Zugl.: Ulm, Univ., Diss., 2007

L'utilisation de dispositifs thermoélectriques à base de films minces en SiGe est envisagée dans de nombreuses applications comme la micro-génération de puissance ou le refroidissement localisé de composants microélectroniques. Le SiGe possède en effet un net avantage en terme d'integrabilite mais souffre cependant d'un déficit en terme de performances. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la nanostructuration de ce matériau en super-réseau de boîtes quantiques (SRBQ), celle-ci devant permettre une forte augmentation de son facteur de mérite, rendue possible par une forte altération du transport thermique à l'échelle nanométrique. La réalisation, par un outil CVD de type industriel, à 750 °C, de SRBQ monocristallins lourdement dopés est présentée à partir d'analyses morphologiques (AFM), structurales (MEB, MET) et chimiques (SIMS). Des phénomènes de forts échanges Si-Ge pendant la croissance sont notamment mis en évidence et corrélés avec des mesures de conductivité thermique qui ne démontrent pas un effet significatif des boîtes sur le transport thermique. L'élaboration de structures polycristallines originales est également présentée. Enfin, la question cruciale de la détermination du facteur de mérite est abordée, notamment concernant les problèmes d'incertitudes de mesure. Une

Le travail de cette thèse s’inscrit dans le contexte du développement de la technologie BiCMOS055 en plateforme 300 mm, première technologie BiCMOS en nœud 55 nm au monde, avec des fréquences caractéristiques fT / fMAX = 320 / 370 GHz. Une première partie présente l’étude de différentes solutions visant à réduire la résistance de base extrinsèque de l’architecture DPSA-SEG afin d’améliorer la fréquence maximale d’oscillation fMAX. Nous montrons alors que changer la nature des matériaux n’apporte pas d’amélioration, mais que l’ajout de différents recuits après réalisation de la base intrinsèque permet d’augmenter significativement les performances du transistor tout en restant compatible avec les transistors MOS. La seconde partie de ce travail s’est attachée à démontrer les potentialités d’un transistor avec un module collecteur totalement implanté, où couche enterrée et tranchées d’isolation profondes ont été retirées. Les résultats obtenus montrent qu’il est possible, en optimisant le dessin des structures, d’obtenir des fT et fMAX atteignant respectivement 96% et 91% des paramètres de la technologie de référence. Enfin la dernière partie présente l’étude de l’impact des interconnexions métalliques sur les paramètres électriques du transistor sous-jacent. Il en ressort que la contrainte mécanique a un impact significatif, mais que les interconnexions influencent peu le comportement thermique du composant. / This work was carried out during BiCMOS055 technology development in 300 mm platform, the first one worldwide in node 55 nm, with frequencies as high as fT = 320 GHz and fMAX = 370 GHz. First we present the study of different solutions to reduce the extrinsic base resistance in DPSA-SEG architecture to improve the maximum oscillation frequency fMAX. We show then that changing material properties does not provide any improvement, but the insertion of dedicated anneals after the intrinsic base formation significantly increases the transistor performance while being compatible with MOS devices. In a second part, we demonstrate the potentialities of a low-cost transistor with a fully implanted collector, removing the buried layer and deep trench isolations. It has been shown it is possible to reach 96% fT and 91% fMAX with adequate structures layout, compared to the reference technology parameters. In the last part we analyze the impact of back-end-of-line connections on the bipolar device right below: the main effect is created by residual stress in the metal lines transferred into the device itself; the thermal study showed little influence of the back-end-of-line stack.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2007

