Université de Grenoble

1

CARACTÉRISATION PAR HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE "OFF-AXIS" ET SIMULATION DU DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI

ULTRAMINCE

UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

THESEPour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE GRENOBLESpécialité nanophysique

Présentée et soutenue publiquement parCyril Ailliot

le 4 novembre 2010

DoctorantDirecteur de thèseEncadrant LETI/LCPOEncadrant STMEncadrant LETI/LSCE

Ailliot CyrilBertin FrançoisCooper DavidPakfar ArdechirRivallin Pierrette

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Problématique : Simulation TCADINTRODUCTION Problématique

Besoin de calibration physico-chimique de la TCAD pour les dimensions nanométriques et les architectures SOI.

Simulation de procédés(Dépôt, gravure,

implantation, diffusion)SPROCESS / ATHENA

Simulation électrique(Courant de sortie,

potentiel)SDEVICE / ATLAS

TCAD : nMOS SOI

0 V

0.5 V30 nm30 nm

Grille

BOX

2.1021 at.cm-3

1010 at.cm-3

S D

3 /38

Problématique : caractérisation de dopantsINTRODUCTION Problématique

Holographie : Résolution <10 nm.Dopage actif.Mesure directe.Large champ de vue.

SIMSAPT

1013 – 1021

> 5.10181 µm0.5 nm

non (1D)oui

chimiquechimique

TechniqueAmplitude dedétection (at.cm-3)

RésolutionSpatiale

directedirecte

Type de Mesure

Applicable aux FDSOI

Sensibilité aux dopants

La résolution spatiale et l’amplitude de détection de l’holographie sont elles suffisantes?

Quelle est l’impact des artefacts de mesure?

KFMSCMSSRM

1015 – 1020

1015 – 1020

1015 – 1020

50 nm>10 nm2 nm

ouiouioui

activeactiveactive

directeavec étalonavec étalon

MEB 1015 – 1020 2 nm non (oxyde)activeavec étalon

EELS 1019 – 1021 2 nm oui (nMOS)chimiquedirecte

Holographie 1017 – 1020 5 nm ouiactivedirecte

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Problématique : simulation TCAD et holographieINTRODUCTION Problématique

Axes de recherche•Holographie.•Préparation d’échantillons. •Simulation et holographie.

30 nmHolographie (TCK= 170 nm) : nMOS SOI

0 V 0.5 V

Grille

BOX0 V 0.5 V

TCAD : nMOS SOI

30 nm

Vide

Echantillon

Ion primaire

Particule éjectée

100 nm

W

Si-c

Si-a50 nm

MET : préparation FIB0 rad 0.6 rad

Simulation de procédésSPROCESS

+Equation de Poisson

SDEVICE/ATLAS

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Contexte INTRODUCTION Contexte

LETI/LCPO : Holographie électronique

(David Cooper)

LETI/LSCE : Simulation TCAD Echantillons LETI

(Pierrette Rivallin)

ST : Imaging Group.Microscopie électronique

(Nadine Bicais)

ST : Technology Modeling.

Simulation TCAD (Ardechir Pakfar)

Contexte•Caractérisation et simulation•Collaboration recherche/industrie

Thèse CIFRECEA - LETI / STM - Crolles

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• 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

Plan

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Principe de l’holographie "off-axis"HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Formation d’un hologramme

•Mesure de potentiel électrostatique.•Résolution spatiale limitée à 3 fois l’interfrange.

tCK : Epaisseur de l’échantillon(100 à 700 nm)Echantillon

Canon à e-

Biprisme

Hologramme

Lentille objectif

S0SREF SOBJ

φREF

Δφ = φOBJ – φREF

Δφ = CE . ΔV . tCK

φOBJ

200nm

Biseau de silicium

200nm

Hologramme à vide

Image de phase

200nm

N

PVide

8 /38

Paramètres expérimentaux : biprismeHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Paramètres expérimentaux

•Résolution spatiale inversement proportionnelle au potentiel du biprisme.•Champ de vue proportionnel au potentiel du biprisme.•Contraste : cohérence des électrons.

30V

100nm

50V

100nm

0 100%Max Min

Max Min

S SS S

SMAX

SMIN

µ = 70%

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Paramètres expérimentaux : contrasteHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Paramètres expérimentaux

•Critère empirique pour un hologramme : µ>10%.•Le potentiel du biprisme augmente le bruit de phase.

σφ : écart quadratique de phase.

µ : contraste de l’hologramme.

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Paramètres expérimentaux : SignalHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Paramètres expérimentaux

•Intensité maximale sans irradiation.•Temps d’acquisition maximal avant vibrations.

• Faisceau plus intensePlus d’électronsSource élargie

•Acquisition plus longueAccumulation statistiqueDurée optimale

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Paramètres expérimentaux : AbaquesHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Paramètres expérimentaux

•Résolution : 4 nm.•Sensibilité : <0.1 V.•tACQ : 25 s.•ITOT : 3 nA.

