Dopage Laser
     de
  Ge et Si
     et
Localisation



      M2R Micro et NanoTechnologies


          Tuteurs : Jacques ...
Introduction (1)

Pour continuer le scaling des
dispositifs MOSFET:
    –   Augmenter le dopage des
        grilles
    – ...
Introduction (2)

Intérêt de l’épitaxie de semiconducteurs de la colonne IV:
   –   Compatibilité avec la technologie sili...
Introduction (2)

Intérêt de l’épitaxie de semiconducteurs de la colonne IV:
   –   Compatibilité avec la technologie sili...
Epitaxie de boites Ge sur Si

  Epitaxie par UHV-CVD

     Gaz précurseurs :
       SiH4 et GeH4
    Croissance à 700°C

 ...
La multicouche diélectrique

Dans des conditions de
  résonance :
                              
        S i  ni  d 
 ...
PECVD (1)


   Dépôt de type
    chimique
   Précurseurs en phase
    gazeuse forment un
    plasma réactif
PECVD (2)
                                                               Tests d'endommagement d'un Bragg sur Si pleine pl...
Lithographie

 Lithographie UV proche
          (365nm)

Forme des plots de résine
   dépend du rapport de
          forme...
RIE

Le substrat est attaqué par un
   plasma réactif :

   Attaque physique
    Les ions du plasma sont
    accélérés et...
Gas Immersion Laser Doping




   1. Adsorption               2. Fusion             3. Solidification
  Le gaz précurseur ...
Bâti de dopage
Caractérisations optiques in-situ



                             Si




                                  Ge
Seuils de fusion (1)

   SeuilSi ≈ 600 mJ/cm2

   SeuilGe/Si ≈ 200 mJ/cm2
  Le Germanium réfléchit moins
que le silicium...
Seuils de fusion (2)

   SeuilSi ≈ 600 mJ/cm2

   SeuilGe/Si ≈ 200 mJ/cm2
  Le Germanium réfléchit moins
que le silicium...
Dopage de Si (1)



 L’incorporation
d’impuretés change
les caractéristiques
     optiques et
  thermiques de la
surface d...
Dopage de Si (2)



 L’incorporation
d’impuretés change
les caractéristiques
     optiques et
  thermiques de la
surface d...
R□ = 10Ω/□


Dopage de Ge/Si (1)                                                                             ND ≈ 1021cm-3...
R□ = 10Ω/□


Dopage de Ge/Si (2)                                                                                          ...
Dopage de Ge/SOI (1)

                                                                                 Dopage Ge / SOI
   ...
Dopage de Ge/SOI (2)

                                                                                 Dopage Ge / SOI par...
Localisation de la fusion (1)


                    Bragg
                  non insolé


              On peut protéger
  ...
Localisation de la fusion (2)


                   Bragg
                 non insolé




                              Bra...
Localisation de la fusion (3)

           La protection est assez
            efficace pour permettre
              de sau...
Localisation de la fusion (4)
Localisation de la fusion (5)
Conclusion (1)


  –   J’ai participé à la mise en route du nouveau bâti
      de traitement laser
  –   J’ai développé le...
Conclusion (2)

   Des améliorations doivent être apportées :
    –   Améliorer l’homogénéité du faisceau laser incident
...
C’est tout
pour l’instant



        Merci de votre attention …
Système optique
L’impulsion laser
La réflectivité transitoire
L’évolution de la réflectivité solide
L’évolution de la durée de fusion
Dopage Ge / Si par phosphore
                                     20
Résistance superficielle (Ohm/sq.)




              ...
Dopage Ge / Si par phosphore
                                     30
Résistance superficielle (Ohm/sq.)




              ...
Dopage Ge / SOI
                                                              200 tirs laser
                           10...
Dopage Ge / SOI par phosphore
                                     200
Résistance superficielle (Ohm/sq.)




            ...
Localisation de la fusion
Localisation de la fusion
Dopage Laser de Ge et Si - Projet fin étude
Dopage Laser de Ge et Si - Projet fin étude
Dopage Laser de Ge et Si - Projet fin étude
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Dopage Laser de Ge et Si - Projet fin étude

