Elaboration and transfer of tensile strained thin films
Elaboration et transfert de films ultra-contraints
Résumé
This thesis is dedicated to the study of an alternative and original method to produce strained single-crystal silicon thin film in an effort to develop a strain engineering platform for single crystal semi-conductor. Strain engineering is widely used to boost Si based transistor performance and offers outstanding possibility for the use of Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) compatible semi-conductor in interesting optoelectronic applications. Usual methods used to fabricate strained semi-conductors are limited in terms of achievable strain value, strain orientation, strained surface and crystalline quality. We aim at proposing a process allowing to tune precisely deformation state (i.e., strain tensor) in a single-crystal. This process is applicable for different semi-conductors and materials and compatible with an industrial environment. The process studied here relies on temporary polymer wafer bonding, mechanical grinding, wet etching and direct bonding to transfer a single crystal silicon thin film from a Silicon On Insulator substrate to a flexible polymer, strain the crystal and bond it back on a rigid substrate. Silicon On Polymer structure were obtained with single crystal silicon thin film with a thickness ranging from 20 to 205 nm. Up to full diameter 200 mm films were transferred as well as patterned wafers. An extensive study of mechanical behavior of Silicon On Polymer (SOP) structures is provided using biaxial and uniaxial tensile test stages combined with Raman spectroscopy, digital image correlation, X-ray diffraction and Micro Laue X-ray Diffraction (μLaue). These results were used to validate a custom mechanical bench test for flexible SOP structures. Corresponding data acquisition and analysis strategies were also developed. The understanding of SOP mechanical behavior enabled the use of a bulge test apparatus to perform a direct bonding between a strained SOP and a silicon oxide die. μLaue allowed for a detailed analysis of the reported crystal. The transfer process was also adapted to functional devices and poly-crystal aluminum nitride thin films. Our custom mechanical bench test allowed the extraction of AlN Raman strain or stress coefficient in different configurations. Promising results showed that direct bonding is a suitable method to maintain a single crystal silicon thin film in a strained state after transfer from a stretched flexible polymer substrate. This can lead to some unprecedented development in strain engineering. Further work can enable the production of strained thin film of different nature, stress orientation and strain level.
Cette thèse est consacrée à l’étude d’une méthode alternative et originale pour élaborer un film mince de silicium monocristallin ultra-contraint dans le but de développer une plateforme d’ingénierie de la déformation ("strain engineering") pour les semi-conducteurs monocristallins. Les contraintes sont largement utilisées pour améliorer les performances des transistors à base de silicium et offrent des possibilités exceptionnelles, notamment pour l’utilisation de semi-conducteurs compatibles Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) dans des applications optoélectroniques. Les méthodes habituelles utilisées pour fabriquer des semi-conducteurs contraints sont limitées en termes de valeur de déformation, d’orientation de la contrainte, de surface déformée et de qualité cristalline. Notre objectif est de proposer un procédé permettant de contrôler précisément l’état de déformation (c’est-à-dire le tenseur de déformation) dans un monocristal. Ce procédé est applicable à différents semi-conducteurs et matériaux et est compatible avec un environnement industriel. Le procédé étudié ici repose sur le collage polymère temporaire, l’abrasion mécanique, la gravure humide et le collage direct pour transférer un film mince de silicium monocristallin d’un substrat de type silicium sur isolant à un polymère flexible. Puis le cristal est déformé en appliquant une contrainte externe et est enfin recollé sur un substrat rigide. Les structures silicium sur polymère (SOP) ont été obtenues avec des films minces de silicium monocristallin d’une épaisseur allant de 20 à 205 nm. Des films d’un diamètre total de 200 mm ont été transférés ainsi que des motifs. Une étude approfondie du comportement mécanique des structures SOP est fournie en utilisant des platines d’essai de traction biaxiale et uniaxiale combinées à la spectroscopie Raman, de la corrélation d’images numériques, la diffraction des rayons X et à la micro diffraction de Laue (μLaue). Ces résultats ont été utilisés pour valider un banc d’essai mécanique adapté aux structures silicium sur polymère flexibles. Des stratégies d’acquisition et d’analyse de données ont également été développées. L’utilisation d’une membrane sous pression (bulge test) a permis le collage direct entre un film de silicium déformé et un substrat de silicium oxydé. La diffraction des rayons X offre une analyse détaillée du cristal transféré. Le processus de transfert a également été adapté à des dispositifs fonctionnels et à des films minces de nitrure d’aluminium poly-cristallin. Notre banc d’essai mécanique a permis d’extraire le coefficient de déformation ou de contrainte Raman de l’AlN dans différentes configurations. Ces résultats prometteurs ont montré que le collage direct est une méthode appropriée pour maintenir un film mince de silicium monocristallin dans un état de contrainte après le transfert d’un substrat de polymère flexible étiré. Cela peut conduire à un développement sans précédent dans l’ingénierie de la déformation. Des travaux ultérieurs peuvent permettre la production de films minces déformés de différentes natures, orientations et niveaux de déformation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)