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Partie 1: Techniques de dopage Partie 1: Techniques de dopage [email protected] Mercredi 17 octobre 2007 I. Introduction II. Diffusion III. Implantation ionique IV. Conclusion ENSERG/ENSPG/ENSEEG – Option « Dispositifs et Microsystèmes »

Diffusion Implantation LM

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Page 1: Diffusion Implantation LM

Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage

[email protected]

Mercredi 17 octobre 2007

I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion

ENSERG/ENSPG/ENSEEG – Option « Dispositifs et Microsystèmes »

Page 2: Diffusion Implantation LM

IntroductionIntroduction

Pourquoi doper ?• contrôle local de la résistivité, ajustement de la tension seuil, etc.• création de barrières de potentiel ou jonctions• réalisation de couches d’arrêt de gravure (etch-stop)

⇒Introduire une quantité de dopant donnée,suivant un profil aussi précis que possible

Méthodes :• par pré-dépôt et diffusion thermique• par implantation ionique

Types de dopage :• homogène (au tirage du monocristal)• homogène en surface (pendant l’épitaxie)• localisé en profondeur et en surface

Diffusion thermique

Ions

Implantation

MEMS

Page 3: Diffusion Implantation LM

Dopage dans un transistor MOSDopage dans un transistor MOS

Page 4: Diffusion Implantation LM

Dopage dans un transistor MOS avancéDopage dans un transistor MOS avancé

Page 5: Diffusion Implantation LM

Type de Dopage etType de Dopage et ResistivitéResistivité

La concentration des porteurs de charges dépend de la profondeur.Le profil dépend très fortement de la méthode de dopage utilisée.

Résistivité moyenne : σρ

σ= = ⋅∫1 1

tx dx( )

Epitaxie Diffusion Implantation

Page 6: Diffusion Implantation LM

Critères de choix d’un dopantCritères de choix d’un dopant

• Type (N/P)• Concentration en surface (solubilité limite)• Contraintes minimales dans le réseau• Diffusion• Enlèvement du matériau de surface "verre au Bore”• Reproductibilité• Coût-productivité

Page 7: Diffusion Implantation LM

Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage

I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion

Diffusion thermique

Page 8: Diffusion Implantation LM

Solubilité limiteSolubilité limite

Dopants usuels

Si

Page 9: Diffusion Implantation LM

Activité électrique et solubilité limiteActivité électrique et solubilité limite

La formation de clusters électriquement inactif à très forte concentration est à l’origine de la différence entre activité électrique et solubilité limite.

Page 10: Diffusion Implantation LM

Dopage par diffusionDopage par diffusion

Les principaux facteurs du dopage par diffusion:• gradient de concentration• température• défauts cristallins : dislocations, joints de groin

Diffusion en interstitiel

impureté électriquement inactive•impuretés des groupes I et VIIILi, K, Na, Ar, He, H

nécessite la présence d’une lacune=>processus lent•impuretés des groupes III et V

type P : Al, B, Ga, Intype N : Sb, As, P

Diffusion en substitutionnel

Page 11: Diffusion Implantation LM

Coefficients de diffusion, D (cmCoefficients de diffusion, D (cm22/s)/s)

Substitutionel Interstitiel

Le coefficient de diffusion D (cm2/s) est activé thermiquement

Page 12: Diffusion Implantation LM

Diffusion : Première loi de Diffusion : Première loi de FickFick

F

Page 13: Diffusion Implantation LM

Deuxième loi de Deuxième loi de FickFick

∆C/∆t = (Fin-Fout)/ ∆x

Ce qui rentre et ne sort pas … reste à l’intérieur …

Page 14: Diffusion Implantation LM

Deuxième loi deDeuxième loi de FickFick

F

Equation de continuité:

Équation de diffusionF

Page 15: Diffusion Implantation LM

Deuxième loi de Deuxième loi de FickFick

2

2

x

ND

tN

∂=

∂∂

D: coefficient de diffusion (diffusivité)

D = A exp (-B/T)

A et B dépendent du dopant

Il faut résoudre cette équation différentielleselon les conditions aux limites de chaque problème.

