Ultra-shallow junctions realization by laser annealing : applications to UV sensors

Réalisation de jonctions ultra-minces par recuit laser : application aux détecteurs UV

Yannick Larmande (1)

1 LP3 - Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés photoniques

Since the 1970's, the components size has steadily declined. The realization of highly-doped ultra shallow junctions became a key point in the reduction of microelectronic devices. The manufacturing processes must evolve to meet the stringent specifications of the next technology nodes, in particular in terms of dimension and electrical properties of the doped area. In this thesis we have studied the process of laser annealing of dopants implanted by plasma immersion. The ArF excimer laser we used is absorbed in less than 10 nm of silicon, which allows a local heating. Moreover, the short pulse duration provides a low thermal budget which reduces the dopant diffusion. By combining this technique with plasma immersion ion implantation, which is interesting because of the very low acceleration voltage (few tens of eV), we can produce highly activated junctions without diffusion. After a presentation of the different doping techniques that may be used, we describe the experimental treatment and the characterization tools that we used. We have used numerical simulations to understand the role of the laser parameters on the temperature profile of the silicon surface. After choosing the most suitable laser between ArF, KrF and XeCl (respectively : 193 nm - 15 ns, 248 nm - 35 ns, 308 nm - 50 ns), we studied the influence of the number of shots and beam shaping to optimize the process. Finally, inhomogeneities caused by the beam edges have been studied and identified in order to improve the laser scan process.

Depuis les années 1970, la taille des composants n'a cessé de diminuer. La réalisation de jonctions ultra-minces et fortement dopées est devenue un point clef dans la réduction des dispositifs microélectroniques. Les techniques de production doivent évoluer afin de répondre aux spécifications drastiques, en termes de taille des zones dopées et de leurs propriétés électriques, des prochains noeuds technologiques. Dans ce travail de thèse nous avons étudié le procédé d'activation au laser de dopants implantés par immersion plasma. Le laser à excimère utilisé (ArF) est absorbé dans moins de 10 nm de silicium, ce qui va permettre un recuit local. De plus, la courte durée d'impulsion va assurer un faible budget thermique, limitant la diffusion des dopants. En associant cette technique à l'implantation ionique par immersion plasma, dont l'intérêt est de pouvoir travailler à de très basses tensions d'accélération (quelques dizaines d'eV), nous pouvons réaliser des jonctions avec un fort taux d'activation sans diffusion. Après avoir présenté les différentes techniques de dopage pouvant être utilisées, nous avons décrit les dispositifs expérimentaux de traitement et de caractérisation utilisés. Des simulations ont permis de comprendre le rôle des paramètres laser sur le profil de température du silicium en surface. Après avoir choisi le laser le plus adapté parmi les lasers ArF, KrF et XeCl (respectivement : 193 nm - 15 ns, 248 nm - 35 ns, 308 nm - 50 ns), nous avons observé l'effet du nombre de tirs et de la mise en forme de faisceau afin d'optimiser le procédé. Pour terminer, des inhomogénéités dues aux bords de faisceau ont été mises en évidence et étudiées afin d'en limiter l'effet.

Mots clés: Ultra-Shallow Junction; laser annealing; nanosecond; Light Beam Indiced Current; UV sensors; Plasma Immersion Ion Implantation

Mots clés: Jonction Ultra-Mince; recuit laser; nanoseconde; Courant Induit par Bombardement Lumineux; détecteurs UV; Implantation Ionique par Immersion Plasma

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Yannick Larmande. Réalisation de jonctions ultra-minces par recuit laser : application aux détecteurs UV. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université de la Méditerranée - Aix-Marseille II, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00557507⟩