Atelier « Contamination »

1. Atelier « Contamination » Giens, Journées de l’IM2NP, 11-12 mai 2010

2. Résumé de l’atelier • 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 l’axe thématique « fiabilité du matériau au composant »

3. Résumé de l’atelier • 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 l’atelier • 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 l’atelier • Qu’est-ce qu’une 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 l’EDMR • à mettre en place sous peu…

7. Des contaminants • … dans les matériaux semi-conducteurs et isolants • … problématique ancienne qui fut « bloquante » dans l’industrie 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 n’est 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 d’oxydes: statistiques  Vieillissement prématuré: cinétiques de vieillissement

14. Techniques de durée de vie

15. Le projet COMET • Ambition du projet: Caractériser et quantifier l’impact 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 d’adresser 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

16. Le projet COMET Moyens mis en œuvre vis-à-vis de la difficulté scientifique (non-exhaustif) - Techniques d’analyses de surface VPD associé à ICPMS, TOF-SIMS, D-SIMS - Techniques d’identification 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