Helium implantation induced defects in silicon based materials
Défauts induits par l'implantation d'hélium dans les matériaux à base silicium
Résumé
The work presented in this Ph.D thesis has been done in the Laboratoire de Métallurgie Physique at the University of Poitiers and in the group Defects in Materials of the Interfaculty Reactor Institute at the Technological University of Delft (Netherlands).
Materials requirements for semiconductors used in microelectronics become continuously more severe. Indeed, impurities and crystallographic defects can strongly modify the characteristics of electronic devices and thus must be fully controlled in order to improve device performance. Recently, helium induced cavities in silicon wafers have received considerable attention due to their efficiency as gettering sites for metallic impurities. Cavities in silicon are usually formed by high dose He ion implantation followed by annealing at high temperatures. Even if silicon plays a major role in the development of today semiconductor device technology, silicon carbide is one of the most promising candidate to extend future microelectronic applications.
In this thesis TEM (Transmission Electron Microscopy) investigations of defects introduced by helium implantation in silicon and in silicon carbide are presented. Additional techniques such as THDS (Thermal Helium Desorption Spectrometry) and XRD (X-Ray Diffraction) have been also used. In case of medium dose MeV implantation in silicon, an alternative route for bubble formation is found, leading to numerous interstitial-type extended defects. We have shown that the dose-rate strongly influence the formation of bubbles and of related defects. Further studies on the effects of annealing time and implantation temperature have been performed. Implantation at room temperature of high dose helium ions into SiC leads not only to the formation of small bubbles but also to amorphization. At 1500°C annealing recrystallization take place leading to polytypisme and to the enlargement of the cavities. THDS studies on bubbles precursors in SiC are also presented.
Materials requirements for semiconductors used in microelectronics become continuously more severe. Indeed, impurities and crystallographic defects can strongly modify the characteristics of electronic devices and thus must be fully controlled in order to improve device performance. Recently, helium induced cavities in silicon wafers have received considerable attention due to their efficiency as gettering sites for metallic impurities. Cavities in silicon are usually formed by high dose He ion implantation followed by annealing at high temperatures. Even if silicon plays a major role in the development of today semiconductor device technology, silicon carbide is one of the most promising candidate to extend future microelectronic applications.
In this thesis TEM (Transmission Electron Microscopy) investigations of defects introduced by helium implantation in silicon and in silicon carbide are presented. Additional techniques such as THDS (Thermal Helium Desorption Spectrometry) and XRD (X-Ray Diffraction) have been also used. In case of medium dose MeV implantation in silicon, an alternative route for bubble formation is found, leading to numerous interstitial-type extended defects. We have shown that the dose-rate strongly influence the formation of bubbles and of related defects. Further studies on the effects of annealing time and implantation temperature have been performed. Implantation at room temperature of high dose helium ions into SiC leads not only to the formation of small bubbles but also to amorphization. At 1500°C annealing recrystallization take place leading to polytypisme and to the enlargement of the cavities. THDS studies on bubbles precursors in SiC are also presented.
Les recherches présentées dans cette thèse ont été effectuées au Laboratoire de Métallurgie
Physique de l'Université de Poitiers ainsi qu'au sein du groupe Defects in Materials appartenant au
Interfaculty Reactor Institute de l'Université Technologique de Delft (Pays-Bas).
Les exigences concernant la qualité des matériaux semi-conducteurs utilisés en
microélectronique deviennent de plus en plus drastiques. En effet, la présence d'impuretés et de
défauts cristallographiques peut fortement modifier les caractéristiques des diodes. Il est donc
impératif de les contrôler afin d'améliorer les performances des dispositifs. Des études récentes sur
les cavités créées dans le silicium par implantation d'hélium à haute dose suivie d'un recuit à haute
température, ont montré que ces dernières peuvent être utilisées pour le piégeage d'impuretés
métalliques. Le silicium joue un rôle majeur dans la technologie actuelle des semi-conducteurs.
Cependant pour de nouvelles applications, en particulier en milieu hostile, le carbure de silicium
semble être un candidat prometteur.
Les défauts introduits par l'implantation d'hélium dans le silicium et dans le carbure de silicium
ont été étudiés par MET (Microscopie Electronique en Transmission). Des techniques
complémentaires comme la desorption d'hélium (THDS) et la DRX (Diffraction des Rayons-X) ont
également été utilisées. Nous avons observé que dans le cas d'implantations à forte énergie (MeV),
de nombreux défauts étendus de type interstitiel sont crées parallèlement à la formation des bulles.
Nous avons montré que la formation des bulles dépend fortement du flux et que le taux de
production des lacunes est un paramètre déterminant. Les effets du temps de recuit et de la
température d'implantation ont également été étudiés. Dans le carbure de silicium, la formation de
bulles se produit dans une zone amorphe et l'évolution en cavités a été étudiée en fonction de
divers recuit. Une étude par THDS des précurseurs des bulles est également présentée.
Physique de l'Université de Poitiers ainsi qu'au sein du groupe Defects in Materials appartenant au
Interfaculty Reactor Institute de l'Université Technologique de Delft (Pays-Bas).
Les exigences concernant la qualité des matériaux semi-conducteurs utilisés en
microélectronique deviennent de plus en plus drastiques. En effet, la présence d'impuretés et de
défauts cristallographiques peut fortement modifier les caractéristiques des diodes. Il est donc
impératif de les contrôler afin d'améliorer les performances des dispositifs. Des études récentes sur
les cavités créées dans le silicium par implantation d'hélium à haute dose suivie d'un recuit à haute
température, ont montré que ces dernières peuvent être utilisées pour le piégeage d'impuretés
métalliques. Le silicium joue un rôle majeur dans la technologie actuelle des semi-conducteurs.
Cependant pour de nouvelles applications, en particulier en milieu hostile, le carbure de silicium
semble être un candidat prometteur.
Les défauts introduits par l'implantation d'hélium dans le silicium et dans le carbure de silicium
ont été étudiés par MET (Microscopie Electronique en Transmission). Des techniques
complémentaires comme la desorption d'hélium (THDS) et la DRX (Diffraction des Rayons-X) ont
également été utilisées. Nous avons observé que dans le cas d'implantations à forte énergie (MeV),
de nombreux défauts étendus de type interstitiel sont crées parallèlement à la formation des bulles.
Nous avons montré que la formation des bulles dépend fortement du flux et que le taux de
production des lacunes est un paramètre déterminant. Les effets du temps de recuit et de la
température d'implantation ont également été étudiés. Dans le carbure de silicium, la formation de
bulles se produit dans une zone amorphe et l'évolution en cavités a été étudiée en fonction de
divers recuit. Une étude par THDS des précurseurs des bulles est également présentée.
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