Development of co-integrated contacts on silicon and germanium for infrared sensor applications.
Développement de contacts co-intégrés sur silicium et germanium pour des applications de capteurs infrarouges.
Résumé
Sensitive Ge-based sensors that convert infrared light in an electrical signal are developed at STMicroelectronics.
For such applications, the current sequential integration flow need to be simplified to
avoid tool contamination issues and to reduce the process cost. In this PhD thesis, we propose to move
from a sequential integration of the contacts on n-Si and p-Ge to a co–integration. It implies to perform
a series of concomitant processes on Si and Ge as (1) surface preparation before metal deposition (2) metal
deposition and (3) formation of intermetallic compounds by a solid-state reaction. There are several
requisites associated to the use of intermetallic as a contact : (i) a low contact resistance to the semiconductor
(ii) a low layer resistivity (iii) thermal stability of the layer (iv) an appropriate morphology
and (v) controlled dopant diffusion. After the presentation of the industrial context that motivated the
choice of Ti-silicides and Ti-germanides to form the contacts, a first part is dedicated to a metallurgic
study of the intermetallics formed in the Ti/n-Si and Ti /p-Ge systems. The study is conducted on
full-sheet samples which reproduce the doping conditions in the contacts of the device that interests us
in this thesis. Then, the steps preceding the formation of intermetallics are studied. A common surface
preparation compromise for Si and Ge is proposed and a study to understand the effect and behavior
of boron dopants during the solid state Ti/Ge reaction is presented. During this thesis work, contacts
co-integration was developed in the STMicroelectronics clean room on an existing device. The last part
of the manuscript is dedicated to the study of the electrical properties of the contacts resulting from
this development. Thanks to these studies, a satisfying industrial process compromise to co-integrate the
contacts on n-Si and p-Ge has been proposed.
Le développement des imageurs tels que les capteurs infrarouges est un axe stratégique majeur pour
STMicroelectronics. Le germanium (Ge) absorbe le rayonnement dans le proche infrarouge plus efficacement
que le silicium (Si). Des dispositifs dans lesquels une partie du Si est remplacée par du Ge sont
alors développés. Pour contacter les deux matériaux, la solution actuelle proposée à STMicroelectronics
consiste en une intégration séquentielle, dans laquelle les contacts sur Si sont formés avant l’épitaxie
du Ge. Ceci engendre un procédé coûteux et risqué en en matière de contamination des équipements
utilisés pour l’épitaxie du Ge. Dans cette thèse, nous évaluons la possibilité de co-intégrer les contacts
sur Si et Ge, c’est-à-dire d’obtenir un procédé commun sur Si et Ge de (1) préparation de surface avant
dépôt métal (2) dépôt métal et (3) recuit pour la formation d’intermétalliques. Plusieurs conditions
sont requises pour la formation des intermétalliques comme (i) une faible résistivité de contact avec le
semi-conducteur (ii) une faible résistivité de couche (iii) une stabilité thermique jusqu’à 400 °C (iv) une
morphologie adaptée et (v) avec une diffusion des dopants contrôlée. Après la présentation du contexte
industriel qui nous a encouragé à choisir le Ti pour former les contacts, une première partie est consacrée
à l’étude de l’évolution avec la température de recuit des intermétalliques formés dans les systèmes Ti/n–
Si et Ti/p–Ge. L’étude est conduite sur des échantillons pleine plaque qui reproduisent les conditions de
dopage dans les contacts du dispositif à l’étude dans cette thèse. Ensuite, les problématiques liées aux
étapes qui précèdent la formation des intermétalliques sont adressées. Un compromis de préparation de
surface commune au Si et Ge est proposé et une étude pour comprendre l’effet et le comportement des
dopants bore pendant la réaction à l’état solide Ti/Ge est présentée. Durant ces travaux de thèse, la
co-intégration des contacts a été développée dans la salle blanche de STMicroelectronics sur un dispositif
existant. La dernière partie du manuscrit est consacrée à l’étude des propriétés électriques des contacts
issus de ce développement. L’étude complète a permis de proposer un compromis de procédé industriel
satisfaisant pour la co-intégration des contacts sur n-Si et p-Ge.Développement de contacts co-intégrés sur silicium et germanium pour des applications de capteurs infrarouges.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|