Etude du comportement de couches Si1-xGex soumises au recuit laser nanoseconde ultraviolet

Study of SiGe layers submitted to ultraviolet nanosecond laser annealing

• Auteur / Autrice : Léa Dagault
• Direction : Filadelfo Cristiano, Sébastien Kerdilès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 08/04/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Bonafos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Filadelfo Cristiano, Sébastien Kerdilès, Dominique Mangelinck, Abdelilah Slaoui, Caroline Bonafos, Francesca Chiodi, Fulvio Mazzamuto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Mangelinck, Abdelilah Slaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des lasers

Recuit thermique rapide

Alliages

Composants électroniques

Mots clés libres

Recuit

SiGe

Laser

Ségrégation

Relaxation

Annealing

SiGe

Laser

Segregation

Relaxation

Résumé

Le recuit laser nanoseconde est une méthode prometteuse pour l'activation de dopants jusqu'à de très fortes concentrations dans des jonctions fines à base de Si ou de Ge. Grâce à une absorption en surface et une durée d'impulsion extrêmement courte, cette technique permet de ne chauffer que l'extrême surface, ce qui est particulièrement favorable dans le cas d'une intégration 3D séquentielle. Les températures atteintes sont suffisantes pour conduire à la fusion d'une fine couche dans du Si ou du Ge, qui solidifie ensuite à des vitesses de l'ordre du mètre par seconde. Plusieurs études ont montré que le passage en phase liquide permet d'obtenir des concentrations de dopant actifs importantes, supérieures aux limites de solubilité en phase solide. Cette méthode, étudiée principalement dans le Si et le Ge, est en revanche trop peu connue dans le SiGe. Il reste de nombreuses inconnues sur le comportement de la contrainte et sur l'activation des dopants dans le SiGe. Ce travail a donc pour objectif d'étudier en profondeur l'effet du recuit laser nanoseconde sur des couches de SiGe dopées ou non dopées, avec des concentrations de Ge allant jusqu'à 40%. Une première partie de ce travail est dédiée à l'indentification des régimes de recuit en fonction de la densité d'énergie laser. Une large partie est consacrée à l'étude de la fusion en surface, dans lequel on peut observer la formation d'îlots fondus séparés les uns des autres. L'observation de la ségrégation et sa simulation sont aussi un élément important de l'étude du SiGe, puisqu'elle cause la formation de gradients marqués et d'une zone riche en Ge à la surface. Une deuxième section est consacrée à l'étude de la contrainte dans le SiGe recuit par laser : il apparaît que la formation de défauts et la relaxation observée sont liées à la fois à la rugosité de l'interface liquide/solide et à l'énergie élastique causée par la déformation. Une interface rugueuse facilite la formation de défauts cristallins qui vont permettre la relaxation partielle ou totale de la couche. Dans le cas d'une interface lisse, la recristallisation est parfaite si l'énergie élastique totale est inférieure à 750 mJ/m². Dans un dernier temps, l'activation du bore dans le Si0.7Ge0.3 est étudiée. Les meilleurs résultats sont obtenus pour des conditions de recuit laser conduisant exactement à la fusion puis à la recristallisation de toute la couche SiGe (30 nm). Dans ce cas, des couches pseudomorphes ont été obtenues, avec une concentration active de dopant allant jusqu'à 2.4×10^20 B/cm3 et une forte ségrégation du Ge vers la surface. Ces couches semblent être stables jusqu'à 600°C si des recuits supplémentaires sont réalisés.

Nanosecond Laser Annealing is a promising method for dopant activation in thin junctions, enabling activation levels above the solid solubility limits in Si and Ge. Due to its short pulse duration, only the surface of the irradiated material is heated, which is particularly appropriate for 3D sequential integration. Materials such as Si and Ge can reach their melting point near the surface, causing the formation of a molten layer that solidifies at high velocities. This annealing technique can be applied to Si1-xGex junctions, but strain behavior and dopant activation are not fully understood yet. This work focuses on the detection of the various annealing regimes encountered when submitting Si1-XGeX (x<=0.4) layers to nanosecond laser annealing , the evolution of the strain and on the dopant activation as a function of the laser energy density. A first part is dedicated to the detection of the annealing regimes, and the corresponding SiGe layer characteristics. A particular focus is given to the surface melt regime, in which we observed the appearance of isolated molten islands on the surface, leading to increased surface roughness. In a second time, we focused on Ge redistribution and the evolution of the strain in these regimes, and showed how relaxation is related to both the liquid/solid interface roughness and to the stored elastic energy. The rough l/s interface observed in partial or surface melt regimes facilitated the formation of strain relieving defects, leading partial relaxation in most layers. A smooth liquid/solid interface however enabled perfect regrowth unless the elastic energy stored in the layer exceeded 750 mJ/m². A last section is dedicated to the study of boron activation in Si0.7Ge0.3 layers. The best results are obtained with laser annealing conditions leading to the exact melt and recrystallization of the whole 30 nm-thin SiGe layer. In this case, pseudomorphic layers with active dopant concentrations up to ~2.4×10^20 B/cm3 and a strong Ge segregation toward the surface were obtained. These layers were observed to be stable up to 600°C for 20 minutes additional furnace anneals.