Diagramme de bande d’énergie de l’hétérostructure Si/SiGe

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Introduction

En 1947, Bardeen, Brattain et Schockley inventèrent le transistor bipolaire. Bien que le matériau initialement exploité fût le germanium, ce fut le silicium qui prît le relais à peine quelques années plus tard dans les développements de l’électronique. Au fur et à mesure des années, l’industrie électronique mondiale a donc acquis un formidable savoir-faire dans le traitement du silicium. Les propriétés mécaniques, thermiques et chimiques du silicium sont en grande partie responsables de la réussite de sa maîtrise technologique et de la diminution des coûts de fabr ication. Cependant, le silicium ne profite pas du même enthousiasme quant à ses propri étés électriques, au point d’être considéré comme un semiconducteur “ lent ”. Malgré leur coût plus élevé, les différents composés (par exemple GaAs) sont préférés lorsqu’il s’agit de monter à des fréquences supérieures à quelques GHz. Dans esl années 60, la période de transition entre le germanium et le silicium, favorisa les premières études sur le mélange de ces deux composés en alliage binaire Si1-xGex. Bien que le silicium-germanium (ou en abrégé SiGe) n’ait qu’une histoire jeune dans le marché des semiconducteurs, son histoire est donc en réalité bien plus lointaine.
L’une des premières applications technologiques du système SiGe a été le Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) npn, dans lequel l’alliage SiGe est utilisé comme base. Cependant, le désaccord de maille qui existe entre le cristal de silicium et le cristal de germanium complique la croissance directe du SiGe sur substrat Si, et inversement. Cette croissance peut rapidement provoquer l’apparition de dislocations dans le cristal, engendrant ainsi une détérioration irrémédiable du fonctionnement électrique de la jonction ainsi formée. Ce n’est donc qu’avec la possibilité de déposer et de contrôler avec précision des films d’une dizaine de nanomètres, que les premières études sur l’alliage SiGe contraint au paramètre de maille du silicium et dépourvu de défauts, ont pu être entamées. Il fallut attendre le milieu des années 80 pour que ces techniques de croissance de couches fines contraintes, propices à la réalisation de structures à hétérojonctions, soient développées. C’est seulement alors que l’on vit apparaître la nature différentede ce nouveau matériau sous l’effet de la contrainte. Le savoir-faire de la technologie silicium combiné aux caractéristiques physiques apportées par ce nouveau matériau, ont accru, de façon spectaculaire, les performances des dispositifs microélectroniques de silicium et ont étendu leurs domaines d’application.
Les critères économiques sélectionnent néanmoins les technologies viables. Performances et moindres coûts s’associent alors. L ’augmentation de la diversité de l’intégration des composants électriques, de leurs performances ainsi que le maintien d’un coût raisonné au système, sont ainsi visées.
Avec la recherche constante pour réduire les dimensions des dispositifs, les procédés auto-alignés durant le dépôt des matériauxsemiconducteurs ont gagné en importance. La croissance des matériaux Si et Si1-xGex dans les architectures complètement auto-alignées permet la réduction de al capacité parasite base/collecteur dans les Transistors Bipolaires à Hétérojonction (TBH), ainsi que celle des sources drains, réduisant par la même occ asion la résistance dans les sources et drains des MOSFET. La croissance d’épitaxie sélective ou SEG (“Selective Epitaxial Growth”) permet la fabrication de ces structures auto-alignées et l’augmentation de la densité des dispositifs, ainsi que la réduction des capacités parasites. Certaines améliorations sont spécifiquement importantes dans les dispositifs hautes performances incorporant des couches Si1-xGex, comme les transistors bipolaires à hétérojonction Si/Si1-xGex de type npn, dans lesquels la base Si1-xGex est fortement dopée en bore. Afin d’améliorer encore plus les performances du TBH (en particulier grâce au profil abrupt du bo re), le carbone entre en jeu dans la composition de la base. Cette dernière est alors définie par une couche épitaxiée Si/Si1-x-yGexCy.
Le dépôt sélectif peut également s’appliquer dans esl technologies MOS (Metal-Oxyde-Semiconductor) pour les extensions source et drain déposées sélectivement. Dans toutes ces applications, le contrôle de l’épaisseur et de la composition de la couche épitaxiée est primordial.
