Nouvelles fonctionnalités de l’interface silicium/diélectrique pour la microélectronique - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2005

New functionalities of the silicon / dielectric interface for microelectronics

Nouvelles fonctionnalités de l’interface silicium/diélectrique pour la microélectronique


Deposition of high-K oxides on silicon unavoidably results in the presence of an interfacial SiO2 layer. In order to remedy to this problem, a covalently grafted organic monolayer on silicon could be used as an ultrathin buffer layer between silicon and the oxide layer, thus avoiding the formation of a SiO2 layer. This work demonstrates, in a first part, that mixed carboxyl-terminated/methyl-terminated alkyl monolayers can be obtained in one step on Si(111)-H via photochemical hydrosilylation of undecylenic acid and decene mixtures. The compositional surface chemistry was determined from a quantitative IR study. Results prove that neither surface oxidation nor grafting through the carboxyl end group occurs. Careful analysis reveals that the mixed monolayers are richer in acid chains than the grafting solution, probably due to a strong physisorption of the acid on surface. Then, the thermal stability of monolayers has been analyzed in order to know whether they can withstand the temperatures used for oxide deposition. This was investigated by quantitative in situ infrared spectroscopy. Alkyl layers are thermally stable up to 250°C. In the range 250-300°C, alkene desorption occurs, accompanied with silicon oxidation. Desorption temperature is not significantly affected by changing the chain length from C18 to C6, but very short chains (C2, C1) are more stable. Acid-terminated layers remain intact up to 150°C. Above this temperature, acid groups are transformed into anhydrides. At 350°C, functional substituents are totally decomposed, though very few –CH groups have disappeared. This is explained by chain pairing on the surface, improving thermal stability of the layers.
Le dépôt d’oxydes « high K » sur silicium s’accompagne inévitablement de la formation d’une couche de silice entre le semi-conducteur et l’oxyde high K. Dans ce contexte, nous avons étudié dans quelle mesure des couches organiques ultraminces peuvent servir de couches tampon entre un substrat de silicium et une couche d’oxyde high K. Dans une première partie, nous avons montré que des surfaces mixtes (-COOH, -CH3) peuvent être préparées, en une seule étape, par réaction photochimique entre une surface de silicium hydrogénée et un mélange d’acide undécylénique et de décène. Les résultats obtenus par spectroscopie infrarouge montrent qu’il n’y a ni oxydation de la surface, ni greffage par le groupement acide terminal. Une analyse quantitative a révélé que les surfaces mixtes sont enrichies en acide, ce qui s’explique par une forte physisorption de l’acide sur la surface. Nous avons ensuite entrepris l’étude quantitative de la stabilité thermique des couches, par spectroscopie infrarouge, afin de vérifier si celles-ci résistent aux températures de dépôt des oxydes high K. Les chaînes alkyles sont stables jusqu’à 250°C. La température caractéristique de décomposition des couches est sensiblement identique pour des couches C18 ou C6; les chaînes très courtes sont quant à elles plus stables. Les surfaces acides sont stables jusqu’à 150°C. Au-delà, les groupements acides se transforment en anhydrides. A 350°C, très peu de groupements –CH2 ont disparu alors qu’il n’y a plus de groupements fonctionnels sur la surface. Ceci peut s’expliquer par un pontage des chaînes sur la surface, améliorant ainsi la stabilité thermique de ces couches.
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Anne Faucheux. Nouvelles fonctionnalités de l’interface silicium/diélectrique pour la microélectronique. Matériaux. Ecole polytechnique X, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01259821⟩
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