Etude par spectroscopie optique des propriétés physiques des couches nanométriques de Si contraint

Munguia Cervantes Jacobo Esteban

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Sommaire SOMMAIRE Introduction…………………………………………………………………………… 1 Chapitre 1: Propriétés physique, électronique et applications du Si contraint 1.1. Introduction………………………………............................................................ 9 1.2. Le silicium contraint………………………………………………………….. 10 1.2.1. Définition…………………………………………………………………... 10 1.2.1. Les bénéfices du Si contraint………………………………………………. 11 1.3. Ingénierie des contraintes……………………………………….…………… 12 1.3.1. Contrainte uni-axiale générée par des procédés de fabrication des dispositifs………………………………………………………………….. 12 1.3.1.1. Contraintes générées par le procédé STI (Shallow Trench Isolant)… 13 1.3.1.2. Contraintes imposées par des couches de siliciure………………….. 13 1.3.1.3. SiGe ou SiC enterré dans les régions de source et drain……………. 14 N ………………………….... 15 1.3.1.4 Couche capa de nitrure de silicium Si3 41.3.2. Contrainte bi-axiale induite dans les couches de Si………………………... 15 1.4. Propriétés physiques du Si contraint……………………………………... 17 1.4.1. Déformation élastique……………………………………………………... 17 1.4.1.1. Paramètre de maille de l’alliage SiGe …………………………….... 17 1.4.2. Epaisseur critique………………………………………………………….. 19 1.4.2.1. Epaisseur critique du Si contraint…………………………………… 20 1.4.2.2. Relaxation dans les couches de Si contraint………………………… 20 1.4.2.3. Déformation plastique…..…………………………………………... 22 1.5. Influence de la contrainte sur la structure de bandes du Si……..... ...

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Sommaire

SOMMAIRE Introduction …………………………………………………………………………… 1 Chapitre 1: Propriétés physique, électronique et applications du Si contraint 1.1. Introduction ………………………………............................................................ 9 1.2. Lesilicium contraint ………………………………………………………….. 10  1.2.1.Définition…………………………………………………………………... 10 1.2.1. Lesbénéfices du Si contraint……………………………………………….11 1.3. Ingénieriedes contraintes ……………………………………….…………… 12 1.3.1. Contrainteuniaxiale générée par des procédés de fabrication des dispositifs………………………………………………………………….. 12 1.3.1.1. Contraintesgénérées par le procédé STI (Shallow Trench Isolant)…13 1.3.1.2. Contraintesimposées par des couches de siliciure…………………..13 1.3.1.3. SiGeou SiC enterré dans les régions de source et drain…………….14 1.3.1.4 Couchecapa de nitrure de silicium Si 3 N 4 ………………………….... 15 1.3.2. Contraintebiaxiale induite dans les couches de Si………………………...15 1.4. Propriétésphysiques du Si contraint ……………………………………... 17 1.4.1. Déformationélastique……………………………………………………... 17  1.4.1.1.Paramètre de maille de l’alliage SiGe ……………………………....17 1.4.2. Epaisseurcritique………………………………………………………….. 19  1.4.2.1.Epaisseur critique du Si contraint……………………………………20  1.4.2.2.Relaxation dans les couches de Si contraint…………………………20  1.4.2.3.Déformation plastique…..…………………………………………...22 1.5. Influencede la contrainte sur la structure de bandes du Si ……........ 23 1.5.1. Bandede conduction……………………………………………………….23  1.5.1.1.Si noncontraint……………………………………………………...23  1.5.1.2.Si contraint…………………………………………………………...24  1.5.1.3.Mécanismes d’amélioration de la mobilité des électrons…………....25

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1.5.2. Bandede valence……………………………………………………..........26  1.5.2.1.Si noncontraint……………………………………………………...26  1.5.2.2.Si contraint…………………………………………………………..26  1.5.2.3.Mécanismes d’amélioration de la mobilité des trous………………..27 1.6. Réductionde la largeur de la bande interdite indirecte …………..….. 28 1.6.1. Bandede Conduction………………………………………………………29  1.6.2.Bande de Valence………………………………………………………….29 1.7. Canalà base de Si contraint dans les dispositifs MOSFET ……..…... 31 1.7.1. Alignementde bandes dans un système Si/SiGe…………………………...31  1.7.1.1.SiGe contraint sur substrat de Si (hétérostructure de type I)………....31  1.7.1.2.Si contraint sur SiGe relaxé (hétérostructure de type II)…………….32 1.7.2. DispositifsMOSFET sur Si contraint sur substrat virtuel SiGe…….…..….33 1.7.3. DispositifsMOSFET sur Si contraint sur SGOI (SiGeoninsulator)…....…33 1.7.4. DispositifsMOSFET de Si contraint sur SOI (sSOI: strained silicononinsulator)……………………………………………………….. 35 1.8. Caractérisationsoptiques sur Si contraint ………………………..……... 37 1.9. Conclusions ………………………………………………………………..…….... 38 1.10. Bibliographie ……………………………………………………………..……... 39 Chapitre 2: Structures d’étude et techniques de caractérisation 2.1 Introduction ……………………………………………………………….……. 49 2.2 Méthodesde fabrication des structures Si contraint …………..……… 49 2.2.1 Structuresde Si contraint fabriquées par SOITEC………………………...49 2.2.1.1. Fabricationdes substrats SiGe (Substrats Virtuels)………………..49 TM 2.2.1.2. TechnologieSmart Cut……………………………………….…. 50 2.2.1.3. StructureSi Contraint/SGOI……………………………………….50 2.2.1.4. StructureSi contraint sur isolant (sSOI: strained silicononinsulator)………………………………………………. 51 2.2.2 Structuresà puits quantique de Si contraint………………………………..52 2.3 Techniquesexpérimentales de mesures …………………..………………. 54 2.3.1 SpectroscopieRaman……………………………………………………… 54

