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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
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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
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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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• 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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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)
Concentration Potentiel n-p
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)
Concentration Potentiel n-p
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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• 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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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.