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

Munguia Cervantes Jacobo Esteban

Description

Conclusions et perspectives. Conclusions et perspectives 145 Conclusions et perspectives. 146 Conclusions et perspectives. L’étude que nous avons menée sur le Si contraint avait pour objectif de contribuer à une compréhension des propriétés structurales et physiques de ce matériau en utilisant essentiellement des techniques de spectroscopie optique. Dans ce contexte, nous avons déterminé la déformation induite dans les couches Si à l’aide de la spectroscopie Raman pour différentes valeurs de contrainte et pour différentes épaisseurs. Pour l’obtention de la déformation à partir de décalage Raman, nous avons calculé à partir des paramètres des potentiels de déformation un facteur c (0.138) qui est en bon accord avec la valeur expérimentale (0.134) déjà rapportée dans la littérature. Nous avons utilisé deux sources d’excitation (visible 458 nm et UV 363 nm) pour la réalisation de cette mesure. La raie excitatrice à 363 nm a été utilisée pour s’affranchir de la réponse provenant du substrat Si et pour exhausser le signal de la couche par un effet Raman résonnant. Les résultats obtenus avec les deux sources sont en bon accord avec les calculs théoriques et démontrent l’efficacité de cette technique pour l’évaluation des déformations dans les couches ultra fines (10 nm). Par ailleurs, les mesures Raman ont été ...

Informations

• Publié par: Emmo
• Nombre de lectures: 32
• Langue: Français

Extrait

 Conclusionset perspectives. Conclusions et perspectives

145

146

Conclusions et perspectives.

 Conclusionset perspectives. L’étude que nous avons menée sur le Si contraint avait pour objectif de contribuer à une compréhension des propriétés structurales et physiques de ce matériau en utilisant essentiellement des techniques de spectroscopie optique. Dans ce contexte, nous avons déterminé la déformation induite dans les couches Si à l’aide de la spectroscopie Raman pour différentes valeurs de contrainte et pour différentes épaisseurs. Pour l’obtention de la déformation à partir de décalage Raman, nous avons calculé à partir des paramètres des potentiels de déformation un facteurcqui est en bon (0.138) accord avec la valeur expérimentale (0.134) déjà rapportée dans la littérature. Nous avons utilisé deux sources d’excitation (visible 458 nm et UV 363 nm) pour la réalisation de cette mesure. La raie excitatrice à 363 nm a été utilisée pour s’affranchir de la réponse provenant du substrat Si et pour exhausser le signal de la couche par un effet Raman résonnant. Les résultats obtenus avec les deux sources sont en bon accord avec les calculs théoriques et démontrent l’efficacité de cette technique pour l’évaluation des déformations dans les couches ultra fines (10 nm). Par ailleurs, les mesures Raman ont été réalisées pour des couches de Si à différentes valeurs de contraintes avec des épaisseurs proches. Dans ce cas, pour la couche où la valeur de contrainte la plus importante est attendue (40 % composition de Ge) l’expérience n’est pas en accord avec le calcul théorique. En effet, nous trouvons une déformation plus faible qui peut être expliquée par une relaxation partielle de la couche due au fait que l’épaisseur est supérieure à l’épaisseur critique. Nous avons de plus effectué une étude originale par spectroscopie Raman de la conductivité thermique dans les couches Si en fonction de la contrainte. Les résultats obtenus démontrent d’une manière qualitative une réduction de la résistance thermique des structures reliée à une augmentation de la conductivité thermique lorsque la contrainte dans la couche augmente. Ceci peut s’avérer d’une grande importance en microélectronique afin d’éviter un échauffement des dispositifs. Les propriétés optiques et leur relation à la structure de bande du matériau ont été également étudiées. A ce titre, nous avons montré pour la première fois, la transition excitonique TO du Si contraint dans les structures sSOI par spectroscopie de photoluminescence. Une étude en fonction de la puissance d’excitation du laser a été réalisée pour bien confirmer que cette bande de luminescence estreliée à la transition excitonique assistée par phonon TO de la couche de Si contraint. Ceci nous a permis de mesurer la

