Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage
Mercredi 17 octobre 2007
I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion
ENSERG/ENSPG/ENSEEG – Option « Dispositifs et Microsystèmes »
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
Dopage dans un transistor MOSDopage dans un transistor MOS
Dopage dans un transistor MOS avancéDopage dans un transistor MOS avancé
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
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
Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage
I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion
Diffusion thermique
Solubilité limiteSolubilité limite
Dopants usuels
Si
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.
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
Coefficients de diffusion, D (cmCoefficients de diffusion, D (cm22/s)/s)
Substitutionel Interstitiel
Le coefficient de diffusion D (cm2/s) est activé thermiquement
Diffusion : Première loi de Diffusion : Première loi de FickFick
F
Deuxième loi de Deuxième loi de FickFick
∆C/∆t = (Fin-Fout)/ ∆x
Ce qui rentre et ne sort pas … reste à l’intérieur …
Deuxième loi deDeuxième loi de FickFick
F
Equation de continuité:
Équation de diffusionF
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.
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
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.
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 :
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 :
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
Fonction erreur :Fonction erreur : erferf(z)(z)
∫ −=z
dzerf0
2)exp(2
)( ηηπ
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 :
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).
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).
tα
avec:
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).
Profils de dopageProfils de dopage
1 - Diffusion avec une concentration en surface constante
• temps variable• profil en erfc
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.
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)
Profils de dopageProfils de dopage
⇒⇒⇒⇒ Pour un profil donné : choix de T et t
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 :
Formation de jonction en 2 étapesFormation de jonction en 2 étapes
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 :
Principales sources de dopantsPrincipales sources de dopants
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).
Techniques de dopage par diffusionTechniques de dopage par diffusion
Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)
Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)Activation des dopants : Recuit Rapide (RTP)
Impact de la nature du dopantImpact de la nature du dopant
=> La valeur surfacique dépend de la nature du dopant
Diffusion latéraleDiffusion latérale
⇒ Problématique pour les dispositifs sub-microniques⇒ OK pour la plupart des MEMS
Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage
I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion
Ions
Implantation
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
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
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.
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
Profil GaussienProfil Gaussien
∆
−−=
2
2
2
)(exp)(
p
p
pR
RxCxC
∫∞
∞−
= dxxCQ )(Dose :
Distribution d’ions dans le SiliciumDistribution d’ions dans le Silicium
implantés à 200implantés à 200 keVkeV
RpRp(E), (E), ∆∆∆∆∆∆∆∆RRpp(E) et (E) et ∆∆∆∆∆∆∆∆RR⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥⊥(E)(E)
Profondeur de jonctionProfondeur de jonction
Implantations Multiples : Implantations Multiples :
obtention d’un profil uniformeobtention d’un profil uniforme
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
Pouvoirs d’arrêtPouvoirs d’arrêt
Se(E) α kSi E1/2Pouvoir d’arrêt électronique :
Pouvoir d’arrêt nucléaire :
Effets de canalisation (Effets de canalisation (channelingchanneling))
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)
AmorphisationAmorphisation par implantation à très forte dosepar implantation à très forte dose
L’implanteur L’implanteur ioniqueionique
L’implanteurL’implanteur ioniqueionique
L’implanteurL’implanteur ioniqueionique
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
Partie 1: Techniques de dopagePartie 1: Techniques de dopage
I. IntroductionII. DiffusionIII. Implantation ioniqueIV. Conclusion
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
Vers le CMOS ultime ….Vers le CMOS ultime ….
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 ???
Recommended