Echantillon M204P10

Cet échantillon (Figure VII.4) est un empilement de 6 couches (Si/Si1-xGex x3) symétrique par rapport au M204P19. Les couches de SiGe ont une concentration croissante vers la surface. Sur cet échantillon, nous avons effectué une analyse des déformations par GPA et par holographie en champ sombre (Figure VII.5 et VII.6). La lamelle a été préparée par tripode suivi d’une attaque ionique. L’épaisseur dans les zones d’observation est estimée à 20 nm. L’épaisseur est étonnement régulière pour une préparation par PIPS (nous n’observons pas de franges d’égales épaisseurs).

Nous présentons, pour commencer, les résultats obtenus par la méthode des phases (Figure VII.5). Sur les images d’amplitude des 2 familles de franges sélectionnées pour l’analyse de phase, nous voyons qu’au centre de la zone observée le contraste est fort et homogène. Nous pouvons alors avoir une bonne confiance dans la méthode GPA. L’image haute résolution est de très bonne qualité, comme le montre l’agrandissement de la partie centrale. L’épaisseur de la lame est inférieure à 20 nm, l’image est prise sur un bord de créneau et une partie de l’échantillon est amorphisée (les 50 nm sur la droite). Cette zone de l’échantillon comprend tout de même une part cristalline, étant donné que les plans diffractent encore (l’amplitude des composantes de Fourier n’est pas nulle).

Chapitre VII: Application à d’autres dispositifs

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Figure VII.4 : Echantillon M204P10 constitué d’un empilement sur substrat de silicium de

Si80Ge20/Si/Si70Ge30/Si/ Si60Ge40/Si/SiO2.

Figure VII.5 : Mesure de la déformation εzz par GPA pour un échantillon M204P10 aminci par PIPS.

L’analyse GPA montre que la première couche est en tension suivant z de 1,25%, la deuxième de 1,47% et la plus proche de la surface connaît une déformation de 1,75% (toujours par rapport au silicium non contraint) avec une erreur systématique de 0,2%.

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Théoriquement, si nous considérons une lame fine relaxée, ces états de déformations correspondraient à des concentrations en germanium de 24%, 29% et 34% respectivement. Cela ne correspond pas tout à fait aux valeurs nominales des couches lors de la croissance. Cet écart s’explique, là aussi, par la géométrie de l’objet observé. Il ne s’agit pas, comme dans le chapitre IV, de lames avec une dimension infinie suivant x. Une simulation tri- dimentionnelle montrerait sûrement que ce genre de géométrie est plus relaxé qu’une lame mince, surtout pour la troisième couche (ici Si60Ge40). Cette simulation reste encore à faire à l’heure actuelle et nous nous attendons à observer un comportement dépendant de l’épaisseur des couches, de l’épaisseur de la lame mais aussi de la position en x sur le créneau de 1 µm de long. La relaxation sera plus importante au bord de l’échantillon, là où il y a un plus grand nombre de surfaces libres.

Figure VII.6 : Mesure de la déformation suivant z par holographie en champ sombre pour l’échantillon

M204P10.

Pour valider nos mesures, nous avons analysé les mêmes couches par la méthode d’holographie en champ sombre. Nous avons également pris une zone en bord d’empilement pour avoir le même degré de relaxation de lame mince et mesurer le même phénomène.

La Figure VII.6 présente la méthode d’holographie en champ sombre dans son ensemble, de l’acquisition de l’hologramme avec une tension de biprisme de 80V et un temps de pose de 20 secondes dans deux directions différentes (en prenant soin de noter la direction de la famille de plans sélectionnée par le champ sombre) jusqu’au calcul du champ de déformation dans le direction de croissance de l’échantillon. L©es agrandissements des deux

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hologrammes permettent de se rendre compte de la qualité du contraste (12% en moyenne). Sur la transformée de Fourier il faut bien prendre soin de sélectionner la composante de l’hologramme située vers le substrat pour conserver le signe correct de gΔ (chapitre VI). Enfin, pour chaque hologramme, il faut penser à prendre une image correspondant à la diffraction en champ sombre. Celle-ci est prise en retirant le biprisme et le diaphragme objectif et en défocalisant pour avoir une “shadow image”, afin de déterminer la direction du

g sélectionné.

Les images d’amplitude sont d’une toute autre qualité comparées à celles obtenues en haute résolution. Ici, la baisse d’amplitude provient uniquement de la plus forte absorption des couches Si1-xGex et aucune inversion de phase ne vient perturber l’image. Cette stabilité en amplitude est l’un des grands avantages de la méthode d’holographie en champ sombre sur la méthode GPA. Elle provient de la période plus grande des franges holographiques et de la souplesse apportée par la condition 2-ondes d’autant plus grande que nous avons un échantillon fin. Pour un échantillon de 20 nm, la diffraction est possible pour un écart à la position de Bragg six fois plus grand que pour l’échantillon de 130 nm étudié dans le chapitre V.

Pour le calcul de ε , la reconstruction du champ de déformation passe par _zz l’alignement dans le plan des deux images de phase obtenues. Cette partie délicate nécessite de se repérer au bord de l’échantillon ou des défauts présents sur l’objet. Le moindre décalage entre les deux phases entraîne un effet de flou dans l’image des déformations. Dans notre cas, nous nous sommes repérés par un coin de l’échantillon. Du fait du long temps de pose, l’échantillon a légèrement dérivé suivant z. De ce fait les limites (Si-SiGe) sont bien moins nettes. L’utilisation d’un grand masque pour l’analyse des franges est de ce fait inutile et nous en avons opté pour un masque de 0,125 nm-1 intégrant sur 8 nm. Les trois couches, en commençant par la plus enfouie, sont en tension suivant z, respectivement, de 1,1%, 1,6% et 1,9%. La mesure a été faite en moyennant sur une distance de 200 nm suivant x ce qui confère aux résultats une excellente précision (exactitude). Cette précision va au-delà des 0,1% obtenus avec le transistor dans le chapitre VI puisque nous avons une zone d’intégration trois fois plus grande. Nous estimons la précision à 0,03% dans notre cas.

Bien qu’en apparence nous retrouvons le même ordre de grandeur qu’avec le GPA pour les valeurs de déformations, les légères variations ont une forte conséquence quant à la détermination de la concentration en germanium. Les couches de Si1-xGex ont des concentrations de 21%, 31%, et 37% ; ce qui est beaucoup plus proche des valeurs nominales. L’influence de la géométrie finie suivant (0x) semble se faire ressentir essentiellement sur la dernière couche (la plus proche de la surface). La relaxation est supérieure ce qui explique la déformation de 1,9% mesurée comparée aux 2,1% attendus pour une simple couche mince infinie suivant x.

Cette étude de l’échantillon M204P10 montre encore une fois que la précision de 0,2- 0,3% de la méthode GPA est un sérieux handicap dont ne souffre pas l’holographie en champ sombre. Ce manque de précision provient du champ de vue limité de la haute résolution (200 nm par 200 nm au mieux si le contraste est parfaitement uniforme) et des fortes fluctuations de contraste ce qui ne permet pas d’intégrer la mesure sur de très longues distances et d’augmenter l’exactitude des valeurs.

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