GDR SURGECO, Montpellier, 3-5 March 2008 D Mangelinck, K Hoummada, F Haidara, C Perrin, A Portavoce, M-C Record, B Duployer Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP), Université Aix-Marseille, CNRS, Faculté de saint Jérôme, Case Marseille cedex 20, France O. Cojocaru, E. Cadel, D. Blavette Groupe de Physique des Matériaux, UMR 6634 CNRS - Université de Rouen – Avenue de l'université - BP Saint Etienne du Rouvray, France Diffusion réactive : rôle des contraintes et du confinement D Mangelinck, K Hoummada, F Haidara, C Perrin, A Portavoce, M-C Record, B Duployer Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP), Université Aix-Marseille, CNRS, Faculté de saint Jérôme, Case Marseille cedex 20, France O. Cojocaru, E. Cadel, D. Blavette Groupe de Physique des Matériaux, UMR 6634 CNRS - Université de Rouen – Avenue de l'université - BP Saint Etienne du Rouvray, France

Self-aligned silicidation (salicide): Process steps Salicide:  Selective formation of silicide  Decrease of the contact and interconnect resistance

Métallisation des mémoires flash Col: P Fornara, JM Mirabel, STMicroelectronics (Rousset) Réaction Ti/Si dans les mémoires Flash: C49-TiSi 2  C54-TiSi 2 Germination de C49-TiSi 2

Création d ’ une nouvelle phase: A+B  AB Formation contrôlée par la germination Force opposée  création d’interface:   =  AB/A +  AB/B -  A/B Force motrice  Gain d’enthalpie libre:  G v = G AB - (G A + G B ) A B AB A B  G grand pour la première phase  G plus petit pour les phases intermédiaires  G petit  problème de germination  absence de certaines phases  difficulté de formation de certains siliciures ex: formation of TiSi 2

Nucleation difficulties: Practical aspects - TiSi 2

Métallisation des mémoires flash Avec PAI (As/ cm -2 /40keV) après RTP1 et retrait sélectif Sans PAI après RTP1 et retrait sélectif Réaction Ti/Si dans les Flash: Implant de préamorphisation

Size decrease

« Encroachment » = intrusion Paramètres qui influence l’intrusion - confinement - contraintes - impuretés - dopants - … Mécanismes de formation - confinement - contraintes - impuretés - dopants - …

Réaction entre un film mince de Ni et un substrat de Si Formation en films minces - Formation séquentielle - 3 phases: Ni 2 Si, NiSi, NiSi 2 - contrôle par diffusion du Ni  Meilleure compréhension des mécanismes de croissance Diagramme de phases Ni-Si

Differential scanning calorimetry  Advantages of DSC  Thermodynamics  Sensitivity to first stages of  formation  Limits of DSC  Quantity of materials  Substrate “noise”  DSC analysis of reaction of 50 nm Ni films with a-Si on a Si substrate Differential scanning calorimetry  Advantages of DSC  Thermodynamics  Sensitivity to first stages of  formation  Limits of DSC  Quantity of materials  Substrate “noise”  DSC analysis of reaction of 50 nm Ni films with a-Si on a Si substrate Reaction of Ni thin films with Si Nemouchi et al, APL, 2005 Difference in power Sample Reference T E = T R DSC thermograms of 50 nm Ni films on a-Si with different ramps 10K/min 25K/min 50K/min 100K/min

Lateral growth 2 DSC peaks for Ni 2 Si 1 st Peak  lateral growth of nuclei 2n d Peak  growth normal to the interface 50K/min

Premiers stades de réactions: Sonde tomographique atomique (K. Hoummada et al, APL, 2006 / col. GPM, Rouen) L’échantillon de sonde atomique : une pointe Sa préparation… Dépôts d’un film sur des plots Amincissement par FIB

La sonde atomique tomographique haute tension + laser femtosecond échantillon Ni + Si 0,000  s

