rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Siliciures et germaniures pour les circuits électroniques de prochaine génération :
nouveaux mécanismes de réactions et évolution de la texture cristalline
Chercheurs : Patrick Desjardins, François Schiettekatte et Sjoerd Roorda
Collaborateurs : C. Lavoie, F.M. d’Heurle (IBM Research, USA); C. Detavernier (U. Gent, Belgique)
Étudiants : C. Coia, S. Gaudet, M. Tremblay, M. Guihard et P. Turcotte-Tremblay
Contact : Patrick Desjardins; patrick.desjardins@polymtl.ca; http://desjardins.phys.polymtl.ca
À très petite échelle, les transformations de phase et les réactions d’interface ayant lieu lors de
traitements thermiques peuvent être considérablement affectées par les dimensions et la nanostructure
des matériaux. Par exemple, lorsqu’une réaction est limitée par une étape de germination, l’utilisation de
faibles volumes de matériaux peut rendre cette réaction pratiquement impossible à réaliser. L’industrie de
la microélectronique fait de plus en plus régulièrement face à ce genre de situations, notamment dans le
cas de la formation des contacts en siliciures dans les transistors à effet de champ.
Propriétés technologiques des matériaux
En étroite collaboration avec IBM Research et Universiteit
Gent, nous étudions l’effet de la taille, de la nanostructure et
de la texture (orientations cristallines des différents grains des
matériaux polycristallins) des couches minces sur les mécanismes
et les cinétiques de réactions en phase solide. Nous nous
concentrons sur des systèmes d’intérêt technologique tels
que les siliciures et les germaniures des métaux de transition.
Ces matériaux sont présentement utilisés pour les contacts de
premier niveau dans la technologie CMOS. L’utilisation d’une
source de rayonnement synchrotron au Brookhaven National
Laboratory permet de mesurer le signal diffracté en temps réel
pendant les traitements thermiques (figure ci-contre). De telles
mesures ont permis non seulement de démontrer que les réactions
peuvent être modifiées lorsque les couches n’ont que
quelques nanomètres d’épaisseur, mais également de mettre
en lumière plusieurs nouveaux phénomènes tels que la croissance
simultanée de plusieurs phases dans un système en
couches minces.
Texture
Avec la miniaturisation constante des dimensions des transistors,
les siliciures formant les contacts ne sont constitués que
de quelques grains cristallins. On ne peut donc plus supposer
qu’il s’agit de matériaux polycristallins relativement isotropes.
Le contrôle de la texture – la distribution d’orientations des
grains – lors du dépôt des couches minces ainsi que pendant
les traitements subséquents s’avère donc de toute première
importance. Nous étudions l’impact de l’interaction entre la
texture et la cinétique des réactions en phase solide sur la
morphologie, les contraintes et la stabilité des structures de
dimensions nanométriques. Une figure de pôle typique révélant
la présence d’axiotaxie (alignement de plans cristallins à
l’interface) dans une couche de NiSi est montrée ci-dessous.
Transistor à effet de champ observé
en section.
Figures de pôle montrant la
présence d’axiotaxie.
Courbes de diffraction synchrotron in situ pendant le recuit d’une couche de 10 nm
de Ni sur Si(001). Les intensités les plus élevées sont indiquées en rouge.
Germaniures
En microélectronique, la récente disponibilité de matériaux de
haute permittivité diélectrique pour l’oxyde de grille des transistors
permet l’utilisation de substrats de plus haute mobilité
que le Si pour la conception de dispositifs CMOS. Une étude
systématique de la réaction lors de recuit de 20 métaux avec le
Ge a été réalisée dans le but d’identifier les matériaux adéquats
pour la réalisation de contacts sur des substrats de germanium
en microélectronique. En combinant des mesures in situ de
diffraction de rayons X, de réflectance diffuse et de résistance,
nous avons déterminé la séquence de phase pour chacun des
systèmes métaux-Ge lors du traitement thermique. Les candidats
les plus prometteurs – en fonction de leur résistance de
feuille et de leur rugosité de surface – pour le premier niveau
d’interconnexion dans les circuits microélectroniques sont le
NiGe et le PdGe.
Références
• “Reaction of thin Ni films with Ge: Phase formation and texture”,
S. Gaudet, C. Detavernier, C. Lavoie et P. Desjardins,
J. Appl. Phys. 100, 34306 (2006).
• “Thin film reaction of transition metals with germanium”,
S. Gaudet, C. Detavernier, A. Kellock, P. Desjardins et C. Lavoie,
J. Vac. Sci. Technol. A 24, 474 (2006).
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