soutenance_4

Report
THESE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE GRENOBLE
Spécialité nanophysique
Présentée et soutenue publiquement par
Cyril Ailliot
le 4 novembre 2010
CARACTÉRISATION PAR HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE "OFFAXIS" ET SIMULATION DU DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI
ULTRAMINCE
Doctorant
Directeur de thèse
Encadrant LETI/LCPO
Encadrant STM
Encadrant LETI/LSCE
Ailliot Cyril
Bertin François
Cooper David
Pakfar Ardechir
Rivallin Pierrette
UNIVERSITÉ DE
GRENOBLE
1
INTRODUCTION
Problématique
Problématique : Simulation TCAD
30 nm
2.1021
at.cm-3
30 nm
0.5 V
Grille
S
D
BOX
0V
1010 at.cm-3
Simulation de procédés
(Dépôt, gravure,
implantation, diffusion)
SPROCESS / ATHENA
TCAD : nMOS SOI
Simulation électrique
(Courant de sortie,
potentiel)
SDEVICE / ATLAS
Besoin de calibration physicochimique de la TCAD pour les
dimensions nanométriques et les
architectures SOI.
2 /38
INTRODUCTION
Problématique
Problématique : caractérisation de dopants
Technique
Amplitude de
détection
(at.cm-3)
Résolution
Spatiale
Type de
Mesure
Sensibilité
Applicable
aux dopants aux FDSOI
SIMS
APT
1013 – 1021
> 5.1018
1 µm
0.5 nm
directe
directe
chimique
chimique
non (1D)
oui
KFM
SCM
SSRM
1015 – 1020
1015 – 1020
1015 – 1020
50 nm
>10 nm
2 nm
directe
avec étalon
avec étalon
active
active
active
oui
oui
oui
MEB
1015 – 1020
2 nm
avec étalon
active
non (oxyde)
EELS
1019 – 1021
2 nm
directe
chimique
oui (nMOS)
Holographie 1017 – 1020
5 nm
directe
active
oui
La résolution spatiale et l’amplitude de détection de
l’holographie sont elles suffisantes?
Quelle est l’impact des artefacts de mesure?
Holographie :
Résolution <10 nm.
Dopage actif.
Mesure directe.
Large champ de vue.
3 /38
INTRODUCTION
Problématique
Problématique : simulation TCAD et holographie
TCAD : nMOS SOI
30 nm
Holographie (TCK= 170 nm) : nMOS SOI
Simulation de procédés
SPROCESS
+
Equation de Poisson
SDEVICE/ATLAS
Grille
30 nm
BOX
0V
0V
0.5 V
0 rad
0.6 rad
0.5 V
MET : préparation FIB
Ion primaire
Vide
W
Particule éjectée
Si-a
Si-c
Echantillon
100 nm
50 nm
Axes de recherche
• Holographie.
• Préparation d’échantillons.
• Simulation et holographie.
4 /38
INTRODUCTION
Contexte
Contexte
LETI/LCPO :
Holographie
électronique
(David Cooper)
Thèse CIFRE
CEA - LETI / STM - Crolles
ST : Imaging Group.
Microscopie
électronique
(Nadine Bicais)
Contexte
•Caractérisation et
simulation
•Collaboration
recherche/industrie
LETI/LSCE :
Simulation TCAD
Echantillons LETI
(Pierrette Rivallin)
ST : Technology
Modeling.
Simulation TCAD
(Ardechir Pakfar)
5 /38
Plan
• Introduction
– Holographie électronique
• Principe de l’holographie "off-axis"
• Paramètres expérimentaux
• Mesure par holographie
– Préparation d’échantillons
•
•
•
•
Echantillons de test
Préparation par polissage mécano-chimique
Préparation par gravure ionique
Simulation de la préparation par FIB
– Dispositifs FDSOI
•
•
•
•
Présentation des échantillons
Délinéament des jonctions p-n
Holographie quantitative sur transistors.
Dispositif fonctionnel
• Conclusion
6 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Formation d’un hologramme
Principe de l’holographie "off-axis"
Canon à eEchantillon
tCK : Epaisseur de
l’échantillon
(100 à 700 nm)
P
Vide
φOBJ
φREF
N
Lentille objectif
SREF
S0
SOBJ
200nm
Biseau de silicium
200nm
Image de phase
Biprisme
Hologramme
Δφ = φOBJ – φREF
Δφ = CE . ΔV . tCK
200nm
Hologramme à vide
• Mesure de potentiel
électrostatique.
