled Diode GCD Electrical pulse on Gate

Drain/Bulk PN junction Current

Ambition du projet: Caractériser et quantifier l’impact des contaminants métalliques sur les performances électriques des circuits

Porteur: ST Microelectronics

Objectifs du développement• Etablir la relation entre contamination contrôlée et les performances des composants• Modéliser le comportement des contaminants métalliques au cours du procédé• Explorer de nouvelles techniques de caractérisation permettant d’adresser les besoins analytiques des technologies hétérogènes embarquées.• Améliorer les procédures de nettoyage dans le but de minimiser la contamination apportée par les•Équipements• Maitriser les méthodes de contamination sur plaquettes

Le projet COMETLe projet COMET

Le projet COMETLe projet COMETMoyens mis en œuvre vis-à-vis de la difficultéscientifique (non-exhaustif) - Techniques d’analyses de surface VPD associé à ICPMS, TOF-SIMS, D-SIMS - Techniques d’identification de contaminants dans le volume DLTS… - Techniques de mesure des longueurs de diffusion de porteurs minoritaires

Micro-PCD, SPV… - Techniques de caractérisation fine MAFM, EDMR… - Techniques de caractérisation électrique à base de Testeurs électriques standard - Logiciels de simulation SPICE

AjoutsAjoutsContaminants : H

Méthode optiques : ellipsometrie, spectroscopie, diffusion de la lumière, imagerie

Structures microélectronique multiples interfaces ségrégation

Simulations plusieurs physiques: diffusion/réaction et recombinaisons des porteurs (rayon de capture…)

Si métal en concentration faible, interactions de paires métal–défaut uniquement

But = trouver la bonne combinaison de techniques permettant l identification et la détection