Page 16: Diffusion Implantation LM

Solutions analytiques des équations de diffusion :Solutions analytiques des équations de diffusion :

Cas d’une fonction delta dans un milieu infiniCas d’une fonction delta dans un milieu infini

∫∞

∞−

=

=→∞→

>→→

QtxC

et

xtC

xpourtC

Conditions aux limites :

),(

00000

δδδδ(x)

−=

−=

Dt

xtC

Dt

x

Dt

QtxC

4exp),0(

4exp

2),(

22

π

La solution de l’équation de Fick décrit un profil Gaussien :

pour

quand

quand

Page 17: Diffusion Implantation LM

Evolution du profil GaussienEvolution du profil Gaussien

Le pic de concentration décroît en 1/√t et est donné par C(0,t).

La longueur de diffusion est donnée par x=2√Dt , qui correspond à la distance de l’origine jusqu’à ce que la concentration chute de 1/e.

Page 18: Diffusion Implantation LM

Solutions analytiques des équations de diffusion :Solutions analytiques des équations de diffusion :

Cas d’une fonction delta près d’une surfaceCas d’une fonction delta près d’une surface

Dt

QtCwith

Dt

xtC

Dt

x

Dt

QtxC

π

π

=

−=

−=

),0(

4exp),0(

4exp),(

22

La symétrie du problème est identique au cas précédent, en introduisant une dose effective de 2Q, introduite dans un milieu infini (virtuel).

avec :

Page 19: Diffusion Implantation LM

Solutions analytiques des équations de diffusion :Solutions analytiques des équations de diffusion :

Cas d’une fonction delta près d’une surfaceCas d’une fonction delta près d’une surface

Echelle Log Echelle linéaire

Dt

QtC

Dt

xtC

Dt

x

Dt

QtxC

π

π

=

−=

−=

),0(

4exp),0(

4exp),(

22

avec :

Page 20: Diffusion Implantation LM

Solutions analytiques des équations de diffusion :Solutions analytiques des équations de diffusion :

Cas d’une source infinie de dopantsCas d’une source infinie de dopants

00

000<==

>==

xtCC

xtC

Conditions aux limites :

( )∑=

−−∆=

n

i

ii

Dt

xxx

Dt

CtxC

1

2

4exp

2),(

π

( )

Dt

xavec

dC

dDt

x

Dt

CtxC

Dtx

2

)(

)(exp4

exp2

),( 22/

0

2

αη

ηηπ

αα

π

−=

−=−

−= ∫∫∞−

quand

quand

pour

pour

Page 21: Diffusion Implantation LM

Fonction erreur :Fonction erreur : erferf(z)(z)

∫ −=z

dzerf0

2)exp(2

)( ηηπ

Page 22: Diffusion Implantation LM

Solutions analytiques des équations de diffusion :Solutions analytiques des équations de diffusion :

Cas d’une source infinie de dopantsCas d’une source infinie de dopants

)2

(2

)2

(12

),(Dt

xerfc

C

Dt

xerf

CtxC =

−=

Diffusion à partir d’une source infinie :

Page 23: Diffusion Implantation LM

Concentration de surface constante :Concentration de surface constante :

profondeur de diffusionprofondeur de diffusion

Echelle Log Echelle linéaire

C(x,t)/Cs en fonction de la profondeur de diffusion x(µm) • pour une concentration en surface constante• pour 3 valeurs de √Dt ,

c’est à dire pour différentes températures (D(T)), ou temps (t).

Page 24: Diffusion Implantation LM

Nombre total d’impuretésNombre total d’impuretés

((predepositionpredeposition dose)dose)

La fonction erreur est quasiment triangulaire.La dose totale peut être estimée par l’intégrale sous le triangle de hauteur Cs et de base 2√Dt, donc : Q≈ Cs √Dt.

Plus rigoureusement :

= distance caractéristique de diffusion.

CS = concentration de surface (solubilité solide limite).

avec:

Page 25: Diffusion Implantation LM

Dopage par diffusionDopage par diffusion

En pratique, le dopage thermique se fait en deux étapes

1 - Pré-dépôt : les plaquettes

sont maintenues dans un

milieux saturé en dopant

(concentration constante),

pendant un temps t, à une

température T.

