Modélisation physique et simulation de défauts étendus et diffusion des dopants dans le Si, Soi et SiGe pour les MOS avancés
Résumé
Ion implantation of dopants represents the preferred method to fabricate ultra-shallow (<15 nm) and heavily doped source/drain (S/D) extension junctions for advanced MOSFETs transistors. However, during annealing, this method implies the formation of extended defects of interstitial-type. The corresponding dopants-defects interactions lead to different problems such as dopants transient enhanced diffusion (TED) as well as the degradation of the junctions' electrical properties. The objective of this thesis was to model comprehensively the various physical phenomena occurring during S/D junction fabrication in order to predict the distribution of dopants in the doped regions. To do this, we first simulated the competitive growth of the various defect types upon annealing and coupled it to dopant diffusion, particularly in the case of technological interest, i.e. following high dose dopant implants in preamorphised substrates, when dopants are trapped by the extended defects and are partially deactivated. We then extended the developed models from silicon to new materials such as SOI (Silicon-On-Insulator) or SiGe (silicon/germanium) alloys. Finally, models developed and calibrated for ultra-shallow junctions manufacturing were validated by simulating electrical characteristics of the advanced MOSFETs developed at STMicroelectronics-Crolles (C65nm SOI and SiGe 45nm), with special attention to small geometry effects such as the SCE (Short Channel Effects) and DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).
Dans les transistors MOS avancés, la réalisation de jonctions ultraminces (<15 nm) abruptes et fortement dopées par implantation ionique de dopant reste la voie privilégiée pour l'élaboration des extensions source/drain (S/D). Cependant, au cours du recuit d'activation, cette méthode s'accompagne de la formation de défauts étendus de type interstitiel et d'agglomérats défauts-dopants qui sont à l'origine de problèmes majeurs tels que la diffusion accélérée et transitoire (TED) des dopants et la dégradation des propriétés électriques des jonctions. L'objectif de cette thèse a été de modéliser de façon globale ces différents phénomènes physiques afin de prédire la distribution des dopants dans les extensions S/D. Pour ce faire, nous avons d'abord simulé la croissance compétitive de type maturation d'Ostwald que se livrent ces défauts au cours du recuit et nous l'avons couplée à la diffusion des dopants, notamment dans les cas d'intérêt technologique, lorsque l'étape d'implantations à forte dose cause la formation d'agglomérats défauts-dopants engendrant une immobilisation et une inactivation partielle du dopant dans le silicium. Nous avons ensuite étendu les modèles développés dans le silicium aux cas de nouveaux matériaux tels que le SOI (Silicon-On-Insulator) ou le SiGe (alliage silicium/germanium). Enfin, les modèles élaborés et calibrés pour la fabrication des jonctions ultra-fines ont été validés en simulant électriquement les technologies industrielles en développement à STMicroelectronics-Crolles : C65 SOI et SiGe 45, avec une attention particulière aux effets de petites géométries tels que le SCE (Short Channel Effects) et le DIBL (Drain-Induced Barrier Lowering).