Apport des techniques d'épitaxie à la technologie du MOSFET ultime : réalisation et étude d'hétérostructures IV-IV contraintes en tension sur Si(001)

Contribution of epitaxy technics to ultimate MOSFET technology : growth and study of tensily strained IV-IV heterostructure on Si(001)

• Auteur / Autrice : Cyril Calmes
• Direction : Daniel Bouchier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Résumé

L'objectif de cette étude est de déterminer les conditions d'épitaxie en UHV-CVD adaptées à la réalisation sans pseudo-substrat d'un canal enterré de type n dans un MOSFET. Pour obtenir la contrainte en tension nécessaire au confinement d'un gaz 2D d'électrons, il convient d'optimiser la concentration de carbone incorporé en substitution dans le silicium et l'alliage SiGe. Le mode de croissance, la morphologie du matériau, en surface et en volume, le champ de déformations du réseau et la composition du matériau sont étudiés. La vitesse de croissance des alliages SiGeC pauvres en Ge est modélisée en la supposant dominée par l'incorporation du Si. L'évaluation des probabilités de collage du méthylsilane confirme l'hypothèse du modèle à deux sites. Ces mesures montrent aussi que la présence de Ge favorise l'incorporation de C. La diffraction électronique in situ, montre une évolution de la rugosité de surface, qui dépend des conditions de croissance et est associée à l'incorporation de C en sites non-substitutionnel (interstitiel, β-SiC ou complexes SinC). Nous proposons un modèle qualitatif pour l'apparition de la rugosité qui suppose la formation de complexes carbonés diminuant localement la vitesse de croissance. Il implique que la longueur moyenne de diffusion des adatomes de C doit être au moins égale à la distance moyenne entre ces adatomes, d'où une condition seuil sur le rapport V_G/DN_C où D est le coefficient de diffusion des adatomes de C et N_C, la couverture en C. À partir de l'interprétation de nos résultats selon ce modèle, nous avons pu déterminer que la diffusion du C en surface est limitée par la couverture en hydrogène. L'analyse de couches ultra-minces (2 à 5 nm) riches en carbone permet de vérifier que le C est majoritairement incorporé en substitution lorsque la croissance reste bi-dimensionnelle. La concentration de C substitutionnel peut ainsi dépasser 3% dans une couche de 2 nm et 2% dans une couche de 5 nm, ce qui répond aux caractéristiques requises.

The target of this study is to determine UHV-CVD growth conditions suitable for the achievement of a n-type channel in a MOSFET. In order to obtain the tensile strain needed to confine a 2D electron gas, we must optimise the incorporation of substitutional carbon in silicon and SiGe alloys. The growth mode, the bulk and surface material morphology, the strain field and the material composition are studied. The growth rate of low Ge content SiGeC alloys is modelised assuming it is dominated by incorporation of Si. The evaluation of methylsilane sticking probabilities confirms the hypothesis of the two sites mechanism. These measurements show that the presence of Ge enhance the incorporation of C. In situ electron diffraction shows an evolution of the surface roughening which depends on the growth conditions and is related to the incorporation of C into non-substitutional sites (interstitial sites, β-SiC or Si_nC complexes). We propose a qualitative model for the occurrence of roughness. It supposes that the growth rate is locally decreased by the formation of carboneous complexes. This implies the mean diffusion length of C adatoms must be at least equal to the mean distance between this adatoms and lead to a threshold condition on the ratio V_G /DN_c where D is the C adatoms diffusion coefficient and N_c the C coverage. Based on the interpretation of our results according to this model, we determined that C diffusion is limited by hydrogen coverage. The analysis of ultra-thin (2-5 nm) C rich layers enable to verify that C is mainly incorporated into substitutional sites while the growth remains bi- dimensional. The substitutional C content can then exceed 3% in a 2 nm thick layer and 2% in a 5 nm one, which corresponds to the required characteristics.