Epitaxie latérale de germanium sur
           silicium oxydé
                V.D.Cammilleri


         IEF - Institut d’él...
Plan


•    Contexte
•    Principe
•    Croissance latérale sur silice fine
•    Croissance latérale sur oxyde localisé


...
Technologie CMOS
• « Scaling » de la technologie.
  Redimensionnement des dispositifs :
      – Jonctions            techn...
Germanium sur isolant
Le germanium est intéressant :
                                                                     ...
Epitaxie latérale
•   Réaliser des couches GeOI localement par épitaxie                              Croissance latérale
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Hétéroépitaxie Ge/Si
                            γSi>γGe+γGe/Si
                         Mode de croissance :    Accommoda...
Épaisseur critique
hc : épaisseur critique                                                                           z
épa...
Épaisseur critique : taille
                                                                  S.Luryi, E. Suhir, Appl.Phys...
Bâti de croissance
 Ultra High Vacuum – Chemical Vapour Deposition


Chambres de croissance                Boite à gants  ...
Croissance sur silice chimique
a)                                      SiO2
      Oxydation chimique                      ...
Suivi de croissance par RHEED
         Kikuchi         4min SiH4 @ 650°C 0,66Pa                                    +25min ...
Evolution morphologique
             45min @ 650°C          3h @ 650°C




24 février 2010                                ...
Evolution morphologique
                             {001}
    {113}
                             {113}
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Analyses par TEM

Le transfert de l’ordre cristallin se fait
    par les ouvertures créées par
    l’exposition au silane....
Influence de la température
             45min @ 700°C




                                       Coalescence des ilots

 ...
Analyse de la contrainte
                           Moiré
                                       Transformée de Fourier


...
Analyse de la contrainte
                   XRD (004)                                Raman




                           ...
Conclusion

• Le principe de la croissance à partir de germes nanométriques
  est validé.
• Pas de réaction entre silice e...
Degrés de liberté
• Peut-on utiliser des germes de taille supérieure à 20 nm ?
      – Effets cinétiques permettent d’alle...
LOCOS modifié
                               LocOS
                      Local Oxidation of Silicon

                     ...
LOCOS modifié


•   Proche du plan {111} pour des                 Après BHF                            Avant BHF
    ligne...
Direction de croissance <110>
Lignes orientées <110>




                                 Croissance sélective par
       ...
Directions de croissance hors <110>
Lignes faiblement désorientées <110>        Lignes orientées <100>




               ...
Directions de croissance


                               130°         Direction <110>
                                   ...
Directions de croissance / facettage
                                          Zheng Gai, W.S. Yanf, R.G. Zhao, T. Sakurai...
Directions de croissance / facettage
                                                                               <001>
...
Étude de la croissance latérale selon <110>

                                                      Interface Ge/Si
SiN
   ...
Geometrical Phase Analysis
                                                        M.J. Hÿtch, Nature 423 (2003)
         ...
Croissance latérale - coalescence
                                Lignes orientées <110>
                  Après coalescen...
Coalescence en bout de ligne
                        10000                                                              Lo...
Petits motifs




24 février 2010
                                  31
Présence d’un joint de grain ?



  Pas de joint de grain
   après coalescence




10 nm

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Vue plane

                                              Préparation : amincissement mécanique
                           ...
Moiré
                        Image en champ clair
                        (two-beams g=220)
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Analyse XRD
   RSM
Tache 004




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Conclusion
• On peut obtenir des cristaux de Ge sur silice thermique par épitaxie
  latérale sans grand effort technologiq...
Merci
projections




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coalescence




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Défauts sur les lignes




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Petits motifs




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XRD (224)




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XRD (224)




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épitaxie latérale de Ge sur Si oxydé - Soutenance thèse