  1. 1. Dopage Laser de Ge et Si et Localisation M2R Micro et NanoTechnologies Tuteurs : Jacques BOULMER Frédéric FOSSARD Etudiant : V. Davide CAMMILLERI
  2. 2. Introduction (1) Pour continuer le scaling des dispositifs MOSFET: – Augmenter le dopage des grilles – Jonctions de drain et source minces et très dopées – Contrôle du profil de dopage dans le canal – Réalisation de résistances de contact très faibles
  3. 3. Introduction (2) Intérêt de l’épitaxie de semiconducteurs de la colonne IV: – Compatibilité avec la technologie silicium actuelle – Ingénierie de bande – Ingénierie de la contrainte C’est-à-dire : On peut augmenter les performances des dispositifs de la filière silicium à moindre coût
  4. 4. Introduction (2) Intérêt de l’épitaxie de semiconducteurs de la colonne IV: – Compatibilité avec la technologie silicium actuelle – Ingénierie de bande – Ingénierie de la contrainte Matériaux « nouveaux » C’est-à-dire : On peut augmenter les performances des dispositifs de la filière silicium à moindre coût
  5. 5. Epitaxie de boites Ge sur Si Epitaxie par UHV-CVD Gaz précurseurs : SiH4 et GeH4 Croissance à 700°C Relaxation élastique de la contrainte de la couche en A631 : • 7 plans de boîtes croissance : quantiques Ge: Transition • : 100 à 150 nm Stranski-Krastanov • H: 10 à 15 nm • encapsulation: 10 nm de Si • épaisseur totale: 85 nm
  6. 6. La multicouche diélectrique Dans des conditions de résonance :  S i  ni  d  4 On a : 2 Pour λ=308nm :  n0  neff  R  nH=nnitrure=1,92 → dnitrure=53nm n n   0 eff  nL=noxyde=1,45 → doxyde=40nm nSi=4,5 → RSi=40% Où : 2N nGe=4,01 → RGe=36%  nH  neff  ns  n   RBragg/Si=74%  L  RBragg/Ge=71%
  7. 7. PECVD (1)  Dépôt de type chimique  Précurseurs en phase gazeuse forment un plasma réactif
  8. 8. PECVD (2) Tests d'endommagement d'un Bragg sur Si pleine plaque (9 Juin 2006) 10000 100 Endommagement constaté sur écran CCD visible.  Dépôt de type avant endommagement "notable" Compter un facteur 2 de sécurité pour éviter un endommagement 80 chimique 1000 Nb de tirs 60  Précurseurs en phase y = 197985e -0,0123x 40 gazeuse forment un 100 seuil de 20 plasma réactif fusion de Si 10 0  Couches non 400 500 600 Densité d'énergie (mJ/cm²) 700 800 900 stœchiométriques  A essayer :  Forte inclusion d’ – Modifier composition – Température plus haute hydrogène – Basse fréquence – recuit
  9. 9. Lithographie Lithographie UV proche (365nm) Forme des plots de résine dépend du rapport de forme La gravure dépend de la forme des plots
  10. 10. RIE Le substrat est attaqué par un plasma réactif :  Attaque physique Les ions du plasma sont accélérés et gravent le substrat  Attaque chimique Les espèces réactives  Composition interagissent avec la surface du substrat et forment des  Puissance espèces volatiles  Pression  Durée
  11. 11. Gas Immersion Laser Doping 1. Adsorption 2. Fusion 3. Solidification Le gaz précurseur L’impulsion laser induit Le cristal se chimisorbe à la la fusion et la reconstruit par épitaxie surface de l’échantillon dissociation du gaz en phase liquide et précurseur qui diffuse incorpore les dans la phase liquide impuretés dopantes
  12. 12. Bâti de dopage
  13. 13. Caractérisations optiques in-situ Si Ge
  14. 14. Seuils de fusion (1)  SeuilSi ≈ 600 mJ/cm2  SeuilGe/Si ≈ 200 mJ/cm2 Le Germanium réfléchit moins que le silicium et a une température de fusion moins élévée
  15. 15. Seuils de fusion (2)  SeuilSi ≈ 600 mJ/cm2  SeuilGe/Si ≈ 200 mJ/cm2 Le Germanium réfléchit moins que le silicium et a une température de fusion moins élévée  SeuilGe/SOI ≈ 80 mJ/cm2 Etant donnée l’échelle des temps, l’oxyde isole les couches superficielles du substrat : l’énergie déposée est mieux confinée
  16. 16. Dopage de Si (1) L’incorporation d’impuretés change les caractéristiques optiques et thermiques de la surface du substrat
  17. 17. Dopage de Si (2) L’incorporation d’impuretés change les caractéristiques optiques et thermiques de la surface du substrat
