Couches organiques ultra minces greffées sur Si (111) pour la microélectronique - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2008

Couches organiques ultra minces greffées sur Si (111) pour la microélectronique

Dorin Dusciac
  • Function : Author

Abstract

The use of high-K oxides as gate dielectrics in MOS Field Effect Transistors appears as a mandatory step to maintain the continuous increase of the electric performances of these electronic devices. Unfortunately, the deposition of these oxides generates serious problems (formation of an intermediate silicon oxide or metallic silicide layer, poor control of the electronic quality of interfaces, low carrier mobility, etc.). Direct grafting of organic monolayers on Si prior to high-K material deposition appears as an efficient method for obtaining a high-quality Si/high-K interface. The grafting of organic saturated chains by Si-O-C bonding has been explored. Thermal stability of the grafted monolayers has been studied using infrared spectroscopy. The spectra indicate that monolayer decomposition takes place via the fragmentation of the grafted chains rather than via Si-O-C bond breaking. This process has been modeled with a numerical simulation. For the optimization of the grafted organic monolayers, efforts have been oriented towards the grafting of ultra-short functional chains with hydrophilic end groups. However, the functional end groups of these chains may interfere with the grafting reaction, either by inhibiting the reactivity of the end group to be grafted, or by inducing parasitic reactions. The hydrolysis of short grafted esters has not been achieved without the parallel hydrolysis of the Si-O-C bonding. The deposition of HfO2 layers has been performed on organic monolayers that can be grafted in controlled conditions. The deposited layers are continuous, nevertheless their roughness is higher than that of layers deposited directly onto non-grafted silicon surfaces. Infrared analysis indicates partial decomposition of the organic layer but the silicon surface appears well protected from oxidation. These preliminary results suggest that the thermal stability of the organic layer does not constitute an insurmountable barrier and that the explored pathway may be considered as viable. Key-words: organic layers, high-K oxides, grafting, infrared spectroscopy, thermal stability, hydrolysis
L'usage des oxydes high-K comme diélectriques de grille dans les transistors MOSFET s'impose comme une étape obligatoire pour maintenir la croissance continue des performances électriques de ces composants électroniques. Malheureusement, le dépôt de ces oxydes sur silicium pose des problèmes sérieux (formation d'une couche intermédiaire de silice ou d'un siliciure métallique, mauvaise maîtrise de la qualité électronique de l'interface, mobilité des porteurs réduite, etc.). Une voie envisageable pour réaliser des interfaces Si/high-K de bonne qualité est l'utilisation d'une couche mince de « primaire » organique. Le greffage de chaînes organiques saturées par pontage Si-O-C (silicium-alcoxyle) a été exploré. La stabilité thermique des couches greffées a été étudiée par spectroscopie infrarouge. Il apparaît que la décomposition ne s'effectue pas par rupture de l'ancrage Si-O-C, mais par fragmentation de la chaîne. Ce processus a été modélisé qualitativement par une simulation numérique. Pour optimiser les couches organiques greffées, les efforts se sont orientés vers le greffage de chaînes fonctionnelles ultra-courtes et à terminaison hydrophile. Cependant, la terminaison fonctionnelle de ces chaînes peut interférer avec la réaction de greffage, soit en inhibant la réactivité de la terminaison à greffer, soit en induisant des réactions parasites. L'hydrolyse d'esters courts greffés, nécessaire pour obtenir des terminaisons hydrophiles, n'a pu être réalisée sans éviter l'hydrolyse de l'ancrage Si-O-C. Le dépôt de couches de HfO2 a été réalisé sur des couches organiques dont le greffage est bien maîtrisé. Les couches s'avèrent continues, bien qu'un peu plus rugueuses que sur substrat de silicium non greffé. L'infrarouge indique une décomposition partielle de la couche organique mais la surface du silicium apparaît largement préservée de l'oxydation. Ces résultats préliminaires semblent indiquer que la stabilité thermique de la couche organique ne constitue pas une barrière infranchissable et que l'approche considérée peut être viable. Mots-clés : couches organiques, oxydes high-K, greffage, spectroscopie infrarouge, stabilité thermique, hydrolyse
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Dates and versions

pastel-00004637 , version 1 (20-07-2009)

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  • HAL Id : pastel-00004637 , version 1

Cite

Dorin Dusciac. Couches organiques ultra minces greffées sur Si (111) pour la microélectronique. Engineering Sciences [physics]. Ecole Polytechnique X, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00004637⟩

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