Développement de contacts co-intégrés sur silicium et germanium pour des applications de capteurs infrarouges

Development of co-integrated on silicon and germanium for infrared sensors applications

• Auteur / Autrice : Amelie Abdellaoui
• Direction : Guilhem Larrieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanosystèmes
• Date : Soutenance le 02/05/2022
• 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 : Elisabeth Blanquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Larrieu, Elisabeth Blanquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkader Souifi, Dominique Mangelinck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Alliages

Germanium -- Alliages

Rayonnement infrarouge

Imagerie (technique)

Mots clés libres

Germaniure de titane

Siliciure de titane

Résistivité de contact

Co-intégration

CBKR

Capteurs infrarouges

Ti-silicides

Ti-germanides

Contact resistuvity

Cointegration

CBKR

Infrared sensors

Résumé

Le développement des imageurs tels que les capteurs infrarouges est un axe stratégique majeur pour STMicroelectronics. Le germanium (Ge) absorbe le rayonnement dans le proche infrarouge plus efficacement que le silicium (Si). Des dispositifs dans lesquels une partie du Si est remplacée par du Ge sont alors développés. Pour contacter les deux matériaux, la solution actuelle proposée à STMicroelectronics consiste en une intégration séquentielle, dans laquelle les contacts sur Si sont formés avant l'épitaxie du Ge. Ceci engendre un procédé coûteux et risqué en en matière de contamination des équipements utilisés pour l'épitaxie du Ge. Dans cette thèse, nous évaluons la possibilité de co-intégrer les contacts sur Si et Ge, c'est-à-dire d'obtenir un procédé commun sur Si et Ge de (1) préparation de surface avant dépôt métal (2) dépôt métal et (3) recuit pour la formation d'intermétalliques. Plusieurs conditions sont requises pour la formation des intermétalliques comme (i) une faible résistivité de contact avec le semi-conducteur (ii) une faible résistivité de couche (iii) une stabilité thermique jusqu'à 400 °C (iv) une morphologie adaptée et (v) avec une diffusion des dopants contrôlée. Après la présentation du contexte industriel qui nous a encouragé à choisir le Ti pour former les contacts, une première partie est consacrée à l'étude de l'évolution avec la température de recuit des intermétalliques formés dans les systèmes Ti/n-Si et Ti/p-Ge. L'étude est conduite sur des échantillons pleine plaque qui reproduisent les conditions de dopage dans les contacts du dispositif à l'étude dans cette thèse. Ensuite, les problématiques liées aux étapes qui précèdent la formation des intermétalliques sont adressées. Un compromis de préparation de surface commune au Si et Ge est proposé et une étude pour comprendre l'effet et le comportement des dopants bore pendant la réaction à l'état solide Ti/Ge est présentée. Durant ces travaux de thèse, la co-intégration des contacts a été développée dans la salle blanche de STMicroelectronics sur un dispositif existant. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l'étude des propriétés électriques des contacts issus de ce développement. L'étude complète a permis de proposer un compromis de procédé industriel satisfaisant pour la co-intégration des contacts sur n-Si et p-Ge.

Sensitive Ge-based sensors that convert infrared light in an electrical signal are developed at STMicroelectronics. For such applications, the current sequential integration flow need to be simplified to avoid tool contamination issues and to reduce the process cost. In this PhD thesis, we propose to move from a sequential integration of the contacts on n-Si and p-Ge to a co-integration. It implies to perform a series of concomitant processes on Si and Ge as (1) surface preparation before metal deposition (2) metal deposition and (3) formation of intermetallic compounds by a solid-state reaction. There are several requisites associated to the use of intermetallic as a contact : (i) a low contact resistance to the semiconductor (ii) a low layer resistivity (iii) thermal stability of the layer (iv) an appropriate morphology and (v) controlled dopant diffusion. After the presentation of the industrial context that motivated the choice of Ti-silicides and Ti-germanides to form the contacts, a first part is dedicated to a metallurgic study of the intermetallics formed in the Ti/n-Si and Ti /p-Ge systems. The study is conducted on full-sheet samples which reproduce the doping conditions in the contacts of the device that interests us in this thesis. Then, the steps preceding the formation of intermetallics are studied. A common surface preparation compromise for Si and Ge is proposed and a study to understand the effect and behavior of boron dopants during the solid state Ti/Ge reaction is presented. During this thesis work, contacts co-integration was developed in the STMicroelectronics clean room on an existing device. The last part of the manuscript is dedicated to the study of the electrical properties of the contacts resulting from this development. Thanks to these studies, a satisfying industrial process compromise to co-integrate the contacts on n-Si and p-Ge has been proposed.