Oxydes cristallins à haute permittivité diélectrique épitaxiés sur silicium : SrO et SrTiO3

par Gabriel Delhaye

Thèse de doctorat en Sciences. Matière condensée

Sous la direction de Yves Robach.

Soutenue en 2006

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    L’étude de la croissance épitaxiale d’oxydes cristallins sur silicium présente un grand intérêt pour les technologies CMOS du futur ou l’intégration monolithique sur Si : la miniaturisation continue des composants de la microélectronique devrait conduire, pour les nœuds technologiques sub-22 nm, au remplacement de la silice comme oxyde de grille par des oxydes cristallins à haute permittivité diélectrique afin de limiter les fuites par effet tunnel. La maîtrise de la croissance d'oxydes cristallins doit aussi permettre l'intégration sur silicium d’oxydes fonctionnels à propriétés ferroélectriques, magnétiques ou optiques, ouvrant ainsi la voie au développement de nouveaux dispositifs. Un objectif essentiel est donc d’obtenir la croissance épitaxiale d’oxydes de bonne qualité cristalline et présentant une stabilité thermodynamique avec Si, avec la formation d’interfaces abruptes. Les études menées dans ce travail ont concerné la maitrise de l’élaboration d’oxydes cristallins sur Si à basses températures par épitaxie par jets moléculaires et le développement de stratégies d’ingénierie d’interface appropriées. Les matériaux envisagés ont été d’une part, les oxydes d’alcalinoterreux, tels que SrO, BaxSr1-xO, d’autre part des oxydes de type pérovskite tels que SrTiO3, BaTiO3 ou LaAlO3. Une première étape a consisté à définir et à optimiser les conditions d’homo-épitaxie et d’hétéro-épitaxie d’oxyde sur oxyde, pour les systèmes SrO/SrTiO3, SrTiO3/SrTiO3, BaTiO3/SrTiO3 et LaAlO3/SrTiO3. La faisabilité de réalisation d’hétéro-structures d’oxydes cristallins a ainsi été montrée dans une perspective d’intégration d’oxydes fonctionnels sur semi-conducteur. Dans une deuxième étape, nous avons cherché à maîtriser l’épitaxie d’oxydes cristallins sur silicium, en étudiant plus particulièrement les systèmes SrO/Si et SrTiO3/Si : l’oxyde de strontium SrO peut être épitaxié à température ambiante, avec formation d’une interface abrupte, sans formation de silice à l’interface. Le désaccord de maille avec Si conduit cependant à une relaxation rapide de la contrainte au delà de la 2ème monocouche déposée, par formation de dislocations. A une température plus élevée de 500°C, un dépôt de quelques monocouches de SrO conduit par contre à la formation d’un silicate monocristallin de composition proche de Sr2SiO4. Cependant, l’interface silicate de strontium/Si présente une stabilité thermodynamique médiocre, par suite de réactions interfaciales, lors de recuits prolongés à haute température. Nous avons aussi développé une stratégie de croissance épitaxiale de SrTiO3 sur Si, en nous attachant à une description fine de l’interface à l’aide de techniques complémentaires telles que la spectroscopie de photons X et la microscopie électronique en transmission. Le processus d’élaboration optimisé s’appuie sur la succession de différentes étapes : une ingénierie d’interface avec formation d’un siliciure de strontium, une recristallisation à basse température de quelques monocouches de SrTiO3 et la reprise d’épitaxie ultérieure à plus haute température. On observe ainsi la formation d’une couche de bonne qualité cristalline, sans pouvoir éviter la formation d’une couche interfaciale amorphe de type silicate de ~1nm. L’utilisation de couches tampon interfaciales de SrO ou SrTiO3 sur Si a aussi permis la reprise d’épitaxie de la pérovskite LaAlO3 sur Si, dont l’épitaxie directe sur Si n’avait pu être obtenue. L’ensemble des résultats ainsi obtenus permet d’envisager le développement de processus d’intégration de nouvelles fonctionnalités sur silicium et la réalisation de dispositifs nouveaux pour la microélectronique.

  • Titre traduit

    Epitaxial oxideswith high dielectric permittivity on solicon : SrO and SrTiO3


  • Résumé

    The study of the epitaxial crystalline oxide growth on silicon is of great interest for the future CMOS technologies or monolithic integration on silicon : the miniaturization of the micro-electronic devices leads to the replacement of the SiO2 gate oxide by crystalline oxides with high dielectric permittivity. The control of the crystalline oxide growth must also allow integration of functional oxide on silicon with ferroelectric, magnetic or optical properties, thus opening the way with the development of new devices. The studies undertaken in this work are related to the growth of crystalline oxides on silicon at low temperatures with molecular beam epitaxy and the development of strategies of suitable interface engineering. The deposited materials were on the one hand the rare earth oxides such as SrO, Ba×Sr1-×O and the other hand, oxides of perovskite type such as SrTiO3, BaTiO3 or LaAIO3. A first step has consisted in defining and optimizing the conditions of homo-epitaxy and hetero-epitaxy of oxide on oxide, for the systems SrO/SrTiO3, SrTiO3/SrTiO, BaTi3/SrTiO3 and LaAlO3/SrTiO3. The feasibility to realise crystalline oxide hetero-structures was thus studied from the point of view of functional oxide integration on semiconducteur. In a second step, we achived to control the crystalline oxide epitaxy on silicon, by studying more particularly the systems SrO/Si and SrTiO3/Si : strontium oxide can be grown at ambient temperature with formation of an abrupt interface, without silica to the interface. At a higher temperature of 500°C, depositing some mono-layers of SrO leads on the other hand to the formation of a mono-crystalline silicate of composition close to Sr2SiO4. However, the interface strontium silicate/Si has a poor thermodynamic stability, due to interfacial reactions during annealings at high temperature. We also developed a strategy of epitaxial growth of SrTiO3 on silicon based on the succession of various steps : an engineering of interface with formation of a strontium silicide, a recrystallization at low temperature of some mono-layers of SrTiO3 and the subsequent epitaxy at higher temperature. Thus, we observe the formation of a layer of good crystalline quality, without being able to avoid the formation of an amorphous silicate interfacial layer of ~1nm. The use of buffer layers of SrO or SrTiO3 on silicon allows the subsquent epitaxy of the LaALlO3 perovskite, of which the direct epitaxy on silicon could not have been obtained. The whole of the results so obtained makes it possible to consider the development of process of integration of new functionalities on silicon and the realization of new devices for micro-electronics.

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  • Détails : 1 vol. (177 p.)
  • Annexes : 199 réf.

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  • Cote : T2056
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