De nombreuses études ont montré qu’une sélectivité totale pouvait être obtenue en utilisant un système Si-H-Cl ou Si-Ge-H-Cl. Les espèces contenant des atomes de chlore (Cl) peuvent être obtenues en intr oduisant directement le gaz HCl dans la chambre de réaction, ou peuvent être le résultat de la réaction d’un produit à partir de la croissance d’un précurseur comme le dichlorosilane (SiH2Cl2). Cependant, l’épitaxie sélective est beaucoup plus difficile que le simple ajout d’atomes de chlore dans la phase gazeuse. Par exemple, les vitesses de croissance sont beaucoup plus faibles que dans le cas de l’épitaxie non sélective. L’incorporation de carbone nécessaire à la réduction de la diffusion des dopants au-delà du profil de la base, est également plus compliquée. Autre exemple, l’élaboration d’un film épitaxié à forte concentration en germanium (nécessaire pour obtenir un TBH rapide) avec une bonne qualité cristalline est difficile à mettre en œuvre.
Le dépôt sélectif a attiré l’attention en raison deses bonnes propriétés électriques et parce qu’il permet la fabrication de microstructures dans des dispositifs
à haute densité. Cependant la méthode SEG (“Selective Epitaxial Growth”) présente tout de même quelques problèmes et en particulier s a complexité comparée au procédé NSEG (“Non Selective Epitaxial Growth”), due à la difficulté de ne pas perdre la sélectivité vis-à-vis des zones diélectriques. Ceci entraîne un faible taux de croissance, un fort effet de charge local ou encore une non uniformité qui rendent les applications plus difficiles.
De la complexité de la méthode SEG et de son utilisation récente dans la fabrication des transistors découlent une méconnaissance et une maîtrise insuffisante du procédé sélectif. L’une des motivations de ce travail de thèse a donc été de mieux connaître la méthode SEG, afin d’accroître les performances des TBH.
L’une des particularités de nos travaux est le mélange gazeux utilisé pour élaborer nos couches épitaxiées, sélectives par raport au nitrure de silicium. A notre connaissance, un tel système de gaz n’a jamais ététesté pour étudier la sélectivité d’un dépôt par rapport au SiN . L’originalité de ce système chimique consiste à mélanger du silane (SiH4) avec du germane (GeH4) et de l’acide chlorhydrique (HCl) pour assurer la sélectivité du dépôt [Dutartre 06]. Pour former les couches Si1-x-yGexCy, ou SiGeC, le gaz de méthylsilane (SiH3CH3) est ajouté au mélange gazeux.
Le premier chapitre est consacré à quelques rappels bibliographiques sur les matériaux SiGe et SiGeC ainsi que sur la méthode de dépôt employée lors de cette thèse. Les travaux de cette thèse sont ensuite décrits dans les chapitres suivants. Nous commencerons d’abord par l’épitaxie sélective de silicium. Dans ce premier chapitre, nous étudierons l’influence des paramètres de dépôt sur la cinétique de croissance et également sur la sélectivité du dépôtvis-à-vis du diélectrique. Le troisième chapitre est consacré à l’analyse de la sélectivité et de la croissance du SiGe. Enfin, nous avons travaillé sur les alliages carbonés SiGeC en mettant en avant la place de l’atome de carbone dans la matrice SiGe. Nous terminerons ce mémoire par des résultats électriques de Transistors Bipolaires à Hétérojonction. Nous avons en effet testé le procédé sélectif avecle nouveau mélange de gaz sur différentes technologies bipolaire ou BiCMOS.

Table des matières

Glossaire
Introduction
CHAPITRE I – Généralités
I-1- Les alliages Si1-xGex et Si1-x-yGexCy : Structures
cristallines et propriétés physiques
I-1-1- Définition de l’épitaxie
I-1-1-1- Homo et hétéroépitaxie
I-1-1-2- Epitaxie non sélective et sélective
I-1-2- L’alliage silicium – germanium.
I-1-2-1- Structure cristalline
I-1-2-2- Epaisseur critique
I-1-2-3- Structure de bande
I-1-2-3-1- Bande interdite
I-1-2-3-2- Diagramme de bande d’énergie de l’hétérostructure
Si/SiGe
I-1-3- L’alliage silicium – germanium – carbone
I-1-3-1- Intérêt du carbone dans le système SiGe.
I-1-3-2- Matériaux SiGeC
I-1-3-2-1- Structure cristalline
I-1-3-2-2- Diffusion du carbone dans le silicium
I-1-3-2-3- Influence électrique du carbone
I-1-3-3- Difficultés d’élaboration des alliages carbonés
I-1-4- Application des matériaux SiGe et SiGeC au transistor
bipolaire
I-2- Méthode de dépôt
I-2-1- Technique de dépôt chimique en phase vapeur
I-2-1-1- Définition
I-2-1-2- Description des étapes de croissance
I-2-2- Choix de la CVD dans l’industrie de la microélectronique
I-3- Conclusion
CHAPITRE II – Epitaxie sélective de silicium
II-1- Précurseur de silicium utilisé
II-2- Conditions de dépôt
II-2-1- Substrat étudié
II-2-2- Pression totale et pressions partielles
II-2-3- Température de croissance
II-3- Cinétique de croissance du silicium sélectif
II-3-1- Influence de la température de dépôt
II-3-1-1- Systèmes non sélectifs
II-3-1-2- Chimies sélectives
II-3-2- Influence de la pression partielle de HCl
II-3-3- Influence de la pression partielle de silane
II-3-4- Sélectivité du dépôt de silicium suivant la température
dépôt
II-3-5- Comparaison entre les chimies à base de silane et de DCS
II-3-6- Effet de charge local
II-4- Conclusion sur l’épitaxie de silicium sélectif.