• Résolution spatiale
limitée à 3 fois
l’interfrange.
7 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Paramètres expérimentaux
Paramètres expérimentaux : biprisme
0 
100nm
30V
100nm
50V
SMAX
µ = 70%
SMIN
SMax  SMin
 100%
SMax  SMin
• Résolution spatiale
inversement
proportionnelle au
potentiel du biprisme.
• Champ de vue
proportionnel au
potentiel du biprisme.
• Contraste :
cohérence des
électrons.
8 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Paramètres expérimentaux
Paramètres expérimentaux : contraste
µ : contraste de l’hologramme.
σφ : écart quadratique de
phase.
• Critère empirique pour un
hologramme : µ>10%.
• Le potentiel du biprisme
augmente le bruit de phase.
9 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Paramètres expérimentaux
Paramètres expérimentaux : Signal
• Faisceau plus intense •Acquisition plus longue
Plus d’électrons
Source élargie
Accumulation statistique
Durée optimale
• Intensité maximale
sans irradiation.
• Temps d’acquisition
maximal avant
vibrations.
10 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Paramètres expérimentaux
Paramètres expérimentaux : Abaques
Biprisme variable
Intensité variable
Durée variable
100V
2.1nA
25s
20s
60s
3nA
15s
1.2nA
110V
120V
130V
140V
150V
160V
190V
170V-180V
200V
10s
5s
30s
4s
0.2nA
2s
1s
0.5s
• Modèle statistique
1
 k.. IT 0T .tacq [1]
(holographie haute

résolution)
• Invalide en présence de
vibrations et de dérive
du biprisme
• Validation sur le Titan
(LETI) et le Tecnai (STM)
[1] : H. Lichte, Ultramicroscopy vol 108 n°3 p 256-262 (2008).
•
•
•
•
Résolution : 4 nm.
Sensibilité : <0.1 V.
tACQ : 25 s.
ITOT : 3 nA.
11 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Mesure par holographie
Mesure par holographie
  CE .V .tCK
P
Vide
Phase holographique
Jonction p-n (1019 at.cm- 3)
Epaisseur (tCK) croissante
N
V  V0  VDOP
VDOP 
EFi  EF
e
200nm
VDOP  0.025  ln(
ξ
E
EC
EF
V--
e-
EFI
e Vdop
EV
V =0
h+
V++
Intrinsèque
N
P
N
)
ni
• Mesure du
potentiel de Fermi
intrinsèque.
• Précision en
concentration : une
décade.
12 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Mesure par holographie
Mesure par holographie
TCAD : nMOS FDSOI
Jonction chimique
[Na]  [Nd]
Jonction électrique
2V
0
2
x
• Différence entre jonction électrique et jonction chimique dans le
délinéament de la jonction.
13 /38
HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE
Résume : holographie
•
•
•
•
•
•
Fonctionnement de l’holographie
La résolution spatiale est inversement proportionnelle au
potentiel du biprisme.
Le champ de vue est proportionnel au potentiel du
biprisme.
L’holographie mesure le potentiel de Fermi intrinsèque
dans le silicium.
La précision en concentration de l’holographie est d’une
décade.
Travaux réalisés
Optimisation des microscopes Titan du LETI, et Tecnai de
STM (transfert de savoir faire).
Application d’une analyse de l’holographie à haute
résolution à l’holographie "off-axis", et mise au point
d’abaques pour déterminer le bruit de phase.
14 /38
Plan
• Introduction
– Holographie électronique
• Principe de l’holographie "off-axis"
• Paramètres expérimentaux
• Mesure par holographie
– Préparation d’échantillons
•
•
•
•
Echantillons de test
Préparation par polissage mécano-chimique
Préparation par gravure ionique
Simulation de la préparation par FIB
– Dispositifs FDSOI
•
•
•
•
Présentation des échantillons
Délinéament des jonctions p-n
Holographie quantitative sur transistors.
