Mesures de déformations sur dispositifs à contraintes intentionnelles par spectroscopie Raman

par Denis Rouchon

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, et électrochimie

Sous la direction de Michel Mermoux.

Soutenue en 2009

à Grenoble, INPG .


  • Résumé

    Les couches de silicium contraintes épitaxiées sur substrats virtuels en alliage silicium-germanium (teneur en germanium comprise entre 20 et 50 at. %) sont d’un grand intérêt pour la conception de transistors CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Les performances accrues de ces transistors proviennent d’un accroissement de la mobilité des porteurs. Cet accroissement est lié à la contrainte biaxiale dans la couche de silicium imposée par les conditions d’épitaxie. Cette couche de silicium contrainte peut ensuite être reportée sur isolant grâce au procédé SmartCut pour obtenir des couches de silicium contraint sur isolant (sSOI pour strained-Silicon-On-Insulator). La spectroscopie Raman permet d’accéder simultanément et de manière très locale à la teneur en germanium et à la contrainte correspondante. Cette approche a été utilisée pour suivre l’évolution de la contrainte pendant les différentes étapes de conception d’un dispositif sSOI. L’examen des substrats virtuels et des données de diffraction X a permis de préciser les effets de l’évolution de la teneur en germanium sur l’allure des spectres Raman. L’étude par imagerie Raman sur substrat virtuel et couche de silicium épitaxiée a montré la présence d’une morphologie de surface typique dénommée cross-hatch. Les déformations mesurées par Raman sur les couches de silicium épitaxiées indiquent quelles sont pseudomorphes. Par contre, une légère relaxation en fonction de leurs épaisseurs a été mise en évidence pour des teneurs en germanium supérieures à 30%. Nous avons aussi montré que l’étape de report sur isolant entraîne une forte relaxation de la contrainte lorsque l’on atteint des teneurs voisines de 40% en germanium. L’effet d’un recuit sur ces structures a également été abordé. Les effets de gravure ont été examinés sur structure reportée sur isolant. La mesure de l’évolution de la déformation liée à la géométrie spécifique de ces échantillons gravés a été confrontée à un modèle thermoélastique. Enfin, une étude préliminaire a été menée sur couches de silicium épitaxiées sur pseudo substrats SiGe, selon les directions [110] et [111].


  • Résumé

    Strained silicon layers epitaxially grown on a silicon-germanium alloy virtual substrates (germanium content ranging between 20 and 50 at. %) are of a great interest for high performance Complementary Metal Oxide Semiconductor CMOS devices. Increased transistor performances occur as direct result of increased electron and hole mobilities caused by the tensile strain. Tensile strained silicon layers on top of those SiGe virtual subtrates can be transferred onto an oxidized silicon wafer through SmartCut™ process for strained Silicon-On-Insulator (sSOI) fabrication. Raman spectroscopy gives access simultaneously and in a very local manner to the germanium content and the corresponding strain. This approach was used to follow the evolution of the strain during the various stages of design of a sSOI device. The Raman examination of the virtual substrates and the X-ray diffraction data enabled us to determine the effects of varying germanium content on form of the Raman spectra. The study by Raman mapping on virtual substrates and epitaxial silicon layers showed the presence of a typical surface morphology called cross-hatch. The deformations measured by Raman on the epitaxial silicon layers indicate that they are pseudi morphic. On the other hand, a small thickness dependant strain relaxation was observed for germanium contents higher than 30 %. We also showed that the stage SmartCut™ on insulator involve a strong stress relaxation when one reaches contents close to germanium 40 %. The effect of annealing on these structures was also studied. The effects of etching were examined on structures transferred on insulator. The measurement of the strain evolution related to the specific geometry of these etched samples was compared with a thermo elastic model. Finally, a preliminary study was undertaken on the epitaxial silicon layers on SiGe virtual substrates, according to directions [110] and [111].

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Informations

  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 124 réf.

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  • Cote : TS09/INPG/0041/D
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