2 - Redistribution : la source étant

coupée, les plaquettes sont

maintenues à haute température

pour répartir les dopants en

profondeur.

(accompagnée d ’oxydation).

Page 26: Diffusion Implantation LM

Profils de dopageProfils de dopage

1 - Diffusion avec une concentration en surface constante

• temps variable• profil en erfc

Page 27: Diffusion Implantation LM

Profils de dopageProfils de dopage

2 - Redistribution des impuretés introduites

• nombre de particules = cste• profil Gaussien

Profondeur de jonction et concentration en surfacesont fixées pendant cette étape.

Page 28: Diffusion Implantation LM

Formation de jonction en 2 étapesFormation de jonction en 2 étapes

1- Predeposition: Predepot avec une source constante (erfc)2- Drive-in: Diffusion limitée par la source (Gaussienne)

Page 29: Diffusion Implantation LM

Profils de dopageProfils de dopage

⇒⇒⇒⇒ Pour un profil donné : choix de T et t

Page 30: Diffusion Implantation LM

Profil de dopage finalProfil de dopage final

)()0,(;)(2

xQtxCDtC

Qpredeps δ

π⋅≈=

⋅=

Solution pour le profil de redistribution :

−=

−− indriveindriveDt

x

Dt

QtxC

)(4exp

)(),(

2

π

=

22

22/1

22

11

4exp

2)(

tD

x

tD

tDCxC s

π

D1= coefficient de diffusion à la température de pré-dépôtt1= temps de pré-dépôtD2= coefficient de diffusion à la température de redistributiont2= temps de redistribution

Au final :

Page 31: Diffusion Implantation LM

Formation de jonction en 2 étapesFormation de jonction en 2 étapes

Page 32: Diffusion Implantation LM

Techniques de dopage par diffusionTechniques de dopage par diffusion

Sources dopantes :

susceptibles de fournir une concentration constante, de corps purs.

Disponibles dans le four de diffusion porté à haute températures

Solides : plaques saturées en dopant, nécessité d’ un gaz porteur

Liquides :

Gazeuses :

Page 33: Diffusion Implantation LM

Principales sources de dopantsPrincipales sources de dopants

Page 34: Diffusion Implantation LM

Sources de dopantsSources de dopants

(a) Gas Source: AsH3, PH3, B2H6

(b) Solid Sources: BN, NH4H2PO4, AlAsO4

(c) Spin-on-glass: SiO2+dopant oxide

(d) Liquid source:

A typical bubbler arrangement

for doping a silicon wafer using

a liquid source. The gas flow is

set using mass flow controller

(MFC).

Page 35: Diffusion Implantation LM

Techniques de dopage par diffusionTechniques de dopage par diffusion

Page 36: Diffusion Implantation LM

Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)

Page 37: Diffusion Implantation LM

Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)

Page 38: Diffusion Implantation LM

Impact de la nature du dopantImpact de la nature du dopant

=> La valeur surfacique dépend de la nature du dopant

Page 39: Diffusion Implantation LM

Diffusion latéraleDiffusion latérale

⇒ Problématique pour les dispositifs sub-microniques⇒ OK pour la plupart des MEMS

Page 40: Diffusion Implantation LM

Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage

I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion

Ions

Implantation

Page 41: Diffusion Implantation LM

Dopage par implantation ioniqueDopage par implantation ionique

Bombardement de l’échantillon à doper avec

un faisceau d ’ions accélérés.

Paramètres importants : énergie (E), dose (D)

Ions

Implantation

Page 42: Diffusion Implantation LM

Dose et ConcentrationDose et Concentration

Dose (/cm2) : en regardant vers le bas, nombre de poissons par unité de surface pour TOUTES les profondeurs.

Concentration (/cm3) : En regardant à une position particulière, nombre de poissons par unité de volume

Page 43: Diffusion Implantation LM

Implantation ionique : mécanismes physiquesImplantation ionique : mécanismes physiques

Un ion incident, d’énergie E, va rentrer en collisions avec les noyaux et les électrons de la cible.

Arrêt lorsque E= 0, parcours moyen projeté : Rp.

