Etude et mise au point de procédés avancés de préparations de surface pour l’intégration de nouveaux matériaux en micro/nanoélectronique

study and development of advanced processes of preparation of surface for the integration of news materials in microelectronics

• Auteur / Autrice : Pierre-Edouard Raynal
• Direction : Laurent Vallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 12/09/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Fenouillet-Béranger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Pierre Müller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Silicium -- Couches minces

Transistors MOSFET

Dépôt chimique en phase vapeur

Mots clés libres

Traitement humide

Plasma

SiGe

Préparation de surface

Xps

Oxyde

WET treatment

Plasma

SiGe

Surface preparation

Xps

Oxide

Résumé

L’intégration à basse température de matériaux avancés, tels que le SiGe, est un challenge dans la fabrication industrielle de nouvelles technologies de transistors (CMOS, FINFET, etc.). Si l’intérêt de tels alliages n’est plus à démontrer (gain sur la mobilité dans le canal des pMOS, stresseur...) et s’illustre d’ores et déjà par leur utilisation dans les nœuds technologiques les plus avancés (14 nm et en-dessous). L’intégration du matériau se trouve néanmoins confrontée à deux problématiques majeures : i) un budget thermique limité (<700°C) et ii) une forte sensibilité au phénomène de réoxydation à l’air. Ces deux problématiques sont critiques et doivent être inévitablement prises en compte lors des préparations de surfaces désoxydantes avant une épitaxie ou un dépôt. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse de doctorat dans laquelle nous nous sommes attachés à étudier et caractériser différentes approches afin d’obtenir une surface de SiGe exempte d’oxyde et de contaminants. Le cœur de ce travail a notamment été de montrer que la combinaison d’une séquence chimique spécifique combinée à un plasma déporté NF3/NH3 (utilisé usuellement pour la désoxydation du silicium), permettait d’améliorer l’efficacité des préparations de surfaces standards à basses températures. L’analyse XPS (Spectrométrie Photoélectronique de rayons X) nous a en effet permis de démontrer que les chimies oxydantes (de type SC1, SPM, ozone) conduisent à la formation d’oxydes chimiques de SiGe fortement déplétés en Germanium. L’utilisation d’un plasma déporté type Siconi®, sur ces oxydes chimiques dits « silicium-riches », permet un gain significatif dans le retrait de la contamination surfacique en Oxygène. Cette stratégie a notamment permis l’élimination des oxydes jusqu’à atteindre la limite de détection de l’XPS et du SIMS (Spectrométrie de Masse à Ionisation Secondaire). Néanmoins, nous avons pu constater que l’utilisation de telles préparations de surface s’avérait délétère vis-à-vis de la qualité morphologique de la couche de SiGe ré-épitaxiée (apparition de défauts sous forme d’ilots). Ces défauts 3D ont pu être éliminés par la proposition d’une solution innovante incluant l’utilisation de gaz spécifiques lors de la phase de recuit précédant l’épitaxie. Enfin, l’utilisation d’une stratégie couplant traitement humide et plasma in-situ a aussi démontré toute son efficacité sur d’autres matériaux sensibles à la réoxydation, tels que le GaAs et le GeSn, destinés à une intégration sur Si (logique, photonique…).

The low-temperature integration of advanced materials, such as SiGe, is a challenge in the industrial manufacturing of new transistor technologies (CMOS, FINFET, etc.). If the interest of such alloys is largely proved (gain on the mobility in the pMOS channel, stressor ...) and is already illustrated by their use in the most advanced technological nodes (14 nm and below). The integration of the material is nevertheless confronted with two major problems: i) a limited thermal budget (<700 ° C) and ii) a high sensitivity to the phenomenon of reoxidation in air. These two issues are critical and must be taken into account for the surface preparation prior to epitaxy or deposition. It is in this context that this thesis was started. We focused on studying and characterizing different approaches in order to obtain a surface of SiGe free of oxide and contaminants with a low thermal budget (<700 ° C). The core of this work was to show that the combination of a specific chemical sequence combined with a remote plasma NF3/NH3 (usually used for the deoxidation of silicon), allowed to improve the efficiency of standard surface preparations to low temperatures. XPS analysis (X-ray Photoelectron Spectrometry) has allowed us to demonstrate that oxidative chemistries (SC1, SPM, ozone) lead to the formation of highly depleted SiGe chemical oxides in Germanium. The use of a remote plasma type Siconi®, on these so-called "silicon-rich" chemical oxides, allows a significant gain in the removal of surface oxygen contamination. This strategy has allowed the elimination of oxides to reach the limit of detection of XPS and SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry). Nevertheless, we have found that the use of such surface preparations could be deleterious for the morphological quality of the re-epitaxied SiGe layer (appearance of defects in the form of islets). These 3D defects could be eliminated by an innovative solution including the use of specific gases during the low temperature bake preceding the epitaxy. Finally, the use of wet-plasma coupling strategy has also demonstrated its effectiveness on other reoxidation-sensitive materials, such as GaAs and GeSn, intended for integration on Si (logic, photonics ...).