Dépôt en phase vapeur et caractérisation des couches minces à base de polymères de polysilane et leurs applications dans les dispositifs semiconducteurs composés et en silicium

Abstract

Au fur et à mesure que l'industrie des semiconducteurs s'oriente vers les nanodispositifs, il y a un besoin croissant de développer de nouveaux matériaux et procédés de dépôt de couches minces qui pourraient permettre un contrôle strict de la composition et de la structure atomique des matériaux, ceci dans le but de réaliser un contrôle précis sur leurs propriétés électriques et optiques. Le contrôle précis des caractéristiques des couches minces deviendra de plus en plus important avec la miniaturisation des dispositifs semiconducteurs. Il n'y a aucun doute que la synthèse chimique de nouveaux matériaux et leur auto-assemblage joueront un rôle très important dans la conception et la fabrication des dispositifs semiconducteurs de la prochaine génération. L'objectif de ce travail est d'étudier le procédé de dépôt en phase vapeur (CVD) des couches minces en utilisant un précurseur polymérique comme source. Ce procédé offre plusieurs avantages, notamment un coût de déposition relativement bas, un environnement de travail sans risque, et tout particulièrement la possibilité d'adapter le matériau de la source aux besoins à travers la synthèse et la fonctionnalisation des polymères. La combinaison entre la synthèse de polymère et le procédé de CVD permettra la conception d'une nouvelle génération de matériaux complexes avec un large éventail de propriétés chimiques, mécaniques, électriques et optiques améliorées qui ne peuvent pas être facilement obtenues par des procédés CVD conventionnels basés sur des gaz et des précurseurs moléculaires. Dans cette thèse nous nous sommes principalement concentrés sur des polymères de polysilanes et plus spécifiquement sur les poly(dimethylsilanes). L'intérêt porté à ces polymères est motivé par leurs propriétés électroniques et photoniques distinctives, qui sont attribuées à la délocalisation des électron-cr le long de la chaîne du polymère. Ces caractéristiques rendent les polymères de polysilanes très attrayants dans un grand nombre d'applications telles que les diélectriques, les semiconducteurs et les conducteurs. Le procédé CVD à base de polymères peut être éventuellement étendu à d'autres matériaux polymériques tels que des polygermanes, ainsi qu'a une vaste variété de polymères inorganiques et organique-inorganiques hybrides. Ce travail a démontré que les polymères polysilanes peuvent être utilisés comme source pour déposer un large éventail de matériaux en couche mince présentant des propriétés semblables aux matériaux céramiques conventionnels tels que le carbure de silicium (SiC), l'oxynitrure de silicium (SiON), le dioxde de silicium (SiO2), l'oxycarbure de silicium (SiOC), et le nitrure de silicium (ShN4). Le contrôle strict des paramètres de procédé de dépôt permet un contrôle précis des propriétés électriques, optiques et chimiques des couches minces dans un large intervalle. Ce travail a également démontré pour la première fois que les polymères de polysilanes déposés par CVD peuvent être utilisés pour passiver efficacement des dispositifs MOS à base d'arséniure de gallium et de silicium. Ces résultats rendent les couches minces à base des polymères, obtenues par CVD, très prometteuses pour le développement de matériaux diélectriques hauts-K pour la technologie CMOS à haute mobilité de la prochaine génération.

Abstract : As the semiconductors industry is moving toward nanodevices, there is growing need to develop new materials and thin films deposition processes which could enable strict control of the atomic composition and structure of thin film materials in order to achieve precise control on their electrical and optical properties. The accurate control of thin film characteristics will become increasingly important as the miniaturization of semiconductor devices continue. There is no doubt that chemical synthesis of new materials and their self assembly will play a major role in the design and fabrication of next generation semiconductor devices. The objective of this work is to investigate the chemical vapor deposition (CVD) process of thin film using a polymeric precursor as a source material. This process offers many advantages including low deposition cost, hazard free working environment, and most importantly the ability to customize the polymer source material through polymer synthesis and polymer functionalization. The combination between polymer synthesis and CVD process will enable the design of new generation of complex thin film materials with a wide range of improved chemical, mechanical, electrical and optical properties which cannot be easily achieved through conventional CVD processes based on gases and small molecule precursors. In this thesis we mainly focused on polysilanes polymers and more specifically poly(dimethylsilanes). The interest in these polymers is motivated by their distinctive electronic and photonic properties which are attributed to the delocalization of the [sigma]-electron along the Si-Si backbone chain. These characteristics make polysilane polymers very promising in a broad range of applications as a dielectric, a semiconductor and a conductor. The polymer-based CVD process could be eventually extended to other polymer source materials such as polygermanes, as well as and a variety of other inorganic and hybrid organic-inorganic polymers. This work has demonstrated that a polysilane polymeric source can be used to deposit a wide range of thin film materials exhibiting similar properties with conventional ceramic materials such as silicon carbide (SiC), silicon oxynitride (SiON), silicon oxycarbide (SiOC) silicon dioxide (SiO[subscript 2]) and silicon nitride (Si[subscipt 3]N[subscript 4]). The strict control of the deposition process allows precise control of the electrical, optical and chemical properties of polymer-based thin films within a broad range. This work has also demonstrated for the first time that poly(dimethylsilmaes) polymers deposited by CVD can be used to effectively passivate both silicon and gallium arsenide MOS devices. This finding makes polymer-based thin films obtained by CVD very promising for the development of high-[kappa] dielectric materials for next generation high-mobility CMOS technology.