  1. 1. Epitaxie latérale de germanium sur silicium oxydé V.D.Cammilleri IEF - Institut d’électronique Fondamentale UMR8622, CNRS, Univ. Paris-Sud, Orsay, France
  2. 2. Plan • Contexte • Principe • Croissance latérale sur silice fine • Croissance latérale sur oxyde localisé 24 février 2010 2
  3. 3. Technologie CMOS • « Scaling » de la technologie. Redimensionnement des dispositifs : – Jonctions techniques « non-diffusives» – Grille diélectriques High-K ; grille métallique – Canal • Structures « sur isolant » • Semiconducteurs à haute mobilité GeOI Germanium On Insulator Nouvelles architectures (i.e. UTB-FD-MOSFET) Épaisseur Ge <30nm Épaisseur oxyde <20nm Technologie compatible 24 février 2010 3
  4. 4. Germanium sur isolant Le germanium est intéressant : Si Ge GaAs • Mobilité élevée • Symétrique Indirect Indirect Direct Bandgap (eV) 1,120 0,66 1,43 • Température d’élaboration faible Constante • Compatible avec la technologie silicium diélectrique 12 16 11,5 • Faible bande interdite → réduction alimentation Mobilité électrons 1350 3600 8000 mais… (cm2V-1s-1) Mais : Mobilité trous 480 1800 300 (cm2V-1s-1) • Problèmes de passivation de surface → high-K • Cout du substrat → intégration hétérogène • Faible bande interdite → Leakage → nouvelles structures collage pleine plaque condensation Fabrication de GeOI : GeOI condensation locale locale épitaxie en phase liquide 24 février 2010 4
  5. 5. Epitaxie latérale • Réaliser des couches GeOI localement par épitaxie Croissance latérale latérale : Ge – Cointégration de Ge et Si au même niveau sur la tranche – Petites dimensions des cristaux → moins de défauts Germe SiO2 substrat Si • ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth ) Matériaux III-V, GaN, SiC… Croissance latérale • Dans notre cas : Ge germes nanométriques ↓ Germe SiO2 moins de défauts d’adaptation nanométrique substrat Si 24 février 2010 20-50 nm 5
  6. 6. Hétéroépitaxie Ge/Si γSi>γGe+γGe/Si Mode de croissance : Accommodation du misfit: Stranski-Krastanov • distorsion élastique • émission de dislocations •… Structure diamant Couche contrainte Paramètres de Maille différents La couche est déformée Elle accumule de l’énergie élastique 24 février 2010 6
  7. 7. Épaisseur critique hc : épaisseur critique z épaisseur au-delà de laquelle l’introductions de dislocations dans le système est favorable Ge énergétiquement h Es hc Equilibre des énergies : ω(0,z) y • Edis : énergie associée à la dislocation indépendante de h en première approximation • Es : énergie élastique accumulée par la couche substrat Si proportionnelle à h pour une couche pseudomorphique Es Distorsion élastique Pour Es<Edis la couche sera pseudomorfique Émission de dislocations dislocation est favorable Pour Es>Edis l’introduction de dislocation est favorable Edis Pour Ge sur Si : hc≈ 0,8 nm 0 hc h 24 février 2010 7
  8. 8. Épaisseur critique : taille S.Luryi, E. Suhir, Appl.Phys. Lett. 49 (1986) 140 Surface « texturée »: z Distribution de la contrainte décroit exponentiellement Ge h Es he Pour h « grand » la valeur de Es saturée ω(0,z) O y de h l Pour l<lmin on aura toujours Es<Edis substrat Si hcl l Es hc Edis lmin lmin l Pour Ge sur Si : lmin≈ 20 nm 0 hc h 24 février 2010 8
  9. 9. Bâti de croissance Ultra High Vacuum – Chemical Vapour Deposition Chambres de croissance Boite à gants XPS Pression de Base : ≈10-10Torr Précurseurs : • Silane SiH4 pur • Germane GeH4 à 10% en H2 Analyses in situ : RHEED Cluster 24 février 2010 9
  10. 10. Croissance sur silice chimique a) SiO2 Oxydation chimique 0,6nm Nettoyage type Shiraki Si b) SiH4 Création de sites de nucléation exposition au SiH4 4min@650°C Si c) GeH4 Croissance du Ge Conditions de croissance : Température : 600 – 700°C Ge Pression 0,5Pa environ Si 24 février 2010 10
