1. Epitaxie latérale de germanium sur
silicium oxydé
V.D.Cammilleri
IEF - Institut d’électronique Fondamentale
UMR8622, CNRS, Univ. Paris-Sud, Orsay, France

2. Plan
• Contexte
• Principe
• Croissance latérale sur silice fine
• Croissance latérale sur oxyde localisé
24 février 2010 2

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. 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
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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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
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12. Evolution morphologique
45min @ 650°C 3h @ 650°C
24 février 2010 12

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. 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. Influence de la température
45min @ 700°C
Coalescence des ilots
MAIS :
Décomposition de la silice probable
24 février 2010 15

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. 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. 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. 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. LOCOS modifié
LocOS
Local Oxidation of Silicon
Bien connu et maitrisé
« Morphologie » intéressante
24 février 2010 20

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. 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. Directions de croissance hors <110>
Lignes faiblement désorientées <110> Lignes orientées <100>
Discontinuités Mouillage difficile
Formation de cristallites facettés
24 février 2010 23

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. 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. 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. 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. 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. Croissance latérale - coalescence
Lignes orientées <110>
Après coalescence
SiN Ge
SiO2
Si
SiN
Ge
24 février 2010 29

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. Petits motifs
24 février 2010
31

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. 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. 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. Analyse XRD
RSM
Tache 004
24 février 2010 35

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. Merci

38. projections
24 février 2010 38

39. coalescence
24 février 2010 39

40. Défauts sur les lignes
24 février 2010 40

41. Petits motifs
24 février 2010 41

42. XRD (004)
24 février 2010 42

43. XRD (224)
24 février 2010 43

44. XRD (224)
24 février 2010 44