Intégration 3D des transistors à nanofils de silicium-germanium sur puces CMOS

Abstract

La microélectronique est partout dans notre vie : les téléphones intelligents, les jeux vidéo ainsi que d’autres appareils électroniques que nous tenons dans le creux de la main. Les besoins en performances et en gestion d’énergie se font de plus en plus ressentir. Le recours à la miniaturisation des transistors a permis l’amélioration des performances de ces composants au cours des années. Cette tendance a suivi la célèbre loi de « Moore » qui a prévu que la densité des transistors doublerait sur une même puce tous les 2 ans. Aujourd’hui cette loi de « Moore » doit faire face à des limites physiques et technologiques et c’est ainsi que le besoin d’intégrer de nouvelles fonctionnalités commence à apparaitre. L’empilement vertical des composants est une solution alternative étudiée pour faire face aux difficultés inhérentes à l’intégration planaire.

Aujourd'hui, les circuits intégrés en 3D ont montré des gains de puissance significatifs pour différents types d’applications (mémoire...). Cette technologie repose sur des interconnexions verticales entre les différents niveaux connus sous le nom de « Through Silicon Vias » (TSVs). Différentes stratégies sont adoptées pour ce type d’empilement dans lesquelles l'intégration 3D monolithique est une approche qui offre la possibilité d’élaborer les différentes étapes technologiques directement sur une même puce. Une difficulté majeure de cette technologie réside dans le processus de fabrication des circuits dans les couches supérieures : Les étapes de la fabrication dans le « backend- of-line (BEOL) » ne doivent en aucun cas perturber le fonctionnement des transistors du « front-end-of-line (FEOL) ». C’est pour cette raison, le budget thermique doit être inférieure à 500 °C afin de préserver les performances des dispositifs dans la partie frontale de la ligne (FEOL).

Récemment, des nanofils semi-conducteurs préparés dans un bâti de CVD « chemical vapor deposition », ont suscité un nouvel intérêt pour la fabrication de nanodispositifs. Cette technique ascendante fournit des nanofils monocristallins avec le respect du budget thermique requis pour les processus d'intégration en 3D. Elle permet la synthèse des nanofils à des dimensions réduites avec un large choix de matériaux et de compositions.

Les travaux de cette thèse portent sur l’idée de démontrer que la croissance des nanofils entre deux électrodes prédéfinies et plus particulièrement la croissance horizontale à l’intérieur des tranchées d’oxyde peut être utilisée dans l’optique d’une intégration 3D. Cela permettrait donc à terme de pouvoir directement fabriquer les couches actives semi-conductrices d’un transistor MOS dans les niveaux supérieurs d’une puce CMOS tout en respectant le budget thermique et sans avoir recours à des étapes de collage de puces. Au cours de ce projet de recherche, nous nous sommes intéressés en premier lieu au développement et à l’optimisation du procédé qu’on appelle « nanodamascène » mis en place pour guider des nanofils SiGe dans des tranchées d’oxyde directement sur un substrat SiO2/Si. À part de cette technique d’intégration, nous avons aussi utilisé la technique de diélectrophorèse pour localiser des nanofils dispersés dans une solution liquide de manière horizontale entre des électrodes prédéfinies. Les résultats de la localisation ont permis de fabriquer des transistors à canaux nanofils sur l’oxyde et à terme de montrer la possibilité d’établir un transistor dans le BEOL d’une puce CMOS.