Universiẗat, Diss., 1999--Hamburg.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Nous étudions ici l’heteroepitaxie du silicium-germanium (SiGe), un système qui est couramment considéré comme le stéréotype de l’´épitaxie des semi-conducteurs. Bien que ce système ait déjà attiré une attention considérable en raison de ses applications pour l’ingénierie des bandes dans l’industrie microélectronique, le défi majeur du développement de nouveaux dispositifs à base de SiGe reste la croissance épitaxiale contrôlable des nanostructures auto-assemblées. Il est bien connu que SiGe suit un mode de croissance de Stranski-Krastanov, qui passe par la croissance de couches bidimensionnelles suivie par la croissance d’ılots tridimensionnels. Sous cette dénomination générique ”Stranski-Krastanov”, plusieurs comportements différents peuvent être identifiés. Une compréhension globale de tous ces comportements est encore partiellement manquante en raison de la complexité et de l’interaction de la cinétique et des forces motrices dynamiques, empêchant le d´développement de nouveaux dispositifs. Dans ce travail, nous nous concentrons sur l’auto- assemblage des nanostructures SiGe à la suite de la quête de l’émission de lumière pour les dispositifs photoniques, optoélectroniques et nanoélectroniques à base de Si. Par Même si l’innovation dans les dispositifs à base de Si a été stimulée récemment par le d´développement de silicium complétement épuisé sur les transistors isolants, une véritable percée serait la démonstration de l´émission de lumière et / ou l’absorption par les éléments du groupe IV, car il permet une intégration pratique dans les semi-conducteurs actuels. Dans ce travail, nous montrons d’abord les différents régimes de croissance des films contraints, c’est-à-dire l’instabilité par rapport aux régimes de nucléation. Nous d´développons un modèle qui résout la course de ces deux voies de croissance et d´dévoile les mécanismes des différents modes d’évolution morphologique entrainés par l’élasticité. Dans la seconde partie, nous examinons en détail l’auto-organisation naturelle des îles cohérentes. L’effet élastique direct induit la répulsion entre les îles cohérentes. Cependant, l’énergie de surface dépendant de la déformation qui a été négligée précédemment dans l’analyse de l’interaction île-île est révélée pour provoquer une attraction entre les iles. Il peut compenser la répulsion élastique directe au cours de l´état initial de la nucléation et conduire au regroupement d’îlots cohérents. Dans une troisième partie, nous étudions l’influence des échelons du substrat vicinal sur la formation et l’auto-organisation des îles. Nous démontrons que l’anisotropie de relaxation de la contrainte produite par les bords des gradins est à l’origine de l’allongement de l’instabilité perpendiculaire aux marches. Un accord quantitatif entre l’allongement de l’instabilité et l’anisotropie de relaxation de la souche est trouvé, ce qui approfondit les compréhensions de la croissance hétéroépitaxiale sur le substrat vicinal. Dans la quatrième partie, nous développons un nouveau procédé basé sur la condensation Ge lors de l’oxydation thermique du SiGe dilué. On étudie la cinétique du procédé de condensation SiGe et on fabrique la couche épandeuse de SiGe totalement contrainte par ce procédé de condensation particulier. / We investigate here the heteroepitaxy of silicon-germanium (SiGe), a system which is commonly regarded as the stereotype of semiconductor epitaxy. While this system has already attracted a tremendous amount of attention due to its applications for band-gap engineering in microelectronic industry, the major challenge facing the development of new SiGe-based devices remains the con- trollable epitaxial growth of self-assembled nanostructures. It is well-known that SiGe follows a Stranski-Krastanov growth mode, which proceeds via the growth of bi-dimensionnal layers followed by the growth of three-dimensional islands. Under this generic “Stranski-Krastanov” designation, several different behaviors can be identified. An overall understanding of all these behavior is still partially missing due to the complexity and the interplay of kinetics and energetic driving forces, preventing the development of new devices.In this work we focus on the self-assembly of SiGe nanostructures following the quest of light emission for integrated Si-based photonic, optoelectronic and nanoelectronic devices.Even if the innovation in Si-based devices has been boosted recently by the development of ultra-thin body fully depleted silicon on insulator transistors, a real breakthrough would be the demonstration of light emission and/or absorption by group IV elements since it allows the conve- nient integration into the nowadays semiconductors.In this work we first demonstrate the different growth regimes of strained films, i.e. instability versus nucleation regimes. We develop a model which resolves the race of these two growth pathways and unveil the mechanisms of different modes of morphological evolution driven by elasticity.In the second part, we examine in details the natural self-organisation of coherent islands. The direct elastic effect induces repulsion between coherent islands. However, the strain-dependent surface energy which has been overlooked previously in analysis of the island-island interaction is revealed to cause an attraction between islands. It may compensate the direct elastic repulsion during the initial state of nucleation and lead to the clustering of coherent islands.In a third part we study the influence of miscut steps of vicinal substrate on the formation and self-organisation of islands. We demonstrate that the strain relaxation anisotropy produced by the step edges, is at the origin of the instability elongation perpendicular to steps. Quantitative agreement between the instability elongation and the anisotropy of strain relaxation is found, which deepens the understandings of hetero-epitaxial growth on vicinal substrate.In the fourth part we develop a new process based on Ge condensation during thermal oxidation of dilute SiGe. The kinetics of SiGe condensation process is investigated and the fully strained SiGe epilayer is fabricated via this particular condensation process. This process can be applied in fabrication of SiGe core-shell nanostructures, for which the direct deposition and growth process is found to be cumbersome in terms of the control of morphology and composition.As a whole, we studied the nanostructures of SiGe driven by its hetero-epitaxial elasticity. We proposed a model to compare two pathways of morphological evolution of SK growth and unearthed the mechanisms of the race and transition. We studied kinetics of island nucleation under the impact of elastic filed produced by an existing island. The peculiar role of strain-dependent surface energy is highlighted. Then the elasticity anisotropy induced by miscut steps on vicinal substrate is studied theoretically and experimentally. This anisotropy effectively induces the elongation of islands in one direction to form nanowires in good alignment. Then the kinetics of condensation of SiGe is studied, which is found to be an effective method in fabricating strained SiGe nanostructures.