Dispositif fonctionnel
• Conclusion
15 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Echantillons de test
Echantillons de test
(a)
(b)
(a)
(b)
(c)
(c)
Concentration
Potentiel n-p
1019
2.1018
2.1017
1.02
0.94
0.84
at.cm-3
at.cm-3
at.cm-3
V
V
V
Profils SIMS réalisés par J.P Barnes sur des échantillons de J.M Hartmann et J.F Damlencourt.
16 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Préparation par polissage mécano-chimique
Polissage mécano-chimique
Microscope optique
Glue
20°-45°
Si
Si
Plateau abrasif
MEB
Pyrex
Pyrex
10 µm
Holographie
500 nm
200 nm
• Composition : cristal
et oxyde natif.
• Préparation
considérée idéale dans la
littérature .
17 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Préparation par polissage mécano-chimique
Polissage mécano-chimique : simulation
Sans charges
P
N
N
SiO2
e-
N
SiO2
P
e-
5.1013 at.cm-2 [1,2]
MEB
P
Charges surfaciques
N
Simulation 3D ATLAS (silvaco)
(a)
Concentration
2.1018
P
at.cm-3
Potentiel n-p
0.94-> 0.89 V
500 nm
[1] : P. Fazzini, Physical Review B vol 72 n°8 (2005).
[2] : D. Cooper, Journal of applied physics vol 106 n°6 (2009).
N
P
(a)
(a)
500 nm
• Réduction du
potentiel par courbure
de bande.
• Déplétion des
porteurs.
• Simulation sans
effets de cœur.
18 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Préparation par polissage mécano-chimique
Polissage mécano-chimique
(a)
(b)
Epaisseur
N
(c)
P
ΔφDOP
(a)
(b)
(c)
Concentration
Potentiel n-p
Epaisseur inactive
1019
at.cm-3
2.1018
2.1017
at.cm-3
at.cm-3
1.02->1.02 V 14
0.94->0.81 V 62
0.84->0.42 V 75
nm
nm
nm
• Quantitatif à fort
dopage.
• Effets de charge.
19 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Gravure ionique
Gravure ionique : effet du FIB
Concentration
2.1018 at.cm-3
Potentiel n-p
0.94-> 0.63 V
Epaisseur
totale
ΔφDOP
N
P
Epaisseur
cristalline
• Couche amorphe et
couche inactive.
• Dépendance en
énergie.
20 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Préparation par polissage mécano-chimique
Gravure ionique par FIB
(a)
(a)
(b)
(c)
(b)
Concentration
Potentiel n-p
1019
2.1018
2.1017
1.02->0.81 V 45
0.94->0.64 V 140
0.84->0.42 V 225
at.cm-3
at.cm-3
at.cm-3
(c)
Epaisseur inactive
nm
nm
nm
• Effets des défauts
ponctuels et de
l’implantation.
• Effets de charge.
21 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Simulation de la préparation par FIB
Simulation d’implantation avec érosion
Ga
Implantation M.C.
Dose discrète,
angle θ
Taurus SYNOPSYS
θ
α = 1°
Projection sur (z)
Angle (θ-α)
Code C++
(z)
Modèle FIB complet
Erosion discrète
Profondeur
dépendante de la
dose.
Modélisation
continue
Modèle
mathématique
Code C++
• Recherche du profil
des défauts pour
simulation des effets
de charge sur
l’holographie.
• Gravure ligne par
ligne
22 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Simulation de la préparation par FIB
Validation du modèle de simulation
8 keV
30 keV
• Détermination de l’angle de gravure.
• Epaisseur amorphe : seuil à 10% de défauts dans
le cristal
Profils SIMS réalisés par J.P Barnes
23 /38
PRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS
Résumé : préparation d’échantillons
•
•
•
•
•
•
•
Préparation d’échantillons et holographie
Couche amorphe ou oxyde natif.
Défauts ponctuels par FIB : épaisseur inactive.
Accumulation de charge en surface : déplétion des porteurs,
courbure de potentiel, épaisseur inactive.
Effets charge au cœur du matériau : réduction de pente de
potentiel.
Travaux réalisés
Mise en évidence par holographie et simulation des effets de
charge dans les échantillons préparés par polissage mécanochimique.
Effets de charge dépendant de la concentration de dopants dans
les échantillons préparés par FIB.
Simulation de la concentration de Gallium lors de la préparation
par FIB, grâce à un modèle original d’implantation avec érosion.
