Soutenance de thèse de FERRANDON Alice
Titre de thèse
Epitaxie sélective: influence des mécanismes cinétiques et thermodynamiques sur l'évolution morphologiques pour des applications BiCMOS avancées
Selective epitaxy: influence of kinetic and thermodynamic mechanisms on morphological evolution for advanced BiCMOS applications
Résumé de la thèse
Cette thèse étudie un procédé d'épitaxie cyclée du silicium à basse température. L'objectif est de comprendre et de contrôler l'évolution morphologique de la couche épitaxiée sous des contraintes thermiques strictes. Le travail porte sur les deux étapes clés de l'épitaxie par dépôt-gravure cyclé : la croissance de silicium et la gravure sélective du dépôt, et examine leur impact sur le développement des facettes. La croissance du silicium à basse température a été étudiée par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (en anglais Reduced-Pressure Chemical Vapor Deposition, RP-CVD) à l'aide de disilane (Si2H6) entre 500 °C et 600 °C. Sur du silicium cristallin, il a été montré que la vitesse de croissance dépend fortement de la température et de la pression partielle de disilane. La formation d'îlots amorphes a été attribuée à la fois à des effets extrinsèques, liés à une contamination résiduelle de surface, et à des effets intrinsèques, liés à l'incorporation des espèces de silicium sur des surfaces hydrogénée. En ajustant les précurseurs gazeux et les conditions de croissance, la formation d'îlots amorphes a pu être supprimée tout en conservant des vitesses de croissance compatibles avec les exigences industrielles. La gravure sélective du silicium amorphe et cristallin a ensuite été étudiée à l'aide d'une chimie GeH4/HCl. Il a été constaté que le GeH4 accélère la gravure du silicium amorphe par la formation temporaire d'une couche de surface SiGe, tout en conservant une sélectivité élevée vis-à-vis du silicium monocristallin. Le rapport GeH4/HCl et la pression du procédé ont été identifiés comme les principaux paramètres gouvernant l'efficacité de la gravure et la contamination résiduelle en germanium. Le rajout d'une étape de gravure à l'HCl seul a réduit la teneur résiduelle en Ge et amélioré la propreté de la surface monocristalline. Les étapes optimisées ont ensuite été intégrées dans un procédé d'épitaxie cyclique sur des substrats avec motifs. Il a été montré que l'épitaxie cyclée permet de réduire le facettage observé lors d'épitaxie plus conventionnelle, mais qu'il présente une forte dépendance à la géométrie des tranchées, à la redistribution du germanium et à la diffusion des espèces en surface. Bien qu'une couche épitaxiée totalement exempte de facettes n'ait pas été obtenue, ce travail identifie les principaux paramètres de procédé influençant la morphologie de surface et fournit des lignes directrices utiles pour une optimisation ultérieure de l'épitaxie CDE en vue d'un meilleur contrôle du facettage.
Thesis resume
This thesis investigates low-temperature cyclic epitaxy of silicon, with the aim of understanding and controlling the morphological evolution of the epilayer under restrictive thermal budgets. The work addresses the two key steps of cyclic deposition-etch (CDE) epitaxy: silicon deposition and selective etching and examines their impact on facet development. Low-temperature silicon growth was studied by reduced-pressure chemical vapor deposition using disilane (Si2H6) between 500 °C and 600 °C. On crystalline silicon, the growth rate was shown to depend strongly on temperature and disilane partial pressure. Amorphous island formation was traced to both extrinsic effects, related to residual surface contamination, and intrinsic effects, linked to the incorporation mechanism of silicon species on hydrogen-terminated surfaces. By adjusting the gas chemistry and growth conditions, the formation of amorphous islands was suppressed while preserving growth rates compatible with industrial requirements. Selective etching of amorphous and crystalline silicon was then investigated using a GeH4/HCl chemistry. GeH4 was found to accelerate the etching of amorphous silicon through the temporary formation of a SiGe surface layer, while maintaining high selectivity toward monocrystalline silicon. The GeH4/HCl ratio and process pressure were identified as the main parameters governing etching efficiency and residual germanium contamination. A final HCl step reduced the residual Ge content and improved surface cleanliness. The optimized steps were integrated into a cyclic epitaxy process on patterned wafers. Cyclic processing was demonstrated to mitigate inherited faceting to some extent, but provided a strong dependence on trench geometry, loading effects, germanium redistribution, and thermal relaxation during pressure ramps. Although a fully facet-free epitaxial layer was not achieved, this work identifies the key process parameters that influence surface morphology and provides useful guidelines for further optimization of CDE epitaxy toward improved facet control.