Etude de la condensation du SiGe pour l'élaboration de canaux contraints : application aux technologies CMOS avancées

Study of SiGe condensation for strained channels development : application to advanced CMOS technologies

• Auteur / Autrice : Damien Valenducq
• Direction : Elisabeth Blanquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 31/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Berbezier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Fivel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Brémond, Alain Estève

Mots clés

Mots clés contrôlés

Germanium

MOS complémentaires

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Mots clés libres

SiGe

Canaux contraints

Cmos

SiGe

Strained channels

Cmos

Résumé

Depuis quelques années, la course à la réduction des dispositifs électroniques souffre d’effets de réduction des tailles des transistors. De ce fait, l’amélioration des performances des briques de bases des circuits intégrés, les transistors CMOS, se fait par le biais de modification de leur architecture, des matériaux composant leur structure et par l’intégration de « boosters » de performances suivant les applications visées. L’utilisation de nouveaux matériaux pour le canal tels que le germanium (Ge) couplée à l’intégration de déformation élastique permet d’avoir une amélioration de la mobilité des porteurs grâce aux propriétés intrinsèques plus intéressantes que le silicium.Cela est rendu possible par la succession d’une étape de croissance cristalline de SiGe sur substrat SOI et d’une étape dite de «condensation du SiGe» permettant l’oxydation thermique sélective de l’alliage SiGe et l’homogénéisation de la structure en profondeur par le phénomène de diffusion solide. La difficulté réside en la fabrication de structures SGOI de forte teneur en Ge de bonne qualité, c’est-à-dire possédant une concentration en Ge maximale, une déformation élastique maximale tout en limitant la dégradation de la qualité cristalline de la couche de SiGe.Une étude préliminaire de l’oxydation thermique du SiGe en four industriel nous a permis de bien maitriser les deux phénomènes mis en jeu lors de la condensation du SiGe en four par l’étude des cinétiques d’oxydation et de la redistribution du Ge lors d’un traitement thermique. L’étude de l’influence de divers paramètres d’oxydation sur la déformation élastique et la formation de défauts cristallins au sein du SiGe nous a permis de déterminer les conditions les plus favorables pour la fabrication de films SGOI de haute qualité ainsi que de déterminer les limitations existantes aujourd’hui pour l’utilisation du procédé de condensation du SiGe pour une application à l’échelle industrielle.

In recent years, electronic devices downscaling has suffered from different emerging effects. Therefore, improving the performance of basic building blocks of integrated circuits, CMOS transistors, is achieved by modifying their architecture, the materials composing their structure and by integrating performance "boosters" according to the requirements of targeted applications. The use of new materials for conduction channels such as germanium (Ge) coupled with the integration of strain allows a significant improvement of carrier mobility thanks to more interesting intrinsic properties than silicon.This improvement is made possible thanks to a step of crystal growth of SiGe on an SOI substrate which is followed by a step called " SiGe condensation" allowing the selective thermal oxidation of Si from the SiGe alloy and the in depth structure homogenization by the activation of solid diffusion. The difficulty lies in the manufacturing of SGOI structures of high Ge content of good quality, that is to say having a maximum Ge concentration, a maximum strain while limiting the degradation of crystal quality of the SiGe layer.A preliminary study of the thermal oxidation of SiGe in an industrial furnace has enabled us to fully understand the two phenomena involved in SiGe condensation in an industrial equipment by studying SiGe oxidation kinetics and the redistribution of Ge during thermal treatment. The study of the influence of various oxidation parameters on strain and crystal defect formation within SiGe allowed us to determine the most favorable conditions for high quality SGOI films manufacturing as well as existing limitations for the use of SiGe condensation process for an application on an industrial scale.