• Modèle statistique (holographie haute résolution)

• Invalide en présence de vibrations et de dérive du biprisme

• Validation sur le Titan (LETI) et le Tecnai (STM)

30s

60s 25s20s

15s

10s5s

4s2s

1s0.5s

0.2nA

1.2nA

2.1nA 3nA100V

110V120V

130V

140V150V

160V170V-180V

190V

200V

[1] : H. Lichte, Ultramicroscopy vol 108 n°3 p 256-262 (2008).

01 . . . [1]T T acqk I t

Biprisme variable Intensité variable Durée variable

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Mesure par holographieHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Mesure par holographie

•Mesure du potentiel de Fermi intrinsèque.•Précision en concentration : une décade.

N P

EC

EV

EF EFI

E

V++

V--

e-

h+

ξ

V =0e Vdop

Fi FDOP

E EVe

. .E CKC V t

0 DOPV V V

0.025 ln( )DOPi

NVn

Phase holographiqueJonction p-n (1019 at.cm- 3)Epaisseur (tCK) croissante

200nm

N

PVide

Intrinsèque

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Mesure par holographieHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE Mesure par holographie

•Différence entre jonction électrique et jonction chimique dans le délinéament de la jonction.

2

2 0Vx

Jonction électriqueJonction chimique

[ ] [ ]Na Nd

TCAD : nMOS FDSOI

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Résume : holographieHOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE

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.

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• Conclusion

Plan

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Echantillons de testPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Echantillons de test

(a) (b) (c)

Profils SIMS réalisés par J.P Barnes sur des échantillons de J.M Hartmann et J.F Damlencourt.

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

(a)(b)(c)

Concentration Potentiel n-p

1.02 V0.94 V0.84 V

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Polissage mécano-chimiquePRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Préparation par polissage mécano-chimique

•Composition : cristal et oxyde natif.•Préparation considérée idéale dans la littérature .

Pyrex

SiSi

Glue

10 µm

Microscope optique

500 nm

MEB Holographie

200 nm

Plateau abrasif

20°-45°

Pyrex

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Polissage mécano-chimique : simulationPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Préparation par polissage mécano-chimique

•Réduction du potentiel par courbure de bande.•Déplétion des porteurs.•Simulation sans effets de cœur.

N P

SiO2

SiO2

e-

e-

5.1013 at.cm-2 [1,2]

500 nm

MEB

[1] : P. Fazzini, Physical Review B vol 72 n°8 (2005).[2] : D. Cooper, Journal of applied physics vol 106 n°6 (2009).

N P500 nm

(a) (a)N P

N P

Sans charges Charges surfaciques

(a)

2.1018 at.cm-3

Concentration

Potentiel n-p

0.94-> 0.89 V

Simulation 3D ATLAS (silvaco)

PN

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Polissage mécano-chimiquePRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Préparation par polissage mécano-chimique

•Quantitatif à fort dopage.•Effets de charge.

(a) (b) (c)

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

(a)(b)(c)


1.02->1.02 V0.94->0.81 V0.84->0.42 V

Epaisseur inactive

14 nm62 nm75 nm

N PEpaisseur

ΔφDOP

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Gravure ionique : effet du FIBPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Gravure ionique

•Couche amorphe et couche inactive.•Dépendance en énergie.

2.1018 at.cm-3

Concentration

Potentiel n-p0.94-> 0.63 V

N PEpaisseurtotale

ΔφDOP

Epaisseurcristalline

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Gravure ionique par FIBPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Préparation par polissage mécano-chimique

•Effets des défauts ponctuels et de l’implantation.•Effets de charge.

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

(a)(b)(c)


1.02->0.81 V0.94->0.64 V0.84->0.42 V

Epaisseur inactive

45 nm140 nm225 nm

(b)(a) (c)

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Simulation d’implantation avec érosionPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Simulation de la préparation par FIB

•Recherche du profil des défauts pour simulation des effets de charge sur l’holographie.•Gravure ligne par ligne

Ga θα = 1°

Modèle FIB complet

(z)

Modélisation continueModèle

mathématiqueCode C++

Implantation M.C.Dose discrète,

angle θTaurus SYNOPSYS

Projection sur (z)Angle (θ-α)Code C++

Erosion discrèteProfondeur

dépendante de la dose.

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Validation du modèle de simulationPRÉPARATION D’ÉCHANTILLONS Simulation de la préparation par FIB

•Détermination de l’angle de gravure.•Epaisseur amorphe : seuil à 10% de défauts dans le cristal

Profils SIMS réalisés par J.P Barnes

8 keV 30 keV

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Résumé : préparation d’échantillonsPRÉPARATION 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 mécano-chimique.

• 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.

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• Conclusion

Plan

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Transistors FDSOI non fonctionnelsDISPOSITIFS FDSOI Présentation des échantillons

tSi : 30nm

tox : 7nm

tBOX : 400nm

[B] = 1015 at.cm-3

Oxyde enterré

TEM : 250 nm

Grille

TEM : 50 nm

Grille

Film Si

Oxyde

5 µm

Noir=Poly

•nMOS non-fonctionnel FDSOI.•Dopage canal : Bore 1015 at.cm-3

•Dopage drain/source : Arsenic > 1020 at.cm-3

Wafer SOI Masque de grille

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Transistors FDSOI non fonctionnelsDISPOSITIFS FDSOI Présentation des échantillons

•3 jonctions différentes.•Correspondance entre les coordonnées de simulation et de caractérisation.