24 /38
Plan
• Introduction
– Holographie électronique
• Principe de l’holographie "off-axis"
• Paramètres expérimentaux
• Mesure par holographie
– Préparation d’échantillons
•
•
•
•
Echantillons de test
Préparation par polissage mécano-chimique
Préparation par gravure ionique
Simulation de la préparation par FIB
– Dispositifs FDSOI
•
•
•
•
Présentation des échantillons
Délinéament des jonctions p-n
Holographie quantitative sur transistors.
Dispositif fonctionnel
• Conclusion
25 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Présentation des échantillons
Transistors FDSOI non fonctionnels
Wafer SOI
Masque de grille
[B] = 1015 at.cm-3
5 µm
tox : 7nm
tSi : 30nm
tBOX : 400nm
TEM : 250 nm
TEM : 50 nm
Grille
Grille
Oxyde
enterré
Noir
=
Poly
Oxyde
Film Si
• nMOS nonfonctionnel FDSOI.
• Dopage canal : Bore
1015 at.cm-3
• Dopage
drain/source : Arsenic >
1020 at.cm-3
26 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Présentation des échantillons
Transistors FDSOI non fonctionnels
Energie
As_1 8 keV
As_2 4 keV
As_3 12 keV
Dose
Oxyde
5.1015 at.cm-2
5.1015 at.cm-2
2.1015 at.cm-2
2 nm
5 nm
5 nm
TEM : 50 nm
+ Recuit SPIKE
Grille
TCAD (sprocess de synopsys)
500 nm
As_2
Grille
-3)
[As]-[B]
(actif)
[As]
(at.cm
-3
(at.cm ) 21
2.10
2.1020
25 nm
25 nm
Oxyde
5 nm
15 nm
25 nm
Oxyde BOX
Jonction
chimique
Oxyde
Film Si
-1.10150
• 3 jonctions différentes.
• Correspondance entre les
coordonnées de simulation et
de caractérisation.
27 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Présentation des échantillons
Préparation de dispositifs par FIB
Plateau pour la protection
en face arrière
Micro-manipulateur
Grille MET
180°
7.5 µm
5 µm
BOX
7.5 µm
• FIB basse énergie.
• Ecarts d’épaisseur
par 'effet rideau' des
interconnexions.
• Gravure en face
arrière.
nMOS non fonctionnel, images MEB,avec l’autorisation de L.Clément, STM Crolles
28 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Délinéament des jonctions p-n
Délinéament d’une jonction dans un FDSOI
Simulation TCAD
Energie
As_1 8 keV
As_2 4 keV
As_3 12 keV
Concentration nette
Dose
Oxyde
5.1015 at.cm-2
5.1015 at.cm-2
2.1015 at.cm-2
2 nm
5 nm
5 nm
230 nm
260 nm
As_3 As_1 As_2
10 nm
Potentiel
Jonction chimique Jonction électrique
Jonction électrique
2V
0
x 2
V 
V Min VMax
2
29 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Holographie quantitative sur transistors
Holographie quantitative
Holographie
50 nm
0.5 V
0V
As_3
Simulation TCAD (synopsys)
50 nm
200 nm
250 nm
300 nm
0.5 V
0V
• Pas d’accumulation de charges
dans l’échantillon.
• Holographie quantitative.
• Délinéament de jonction à 4 nm
près
30 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Holographie quantitative sur transistors
Performances de l’holographie
Simulation
230 nm
Résolution
spatiale
Précision en
potentiel
Précision du
délinéament
As_1
8 nm
12 nm
As_2
8 nm
As_3
8 nm
>0.1 V
δX> 10nm
<0.1 V
δX< 10nm
<0.1 V
δX< 10nm
270 nm
10 nm
As_1, As_3, As_2
8 nm
8 nm
Holographie
230 nm
10 nm
270 nm
• Délinéament limité par la
résolution spatiale et par le bruit
du potentiel (i.e. bruit de phase).
• Besoin d’une expertise en
préparation par FIB.
As_3, As_2, As_1
31 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Dispositif fonctionnel
Dispositif standard sur film de 8 nm
• (Ω) : Empilement de grille
– TiN / HfO2 /SiO2
• Espaceurs 1
• Epitaxie silicium drain source.
• Implantation As "Lightly
Doped Drain" .
