Développement et caractérisation de contacts sur alliages GeSn

Development and characterization of contacts on GeSn alloys

• Auteur / Autrice : Andrea Quintero
• Direction : Éric Cassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Blanquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Schulze, Christophe Detavernier, Gilles Patriarche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jörg Schulze, Christophe Detavernier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Résistance électrique

Microélectronique

Étain

Germaniures

Photonique

Mots clés libres

Ni

GeSn

Réaction à l'état solide

XRD

AFM

Rsh

Ni

GeSn

Solid-State reaction

XRD

AFM

Rsh

Résumé

Des efforts dans l'industrie des semiconducteurs sont constamment déployés afin d'améliorer différents paramètres comme les performances des dispositifs ou la vitesse de transfert des données. Pour atteindre ces avancées, des voies innovantes peuvent être considérées telles que la modification des étapes des procédés de production, l'architecture des dispositifs ou les matériaux qui constitueront ces dispositifs. Le germanium-étain (GeSn), alliage du groupe IV, est un matériau intéressant à intégrer dans des dispositifs électroniques ou opto-électroniques. Le GeSn peut être utilisé comme stresseur des source et drain dans les MOSFET Ge (metal–oxide–semiconductor field-effect transistors) et pour obtenir des canaux à haute mobilité dans les pMOSFET et les pTFET (thin field-effect transistors). D'autre part, l'ajout d'une quantité suffisante de Sn dans le réseau du Ge (environ 10 at.%) offre la possibilité d'obtenir une structure à bande interdite directe. Ce matériau pourrait alors être utilisé pour réaliser un laser du groupe IV intégré de façon monolithique et compatible avec la technologie Si-CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Quelle que soit l'application, des contacts métalliques ou intermétalliques à faible résistance, stables et fiables sont des composants clés pour injecter le courant électrique dans les dispositifs. Les intermétalliques Ni / GeSn ont été considérés comme un matériau de contact adapté. Cette thèse était donc consacrée au l’étude systématique complète et à la caractérisation d'intermétalliques Ni / GeSn pour contacter des dispositifs basés sur GeSn. Les propriétés des couches de type Ni / GeSn analysées en termes de la séquence de phases, de l’évolution morphologique et électrique au cours de la réaction à l'état solide, sont présentées en premier. Ensuite, différentes alternatives seront décrites pour améliorer la stabilité thermique des contacts à base de Ni : l'utilisation de la pré-amorphisation par implantation (PAI), l’addition d’un élément d’alliage (Co, Pt) et l'utilisation de l'impulsion laser comme technique de recuit. Une autre alternative concernant la métallisation de GeSn a base de Ti est également mentionnée. Grâce à ces études, une analyse complète et systématique du système Ni / GeSn a été réalisée. De plus, l'identification de différentes alternatives pour modifier les conditions du processus qui peuvent améliorer la stabilité thermique du système Ni / GeSn a été réalisée. Les résultats obtenus représentent un bon point de départ pour élaborer des contacts de haute qualité, stables et fiables sur GeSn, qui peuvent être entièrement intégrés dans des dispositifs électroniques ou optoélectroniques.

Efforts on the semiconductor industry are constantly made to improve different parameters like the devices performance or the speed of data transference. To reach these advances, innovative alternatives can be considered: changing the production processes steps, the device architecture or the materials that will constitute the devices. Germanium-Tin (GeSn), group-IV alloy, corresponds to an interesting material to integrate in electronic or opto-electronic devices. GeSn material can be used as source and drain stressor in Ge MOSFETs (metal–oxide–semiconductor field-effect transistors), and as high mobility channels in both pMOSFETs and pTFETs (thin field-effect transistors). On the other hand, the addition of a sufficient amount of Sn in the Ge lattice structure (about 10 at.%) offers the potential to get a direct band-gap structure. This material could be then used to achieve a monolithically integrated group-IV laser that is compatible with Si-CMOS technology (complementary metal-oxide-semiconductor). No matter the application, low-resistive, stable and reliable metallic or intermetallic contacts are key components to inject electric current in the devices. Ni / GeSn intermetallics have been considered as suited contact material for these kinds of applications. This PhD thesis was therefore dedicated to the systematic and comprehensive development and characterization of Ni / GeSn intermetallics to contact GeSn-based devices. The Ni / GeSn properties analyzed in terms of: phase sequence, morphological and electrical evolution during the solid-state reaction is presented first. As Ni / GeSn intermetallics exhibit a poor thermal stability, different alternatives such as the use of pre-amorphization by implantation (PAI), the addition of alloying elements (Co, Pt) and the use of laser annealing are also studied to enhance the contact thermal stability. Ultimately, another alternative concerning Ti metallization is also mentioned. Thanks to these studies, a comprehensive and systematic analysis of the Ni / GeSn system was realized. In addition, the identification of different alternatives to modify the process conditions that can enhance the Ni / GeSn system thermal stability was achieved. The results obtained represent a good starting point to elaborate high quality, stable and reliable GeSn-based contacts that can be fully integrated in electronic or opto-electronic devices.