CHAPITRE III – Cinétique de croissance
l’épitaxie sélective de silicium – germanium
III-1- Croissance sélective de films Si1-xGex en chimie
SiH4/GeH4/HCl/H2.
III-1-1- Conditions de dépôt.
III-1-1-1- Type de plaque utilisée
III-1-1-2- Pression totale, pressions partielles et température de
dépôt.
III-1-2- Influence de la température de dépôt
III-1-3- Influence de la pression partielle de germane.
III-1-4- Influence de la pression partielle de HCl.
III-2- Comparaison des chimies SiH4/GeH4/HCl/H2
DCS/GeH4/HCl/H2
III-3- Effet de charge local
III-4- Conclusion
CHAPITRE IV – Croissance des alliages carbonés
Si1-x-yGexCy 77
IV-1- Incorporation du carbone
IV-1-1- Elaboration des alliages carbonés
IV-1-1-1- Précurseur de carbone
IV-1-1-2- Profil des couches Si/SiGeC
IV-1-1-3- Dopage dans les films SiGeC
IV-1-1-4- Diffusion des dopants dans les films SiGe
IV-1-1-5- Effet bloquant du carbone sur la diffusion du bore
IV-1-2- Caractérisations des films SiGeC(:B)
IV-1-2-1- Caractérisations standard
IV-1-2-2- Photoluminescence à température ambiante
IV-1-2-2-1- Détection de défauts ou dislocations
IV-1-2-2-2- Différents mécanismes de recombinaison
IV-2- Croissance des alliages SiGeC
IV-2-1- Cinétique de croissance
IV-2-2- Incorporation du carbone total et substitutionnel
IV-2-3- Photoluminescence des films SiGeC
IV-2-3-1- Influence de la pression partielle de méthylsilane
IV-2-3-2- Influence du flux de germane.
IV-2-4- Comparaison chimies SiH4/GeH4/MS/HCl/H2 et
DCS/GeH4/MS/HCl/H2
IV-2-4-1- Concentration en carbone total
IV-2-4-2- Teneur en carbone substitutionnel
IV-2-4-3- Photoluminescence à température ambiante
IV-2-5- Diffusion du bore
IV-3- Conclusion sur l’incorporation du carbone
l’alliage SiGe
CHAPITRE V – Intégration des hétérostructures
Si/SiGeC sélectives dans les technologies
bipolaires avancés
V-1- Théorie sur le transistor bipolaire
V-1-1- Principe de fonctionnement
V-1-2- Paramètres statiques
V-1-2-1- Bilan des courants dans le transistor
V-1-2-2- Expression des courants
V-1-2-2-1- Courant collecteur
V-1-2-2-2- Courant de base
V-1-2-2-3- Gain en courant
V-1-2-3- Les tensions d’avalanche
V-1-2-3-1- Tension d’avalanche de la jonction B/C BVCB0
V-1-2-3-2- Tension d’avalanche du transistor BVCE0
V-1-2-4- Tension de Early VAF
V-1-2-5- Résistance d’accès
V-1-3- Paramètres dynamiques
V-1-3-1- Fréquence de transition fT
V-1-3-2- Fréquence maximale d’oscillation fMAX.
V-1-3-3- Les compromis du transistor bipolaire.
V-2- Etat de l’art des technologies étudiées
V-2-1- La technologie BipX.
V-2-2- La technologie H9SOI SiGe.
V-3- Résultats électriques
V-3-1- Incorporation du carbone.
V-3-1-1- Mesures statiques.
V-3-1-2- Photoluminescence à température ambiante
V-3-1-3- Résultats dynamiques.
V-3-1-4- Améliorations apportées par le changement du
de silicium
V-3-2- Le dopage en bore
V-3-3- L’épaisseur du cap silicium
V-3-4- Problèmes rencontrés
V-3-4-1- Le lien base intrinsèque/base extrinsèque
V-3-4-2- Dispersion des paramètres électriques
V-4- Conclusion sur l’industrialisation des hétéroépitaxies
Si/SiGeC:B sélectives
Conclusion
Références
Annexes