[As] (at.cm-3)2.1021

0

As_2 Grille

Oxyde

Oxyde BOX

500 nm

25 nm

As_2

[As]-[B] (actif) (at.cm-3)

2.1020

-1.101525 nm

Jonction chimique

5 nm15 nm25 nm

500 nm

8 keV4 keV12 keV

As_1As_2As_3

Energie

5.1015 at.cm-2

5.1015 at.cm-2

2.1015 at.cm-2

Dose

2 nm5 nm5 nm

Oxyde TEM : 50 nm

Grille

Film Si

OxydeTCAD (sprocess de synopsys)

+ Recuit SPIKE

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Préparation de dispositifs par FIBDISPOSITIFS FDSOI Présentation des échantillons

•FIB basse énergie.•Ecarts d’épaisseur par 'effet rideau' des interconnexions.•Gravure en face arrière.

Micro-manipulateur

7.5 µm

Grille METPlateau pour la protection en face arrière

7.5 µm

180°

nMOS non fonctionnel, images MEB,avec l’autorisation de L.Clément, STM Crolles

5 µm

BOX

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Délinéament d’une jonction dans un FDSOIDISPOSITIFS FDSOI Délinéament des jonctions p-n

10 nm

230 nm 260 nm

Jonction chimique Jonction électrique

As_3 As_1 As_28 keV4 keV12 keV

As_1As_2As_3

Energie

5.1015 at.cm-2

5.1015 at.cm-2

2.1015 at.cm-2

Dose

2 nm5 nm5 nm

Oxyde

2

2 0Vx

Jonction électrique

Simulation TCAD

2Min MaxV VV

Concentration nette Potentiel

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Holographie quantitativeDISPOSITIFS FDSOI Holographie quantitative sur transistors

•Pas d’accumulation de charges dans l’échantillon.•Holographie quantitative.•Délinéament de jonction à 4 nm près

0.5 V

0 V

50 nm

0.5 V50 nm

0 V

As_3

Holographie

Simulation TCAD (synopsys)

250 nm 300 nm200 nm

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Performances de l’holographieDISPOSITIFS FDSOI Holographie quantitative sur transistors

•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.

10 nm

As_1, As_3, As_2

Simulation

230 nm 270 nm

As_3, As_2, As_1

Holographie

10 nm

230 nm 270 nm

8 nm

8 nm

8 nm

As_1

As_2

As_3

Résolution spatiale

>0.1 V δX> 10nm<0.1 V δX< 10nm<0.1 V δX< 10nm

Précision en potentiel

12 nm

8 nm

8 nm

Précision du délinéament

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Dispositif standard sur film de 8 nmDISPOSITIFS FDSOI Dispositif fonctionnel

•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)

• (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).

25 nm

Grille

(Ω)

Espaceurs [1,2]

NiSi

B : 1015 As : >1020As : >1020

60 nm

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Dispositif fonctionnel : holographieDISPOSITIFS FDSOI Dispositif fonctionnel

•Résolution spatiale : 4 nm.•Précision en potentiel : 0.05 V.•Bruit dû à la préparation FIB négligeable.

Amplitude 50 nmChamp Clair 50 nm Hologramme 4 nm

µ = 20%

Phase 50 nm

Etude par simulation TCAD, holographie, et EELS

tCK = 170 nm

BOX

Substrat

Grille

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Simulation et caractérisationDISPOSITIFS FDSOI Dispositif fonctionnel

•Concentration chimique.•Potentiel électrostatique.•Etude du profil central.

As 1.6%0%

EELS 25 nm

0.5 V0 V

Potentiel (TCAD) 25 nm

1020 at.cm-31010 at.cm-3

[As] total (TCAD) 25 nm

0.5 V0 V

Holographie 25 nm

EELS réalisé par G.Servanton (STM), sur un échantillon préparé en collaboration avec L.Clément (STM)Simulation TCAD en collaboration avec O.Cueto

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DISPOSITIFS FDSOI Dispositif fonctionnel

•TCAD non optimisée.•Diffusion latérale d‘As surestimée, car le silicium est considéré comme massif.•Calibration fine.

Calibration de la simulation TCAD

90 nm

Δvmid

55 nm

76 nm

ΔAs

54 nm

EELS réalisé par G.Servanton (STM), sur un échantillon préparé en collaboration avec L.Clément (STM)Simulation TCAD en collaboration avec O.Cueto

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Conclusion : résumé des travauxCONCLUSION Résumé

• 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 Monte-Carlo 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

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PerspectivesCONCLUSION

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

Perspectives

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RemerciementsCONCLUSION Remerciements

Tous mes remerciements àM.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.

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