Page 44: Diffusion Implantation LM

Profil GaussienProfil Gaussien

Profil Gaussien :( )

−−

∆πΦ

=p

2p

p R2

Rxexp

R2)x(N

Φ : dose implantéeRp : profondeur du maximum de concentration∆Rp : écart-typeNmax = N(x=Rp) =

pR2 ∆πΦ

Rp et ∆∆∆∆Rp sont fonctions de l ’énergie

Page 45: Diffusion Implantation LM

Profil GaussienProfil Gaussien

−−=

2

2

2

)(exp)(

p

p

pR

RxCxC

∫∞

∞−

= dxxCQ )(Dose :

Page 46: Diffusion Implantation LM

Distribution d’ions dans le SiliciumDistribution d’ions dans le Silicium

implantés à 200implantés à 200 keVkeV

Page 47: Diffusion Implantation LM
Page 48: Diffusion Implantation LM

RpRp(E), (E), ∆∆∆∆∆∆∆∆RRpp(E) et (E) et ∆∆∆∆∆∆∆∆RR⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥(E)(E)

Page 49: Diffusion Implantation LM

Profondeur de jonctionProfondeur de jonction

Page 50: Diffusion Implantation LM

Implantations Multiples : Implantations Multiples :

obtention d’un profil uniformeobtention d’un profil uniforme

Page 51: Diffusion Implantation LM

Mécanismes de perte d’énergieMécanismes de perte d’énergie

Arrêtnucléaire

Arrêtélectronique

Le substrat de silicium cristallin est endommagé par les collisions

Les excitations électronique créent de la chaleur

Page 52: Diffusion Implantation LM

Pouvoirs d’arrêtPouvoirs d’arrêt

Se(E) α kSi E1/2Pouvoir d’arrêt électronique :

Pouvoir d’arrêt nucléaire :

Page 53: Diffusion Implantation LM

Effets de canalisation (Effets de canalisation (channelingchanneling))

Page 54: Diffusion Implantation LM

Implantation à travers un oxyde d’encapsulationImplantation à travers un oxyde d’encapsulation

• ajuster le profil de dopant en surface de Si

• éviter l’exodiffusion pendant le recuit de redistribution

• atténuer le phénomène de canalisation(important pour Bore)

Page 55: Diffusion Implantation LM

AmorphisationAmorphisation par implantation à très forte dosepar implantation à très forte dose

Page 56: Diffusion Implantation LM
Page 57: Diffusion Implantation LM

L’implanteur L’implanteur ioniqueionique

Page 58: Diffusion Implantation LM

L’implanteurL’implanteur ioniqueionique

Page 59: Diffusion Implantation LM

L’implanteurL’implanteur ioniqueionique

Page 60: Diffusion Implantation LM

DosimétrieDosimétrie

la dose D (ions/cm2) = I.t /q.S

S : section implantée (cm2)

t : temps d'implantation (sec)

I : courant faisceau : 1 µA →→→→ 10 mA

ions incidents

plaquettesupport

∫ dt I

Page 61: Diffusion Implantation LM

Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage

I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion

Page 62: Diffusion Implantation LM

Intérêt de l’implantation ioniqueIntérêt de l’implantation ionique

Avantages par rapport à la diffusion :

�Haute pureté du dopant (vide, séparation)

� Grande variété de profils (selon l'énergie) et de dopants

� Dose précise → bon contrôle de concentration

� Processus à basse température (77-300 K)

� Processus hors équilibre thermodynamique : possibilité de dépasser la solubilité limite

lnconvénients :�Equipement lourd

� Défauts crées par l'implantation → recuit post-implantation, diffusion parasite

Page 63: Diffusion Implantation LM

Vers le CMOS ultime ….Vers le CMOS ultime ….

Page 64: Diffusion Implantation LM

Et auEt au--delà …delà …

Atomes de silicium : 5x1022 cm-3

Volume=(10x10x5) nm3 = 500 nm3

Nombre d’atomes : 5x1022 . 500 10-21 = 25 000

Dopants : 1019 cm-3

Nombre de dopants : 5 !!!

10 nm 10 n

m5 nm

Combien y-a-t-il de dopantsdans une nanostructure ???