Contribution à l'étude expérimentale et à la simulation de la diffusion anormale du Bore dans le Silicium

Rapporteurs : A.HALIMAOUI et B.PICHAUD Examinateurs : F.OLIVIÈ, J.BOULMER, et D.ALQUIER invitéé : E. LAMPINThis work of thesis is dedicated to the study of the Transient Enhanced Diffusion (TED) of boron in silicon. This phenomenon is a major problem for the realisation of ultra-shallow junctions for future silicon technologies (junction depths lower than 20nm). These junctions are made by Ion Implantation followed by annealing. In these conditions, the boron atoms diffuse in a transient and enhanced way (some million times to some hundred times faster than in equilibrium). At the same time, several types of extended defects form and evolve during the annealing. In the first part of this thesis, we investigate the strong relationship, during the annealing, between the TED evolution and the extended defects evolution (interstitial clusters, (311) defects and dislocation loops). Actually, depending on thevarious experimental conditions of Ion Implantation (amorphizing or non-amorphizing implantations) and of annealing, the extended defects evolve in a different way but always following an "Ostwald ripening” mechanism. They evolve by exchanging Si interstitial atoms, which are the main responsible for the enhanced diffusion. Therefore, we were able to interpret and to understand the TED evolution according to the experimental parameters. In this way, we have shown that the silicon surface plays a key role in the recombination of Si interstitial atoms by providing the first experimental evidence of the resulting Si interstitials supersaturation gradient between the defect region and the surface. In the second part of this thesis, we used all the experimental results to improve and optimize a physical model allowing the prediction of the TED time-evolution as well as the formation and growth of the extended defects. This model takes into account the Ostwald ripening mechanism and the interaction of the defects with the surface. Finally, we used the optimized model for TED predictive simulations and for other applications which allowed us to understand some physical phenomena that take place in experimental conditions of technological interest.Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la diffusion accélérée et transitoire (TED) du bore dans le silicium. Cette diffusion est considérée comme un problème majeur pour la fabrication des jonctions ultra minces. En effet, la miniaturisation incessante des transistors MOS impose, pour les prochaines générations de composants, la diminution sont fabriquées par implantation ionique des dopants suivie d'un recuit thermique d'activation. Dans ces conditions, le dopant bore diffuse de façon accélérée et transitoire de quelques millions de fois à quelques centaines de fois plus vite qu'à l'équilibre thermodynamique alors que des défauts cristallins de plusieurs types se forment et évoluent au cours du recuit.Une première partie de ce mémoire a été dédiée à l'inspection de la forte relation existante entre l'évolution de la TED et l'évolution des défauts étendus (petits clusters, (113) et boucles de dislocation) au cours du recuit thermique. Effectivement, suivant les différentes conditions expérimentales d'implantation ionique (amorphisante ou non) et de recuit thermique, les défauts étendus évoluent de manières différentes mais toujours suivant une croissance de type “Ostwald ripening”. Ils évoluent en échangeant des atomes de silicium interstitiels qui sont les principaux responsables de l'accélération de la diffusion. Dés lors, nous avons pu interpréter et comprendre l'évolution de la TED en fonction des paramètres expérimentaux. Ainsi, nous avons montré expérimentalement, et pour la première fois, l'existence d'un gradient d'interstitiels entre la bande des défauts et la surface du substrat.Dans le second volet de ce travail, nous avons utilisé l'ensemble de nos résultats expérimentaux pour améliorer et optimiser un modèle physique permettant de prédire l'évolution de la TED ainsi que la formation et la croissance des défauts étendus. Ce modèle tient compte du processus d'Ostwald ripening et de l'interaction des défauts avec la surface de la plaquette. Enfin, nous avons utilisé la version optimisée du modèle pour des simulations prédictives de la TED et pour d'autres applications qui nous ont permis de comprendre des phénomènes physiques qui ont lieu dans des conditions expérimentales d'intérêt technologique