1. Dopage Laser
de
Ge et Si
et
Localisation
M2R Micro et NanoTechnologies
Tuteurs : Jacques BOULMER
Frédéric FOSSARD
Etudiant : V. Davide CAMMILLERI

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. 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. 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. 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. 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. PECVD (1)
 Dépôt de type
chimique
 Précurseurs en phase
gazeuse forment un
plasma réactif

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. Lithographie
Lithographie UV proche
(365nm)
Forme des plots de résine
dépend du rapport de
forme
La gravure dépend de la
forme des plots

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. 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. Bâti de dopage

13. Caractérisations optiques in-situ
Si
Ge

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. 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. Dopage de Si (1)
L’incorporation
d’impuretés change
les caractéristiques
optiques et
thermiques de la
surface du substrat

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

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. 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. 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. 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. Localisation de la fusion (1)
Bragg
non insolé
On peut protéger
le substrat de l’insolation laser
en utilisant le bragg

23. Localisation de la fusion (2)
Bragg
non insolé
Bragg
Motif
insolé
insolé

24. Localisation de la fusion (3)
La protection est assez
efficace pour permettre
de sauvegarder des
structures

25. Localisation de la fusion (4)

26. Localisation de la fusion (5)

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. 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. C’est tout
pour l’instant
Merci de votre attention …

30. Système optique

31. L’impulsion laser

32. La réflectivité transitoire

35. L’évolution de la réflectivité solide

36. L’évolution de la durée de fusion

42. 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

43. 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.)

44. 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.)

45. 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

46. Localisation de la fusion

47. Localisation de la fusion