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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 "OFF-AXIS" et simulation du dopage 2d sur substrat SOI ultramince. Doctorant

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Universit de grenoble

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 "OFF-AXIS" 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

PakfarArdechir

Rivallin Pierrette

Université de Grenoble


Probl matique simulation tcad

Introduction

Problématique

Problématique : Simulation TCAD

30 nm

0.5 V

2.1021 at.cm-3

S

D

0 V

1010 at.cm-3

Simulation de procédés

(Dépôt, gravure, implantation, diffusion)

SPROCESS / ATHENA

Simulation électrique

(Courant de sortie, potentiel)

SDEVICE / ATLAS

30 nm

TCAD : nMOS SOI

Grille

BOX

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


Probl matique caract risation de dopants

Introduction

Problématique

Problématique : caractérisation de dopants

Technique

Amplitude de

détection

(at.cm-3)

Résolution

Spatiale

Type de

Mesure

Sensibilité aux dopants

Applicable 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.


Probl matique simulation tcad et holographie

W

Si-a

50 nm

Si-c

100 nm

Introduction

Problématique

Problématique : simulation TCAD et holographie

TCAD : nMOS SOI

Holographie(TCK= 170 nm) : nMOS SOI

30 nm

Simulation de procédés

SPROCESS

+

Equation de Poisson

SDEVICE/ATLAS

30 nm

0 V

0.5 V

0 V

0.5 V

0 rad

0.6 rad

MET : préparation FIB

Ion primaire

Grille

Particule éjectée

Vide

BOX

  • Axes de recherche

  • Holographie.

  • Préparation d’échantillons.

  • Simulation et holographie.

Echantillon


Contexte

Introduction

Contexte

Contexte

LETI/LCPO :

Holographie électronique

(David Cooper)

ST : Imaging Group.

Microscopie électronique

(Nadine Bicais)

Thèse CIFRE

CEA - LETI / STM - Crolles

  • Contexte

  • Caractérisation et simulation

  • Collaboration recherche/industrie

LETI/LSCE :

Simulation TCAD Echantillons LETI

(Pierrette Rivallin)

ST : Technology Modeling.

Simulation TCAD (ArdechirPakfar)


Universit de grenoble

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


Principe de l holographie off axis

Holographie électronique

Formation d’un hologramme

Principe de l’holographie "off-axis"

Canon à e-

tCK : Epaisseur de l’échantillon

(100 à 700 nm)

Echantillon

P

Vide

φOBJ

φREF

Lentille objectif

N

SOBJ

SREF

S0

200nm

Image de phase

Biseau de silicium

200nm

200nm

Biprisme

Hologramme

Δφ = φOBJ – φREF

Δφ = CE . ΔV . tCK

Hologramme à vide

  • Mesure de potentiel électrostatique.

  • Résolution spatiale limitée à 3 fois l’interfrange.


Param tres exp rimentaux biprisme

100nm

100nm

Holographie électronique

Paramètres expérimentaux

Paramètres expérimentaux : biprisme

50V

SMAX

µ = 70%

30V

SMIN

  • Résolution spatiale inversement proportionnelle au potentiel du biprisme.

  • Champ de vue proportionnel au potentiel du biprisme.

  • Contraste : cohérence des électrons.


Param tres exp rimentaux contraste

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.


Param tres exp rimentaux signal

Holographie électronique

Paramètres expérimentaux

Paramètres expérimentaux : Signal

  • Faisceau plus intense

    Plus d’électrons

    Source élargie

  • Acquisition plus longue

    • Accumulation statistique

    • Durée optimale

  • Intensité maximale sans irradiation.

  • Temps d’acquisition maximal avant vibrations.


Param tres exp rimentaux abaques

Holographie électronique

Paramètres expérimentaux

Paramètres expérimentaux : Abaques

Biprisme variable

Intensité variable

Durée variable

  • Modèle statistique (holographie haute résolution)

  • Invalide en présence de vibrations et de dérive du biprisme

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

2.1nA

3nA

100V

1.2nA

110V

120V

130V

0.2nA

140V

150V

160V

190V

170V-180V

200V

25s

60s

20s

15s

30s

10s

5s

4s

2s

1s

0.5s

  • Résolution : 4 nm.

  • Sensibilité : <0.1 V.

  • tACQ : 25 s.

  • ITOT : 3 nA.