La sonde atomique tomographique échantillon Ni + Si 0,010  s

La sonde atomique tomographique échantillon Ni + Si 0,10  s Ni Si

Si 0,700  s La sonde atomique tomographique Ni Si

Ni 1,000  s 0,700  s Si La sonde atomique tomographique Ni

First stages of Ni silicides formation by atom probe tomography (K. Hoummada et al, APL, 2006) Atom probe tomography and laser Reconstructed volume (18x18x39 nm) of Ni, Si and Pt

First stages of Ni silicides formation : Ni(Pt)/(100)Si Nickel NiSi Ni 2 Si Si(100) Ni(5%Pt) Si(100) Ni(5%Pt) Silicon Local composition and 3D shape of the silicides Formation of NiSi and precipitate of Ni 2 Si after deposition Atom probe tomography with femtoseconde laser: reconstructed volume (18x18x39 nm 3 ) of Ni, Si and Pt

First stages of Ni silicides formation : Ni(Pt)/(100)Si Montage Nucleation and lateral growth of the Ni 2 Si phase Anisotropy of lateral growth Anisotropy of diffusion and interfacial reaction Ni 2 Si K. Hoummada, E. Cadel, D. Mangelinck, C. Perrin-Pellegrino, D. Blavette, B. Deconihout. Appl. Phys. Let (2006). Selected in Virtual Journal of Ultrafast Science Ni(5%Pt)/Si(100) after deposition Observation of nucleation and lateral growth

Lateral growth of Ni 2 Si on a-Si Transformed volume fraction 2 DSC peaks for Ni 2 Si 1 st Peak  lateral growth of nuclei 2n d Peak  normal growth 1 st peak 50K/min model : Coffey et al,. APL 55 (1989) 852 Density of existing nuclei Cylindrical nuclei Lateral growth controlled by interface mobility

Lateral growth of Ni 2 Si on a-Si Interface mobility for lateral growth: K lat =10 exp(-0.85/kT) [cm/s] Interface mobility for lateral growth: K lat =10 exp(-0.85/kT) [cm/s]

Reaction between a 50 nm film of Ni and amorphous Si Rôle des contraintes In situ X ray diffraction for the annealing at 210°C of a 50 nm Ni film on amorphous Si In situ X ray diffraction for the annealing at 210°C of a 50 nm Ni film on amorphous Si Normalized intensity of X ray diffraction peaks for the annealing at 210°C of a 50 nm Ni film on amorphous Si Normalized intensity of X ray diffraction peaks for the annealing at 210°C of a 50 nm Ni film on amorphous Si 2 theta Time [h]

Les contraintes Effet des contraintes sur la formation des phases In situ XRD isotherme (210°C) of 50 nm Ni on amorphous Si In situ XRD isotherme (210°C) of 50 nm Ni(5%Pt) on (100) Si

More complexes systems : CMA in the Al/Cu/Fe system (col. C. Vahlas) Thickness total =200 nm 140nm for Al 40 nm for Cu 20 nm for Fe In situ sheet resistance for the Al/Cu/Fe and Al/Fe/Cu sequences Tc= 800°C with a ramp of 1°C / min The circle correspond at the reaction

Ni(5%Pt)/Si : redistribution of Pt during the silicide formation Laser assisted wide angle tomographic atom probe LAWATAP : Reconstructed volume (15x15x52 nm 3 ) for Ni, Si and Pt Ni(5%Pt)/Si after 1h annealing at 290°C Ni(Pt) Ni 2 Si Si NiSi Pt Ni Si 50 nm 16 nm

Ni(5%Pt)/Si : simultaneous growth and redistribution of Pt Ni(Pt)Ni 2 SiNiSiSi Accumulation of Pt in Ni Accumulation of Pt at the Ni 2 Si/NiSi interface Concentration profiles for Ni, Si and Pt (LAWATAP) Snowplow effect

Conclusion/perspectives Diffusion réactive Confinement  Formation de contact  « Encroachment » Contraintes Redistribution Perspectives  Sonde atomique laser à Marseille  ANR « TAPAS »  Traitements thermiques de revêtements sur surfaces à géométries complexes Tomographie de transistors nanométriques