  11. 11. Suivi de croissance par RHEED Kikuchi 4min SiH4 @ 650°C 0,66Pa +25min @ 700°C lines Formation des germes Recuit Surface oxydée pas de reconstruction Disparition des fautes d’empilement 1x1 1x1 1x1 1x1 1x1 1x1 diffraction 2min GeH4(mix) @ 600°C 0,5Pa +5min GeH4(mix) @ 600°C 0,5Pa Formation de spots facettes Augmentation des spots reprise d’épitaxie Début de la croissance 25° Formation d’îlots cohérents Lignes à 25°correspondantes aux facettes {113} 1x1 1x1 15min GeH4(mix) @ 600°C 0,5Pa +3h GeH4(mix) @ 600°C 1,3Pa facettes 1/3 Apparition de fautes Diminution de l’intensité d’empilement → Rugosité 1x1 1x1 24 février 2010 11
  12. 12. Evolution morphologique 45min @ 650°C 3h @ 650°C 24 février 2010 12
  13. 13. Evolution morphologique {001} {113} {113} {111} {111} A l’équilibre : Aspects cinétiques : Construction de Kaishew- Wulff γGe,001 Hiérarchie des vitesses de croissance: γi Ge h001 v001 > v113 > v111 H hi O Réduction des facettes à hGe/SiO2 croissance rapide γSiO2 γGe/SiO SiO2 2 24 février 2010 13
  14. 14. Analyses par TEM Le transfert de l’ordre cristallin se fait par les ouvertures créées par l’exposition au silane. Pas de dislocations d’adaptation (mais présence de fautes d’empilement au niveau des germes, comme on a vu au RHEED) Ge La croissance peut se faire latéralement sans la réduction de la silice. SiO2 Si 24 février 2010 14
  15. 15. Influence de la température 45min @ 700°C Coalescence des ilots MAIS : Décomposition de la silice probable 24 février 2010 15
  16. 16. Analyse de la contrainte Moiré Transformée de Fourier État de contrainte uniforme dans le plan dmoiré = 5,3nm aGe/aGe,relaxé = 0,996 24 février 2010 16
  17. 17. Analyse de la contrainte XRD (004) Raman Pic à 300cm-1 : LO Ge-Ge (+ 2TA Si-Si ) Pic Ge à 33,996° → aGe=0,5658 Pic à 250cm-1 : non identifié mais présent en Ge « bulk » et Ge/SiO2 Pic Ge symétrique → pas d’interdiffusion Pas de pic entre 380cm-1 et 420cm-1 : Pas de liaisons Ge-Si (pas d’interdiffusion) Ge relaxé pur 24 février 2010 17
  18. 18. Conclusion • Le principe de la croissance à partir de germes nanométriques est validé. • Pas de réaction entre silice et Ge pendant la croissance latérale si T< 700°C environ Mais le procédé n’est pas applicable tel qu’il est : • Les ouvertures dans la silice ne sont pas contrôlables en position et dimension • La couche de silice est trop fine et fragile ↓ Adapter le procédé sur silice thermique 24 février 2010 18
  19. 19. Degrés de liberté • Peut-on utiliser des germes de taille supérieure à 20 nm ? – Effets cinétiques permettent d’aller au-delà des valeurs de l’épaisseur critique théoriques→ germe un peu plus grand – Défauts qui restent à l’interface sont acceptables • Ouvertures linéaires : – Dimension nanométrique dans une seule direction → on tolère une relaxation plastique parallèlement au germe • Idée: – Adapter le procédé LOCOS pour créer des germes de largeur nanométrique dans la région du “bec d’oiseau” 24 février 2010 19
  20. 20. LOCOS modifié LocOS Local Oxidation of Silicon Bien connu et maitrisé « Morphologie » intéressante 24 février 2010 20
  21. 21. LOCOS modifié • Proche du plan {111} pour des Après BHF Avant BHF lignes <110> : – le {111} est le plan de glissement SiN préféré pour les dislocations dans la maille diamant SiO2 Ouverture Si • « Etroite » : SiN – Les dislocations ont la possibilité de se terminer aux interfaces sans Si SiO2 traverser le cristal de Ge 24 février 2010 21