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


Mesure par holographie

ξ

Holographie électronique

Mesure par holographie

Mesure par holographie

P

Vide

Phase holographique

Jonction p-n (1019 at.cm- 3)

Epaisseur (tCK) croissante

N

200nm

V--

E

EC

e-

EF

EFI

e Vdop

V =0

EV

h+

V++

  • Mesure du potentiel de Fermi intrinsèque.

  • Précision en concentration : une décade.

Intrinsèque

N

P


Mesure par holographie1

Holographie électronique

Mesure par holographie

Mesure par holographie

TCAD : nMOS FDSOI

Jonction chimique

Jonction électrique

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


R sume holographie

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.


Universit de grenoble

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


Echantillons de test

Préparation d’échantillons

Echantillons de test

Echantillons de test

(a)

(b)

(c)

Concentration

Potentiel n-p

(a)

(b)

(c)

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

1.02 V

0.94V

0.84 V

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


Polissage m cano chimique

Glue

Si

Si

10 µm

Pyrex

500 nm

Préparation d’échantillons

Préparation par polissage mécano-chimique

Polissage mécano-chimique

Microscope optique

20°-45°

Plateau abrasif

MEB

Holographie

Pyrex

200 nm

  • Composition : cristal et oxyde natif.

  • Préparation considérée idéale dans la littérature .


Polissage m cano chimique simulation

500 nm

500 nm

Préparation d’échantillons

Préparation par polissage mécano-chimique

Polissage mécano-chimique : simulation

Sans charges

Charges surfaciques

SiO2

P

N

P

N

SiO2

(a)

N

P

5.1013 at.cm-2 [1,2]

P

(a)

N

MEB

Simulation 3D ATLAS (silvaco)

(a)

N

P

Concentration

2.1018 at.cm-3

Potentiel n-p

e-

0.94-> 0.89 V

e-

  • Réduction du potentiel par courbure de bande.

  • Déplétion des porteurs.

  • Simulation sans effets de cœur.

[1] : P. Fazzini, PhysicalReview B vol 72 n°8 (2005).

[2] : D. Cooper, Journal of appliedphysicsvol 106 n°6 (2009).


Polissage m cano chimique1

Préparation d’échantillons

Préparation par polissage mécano-chimique

Polissage mécano-chimique

(a)

(b)

(c)

Epaisseur

N

P

ΔφDOP

Concentration

Potentiel n-p

Epaisseur inactive

(a)

(b)

(c)

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

1.02->1.02 V

0.94->0.81 V

0.84->0.42 V

14nm

62nm

75nm

  • Quantitatif à fort dopage.

  • Effets de charge.


Gravure ionique effet du fib

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

Epaisseur

cristalline

N

P

ΔφDOP

  • Couche amorphe et couche inactive.

  • Dépendance en énergie.


Gravure ionique par fib

Préparation d’échantillons

Préparation par polissage mécano-chimique

Gravure ionique par FIB

(a)

(b)

(c)

Concentration

Potentiel n-p

Epaisseur inactive

(a)

(b)

(c)

1019 at.cm-3

2.1018 at.cm-3

2.1017 at.cm-3

1.02->0.81 V

0.94->0.64 V

0.84->0.42 V

45nm

140nm

225nm

  • Effets des défauts ponctuels et de l’implantation.

  • Effets de charge.


Simulation d implantation avec rosion

Préparation d’échantillons

Simulation de la préparation par FIB

Simulation d’implantation avec érosion

Implantation M.C.

Dose discrète, angle θ

Taurus SYNOPSYS

Ga

θ

Modélisation continue

Modèle mathématique

Code C++

α = 1°

Projection sur (z)

Angle (θ-α)

Code C++

Erosion discrète

Profondeur dépendante de la dose.

(z)

Modèle FIB complet

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

  • Gravure ligne par ligne


Validation du mod le de simulation

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


R sum pr paration d chantillons

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 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.


Universit de grenoble

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


Transistors fdsoi non fonctionnels

Dispositifs FDSOI

Présentation des échantillons

Transistors FDSOI non fonctionnels

Wafer SOI

Masque de grille

5 µm

Noir

=

Poly

TEM : 250 nm

TEM : 50 nm

Grille

Grille

Oxyde enterré

Oxyde

[B] = 1015 at.cm-3

Film Si

tox : 7nm

  • nMOS non-fonctionnel FDSOI.