Les transistors bipolaires à hétérojonctions (TBH) Si/SiGe:C disponibles aujourd'hui dans les technologies BiCMOS atteignent des fréquences de coupure fT et fmax supérieures à 200GHz. Cela leur permet d'adresser des applications dans le domaine millimétrique jusqu'à 100GHz telles que les radars anticollision pour l'automobile et les communications optiques et sans fil à haut débit. Cette thèse a pour objet le développement et l'étude de TBH Si/SiGe:C pour les technologies BiCMOS millimétriques. Après un rappel des principes de fonctionnement du transistor bipolaire, nous montrons les méthodes de fabrication, caractérisation et modélisation des dispositifs de dernière génération. Les architectures choisies et les performances obtenues par les principaux acteurs du marché sont détaillées. Nous présentons ensuite des études menées pour le développement de la technologie BiCMOS9MW de STMicroelectronics. Une version faible-coût du TBH rapide ainsi qu'un dispositif haute-tension compatible avec la technologie sont présentés et les résultats à l'état de l'art obtenus sur les deux architectures sont montrés. Nous étudions également l'impact des variations des paramètres technologiques et de la géométrie des dispositifs sur les principales caractéristiques de ces composants. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de nouvelles solutions technologiques afin d'améliorer encore la fréquence de transition des TBH Si/SiGe:C. Un optimisation du profil vertical du TBH a pu être réalisée grâce au développement d'un nouveau module de collecteur utilisant une épitaxie sélective et la réduction du budget thermique vu par les dispositifs durant leur fabrication. Cette dernière étude a permis d'atteindre une fréquence de transition fT· supérieure à 400GHz à température ambiante, ce qui représente la meilleure performance obtenue à ce jour pour un transistor en technologie silicium. / Si/SiGe:C heterojunction bipolar transistors integrated in BiCMOS technologies now reach cut-off frequencies fT and fmax larger than 200GHz. This allows them to address millimeter-wave applications up to 100GHz such as anti-collision automobile radars and optical and wireless communications. The purpose of this thesis is the development and the study of Si/SiGe:C HBTs for millimeter-wave BiCMOS technologies. After a reminder of the bipolar transistor theory, we show the methods of fabrication, characterization and modeling of high-speed devices. The architectures chosen by the main manufacturers of the semiconductor market are detailed and the obtained performances are compared. Then, we present the investigations driven for the development of the BiCMOS9MW technology from STMicroelectronics. A low-cost version of the high-speed HBT and a high-voltage device fully compatible with the technology are presented and the state-of-the-art results are shown. We also study the impact of the variations of the technological parameters and the design mIes on the main characteristics of devices. The last part of this work is dedicated to the development of new technological solutions in order to further improve the transition frequency fT of Si/SiGe:C HBTs. An optimization of the vertical profile has been realized thanks to the development of a new collector module using a selective epitaxy and to the reduction of the thermal budget during the devices fabrication. This last study leads to an improvement of the transition frequency fT above 400GHz at room temperature, this is the best performance obtained to date for a transistor in silicon technology.

Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Ulm, Univ., Diss.