Laser Process for Realization of Ultra Shallow Junctions for Microelectronics: Experimental Study, Modelling and Test of Feasibility.
Procédé laser de réalisation de jonctions ultra-minces pour la microélectronique silicium: étude expérimentale, modélisation et tests de faisabilité
Résumé
Semiconductor doping is a critical step for futures CMOS technologies and is intensively study. The reduction of MOS transistor requires techniques able to realize ultra-shallow and highly doped junctions with abrupt profile. This job is focus on study of laser annealing techniques for realization and integration of thin doped film for source/drain extension in process microelectronics flow for CMOS devices. During this work, we used two experimental setup with two excimer lasers with very different temporal characteristics: an industrial laser tool, VEL 15 XeCl (15J, 200ns) developed by SOPRA, and a more conventional laser, Lambda Physik XeCl (200mJ, 20ns). After the presentation of the state of the art for the realization of doped junctions, the experimental optical devices used in this work were described in detail and physical phenomena during laser irradiation. Thermal modelling was done and was in good agreement with many characterizations carried out. Then the integration of the laser process to other MOSFET manufacturing technologies was studied and tested. This study shows the possibility to obtain functional transistors using laser process for the realization of ultra-shallow junctions in the realization of CMOS transistors.
La réalisation de jonctions ultra-minces et fortement dopées est un enjeu majeur pour poursuivre la miniaturisation des dispositifs microélectroniques. En effet, la réduction de taille du transistor MOS, composant de base de la microélectronique silicium, exige des conditions drastiques notamment sur les caractéristiques dimensionnelles et électriques des zones dopées constituant la source et le drain du transistor. Les technologies utilisées actuellement pour la réalisation de ces couches dopées seront, à court terme, incapables de tenir les spécifications imposées par l'évolution prévue pour les dix années à venir. Au cours de ce travail de thèse nous avons étudié des procédés de dopage par laser, susceptibles de répondre à ces exigences, primordiales pour le bon fonctionnement du MOS. Nous avons disposé pour étudier les procédés de recuit et de dopage, de deux montages expérimentaux qui utilisent deux lasers impulsionnels ayant des caractéristiques temporelles très différentes: un laser industriel VEL 15 XeCl (15J, 200ns) développé et mis à disposition par la société SOPRA dans ses locaux, et un laser, plus conventionnel, Lambda Physik XeCl (200mJ, 20ns), installé à l'IEF. Après avoir présenter les différentes techniques utilisées ou susceptibles d'être utilisées pour la réalisation de jonctions dopées, les dispositifs optiques expérimentaux utilisés dans ce travail ont été décrit en détail, ainsi que les différents phénomènes mis enjeu lors de l'irradiation laser. Des modélisations thermiques ont permis de mieux comprendre les paramètres clés du recuit laser et se sont avéré en bon accord avec de nombreuses caractérisations réalisées. Puis l'intégration du procédé laser aux autres technologies de fabrication du MOSFET a été étudiée et testée. Cette étude a permis d'obtenir des transistors fonctionnels démontrant la possibilité de l'utilisation de techniques laser pour la réalisation de jonctions ultra fines dans la chaîne de fabrication des transistors CMOS.
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