Study of Thermal Oxidation of SiGe for Advanced CMOS FD-SOI Technologies

par Fabien Rozé

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Elisabeth Blanquet et de François Bertin.

Le président du jury était Wilfried Vandervorst.

Le jury était composé de Olivier Gourhant.

Les rapporteurs étaient Alain Claverie, Pierre Müller.

  • Titre traduit

    Etude de l’oxydation thermique du SiGe pour application aux technologies CMOS FD-SOI avancées


  • Résumé

    La réduction continue des dimensions des transistors depuis les années 60 est à l’origine de l’explosion des usages de l’électronique. Toutefois, la réduction des dimensions à l’échelle nanométrique s’accompagne de nouvelles difficultés qui tendent à limiter les gains des transistors en termes de performances et de consommation.Afin de surmonter ces obstacles et maintenir cette dynamique, des canaux à base de nouveaux matériaux à forte mobilité et de nouvelles architectures de transistors sont désormais utilisées ou à l’étude. L’intérêt de films SiGe contraint en compression sur isolant (SGOI: SiGe-On-Insulator) ultra-minces est double : ils bénéficient de la forte mobilité des trous du SiGe contraint en compression ainsi que du meilleur contrôle électrostatique des structures dites « sur isolant ». Des films SGOI présentant une forte concentration en Ge et une importante contrainte peuvent être fabriqués par une technique industrielle appelée condensation. Cette technique repose sur deux processus simultanés : l’oxydation thermique et sélective du SiGe (seul le Si est oxydé) et l’inter-diffusion du SiGe entre l’oxyde thermique et l’oxyde enterré qui se comporte comme une barrière à la diffusion.L’utilisation de cette technique dans un environnement industriel nécessite de relever deux défis : maîtriser les mécanismes et la cinétique d’oxydation, et atteindre les plus fortes contraintes et qualités cristallines pour lesfilms SGOI.La cinétique de plusieurs procédés d’oxydation industriels et pertinents au regard des besoins technologiques actuels est étudiée à l’aide d’une nouvelle méthodologie d’analyse quantitative. Nous établissons une corrélationentre le coefficient de diffusion de l’espèce oxydante, qui détermine la cinétique d’oxydation, la concentration en Ge à l’interface d’oxydation, et la densité de l’oxyde mesurée par réflectivité de rayons X sur une ligne desynchrotron.Puis, nous avons fabriqué des films SGOI présentant des concentrations en Ge jusqu’à 80%. Nous discutons l’évolution de la contrainte de ces films en fonction des paramètres du procédé et des niveaux de contrainte. Enfin,nous mettons en évidence les effets du procédé de condensation sur la qualité cristalline du film SiGe aux interfaces avec les oxydes grâce à l’effet de canalisation d’une technique de rétrodiffusion d’ions à moyenne énergie (MEIS : Medium Energy Ion Scattering)


  • Résumé

    The tremendous spread of electronic devices and networks into our day-to-day life has been enabled by the constant downscaling of transistors since the 60’s. However, downsizing transistors has become increasingly difficult in the past few years and going to the nanometer scale brings new detrimental effects that have put power consumption and performances on quasi-plateaux for a few years. To overcome these limitations, high mobility channels based on new materials and new transistor architectures are being introduced. Ultrathin compressivelystrained SiGe-On-Insulator (SGOI) films benefit from the advantages of both the higher hole mobility of compressively strained SiGe as well as of the better electrostatic control of On-Insulator structures. The condensation techniqueis a CMOS-compatible technique that allows fabrication of such films with possibly high Ge content and high strain levels. The technique is based on Si-selective thermal oxidation of SiGe and concurrent SiGe diffusion between the thermal oxide and the buried oxide layer that acts as a diffusion barrier.Two main challenges still need to be taken up for an efficient and optimized use of the condensation technique in an industrial environment: oxidation mechanisms and kinetics must be well controlled, and strain and crystal quality of the SGOI film must be as high as possible.Firstly, this work bridges the gap between previous studies by covering various oxidation processes relevant to today’s technological needs with a new and quantitative analysis methodology of oxidation kinetics. A correlation is established between the diffusivity of the oxidizing species that governs oxidation kinetics, the Ge concentration at the oxidation interface, and the oxide density measured by X-Ray Reflectivity on a synchrotron beamline.Secondly, SGOI films with Ge concentrations up to 80% were fabricated by the condensation technique. The evolution of strain of SGOI films is discussed as a function of process parameters and strain energy levels. How the condensation technique alters the crystal quality, both at interfaces with oxides and in the bulk of the SiGe crystal, is evaluated by the Medium Energy Ion Scattering (MEIS) technique by using the channeling effect.


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