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Français
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Yannick Larmande
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DOCUMENT PROVISOIRE N°d’ordre : XXXXXXXX
UNIVERSITÉ DE LA MÉDITERRANÉE
ÉCOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE ET SCIENCE DE LA MATIÈRE (ED 352)
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de la Méditerranée
Spécialité : Physique
RÉALISATION DE JONCTIONS ULTRA-MINCES PAR
RECUIT LASER :
APPLICATIONS AUX DÉTECTEURS UV
par
Yannick LARMANDE
sous la direction du Dr. Philippe DELAPORTE
soutenue publiquement le xx octobre 2010
JURY
M. Eric FOGARASSY Professeur ENSPS Rapporteur
M. Marcel PASQUINELLI Professeur Université Paul Cézanne Rapporteur
Mme. Hasnaa ETIENNE Docteur - Ingénieur R&D Société IBS Examinateur
M. Nadjib SEMMAR Professeur Université d’Orléans
M. Hervé DALLAPORTA Professeur Université de la Méditerranée
M. Philippe DELAPORTE Directeur de Recherche LP3 Directeur
M. Thierry SARNET Chargé de Recherche LP3 Co-DirecteurDOCUMENT PROVISOIRE N°d’ordre : XXXXXXXX
UNIVERSITÉ DE LA MÉDITERRANÉE
ÉCOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE ET SCIENCE DE LA MATIÈRE (ED 352)
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de la Méditerranée
Spécialité : Physique
RÉALISATION DE JONCTIONS ULTRA-MINCES PAR
RECUIT LASER :
APPLICATIONS AUX DÉTECTEURS UV
par
Yannick LARMANDE
sous la direction du Dr. Philippe DELAPORTE
soutenue publiquement le xx octobre 2010
JURY
M. Eric FOGARASSY Professeur ENSPS Rapporteur
M. Marcel PASQUINELLI Professeur Université Paul Cézanne Rapporteur
Mme. Hasnaa ETIENNE Docteur - Ingénieur R&D Société IBS Examinateur
M. Nadjib SEMMAR Professeur Université d’Orléans
M. Hervé DALLAPORTA Professeur Université de la Méditerranée
M. Philippe DELAPORTE Directeur de Recherche LP3 Directeur
M. Thierry SARNET Chargé de Recherche LP3 Co-DirecteurTable des matières
Introduction 1
1 Les jonctions ultra-minces 5
1.1 Intérêts des jonctions ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 Les composants CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1.1 Fonctionnement d’un transistor MOSFET . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.1.2 Les spécifications ITRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Les capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2.1 Fonctionnement d’un capteur CCD . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2.2 Rôle de la profondeur de jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Le dopage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Propriétés des semi-conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Le dopage de type N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Le dopage de type P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Implantation ionique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Faisceau d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1.1 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1.2 Implantation basse énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Immersion plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2.1 Fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.2.2 Le plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.3 Notion de solubilité limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.4 Effet de canalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.5 La pré-amorphisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Le recuit d’activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Les mécanismes de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Les différents recuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2.1 Le Recuit Thermique Rapide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2.2 Le recuit flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.2.3 Recristallisation en phase solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5 Les défauts de dopage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.1 Les défauts ponctuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.2 Les défauts étendus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.3 La diffusion anormale du bore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5.4 Les clusters de bore interstitiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.5 Correction des défauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Le dopage GILD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
iii TABLE DES MATIÈRES
2 Le recuit laser 29
2.1 Principe du recuit laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Les différents modes de recuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.1.1 Le recuit avec fusion : «mode melt» . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.1.2 Le recuit sans fusion : «mode sub-melt» . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Interaction laser matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.3 Conduction de la chaleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.4 Activation des dopants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.5 Cas de la pré-amorphisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Propriétés du silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Propriétés électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2 Propriétés optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.3 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Recuit laser du carbure de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1 Propriétés cristallographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 Propriétés électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3 Propriétés optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.5 Activation laser du SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Dispositifs expérimentaux 47
3.1 Le laser à excimère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Qu’est ce qu’un «excimère» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Fonctionnement du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3 Caractéristiques des lasers employés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3.1 Le laser ArF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.3.2 Le laser KrF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.3.3 Le laser XeCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.4 Rôle de l’impulsion laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Le montage optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Image de masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.2 Eléments d’optique diffractive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3 Le système de réflectométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4 Caractérisation des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.1 Mesure d’activation (4ppt : 4-point probes) . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.1.1 La mesure de résistance par carré . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.1.2 Lien entre résistance par carré et dose . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.1.3 Mesures de jonctions ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.2 Spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) . . . . . . . . . . . . 59
3.4.2.1 Principe de la mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.2.2 Description de l’appareil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.2.3 Mesures ToF SIMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4.3 Mesures électriques sur diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.3.1 Préparation et mesure des échantillons . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.3.2 Exploitation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4.4 Mesures optiques sans contact (SEMILAB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.5 Courant ind