  22. 22. Direction de croissance <110> Lignes orientées <110> Croissance sélective par rapport au SiN La morphologie est insensible à la rugosité du germe SiN Ge 24 février 2010 22
  23. 23. Directions de croissance hors <110> Lignes faiblement désorientées <110> Lignes orientées <100> Discontinuités Mouillage difficile Formation de cristallites facettés 24 février 2010 23
  24. 24. Directions de croissance 130° Direction <110> La croissance sur silice 140° peut progresser Direction <310> <110> La croissance sur silice ne 65° se fait pas. 25° Direction <100> arête 24 février 2010 24
  25. 25. Directions de croissance / facettage Zheng Gai, W.S. Yanf, R.G. Zhao, T. Sakurai ; Phys. Rev. B, vol59, num 23 [110] SiN Ge Ge SiO2 Si [100] lignes <110> [100] les “MAJOR” {100} {111} et {113} peuvent se former lignes <100> la formation de facettes n’est pas favorable 24 février 2010 croissance irrégulière 25
  26. 26. Directions de croissance / facettage <001> <001> <311> <31?> <113> <310> <310> <1 1 -1> Direction de blocage <110> Direction de propagation Explication par cinétique: v113 ≠ v311 ?!? Angle de mouillage : pas ( 1 1 -1) dans la direction <310> 24 février 2010 26
  27. 27. Étude de la croissance latérale selon <110> Interface Ge/Si SiN Ge SiO2 Si Ge Ge Si Faute d’empilement Si SiO2 24 février 2010 Dislocation d’interface 27
  28. 28. Geometrical Phase Analysis M.J. Hÿtch, Nature 423 (2003) Phase géométrique dislocations +3.8% +4.2% z x xx  zz  yy    xx  zz  1  24 février 2010 -5% +5% 28
  29. 29. Croissance latérale - coalescence Lignes orientées <110> Après coalescence SiN Ge SiO2 Si SiN Ge 24 février 2010 29
  30. 30. Coalescence en bout de ligne 10000 Loc25 - (600°C) Loc8 - (650°C) Longueur cristal (nm) Loc32/Q3 - (650°C) Loc32/Q4 - (650°C) Loc26 - (700°C) Loc33/3min - (700°C) 1000 100 100 1000 Largeur ligne (nm) Effet du murissement d’Ostwald Les cristaux les plus grands se développent aux dépens des plus petits. 24 février 2010 30
  31. 31. Petits motifs 24 février 2010 31
  32. 32. Présence d’un joint de grain ? Pas de joint de grain après coalescence 10 nm WBDF (g=220, g, 2g) 24 février 2010 32
  33. 33. Vue plane Préparation : amincissement mécanique Courbure de la couche (franges non-uniformes) Zone d’observation <110> Dislocations d’interface en réseau Environ chaque 12 nm accommodation du désaccord dans la Dislocation direction de la ligne Défaut étendu Dislocation d’interface (préparation) traversante Dislocations traversantes Environ chaque 200nm pas de joint de grain 220R, g, 2g 24 février 2010 33
  34. 34. Moiré Image en champ clair (two-beams g=220) Moiré (x) ) Moiré (y) Pas de dislocation Image en champ clair visible (two-beams g=220) Pas de relaxation plastique dans la direction nanométrique du germe 24 février 2010 34
  35. 35. Analyse XRD RSM Tache 004 24 février 2010 35
  36. 36. Conclusion • On peut obtenir des cristaux de Ge sur silice thermique par épitaxie latérale sans grand effort technologique • La direction de mouillage de la silice est critique • Dans la dimension nanométrique du germe on vérifie l’approche de Luryi et Suhir • La coalescence des cristaux à partir de germes adjacents se fait sans formation de joint de grain • On peut supprimer les facettes par polissage 24 février 2010 36
  37. 37. Merci
  38. 38. projections 24 février 2010 38
  39. 39. coalescence 24 février 2010 39
  40. 40. Défauts sur les lignes 24 février 2010 40
  41. 41. Petits motifs 24 février 2010 41
  42. 42. XRD (004) 24 février 2010 42
  43. 43. XRD (224) 24 février 2010 43
  44. 44. XRD (224) 24 février 2010 44

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