  • Dopage canal : Bore 1015 at.cm-3

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

tSi : 30nm

tBOX : 400nm


Transistors fdsoi non fonctionnels1

Dispositifs FDSOI

Présentation des échantillons

Transistors FDSOI non fonctionnels

Energie

Dose

Oxyde

As_1

As_2

As_3

8 keV

4 keV

12 keV

5.1015 at.cm-2

5.1015 at.cm-2

2.1015 at.cm-2

2 nm

5 nm

5 nm

+ Recuit SPIKE

[As] (at.cm-3)

500 nm

2.1021

As_2

TCAD(sprocess de synopsys)

Grille

25 nm

0

Oxyde

Oxyde BOX

TEM : 50 nm

Grille

[As]-[B] (actif)

(at.cm-3)

500 nm

Oxyde

As_2

2.1020

Film Si

  • 3 jonctions différentes.

  • Correspondance entre les coordonnées de simulation et de caractérisation.

25 nm

-1.1015

5 nm

15 nm

25 nm

Jonction chimique


Pr paration de dispositifs par fib

7.5 µm

7.5 µm

5 µm

Dispositifs FDSOI

Présentation des échantillons

Préparation de dispositifs par FIB

Plateau pour la protection

en face arrière

Micro-manipulateur

Grille MET

180°

  • FIB basse énergie.

  • Ecarts d’épaisseur par 'effet rideau' des interconnexions.

  • Gravure en face arrière.

BOX

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


D lin ament d une jonction dans un fdsoi

Dispositifs FDSOI

Délinéament des jonctions p-n

Délinéament d’une jonction dans un FDSOI

Simulation TCAD

Energie

Dose

Oxyde

As_1

As_2

As_3

8 keV

4 keV

12 keV

5.1015 at.cm-2

5.1015 at.cm-2

2.1015 at.cm-2

2 nm

5 nm

5 nm

As_3

As_1

As_2

Concentration nette

Potentiel

Jonction chimique

230 nm

260 nm

Jonction électrique

10 nm

Jonction électrique


Holographie quantitative

Dispositifs FDSOI

Holographie quantitative sur transistors

Holographie quantitative

Holographie

50 nm

0.5 V

0 V

As_3

Simulation TCAD (synopsys)

0.5 V

50 nm

0 V

200 nm

250 nm

300 nm

  • Pas d’accumulation de charges dans l’échantillon.

  • Holographie quantitative.

  • Délinéament de jonction à 4 nm près


Performances de l holographie

Dispositifs FDSOI

Holographie quantitative sur transistors

Performances de l’holographie

Résolution spatiale

Précision en potentiel

Précision du délinéament

Simulation

Holographie

As_1

As_2

As_3

8 nm

8 nm

8 nm

>0.1 V

δX> 10nm

<0.1 V

δX< 10nm

<0.1 V

δX< 10nm

12 nm

8 nm

8 nm

230 nm

270 nm

230 nm

270 nm

10 nm

10 nm

As_1, As_3, As_2

As_3, As_2, As_1

  • 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.


Dispositif standard sur film de 8 nm

Dispositifs FDSOI

Dispositif fonctionnel

Dispositif standard sur film de 8 nm

25 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]

60 nm

Grille

(Ω)

As : >1020

B : 1015

As : >1020

NiSi

  • 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)


Dispositif fonctionnel holographie

Dispositifs FDSOI

Dispositif fonctionnel

50nm

Amplitude

Hologramme

4nm

Dispositif fonctionnel : holographie

Grille

50nm

Champ Clair

BOX

Substrat

µ = 20%

tCK = 170 nm

Phase

50nm

Etude par simulation TCAD, holographie, et EELS

  • Résolution spatiale : 4 nm.

  • Précision en potentiel : 0.05 V.

  • Bruit dû à la préparation FIB négligeable.


Simulation et caract risation

Dispositifs FDSOI

Dispositif fonctionnel

Simulation et caractérisation

25 nm

25 nm

EELS

[As] total (TCAD)

0%

As 1.6%

1010 at.cm-3

1020 at.cm-3

25 nm

25 nm

Holographie

Potentiel (TCAD)

0.5 V

0 V

0.5 V

0 V

  • Concentration chimique.

  • Potentiel électrostatique.

  • Etude du profil central.

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

Simulation TCAD en collaboration avec O.Cueto


Calibration de la simulation tcad

Dispositifs FDSOI

Dispositif fonctionnel

Calibration de la simulation TCAD

90 nm

Δvmid

55 nm

76 nm

ΔAs

54 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


Conclusion r sum des travaux

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 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


Perspectives

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


Remerciements

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.


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