Croissance épitaxiale d'oxydes "high-κ" sur silicium pour CMOS avancé : LaAlO3, Gd2O3, γ-Al2O3 - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Epitaxial growth of "high-κ" oxides on silicon for advanced CMOS: LaAlO3, Gd2O3, γ-Al2O3

Croissance épitaxiale d'oxydes "high-κ" sur silicium pour CMOS avancé : LaAlO3, Gd2O3, γ-Al2O3

Résumé

Metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) are at the very heart of modern integrated circuits (IC's). A fundamental limit of the downscaling of these devices is in view, concerning the exponential increase in the tunneling current with further decreasing the film thickness of the SiO2 gate oxide. The reduction of the leakage current while maintaining the same gate capacitance requires therefore a thicker film with a higher dielectric constant.
While amorphous oxides will likely be employed in the first phase, the semiconductor industry requires solutions for crystalline oxides with an epitaxial interface to the silicon substrate. The use of monocrystalline oxides would allow to reach the properties of bulk oxides and to obtain abrupt interfaces without presence of interfacial layers. However the material choice is limited by the lattice mismatch of the oxide with the substrate and also by the thermodynamic stability of oxides with respect to silicon. The oxides explored in this thesis were LaAlO3 and Gd2O3, selected for their electronic properties (permittivity and band offsets), and γ-Al2O3 chosen for its thermodynamic properties with respect to Si. The oxide heterostructures have been elaborated using molecular beam epitaxy (MBE).
Attempts to epitaxially grow LAO on Si have been hindered by unfavorable thermodynamic growth conditions leading to the formation of silicates at the interface. Consequently, interface engineering appears to be indispensable to grow LAO films with good crystallinity on Si(001). Different approaches have been considered in this study. The first approach consists in using a thin buffer layer made of strontium oxide (SrO) or strontium titanate (SrTiO3). Atomically flat LaAlO3 epitaxial films were grown on these buffers but this approach has some limitations due to the low thermal stability of the (SrO,SrTiO3)/Si interfaces.
The second studied oxide was gadolinium oxide (Gd2O3). If the growth appeared to be monodomain and of high quality on Si(111), we observed a bidomain growth on (001)-oriented Si substrates. The origin of this behavior comes from the alignment of the (110) planes of the oxide on the (001) planes of Si, with a 90° rotation at each silicon step. We then showed that the use of a vicinal Si(001) substrate allows to obtain a monodomain growth of Gd2O3(110). In spite of its limitations (interfacial silicate formation at high temperatures) the Gd2O3/Si system is considered now as one of most interesting crystalline high-κ oxide for integration in CMOS technologies.
Optimal growth conditions leading to the formation of high quality 2D γ-Al2O3 films have been defined. For alumina films thicker than 1.6 nm on Si(001), TEM and RHEED studies have allowed to detect a surface transition from (001)-oriented γ-Al2O3, with a cubic surface symmetry, to (111)-oriented γ-Al2O3 , with a hexagonal surface symmetry. This result shows that cubic γ-Al2O3(001) can be grown pseudomorphically cube-on-cube on Si(001) (mismatch of -2.9%) up to 1.6 nm with an abrupt coherent interface.
Finally, the high potentiality of γ-Al2O3(001) to be used as a buffer layer for further growth of amorphous or crystalline high-κ oxides on Si(001) was demonstrated. This combination allows obtaining robust heterostructures on silicon, avoiding silicate or SiO2 formation at the interface despite high temperature and high oxygen pressure growth conditions.
La miniaturisation depuis 50 ans des composants, transistors MOSFET à base de silicium, dans les technologies CMOS est de plus en plus limité par l'apparition de phénomènes quantiques dans les dispositifs de taille sub-0,1 µm. L'épaisseur requise pour l'isolant de grille devenant trop faible, cela induit une très forte augmentation des courants de fuites à travers le diélectrique. Une solution pour résoudre ce problème est de remplacer la silice (SiO2), qui est l'isolant naturel du substrat de Si, par un autre matériau qui a une constante diélectrique plus élevée que celle de la silice. Avec ces oxydes « high-κ » on peut viser une épaisseur physique d'isolant plus élevée et donc diminuer les courants de fuites tout en maintenant la capacité surfacique du transistor constante.
Les solutions industrielles actuelles développées sont à base d'oxydes « high-κ » amorphes. Une alternative serait l'utilisation d'oxydes monocristallins épitaxiés directement sur silicium qui permettrait de retrouver les propriétés de l'oxyde massif et d'obtenir des interfaces abruptes sans présence de couches interfaciales. Cependant le choix du matériau est limité par le désaccord de maille avec le substrat et aussi par la compatibilité et la stabilité thermodynamique des oxydes vis-à-vis du Si. Les matériaux explorés dans cette thèse ont été LaAlO3 et Gd2O3 choisis pour leurs propriétés électroniques (constante diélectrique et discontinuités de bandes) et γ-Al2O3 choisi pour ses qualités thermodynamiques vis-à-vis du Si. La méthode d'élaboration utilisée a été l'épitaxie par jets moléculaires (EJM).
Nous avons tout d'abord commencé par étudier le système LaAlO3/Si. Après avoir défini les conditions optimales de croissance (température, pression d'oxygène et vitesse de croissance), par homoépitaxie (sur un substrat de LaAlO3(001)) et hétéroépitaxie (sur un substrat de SrTiO3(001)), nous avons exploré les possibilités de faire croître cet oxyde directement sur Si(001). N'ayant pas pu trouver de fenêtre de croissance compatible, une solution a été d'utiliser une fine couche interfaciale de SrO ou de SrTiO3 pour obtenir une phase solide de LaAlO3 sur Si. Cependant les limitations thermodynamiques de l'interface à base d'alcalino-terreux (Sr) rendent incompatible la réalisation de transistors CMOS.
Le deuxième oxyde étudié a été l'oxyde de gadolinium (Gd2O3). Si la croissance s'est révélée monodomaine et de très bonne qualité sur Si(111), nous avons observé une croissance bidomaine sur substrat de Si(001). Ceci provient de l'alignement des plans (110) de l'oxyde sur les plans (001) du Si, tournés de 90° à chaque marche de silicium, Nous avons alors montré que l'utilisation d'un substrat vicinal de Si(001) désorienté de 6° permet de favoriser qu'un seul domaine de Gd2O3. Malgré ses limitations (formation de silicate interfacial à hautes températures) le système Gd2O3/Si est actuellement considéré comme un des plus intéressants pour l'intégration dans les technologies CMOS.
Afin d'obtenir des interfaces abruptes et stables thermodynamiquement, nous avons exploré les possibilités offertes par l'oxyde γ-Al2O3. Après avoir mis en évidence la possibilité de faire croître un film fin de γ-Al2O3(001) pseudomorphe avec une interface cohérente, nous avons défini différents assemblages possibles combinant γ-Al2O3 et un oxyde « high-κ ». Une solution originale qui permet d'intégrer un oxyde « high-κ » cristallin sur Si avec une interface abrupte et stable a été proposée.
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tel-00201791 , version 1 (02-01-2008)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00201791 , version 1

Citer

Clément Merckling. Croissance épitaxiale d'oxydes "high-κ" sur silicium pour CMOS avancé : LaAlO3, Gd2O3, γ-Al2O3. Matière Condensée [cond-mat]. Ecole Centrale de Lyon, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00201791⟩
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