• Espaceurs 2
• Implantation As Source et
Drain.
• Recuit d’activation SPIKE.
• Formation contacts NiSi
(haute température).
Espaceurs [1,2]
25 nm
NiSi
60 nm
Grille
(Ω)
As : >1020
B : 1015
As : >1020
• Faible épaisseur de film.
• Complexité du procédé.
• Difficulté de préparation FIB.
Résultats présentés avec l’autorisation de F.Andrieu (LETI), O.Cueto (LETI), G.Servanton (STM),
L.Clément (STM)
32 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Dispositif fonctionnel
Dispositif fonctionnel : holographie
50 nm
Champ Clair
Hologramme
4 nm
Amplitude
50 nm
Grille
BOX
Substrat
µ = 20%
tCK = 170 nm
• Résolution spatiale
: 4 nm.
• Précision en
potentiel : 0.05 V.
• Bruit dû à la
préparation FIB
négligeable.
Etude par
simulation TCAD,
holographie, et
EELS
Phase
50 nm
33 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Dispositif fonctionnel
Simulation et caractérisation
EELS
0%
Holographie
0V
25 nm
As 1.6%
25 nm
0.5 V
[As] total (TCAD)
1010 at.cm-3
Potentiel (TCAD)
0V
25 nm
1020 at.cm-3
25 nm
• Concentration
chimique.
• Potentiel
électrostatique.
• Etude du profil
central.
0.5 V
EELS réalisé par G.Servanton (STM), sur un échantillon préparé en collaboration avec L.Clément (STM)
Simulation TCAD en collaboration avec O.Cueto
34 /38
DISPOSITIFS FDSOI
Dispositif fonctionnel
Calibration de la simulation TCAD
90 nm
76 nm
ΔAs
54 nm
Δvmid
55 nm
• TCAD non optimisée.
• Diffusion latérale d‘As surestimée, car
le silicium est considéré comme massif.
• Calibration fine.
EELS réalisé par G.Servanton (STM), sur un échantillon préparé en collaboration avec L.Clément (STM)
Simulation TCAD en collaboration avec O.Cueto
35 /38
CONCLUSION
Résumé
Conclusion : résumé des travaux
• Optimisation des paramètres
de l’holographie
– Configuration du TECNAI de
STM Crolles
• Préparation mécano-chimique
non-quantitative.
• Variation de la couche inactive
avec la concentration de
dopants, en FIB et polissage
mécano-chimique.
• Simulation du FIB par MonteCarlo et érosion.
• Holographie quantitative sur
les nMOS FDSOI, pour une
résolution nanométrique.
• Protocole de comparaison
entre simulation et caractérisation
physico-chimique
L’holographie pour calibrer
finement les outils de la
simulation TCAD pour les
transistors nMOS FDSOI
36 /38
CONCLUSION
Perspectives
Perspectives
•
•
•
•
•
Holographie électronique
Holographie en champ sombre
pour la mesure de contrainte à
STM.
Préparation d’échantillon
Dépôt carbone après polissage
mécano-chimique.
Alternative au gallium (Travaux
D.Cooper)
Simulation des effets de charge
avec préparation par FIB.
Dispositifs
pMOS FDSOI
37 /38
CONCLUSION
Remerciements
Remerciements
Tous mes remerciements à
M.Ailliot, F.Andrieux, A.Bailly, J.C.Barbé, J.P.Barnes, F.Bertin,
N.Bicais, P.Bleuet, F.Boulanger, E.Bragues, P.Brincard, A.Cahuzac, A.
Chabli, J.F.Damlencourt, M.DenHertog, O.Desplats, L.Ciampolini,
N.Chevalier, L.Clément, D.Cooper, O.Cueto, B.Florin, C.Gaumer,
A.Grenier, J.M.Hartmann, M.Jublot, K.Kaja, S.Koffel, D.Lafond,
M.Lambert , F.Laugier, M.Lavayssière, M.A.Lesbre, C. Licitra, F.
Lorut, S.Martinie, D. Mariolle, C.Monteux, A.Okuno, R.Pantel,
A.Pakfar, M.Py, P.Rivallin, N.Rochat, J.C.Royer, E.Sarazin, A.Savigny,
G.Servanton, P.Sylvain, C.Tavernier, R.Truche,
et à vous tous pour être venus.
38 /38

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