  18. 18. R□ = 10Ω/□ Dopage de Ge/Si (1) ND ≈ 1021cm-3  En augmentant le nombre de tirs on baisse la R□ en 20 Dopage Ge / Si par phosphore raison de la quantité de Résistance superficielle (Ohm/sq.) dopant incorporé… 15 Densité d'énergie laser constante (joulemètre : 54 u.a.) … mais on peut endommager le cristal 10 5 Ge(300 nm, nid) / Ge(40 nm, P) / Si 0 1 10 100 1000 Nombre de tirs laser
  19. 19. R□ = 10Ω/□ Dopage de Ge/Si (2) ND ≈ 1021cm-3  En augmentant le nombre de tirs on baisse la R□ en 30 Dopage Ge / Si par phosphore raison de la quantité de dopant incorporé… Résistance superficielle (Ohm/sq.) 25 200 tirs laser … mais on peut 20 endommager le cristal 15 10  En augmentant l’énergie 5 du tir laser l’incorporation Ge(300 nm, nid) / Ge(40 nm, P) / Si 0 est plus efficace 0 10 20 30 40 50 60 70 Densité d'énergie laser (joulemètre en u.a.)
  20. 20. Dopage de Ge/SOI (1) Dopage Ge / SOI On arrive à des R□ 200 tirs laser 10000 extrêmement faibles Résistance superficielle dopage phosphore 1000 dopage bore (Ohm/sq.) 100 10 Ge(310 nm, type p) / Ge (50 nm, buffer) / Si (50 nm) / SiO2(100 nm) / Si 1 0 10 20 30 40 50 60 70 Densité d'énergie laser (joulemètre, u.a.)
  21. 21. Dopage de Ge/SOI (2) Dopage Ge / SOI par phosphore On arrive à des R□ 200 extrêmement faibles Résistance superficielle (Ohm/sq.) 150 La R□ est très dépendante Densité d'énergie laser constante 100 du nombre de tirs (joulemètre : 15 u.a.) 50 Observations plus Ge(310 nm, type p) / Ge (50 nm, buffer) / Si (50 nm) / SiO2(100 nm) / Si précises sont nécessaires 0 0 50 100 150 200 250 Nombre de tirs laser
  22. 22. Localisation de la fusion (1) Bragg non insolé On peut protéger le substrat de l’insolation laser en utilisant le bragg
  23. 23. Localisation de la fusion (2) Bragg non insolé Bragg Motif insolé insolé
  24. 24. Localisation de la fusion (3) La protection est assez efficace pour permettre de sauvegarder des structures
  25. 25. Localisation de la fusion (4)
  26. 26. Localisation de la fusion (5)
  27. 27. Conclusion (1) – J’ai participé à la mise en route du nouveau bâti de traitement laser – J’ai développé le procédé technologique de réalisation des couches réfléchissantes Résultats: – Dopage n et p du Germanium par GILD : 10Ω/□ ! – Localisation de la fusion induite par laser – Protection de structures nanomètriques
  28. 28. Conclusion (2)  Des améliorations doivent être apportées : – Améliorer l’homogénéité du faisceau laser incident – Ajuster la recette pour les couches réfléchissantes  Des choses restent à faire : – Caractériser du point de vue optique les couches réfléchissantes – Observer les couches semiconductrices après dopage – Vérifier l’adhésion du multicouche sur une surface de Ge – Vérifier la possibilité d’utiliser le Bragg comme masque pour l’épitaxie sélective de Ge
  29. 29. C’est tout pour l’instant Merci de votre attention …
  30. 30. Système optique
  31. 31. L’impulsion laser
  32. 32. La réflectivité transitoire
  33. 33. L’évolution de la réflectivité solide
  34. 34. L’évolution de la durée de fusion
  35. 35. Dopage Ge / Si par phosphore 20 Résistance superficielle (Ohm/sq.) Densité d'énergie laser constante 15 (joulemètre : 54 u.a.) 10 5 Ge(300 nm, nid) / Ge(40 nm, P) / Si 0 1 10 100 1000 Nombre de tirs laser
  36. 36. Dopage Ge / Si par phosphore 30 Résistance superficielle (Ohm/sq.) 25 200 tirs laser 20 15 10 5 Ge(300 nm, nid) / Ge(40 nm, P) / Si 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Densité d'énergie laser (joulemètre en u.a.)
  37. 37. Dopage Ge / SOI 200 tirs laser 10000 dopage phosphore Résistance superficielle 1000 dopage bore (Ohm/sq.) 100 10 Ge(310 nm, type p) / Ge (50 nm, buffer) / Si (50 nm) / SiO2(100 nm) / Si 1 0 10 20 30 40 50 60 70 Densité d'énergie laser (joulemètre, u.a.)
  38. 38. Dopage Ge / SOI par phosphore 200 Résistance superficielle (Ohm/sq.) 150 Densité d'énergie laser constante 100 (joulemètre : 15 u.a.) 50 Ge(310 nm, type p) / Ge (50 nm, buffer) / Si (50 nm) / SiO2(100 nm) / Si 0 0 50 100 150 200 250 Nombre de tirs laser
  39. 39. Localisation de la fusion
  40. 40. Localisation de la fusion

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