Croissance et caractérisation d'alliages SiGe sur des structures de tailles nanométriques pour des applications en micro-électronique

Growth and characterization of SiGe alloys on nanometer-size structures for microelectronics applications

• Auteur / Autrice : Marouane Mastari
• Direction : Jean-Michel Hartmann, Matthew Charles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Berbezier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Müller, Jésus Zúñiga-Pérez
• DOI : 10.70675/e8c72f5ez6940z4d42zb1aaz579c0b7b9a62

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétéroépitaxie

Germanium

Couches minces

Hétérostructures

Mots clés libres

Nanosciences

Résumé

La nano-hétéroépitaxie est une approche innovante pour la croissance de couches minces de SiGe totalement relaxées et de bonne qualité (pour des dispositifs à base de Si contraint). Mise en théorie par Luryi et Suhir, l'idée est de commencer la croissance à partir de nano-piliers suffisamment petits pour que la couche puisse se relaxer rapidement et de manière élastique, puis coalescer sans générer de défauts. Dans cette thèse, un schéma d'intégration basé sur la lithographie à copolymère à bloc a été utilisé afin de fabriquer des masques de taille nanométrique, sur lesquels la nano-hétéroépitaxie de SiGe a été explorée à l'aide d'un bâti industriel 300 mm de dépôt chimique en phase vapeur à pression réduite. La nano-hétéroépitaxie de couches Si0.75Ge0.25 sur nano-piliers Si et Si0.75Ge0.25 a d'abord été étudiée. Des procédés hautement sélectifs et uniformes à base de chimie chlorée ont été développés pour la croissance de nano-piliers Si et Si0.75Ge0.25 faisant 20 nm d’épaisseur. Des surfaces lisses et une relaxation totale des contraintes ont été obtenues dans la plage de 650 à 700°C pour des couches de 200 nm de Si0.75Ge0.25 déposées sur les deux types de nano-piliers. Cependant, des défauts planaires (macles et fautes d'empilement) dont l’origine pourrait être le processus de coalescence, ont été identifiés. Par conséquent, la coalescence de nano-piliers Si0.75Ge0.25 a été étudiée. L’évolution en termes de forme, de taille et de nombre de grains formés par la coalescence a été examinée. Des degrés élevés de relaxation des contraintes ont été obtenus aux différents stades de la coalescence des nano-piliers. Les défauts de type fautes d’empilement et macles sont apparus aux premiers stades de la coalescence. L'impact du masque utilisé pour la nano-hétéroépitaxie des couches de Si0.75Ge0.25 a également été évalué. Différents schémas d'intégration ont été conçus pour mesurer l'impact de la taille, la présence (ou non) du masque lors de la coalescence ainsi que le matériau de masquage. Les résultats ont montré plus de flexibilité en termes de préparation de surface avec un masque de taille plus élevée. La relaxation des couches a été dégradée par l’absence de masque. Le changement de matériau de masquage (SiN sans contrainte au lieu de SiO2) a démontré que la contrainte thermique générée par le masque lors de la croissance n’était pas une source de défauts. L'approche par nano-hétéroépitaxie a également été testée sur Ge pur. Un procédé hautement sélectif et uniforme à 600°C a été développé pour la croissance de nano-piliers de Ge. Une morphologie de surface dégradée, avec des propriétés structurelles assez similaires, ont été obtenus pour des couches Ge déposées sur substrats masqués par rapport à des couches Ge déposées sur Si massif. Les défauts habituels liés à la coalescence ont de nouveau été retrouvés.

Nano-heteroepitaxy is a promising approach for the growth of high quality, thin and fully strain relaxed SiGe layers (for strained Si devices). First theorized by Luryi and Suhir, the idea is to start the growth from sufficiently small nano-pillars so that the layer can relax faster, elastically, and then coalesce without generating additional defects. In this PhD, an integration scheme based on diblock copolymer patterning was used to fabricate nanometer-sized templates, on which SiGe nano-heteroepitaxy was explored using a 300 mm industrial Reduced Pressure-Chemical Vapor Deposition tool. Si0.75Ge0.25 nano-heteroepitaxy on Si and Si0.75Ge0.25 nano-pillars was first studied. Results showed highly selective and uniform processes based on a chlorinated chemistry for the epitaxial growth of 20 nm high Si and Si0.75Ge0.25 nano-pillars. Smooth surfaces and full strain relaxation were obtained in the 650-700°C range for 200 nm thick Si0.75Ge0.25 layers grown both types of nano-pillars. However, planar defects (twins and stacking faults) were identified as occurring during the coalescence process. Therefore, Si0.75Ge0.25 nano-pillars coalescence was investigated. The evolution in terms of grain shape, size and number was examined, with individual pillars merging into larger grains for thicknesses above 30 nm. High degrees of macroscopic strain relaxation were obtained at the different stages of nano-pillars merging. Defects such as stacking faults and twins appeared at the early stages of nano-pillars coalescence. The impact of the nano-template used for the nano-heteroepitaxy of Si0.75Ge0.25 layers was also evaluated. Various integration schemes were designed in order to measure the impact of pitch, the presence (or not) of the nano-template during coalescence and the nature of the masking material itself. Results showed more flexibility in terms of surface preparation with higher pitch size nano-templates. Removal of the nano-template did not improve the relaxation of coalesced layers. Changing the nature of masking material in the nano-template (SiO2 versus strain free SiN) proved that the thermal stress generated during growth was not a source of defects. The nano-heteroepitaxy approach was extended to pure Ge. Results showed a highly selective and uniform process for the epitaxial growth of Ge nano-pillars at 600°C. A degraded surface morphology, with otherwise similar structural properties, were obtained for 2D Ge layers grown on Ge nano-pillars compared with growth on bulk Si. Usual coalescence related defects were once again found.