Atelier « Contamination » Giens, Journées de lIM2NP, 11-12 mai 2010.

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1 Atelier « Contamination » Giens, Journées de lIM2NP, 11-12 mai 2010

2 Résumé de latelier Contamination Silicium « microélectronique » - « vieux sujet » mais contraintes ITRS « extrêmes » -liste de (contaminants + complexes) connue (ne pas oublier H, C et O), en concentration faible, interactions de paires métal–défaut uniquement … -techniques nombreuses mais compromis « magique » à trouver: Détecter / Quantifier / Identifier / Localiser - Part importante de laxe thématique « fiabilité du matériau au composant »

3 Résumé de latelier Contamination Silicium « microélectronique » -Projet « COMET » (FUI – 6 équipes IM2NP impliquées) Développement de techniques de pointe (EDMR, DLTS, MAFM, micro-PCD, + Méthode optiques : ellipsométrie, spectroscopie, diffusion de la lumière, imagerie … Étude des effets électriques (doses limite) Etude physique de la diffusion / ségrégation y compris dans des structures microélectroniques complexes multiples interfaces … + Données sur la recombinaison des porteurs Pour simuler la contamination et ses effets

4 Résumé de latelier Contamination dans Si photovoltaïque -contamination de plusieurs décades supérieure à la microélectronique -défauts étendus (dislocations, joint de grains) -…mais même problèmes et techniques que la microélectronique Contamination autres matériaux - SiGe, ZnO, Semi-conducteurs à grand gap (GaN, SiC…) - Sujet très en pointe au niveau international -Physique originale / Si: relaxation des défauts dans les SC grands gap

5 Résumé de latelier Quest-ce quune contamination dans une nanostructure? - Au dans nanofils? - Comment « tient » un contaminant sur un nanofil? - Diffusion dopants dans boîte quantique? - Effets de surface? Groupe de travail sur la DLTS … et lEDMR - à mettre en place sous peu…

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7 Des contaminants … dans les matériaux semi-conducteurs et isolants … problématique ancienne qui fut « bloquante » dans lindustrie du MOS (Na, K) Dopants: B, As, P, In + association dopant-défauts, dopant-contaminant… Organiques (COV – Composés Organiques Volatiles Inorganiques métaux et leurs contaminants (soufre…) carbone, oxygène, complexes Acides / Bases + … tout ce qui nest pas attendu

8 Des contaminants Liste de contaminants établie lors du projet CIM-Conta (2005-2009)

9 Des contaminants

10 Des effets Industriels : perte de rendement, de performances Physiques : précipités, défauts, complexes, procédés Electriques : instabilités, décalages en tension, claquages, vieillissement accéléré

11 Des effets Industriels : perte de rendement, de performances Physiques : précipités, défauts, complexes, procédés Electriques : instabilités, décalages en tension, claquages, vieillissement accéléré

12 Des Etudes multiples Différents aspects des études de contamination: Identification des étapes sensibles du procédé de fab. et des causes de la contamination Limitations des contaminations lors du procédé de fab. Effets sur le procédé de fabrication (délaminage, masques…) Effets sur le fonctionnement du dispositif final Etudes statistiques (proportion de cellules défectueuses…) Contrôle de la contamination - Nettoyage (surfaces) - Piégeage et « gettering » (étape de décontamination + piège à demeure sur site) - Barrières Etude sur les matériaux et les structures (multicouches…) Etude sur les dispositifs

13 Des Techniques nombreuses Caractérisation des contaminants dans le matériau: Détection de présence Caractérisation de leur mobilité dans le matériau Réaction /précipitation dans le matériau (défauts étendus, interf.) Contraintes Propriétés mécaniques pour le procédé (adhésion des couches…) Techniques de caractérisation physico-chimiques (détection /quantification) surface STM, AES, MEIS, XPS, AFM magnétique, AFM électrique, LEED/RHEED, TXRF… Interfaces STM, AES, SAT, TEM, AFM magnétique, AFM électrique… Volume SIMS, TOF-SIMS, D-SIMS, DLTS, RBS, SAT, TEM, XRD, FIM, EDMR Techniques de caractérisation électrique (matériau / fonction. Dispo.) Durées de vie: voir tableau ci-joint… + Micro PCD Mobilité électronique : Piégeage de charges: décalages C-V, I-V Claquage doxydes: statistiques Vieillissement prématuré: cinétiques de vieillissement

14 Techniques de durée de vie TechniqueAcronymExcitationMeasurement PhotoConductive DecayPCDOptical pulseConductivity Time of Flight Drift MobilityTFDMOptical pulseCurrent transient Short Circuit Current Decay Open Circuit Voltage Decay SCCD OCVD Optical pulseI or V in a PN junction Photoluminescence DecayPDOptical pulseLight emitted Surface PhotoVoltageSPVOptical fluxMOS Surface Voltage Electron Beam Induced CurrentEBICElectron BeamCurrent Junction Reverse RecoveryRRElectrical pulsePN diode current Open Circuit Voltage DecayOCVDElectrical switchDiode voltage decay Pulsed MOS capacitorZERBST methodElectrical pulseMOS capacitance Gate-Controlled DiodeGCDElectrical pulse on Gate Drain/Bulk PN junction Current

15 Ambition du projet: Caractériser et quantifier limpact des contaminants métalliques sur les performances électriques des circuits Porteur: ST Microelectronics Objectifs du développement Etablir la relation entre contamination contrôlée et les performances des composants Modéliser le comportement des contaminants métalliques au cours du procédé Explorer de nouvelles techniques de caractérisation permettant dadresser les besoins analytiques des technologies hétérogènes embarquées. Améliorer les procédures de nettoyage dans le but de minimiser la contamination apportée par les Équipements Maitriser les méthodes de contamination sur plaquettes Le projet COMET

16 Moyens mis en œuvre vis-à-vis de la difficulté scientifique (non-exhaustif) - Techniques danalyses de surface VPD associé à ICPMS, TOF-SIMS, D-SIMS - Techniques didentification de contaminants dans le volume DLTS… - Techniques de mesure des longueurs de diffusion de porteurs minoritaires Micro-PCD, SPV… - Techniques de caractérisation fine MAFM, EDMR… - Techniques de caractérisation électrique à base de Testeurs électriques standard - Logiciels de simulation SPICE

17 Ajouts Contaminants : H Méthode optiques : ellipsometrie, spectroscopie, diffusion de la lumière, imagerie Structures microélectronique multiples interfaces ségrégation Simulations plusieurs physiques: diffusion/réaction et recombinaisons des porteurs (rayon de capture…) Si métal en concentration faible, interactions de paires métal–défaut uniquement But = trouver la bonne combinaison de techniques permettant l identification et la détection