L'impact de la texture sur la réaction en phase solide du Ni avec le Si

La microélectronique est une industrie de 300 milliards de dollars basée sur l'amélioration constante de la performance des transistors. Le NiSi est actuellement le matériau de choix pour la formation des contacts sur les sources et les drains des transistors ayant des dimensions critiques inférieures à 50 nm. Les contacts sont formés par une réaction en phase solide impliquant une couche mince de Ni et un substrat de Si. Lors de la réaction une interdiffusion entre le Ni et le Si est observée et entraine la formation de différentes phases. Les températures et la séquence à laquelle les phases sont observées lors d'un recuit sont très variables en fonction du niveau et de la nature du dopage, de l'épaisseur déposée, de la géométrie ou de la présence d'élément d'alliages. Sur un microprocesseur, il y a des milliards de transistors n'ayant pas tous les mêmes caractéristiques et leurs contacts sont tous réalisés simultanément. À chaque génération de transistor, l'intégration du NiSi est donc un nouveau défi. Cette thèse permet de mieux comprendre la réaction en phase solide entre le Ni et le Si et les variations du procédé notamment par l'identification d'une phase métastable jouant un rôle clé lors de la réaction. Pour ce faire, nous avons développé une approche expérimentale utilisant la diffraction rayons X et permettant de caractériser efficacement l'ensemble de l'espace réciproque. Cette technique expérimentale permet d'identifier à l'aide d'une seule mesure la texture de toutes les phases contenues dans un échantillon, la nature des phases présentes, la présence de contraintes dans l'échantillon, la présence de défauts plans ainsi que la présence de signaux provenant de la diffusion des rayons X par les phonons du substrat monocristallin. Cette technique a été cruciale pour identifier les phases orientées présentes lors de la réaction entre le Ni et le Si et a permis de démontrer que la texture des phases observées joue un rôle important lors de la réaction. Les logiciels développés pour traiter les données brutes et analyser l'espace réciproque en trois dimensions ont été mis à la disposition de l'ensemble de la communauté scientifique. Dans un premier temps, nous étudions la réaction de 10 nm de Ni sur Si(001). Lors de la réaction, on observe tous d'abord la formation du Ni2Si et d'une phase épitaxiale à l'interface. Par la suite

Abstract

Microelectronics is a 300 G$ industry based on constant improvement of transistors. NiSi is currently the material of choice for the formation of contacts on the sources and drains of transistors with critical dimensions below 50 nm. Contacts are formed through a solid state reaction between Ni and Si. During the reaction an interdiffusion between Ni and Si occurs and result in formation of multiple phases. The temperature and the sequence at which those phases are observed during annealing are highly dependent on doping concentration and nature, thickness deposited, geometry, or alloying elements. On a single chip, billions of transistors with different sets of characteristics coexist and their contacts are all form simultaneously. At each transistor generation, the integration of NiSi is therefore a new challenge. This thesis allows to better understanding of the reaction and the process variations, notably by the observation of a metastable phase playing a key role in the reaction. We developed an experimental approach using x-ray diffraction to effectively characterize the entire reciprocal space. This experimental technique allows us to identify, using a single measurement, the texture, and nature of all phases in a sample, deformations of the lattice, signals from the thermal diffuse scattering resulting from the interaction of the x-rays with the phonons of the substrate and the presence of planar defects. This technique allowed us to demonstrate that the texture of the phases forming has a crucial impact on the reaction between Ni and Si or is the marker of phenomenon important to understand the reaction. Software, developed to process the raw data and analyze the three dimensional reciprocal space, were made available to the scientific community. First, we characterize the reaction of 10 nm Ni on Si(001). During the reaction, the first phases to form are Ni2Si and an epitaxial phase at the interface. The Ni2Si phase is consumed by the metastable θ phase. We explain its formation by a nucleation facilitated by the inheritance of the Ni2Si fiber texture. Following the decomposition of the θ phase, which occurs when the temperature allowing the nucleation of the NiSi phase is reached, we observe the regrowth of