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2.3.1.1. Laspectroscopie vibrationnelle……………………………………..54 2.3.1.2. Lesmesures Raman…………………………………………………56 2.3.1.3. Effetde la déformation sur les modes Raman dans le Silicium…….57 2.3.1.4. Loide Hooke………………………………………………………..58 2.3.2 Spectroscopiede photoluminescence (PL)…………………………………60 2.3.2.1. Leprincipe de la PL………………………………………………...60 2.3.2.2. Effetde la déformation sur le gap indirect dans le Silicium………..61 2.3.2.3. Bancexpérimental de PL…………………………………………...62 2.3.3 Spectroscopiede photoréflectance (PR)…………………………………....64 2.3.3.1. Spectroscopiede modulation………………………………………..64 2.3.3.2. Leprincipe de modulation de la PR………………………………...64 2.3.3.3. Interprétationdes spectres de PR…………………………………...65 2.3.3.4. Effetde la déformation sur le gap direct dans le Silicium…………66 2.3.3.5. Bancexpérimental de photoréflectance………..…………………...67 2.4 Conclusions …………………………………………….………………………... 69 2.5 Bibliographie …………………………………………………….…………….... 70 Chapitre 3: Etude des propriétés structurales et physiques du Si contraint sur isolant (sSOI) 3.1. Introduction ……………………………………………….……………………. 75 3.2. Descriptifdes échantillons étudiés …………………….…………………... 76 3.2.1. Couchesde Si à déformation constante à différentes épaisseurs…….……..76 3.2.2. Couchesde Si à différentes valeurs de déformation ……………………….77 3.2.3. Couchesde Si à épaisseur et déformation constantes recuites à différentes températures…………………………………………………….78 3.2.4. Puitsde Si contraint sur une structure SGOI……………………………….78 3.3. Etude de la déformation des couches de Si contraint par Spectroscopie Raman …………………………………………………………………..……….... 79 3.3.1 Ramansous excitation visible (458 nm)……………………………………79 3.3.1.1. Couchesde Si à déformation constante avec différentes épaisseurs.79 3.3.1.2. Couchesde Si à différentes valeurs de déformation ………………82

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3.3.2 Ramansous excitation UV (363 nm)……………………………………….83 3.3.2.1. Couchesde Si à déformation constante avec différentes épaisseurs.84 3.3.2.2. Couchesde Si à différentes valeurs de déformation .………………86 3.3.2.3. Effetde relaxation sur les couches Si contraint…………………….87 3.3.2.4. Puitsde Si contraint sur une structure SGOI……………………….89 3.3.3 Conductivitéthermique sur les couches de Si contraint……………………90 3.4. Conclusions …………………………….……………………………………..…. 96 3.5. Bibliographie ………………………….………………………………………… 97 Chapitre 4: Etudes optiques de la structure de bandes du Si contraint sur isolant (sSOI) 4.1. Introduction ……………………………………………………………………. 101 4.2. Spectroscopiede photoluminescence (PL) sur Si contraint ………… 102 4.2.1. PLsur Si contraint (échantillon D857)………………………………….....102 4.2.1.1 PLsous excitation visible (488 nm)………………………………..102 4.2.1.2 PLsous excitation UV (363 nm)…………………………………...104 4.2.2. PLsur Si contraint (échantillon P01)………………………………………107 4.2.2.1 PLsous excitation visible (488 nm)………………………………..107 4.2.2.2. PLsous excitation UV (363 nm)…………………………………...108 4.2.2.3. PLen fonction de la puissance……………………………………..110 4.2.3. Déterminationdu gap indirect du Si contraint……………..……………...111 4.2.3.1. Comparaisondes résultats expérimentaux avec les calculs théoriques…………………………………………………………... 112 4.2.3.2. Effetdu confinement quantique dans les couches de Si contraint….113 4.2.4. Sicontraint à déformation constante avec différentes épaisseurs………….116 4.2.5. PLen fonction de la température…………………………………………..117 4.2.5.1. Comportementdu gap (Eg) indirect du Si contraint en fonction de la température…………………………………………………..117 4.2.6. Influencedu recuit RTA sur les couches Si contraint……………………...122 4.2.7. Etudede PL sur des couches de Si à différentes valeurs de déformation …123 4.2.8. Etudede PL sur un puits de Si contraint sur une structure SGOI  (échantillonC336)…………………………………………………………. 125

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4.3. Spectroscopiede photoréflectance (PR) sur Si contraint …………… 128 4.3.1. PRsur Si contraint (échantillon D857)…………………………………….128 4.3.1.1 PRà température ambiante…………………….…………………...128 4.3.1.2. Ajustementdes données expérimentales par la dérivée troisième de la fonction diélectrique………………………………………….129 4.3.1.3. Comparaisondes résultats expérimentaux avec les calculs théoriques………………………………………………………….. 130 4.3.2. PRen fonction de la température…………………………………….…….131 4.3.3. Etudede PR sur des couches de Si à différentes valeurs de déformation ....133 4.3.4. Etudede PR sur un puits de Si contraint sur une structure SGOI (échantillon C336)…………………………………………………………136 4.4. Conclusions ……………………………………………………………………... 138 4.5. Bibliographie …………………………..……………………………………….. 139 Conclusions et perspectives ………………………………………….………... 145