147

 Conclusionset perspectives. réduction de la bande interdite dans la direction∆provoquée par la contrainte appliquée dans les couches Si. Une étude sur des couches de Si à différentes valeurs de déformation (20 %, 30 % et 40 % de Ge) fournit des résultats sur la réduction du gap indirect de Si contraint en bon accord avec les calculs théoriques déjà rapportés dans la littérature. Une étude de PL en fonction de la température a été également réalisée et a permis d’observer une augmentation du gap indirect à basse température que nous associons à des états localisés à l’interface Si contraint/SiO 2 . D’autre part, l’étude de PL sur des couches de Si à une même valeur de déformation et à différentes épaisseurs montre un décalage de la luminescence vers les hautes énergies dans les couches lorsque l’épaisseur de la couche diminue, en particulier pour les échantillons de 15 nm et plus particulièrement 8 nm d’épaisseur. Ce phénomène s’explique par le confinement quantique de la couche sSi qui forme en effet un puits quantique : couche oxyde en surface/sSi/BOX. Un décalage entre 20 et 26 meV vers les hautes énergies pour la couche fine de 8 nm correspond à l’énergie de confinement que nous avons calculée pour le puits autour de 19 meV. Enfin, pour analyser la variation de la bande interdite dans le point-Г dansSi en fonction de la contrainte nous avons utilisé la spectroscopie de photoréflectance. De même que pour le cas de la photoluminescence, nous avons observé une réduction du gap direct du Si provoqué par la contrainte. A partir des mesures de PR sur des couches à différentes valeurs de déformation (20 % et 30 %), nous avons déterminé la valeur, inconnue jusqu'à présent, du potentiel de déformation enΓ(12 eV). En résumé nous avons démontré l’efficacité des spectroscopies Raman, de photoluminescence et de photoréflectance pour l’étude des couches ultrafines de Si contraint. Un challenge supplémentaire à cette étude serait de déterminer l’évolution des grandeurs physiques mesurées (déformation, gap direct et indirect, conductivité thermique) en fonction des différentes étapes du processus technologique de réalisation des composants CMOS. A cet effet, nous avons pour l’instant étudié l’évolution de la déformation par PL et Raman lors de différents recuits flash. Cette étude n’a pas révélé de relaxation de la contrainte . Pour aller plus loin dans cette voie (analyser l’effet des gravures par exemple) il est nécessaire d’atteindre des résolutions spatiales micrométriques voire nanométrique. Dans

148

 Conclusionset perspectives. cette perspective nous développons au laboratoire un banc de micro photoréflectance dans l’UV. Pour ce qui est d’une résolution submicronique (au-delà du critère de diffraction en optique classique) les signaux très faibles de photoluminescence et de photoréflectance pour ces couches ultrafines ne permettent pas d’envisager, pour l’instant, l’utilisation de techniques en champs proche comme le SNOM (scanning near field optical microscope). En revanche, en ce qui concerne la spectroscopie Raman, des travaux récents ont démontré la possibilité d’analyser des couches fines de Si en utilisant l’amplification du signal par effet de pointe (TERS: Tip Enhanced Raman Spectroscopy) [1-2]. REFERENCES: [1].SAITO Y., MOTOHASHI M., HAYAZAWA N., IYOKI M., KAWATA S., Nanoscale characterization of strained silicon by tip-enhanced Raman spectroscope in reflection mode, Appl. Phys. Lett. 2006, vol. 88, pp. 143109-1-143109-2. [2].LERMAN G. M., ISRAEL A., LEWIS A., Applying solid inmerson near-field optics to Raman analysis of strained silicon thin films, Appl. Phys. Lett. 2006, vol. 89, pp. 223122- 1-223122-2.

149