Elaboration de diamant CVD épitaxié sur silicium : caractérisations physico-chimiques et structurales des premiers stades, optimisation de l’interface

Elaboration of epitaxial CVD diamond on silicon : physicochemical and structural characterizations, optimization of the interface

• Auteur / Autrice : Cyril Sarrieu
• Direction : Silvère Barrat, Elisabeth Bauer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 18/11/2011
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvère Barrat, Elisabeth Bauer, Stéphane Andrieu, Ken Haenen, Gabriel Ferro, Jean-Charles Arnault, Samuel Saada
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ken Haenen, Gabriel Ferro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant

Mots clés libres

Diamant

Hétéroépitaxie

MPCVD

BEN

Silicium

RHEED

XPS

Diamond

Heteroepitaxy

MPCVD

BEN

Silicon

Silicon carbide

RHEED

XPS

Résumé

Le diamant est un semi-conducteur à grande bande interdite extrêmement prometteur, notamment en électronique et en radiodétection. Notre étude s’intéresse à la production de films diamant en hétéroépitaxie sur du silicium. Cette association constitue en effet un enjeu majeur compte tenu de l’importance du silicium en microélectronique. Les films sont obtenus par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma microonde (MPCVD), tandis qu’une procédure de polarisation (BEN) sert à initier la germination. L’objectif est d’améliorer le taux d’épitaxie des cristaux diamant et leur densité, deux critères décisifs pour la qualité d’un film diamant hautement orienté. Des analyses MEB, AFM, XPS et RHEED ont ainsi montré que la formation d’une couche de carbure de silicium intermédiaire par carbonisation in situ est très avantageuse, mais qu’elle impose l’utilisation d’une courte durée de polarisation afin de préserver l’intégrité de la couche. Une faible concentration en méthane permet par ailleurs d’éviter une croissance dégradée du diamant. Ces ajustements ont permis de passer d’un taux d’épitaxie de 10 à 45 %, au détriment cependant de la densité. Ceci a pu être compensé par l’amélioration de l’état de surface du substrat via un prétraitement plasma modifiant sa structure (densité multipliée par 20) ou en déposant du carbure de silicium monocristallin. Cette dernière méthode a engendré une germination du diamant « par domaine », très prometteuse et inédite sur ce matériau. Ces travaux montrent donc comment améliorer la qualité de la germination du diamant et permettent d’envisager la production sur silicium de films diamant plus minces et de meilleure qualité cristalline.

Diamond is a wide band gap semiconductor which is very promising, especially in electronics or in radiodetection.Our study is focused in particular on the production of heteroepitaxial diamond films on silicon substrates. In fact, this association is a major issue because of the wide use of silicon in microelectronics. Films are produced by microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD), with a bias procedure (BEN) which enable us to initiate nucleation. Our aim is to achieve a better epitaxial rate of the diamond crystals and also a better density, which are two decisive criteria for the quality of highly oriented diamond films. SEM, AFM, XPS and RHEED analyses have shown that the formation of an intermediary silicon carbide layer by in situ carbonization provides important advantages but that the bias procedure should be short in order to avoid a deterioration of this layer. Moreover, we noticed that the use of a low methane concentration prevents a defective growth of the diamond crystal. These adjustments allowed us to raise the epitaxial rate from 10 to 45 % but, on the other hand, the density decreased. To compenate for this density drop, the state of the substrate surface can be improved, by optimizing its structure through a plasma pretreatment (density mutiplied bu 20) or by preparing a layer of monocrystalline silicon carbide. In this last case, we obtained a diamond nucleation forming domains, which is unusual on silicon carbide but very promising. Consequently, our work shows how to directly improve the quality of the diamond nucleation. This paves the way to the production on silicon of thinner diamond films with better crystal quality.