Effets des recuits ultra-rapides (10^5 K/s) sur la formation des siliciures métalliques en phase solide

Abstract

La synthèse de siliciures métalliques sous la forme de films ultra-minces demeure un enjeu majeur en technologie CMOS. Le contrôle du budget thermique, afin de limiter la diffusion des dopants, est essentiel. Des techniques de recuit ultra-rapide sont alors couramment utilisées. Dans ce contexte, la technique de nanocalorimétrie est employée afin d'étudier, in situ, la formation en phase solide des siliciures de Ni à des taux de chauffage aussi élevés que 10^5 K/s. Des films de Ni, compris entre 9.3 et 0.3 nm sont déposés sur des calorimètres avec un substrat de a-Si ou de Si(100). Des mesures de diffraction de rayons X, balayées en température à 3 K/s, permettent de comparer les séquences de phase obtenues à bas taux de chauffage sur des échantillons de contrôle et à ultra-haut taux de chauffage sur les calorimètres. En premier lieu, il est apparu que l'emploi de calorimètres de type c-NC, munis d'une couche de 340 nm de Si(100), présente un défi majeur : un signal endothermique anormal vient fausser la mesure à haute température. Des micro-défauts au sein de la membrane de SiNx créent des courts-circuits entre la bande chauffante de Pt du calorimètre et l'échantillon métallique. Ce phénomène diminue avec l'épaisseur de l'échantillon et n'a pas d'effet en dessous de 400 °C tant que les porteurs de charge intrinsèques au Si ne sont pas activés. Il est possible de corriger la mesure de taux de chaleur en fonction de la température avec une incertitude de 12 °C. En ce qui a trait à la formation des siliciures de Ni à ultra-haut taux de chauffage, l'étude montre que la séquence de phase est modifiée. Les phases riches en m étal, Ni2Si et théta, ne sont pas détectées sur Si(100) et la cinétique de formation favorise une amorphisation en phase solide en début de réaction. Les enthalpies de formation pour les couches de Ni inférieures à 10 nm sont globalement plus élevées que dans le cas volumique, jusqu' à 66 %. De plus, les mesures calorimétriques montrent clairement un signal endothermique à haute température, témoignant de la compétition que se livrent la réaction de phase et l'agglomération de la couche. Pour les échantillons recuits a 3 K/s sur Si(100), une épaisseur critique telle que décrite par Zhang et Luo, et proche de 4 nm de Ni, est supposée. Un modèle est proposé, basé sur la difficulté de diffusion des composants entre des grains de plus en plus petits, afin d'expliquer la stabilité accrue des couches de plus en plus fines. Cette stabilité est également observée par nanocalorimétrie à travers le signal endothermique. Ce dernier se décale vers les hautes températures quand l'épaisseur du film diminue. En outre, une 2e épaisseur critique, d'environ 1 nm de Ni, est remarquée. En dessous, une seule phase semble se former au-dessus de 400 °C, supposément du NiSi2.

The synthesis of metal silicides in the form of ultra-thin films remains a major issue in CMOS technology. Controlling the thermal budget to limit dopant diffusion is essential and ultra-rapid annealing techniques are commonly used. In this context, the nanocalorimetry technique is used in situ to study Ni silicides phase formation at heating rate as high as 10^5 K/s. Ni films from 9.3 nm to 0.3 nm are carried out on calorimeters with either a-Si or Si(100) substrate. Ex situ temperature-resolved x-ray diffraction, scanned at low heating rate (3 K/s), is used in order to compare the phase sequence with the ones obtained at ultra-high heating rates. First, the use of c-NC calorimeters equipped with a Si(100) substrate, 340 nm thick, results in a major challenge. An abnormal endothermic signal is measured at high temperature. Results show that microdefects in the SiNx membrane create short circuits between the Pt heating strip of the calorimeter and the metal sample. This phenomenon decreases with the thickness of the metal sample and has no effect below 400 °C. Below this temperature the Si charge carriers are not activated. Then, the heat flow signal was corrected as a function of the temperature with an uncertainty of 12 ° C. In regard to the formation of Ni silicides at ultra-high heating rates, the study shows that the phase sequence is changed. On Si(100) substrate, the metal rich phases such as Ni2Si and theta -phase are no longer detected. Also, a solid state amorphization is favored at the beginning of the reaction. The enthalpies of formation for layers thinner than 10 nm are generally higher, up to 66 %, than those listed in literature for thick layers. Moreover, the calorimetric measurements clearly show an endothermic signal at high temperature, revealing a competition between the reaction of phase formation and the layer agglomeration. For sample annealed at 3 K/s on Si(100), the critical thickness as described by Zhang and Luo, is observed around 4 nm of Ni. A model is proposed in order to explain the increased stability when the layer thicknesses decrease. It is based on the fact that the diffusion of atoms is harder when grain sizes decrease. It also explains why the endothermic signals in nanocalorimetry shift toward higher temperatures when the layer thickness decreases. In addition, a second critical thickness of about 1 nm is noted. Below, it seems that only one phase forms, presumably the NiSi2.