Etude expérimentale de l'interdiffusion Ge-Si à partir de sources solides Germanium sur Silicium. Application à la formation de couches graduelles Si1-xGex pour les transistors pMOSFETs
Abstract
As Silicon limits are reached, Ge-based materials are expected to be progressively introduced in the fabrication of advanced microelectronic devices. SiGe layers are already used as Source/Drain regions to induce uniaxial compressive stress in the Si channel, which results in the enhancement of hole mobility in PMOS. In this work, we study an alternative method for the fabrication of shallow SiGe regions, in which a pure Ge layer is deposited on a Si substrate and the Ge in-diffusion is induced by a subsequent anneal. The optimisation of such a technology requires the accurate measurement of the Ge concentration in the full range of Ge composition and the understanding of the Si-Ge interdiffusion occurring during the formation of the SiGe layers. Pure Ge(:B) layers were grown on Si substrates by CVD. We present a novel SIMS MCs2+ methodology for the accurate measurement of the Ge diffused profiles. Boltzmann-Matano analysis was used to extract the interdiffusion coefficients. Si-Ge interdiffusion is found to be strongly dependent on the Ge concentration. Also, an effect of dislocations near the Ge/Si original interface is suggested by our results. A physical model including the various observed effects is proposed, that gives a very good agreement with experiments. We also show that the effect of the in-situ B doping of the pure Ge layer is to reduce the interdiffusion. Finally, we suggest that the use of polycristalline Ge films is a promising route for the formation of gradual Si1-xGex layers.
Dans la course à la miniaturisation des dispositifs de la microélectronique, les alliages SiGe sont des matériaux remarquables pour poursuivre l'amélioration des performances des composants de type CMOS, le Silicium atteignant aujourd'hui ses limites physiques. En effet, une méthode originale pour appliquer une contrainte de compression uniaxiale au canal de conduction Silicium, afin d'augmenter la mobilité des trous des transistors pMOS, consiste à remplacer le Silicium dans les régions Source et Drain par des couches SiGe pseudomorphiques. L'utilisation de sources solides sacrificielles de Germanium peut être une solution pour la fabrication de telles structures. Dans ce travail, nous avons ainsi étudié l'interdiffusion Ge-Si, induite par recuit thermique à haute température, à partir d'hétérostructures Ge/Si dont la couche de Germanium est déposée par CVD. Le développement de la méthodologie SIMS MCs2+, que nous réalisons dans cette thèse, assure la caractérisation chimique de couches graduelles Si1-xGex dans la gamme complète de concentrations (0 d x d 1). Nous montrons que l'interdiffusion Ge-Si est fortement dépendante de la composition en Germanium mais également des défauts structuraux formés aux interfaces Ge-Si. Nous avons alors développé un modèle qui permet de reproduire fidèlement les profils expérimentaux. L'effet du dopage Bore tend à réduire légèrement l'interdiffusivité. Finalement, nous montrons que l'utilisation de couches de Germanium polycristallin est prometteuse pour la fabrication de couches graduelles Si1-xGex. En effet, elle permet de réduire la densité de défauts structuraux initialement présents dans les films monocristallins.