Caractéristiques électriques et relaxation du film sSOI

Les n-MOSFETs étudiés sont fabriqués sur un wafer sSOI. Le film Si de 10 nm d’épaisseur est en tension à 1,35 GPa. La densité d’énergie élastique par unité de surface emmagasinée dans le film est de 0,051 J.m-2 _{(équation3.4). Elle est donc voisine de celle du film SiGe pour} les actives SGOI étudiées (de 0,053 J.m-2_).

Figure 3.17 – Mesure de IODlindu n-MOSFET en fonction de la distance de la taille de l’ac-

tive sSOI, tel que SA=SB (la droite représente IODlin au point de mesure SA=SB=960 nm).

La figure 3.17 montre l’évolution de IODlin en fonction de SA=SB dans ces actives sSOI.

Nous mesurons une diminution de IODlin lorsque SA=SB diminue, c’est-à-dire en se rap-

prochant du bord de l’active. Cet impact est important jusqu’à SA=SB≈150 nm (variation de IODlin > 6 %) et encore présent mais plus faible jusqu’à plus de SA=SB=250 nm (va-

riation de IODlin de 1,2 % à SA=SB=240 nm). Cette diminution de IODlin résulte d’une

diminution de la mobilité des électrons dans le canal Si. Cette diminution de la mobilité est vraisemblablement due à une relaxation des contraintes dans le film Si initialement contraint. Ces mesures montrent que la relaxation du film mince sSOI s’effectue sur une plus courte portée : de l’ordre de 250 nm pour le sSOI contre 600 nm pour le SGOI. Certes le sSOI est en tension alors que le SGOI est en compression, mais nous ne pensons pas que le signe de la contrainte ait une influence sur le mécanisme de relaxation. Une tension ou une compression engendre le même cisaillement au niveau de l’interface, entre le film et le BOX.

Finalement, ces résultats électriques confirment que les films minces SGOI initialement contraints relaxent sur une portée significativement plus élevée en bord de STI, comparati- vement à un film sSOI possédant une densité d’énergie élastique équivalente. Ces résultats confirment donc un effet important du Ge sur la portée de la relaxation.

3.7 Conclusion

Tout d’abord, nous avons montré l’absence de mosaïcité dans les wafers SOI initiaux en utilisant la technique des moirés en vue plane, par TEM. Ce résultat, rassurant d’un point

de vue industriel, nous autorise de plus à comparer nos mesures DFEH entre elles, au cours des étapes de fabrication du substrat co-intégré.

Nous avons ensuite étudié l’influence des principales étapes de formation du substrat co-intégré sur les déformations dans le film mince. Cette analyse est menée en comparant des mesures DFEH à des simulations par éléments finis.

La conversion locale de zones du wafer SOI en SGOI engendre une relaxation du film mince SiGe formé par condensation de Ge à haute température, au voisinage de la transition SOI/SGOI. Cette relaxation s’explique et se simule en introduisant un fluage du BOX rendu possible par la température du procédé. Nous montrons qu’en relaxant, le SiGe se déplace latéralement au niveau de l’interface SOI/SGOI et comprime le film Si. Les propriétés méca- niques de la structure sont propices au flambage du film mince SiGe. C’est la première fois, à notre connaissance, qu’un flambage est observé à l’échelle nanométrique.

Nous avons mis en évidence une relaxation anormalement élevée des films SiGe, au bord des actives p-MOS. Ces effets, initialement détectés de façon indirecte à partir de mesures électriques (et nommés à cette occasion "effets SA/SB" dans le milieu industriel), ont pour la première fois été mesurés directement au cours de cette thèse. Nous avons réussi à re- transcrire cet effet dans les simulations via l’introduction d’un relâchement aux interfaces SiGe/SiO2, décrit par une force de rappel élastique. Même si les raisons de ce relâchement ne sont pas clairement élucidées, il nous semble néanmoins que le Ge joue un rôle essentiel dans l’activation de ce mécanisme.

Nous concluons ce chapitre par une figure qui illustre clairement le problème posé par le relâchement aux interfaces SiGe/SiO2, dont l’impact est particulièrement important dans le cas des actives courtes. La figure 3.18 montre la mesure de εxx et de ωxz par DFEH dans

des actives de 200 nm de long, p-MOS (SGOI) et n-MOS (SOI). Le SGOI est totalement relaxé (figure3.18(b), εxx est rouge uniforme, ∼ 0, 9 %) et ainsi les performances des p-MOS

sont dégradées sur toute la longueur de ces courtes actives. Dans le cas des n-MOS, le SOI présente une très légère compression dans le plan (figure 3.18 (e), εxx < 0, 1 %), diminuant

la mobilité des électrons. Par ailleurs, nous observons un état de rotation important (±1, 2° aux extrémités du film, relativement à l’angle de miscut), et équivalent dans les films minces Si et SiGe (figures 3.18 (c) et (f)). Il est engendré par la contrainte interne du masque SiN utilisé lors de la fabrication des actives.

Finalement, la portée de la relaxation des déformations présentes dans le film SGOI en bord d’actives p-MOS, sur plusieurs centaines de nanomètres, est dramatique pour les performances des transistors de type p. Ces résultats ont donc justifié la création d’un groupe de travail au sein de STMicroelectronics, qui a pour objectif de diminuer la portée de ces relaxations.

Figure 3.18 – (a) Image BF d’une active p-MOS SGOI de 200 nm de long, et cartographies DFEH (b) des déformations dans le plan et (c) des rotations dans cette active. (d) Image BF d’une active n-MOS SOI de 200 nm de long, et cartographies DFEH (e) de εxx et (f) de

Jeu de contraintes lors de la

fabrication des MOSFETs de types p

et n

Sommaire

4.1 Détails de l’étude . . . 124