Echantillon SiC 1.5%

Cet échantillon est similaire en tout point au précédent : préparation par FIB d’une lamelle de 200 nm d’épaisseur, source et drain de 80 nm de profondeur, canal de 300 nm de long. Seule change la concentration en carbone des source et drain.

Pour les simulations, nous nous sommes également placés dans l’hypothèse où seulement 75% des atomes étaient en substitutionnel. Sur la Figure VII.16, les mêmes observations que pour l’échantillon avec 1% de carbone peuvent être faites : bonne correspondance entre simulation et expérience, source et drain sont en compression suivant z (-0,78%), le canal est en tension suivant x par +0,15% et en légère compression suivant z (-0,1%) comme le montre la Figure VII.17.

Finalement ce transistor se comporte exactement comme le précédent. L’ajout de carbone a bien entraîné une augmentation de la contrainte dans le canal et aucun défaut n’est apparu. Le canal est en tension dans la direction source-drain par 192 MPa et en compression suivant l’axe de croissance par -73 MPa.

Le fait d’arriver à injecter 0,15% de déformation dans un canal de 300 nm de long laisse présager une forte déformation pour des longueurs de canal plus standards (<50 nm). Une réduction par 10 de la longueur tout en conservant une profondeur de source-drain de 80 nm devrait augmenter par autant la contrainte et il serait donc envisageable d’avoir un canal sous tension de +1.5% suivant x correspondant à première vue à une contrainte de +1.9 GPa si la compression suivant z augmente elle aussi proportionnellement.

Figure VII.16 : Champ de déformations ε_xx et ε_zz(expérience et simulation) pour un transistor contraint par SiC1.5%.

Chapitre VII: Application à d’autres dispositifs

138

Cette étude approfondie sur un autre type de transistor nous aura amenés à pousser l’holographie en champ sombre dans ses retranchements. Ces échantillons avaient des dimensions parfaites pour le champ de vue de la technique. Les déformations à observer étaient vraiment à la limite de la résolution de la technique.

Figure VII.17 : Profil du champ de déformation εzz (expérience et simulation). Le canal est en compression

de -0.06%.

VII.3. Conclusion

Les études que nous avons choisies de présenter dans ce chapitre montrent toute l’étendue des capacités de la méthode GPA et de l’holographie en champ sombre. Le fait de mesurer et cartographier des déformations inférieures à 0,1%, comme c’est le cas pour le SiC1%, est un résultat sans précédent en microscopie électronique.

Certaines études non présentées dans ce chapitre (FDSOI) n’ont pas eu le succès escompté mais nous ont amenés à améliorer l’holographie en champ sombre d’un point de vue technique. Les différentes expérimentations effectuées nous ont permis d’avoir une meilleure résolution spatiale, de plus grandes zones de recouvrement, de connaître la tension de biprisme optimale, d’améliorer la procédure d’acquisition et d’optimiser l’épaisseur des échantillons.

La méthode GPA a montré qu’elle avait atteint ses limites en terme de précision mais qu’elle pouvait toujours rivaliser avec l’holographie en champ en sombre pour des objets de faibles dimensions (<20 nm).

Enfin, avec l’holographie en champ sombre appliquée à des échantillons préparés par FIB (épaisseur standard de 120 nm), nous sommes capables de mesurer et cartographier des déformations avec une précision (exactitude) de 0,02% en moyennant sur 80 nm à la limite de la sensibilité de 0,01%.

Chapitre VII: Application à d’autres dispositifs

[Ang 05] K.W. Ang, K.J. Chui, V. Bliznetsov, C.H. Tung, A. Du, N. Balasubramanian, G. Samudra, M.F. Li, et Y.C. Yeo, Lattice strain analysis of transistor structures with silicon–germanium and silicon–carbon source/drain stressors, Applied Physics Letters 86, 093102, (2005) [Ang 07] K.W. Ang, J. Lin, C.H. Tung, N. Balasubramanian, G. Samudra, et Y.C. Yeo, Beneath-The-

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[Cherkashin 08] N. Cherkashin, A. Gouyé, F. Hüe, F. Houdellier, M. J. Hÿtch, E. Snoeck, V. Paillard, O. Kermarrec, D. Rouchon, M. Burdin, P. Holliger, et A. Claverie, Determination of strain within Si1-yCy layers grown by CVD on a Si Substrate, MRS Fall Proceedings 1026, (2007) [Daweritz 82] L.Daweritz, T. Thieme, D. Hildebrandt et M. Laux, Processes in surface formation of HCl

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[Hartmann 05] J.M. Hartmann, P. Holliger, F. Laugier, G. Rolland, A. Suhm, T. Ernst, T. Billon et N. Vuillet, Growth of SiGe/Si superlattices on silicon-on-insulator substrates for multi-bridge channel field effect transistors, Journal Crystal Growth 283 57, (2005)

[Kamins 98] T.I. Kamins, G.A.D. Briggs, and R. Stanley-Williams, Influence of HCl on the chemical vapor deposition and etching of Ge islands on Si(001), Applied Physics Letters 73, 1862, (1998)

[Kreuzer 05] S. Kreuzer, F. Bensch, R. Merkel and G. Vogg., In situ defect etching of strained-Si layers with HCl gas, Materials Science in Semiconductor Processing. 8, 143, (2005)

[Lee 03] M.E. Lee and E.A. Fitzgerald, Strained SiÕstrained Ge dual-channel heterostructures on relaxed Si0.5Ge0.5 for symmetric mobility p-type and n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, Applied Physics Letters 83, 20, (2003)

[Lee 04] S.-Y. Lee, E.-J. Yoon, S.-M. Kim, C.W. Oh, M. Li, J.-D. Choi, K.-H. Yeo, M.-S. Kim, H.-J. Cho, S.-H. Kim, D. Park, K. Kim, A Novel Multi-channel Field Effect Transistor (McFET) on Bulk Si for High Performance Sub-80 nm Application, 2004 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, Honolulu, USA, p. 200, (2004)

Chapitre VII: Application à d’autres dispositifs

140

[Monfray 04] S. Monfray, D.Chanemougame, S.Bore1, A.Talbot, F. Leverd, N. Planes, D.Delille, D. Dutartre, R. Palla, Y. Morand, S. Descombes, M-P. Samson, N. Vulliet, T. Sparks, A. Vandooren and T. Skotnicki, SON (Silicon-On-Nothing) technological CMOS Platform: Highly performant devices and SRAM cells, IEDM 04-635, (2004)

[Ohshita 93] Y. Ohshita et N. Hosoi, In situ optical investigation of the etching process in the silicon HCl system , Applied Physics Letters 63, pp. 1216-1218, (1993)

[Poiroux 06] T. Poiroux, M. Vinet, O. Faynot, J. Widiez, J. Lolivier, B. Previtali, T. Ernst et S. Deleonibus, Multigate silicon MOSFETs for 45 nm node and beyond, Solid State Electronics 50, (2006)

[Rish 06] L. Rish, Pushing CMOS beyond the roadmap, Solid State Electronics 50, pp. 527–535, (2006)

Conclusions et perspectives

ette thèse est l’aboutissement de trois ans de recherche sur les méthodes de mesures de contraintes dans les matériaux cristallins. La technique d’analyse de phases géométriques (GPA) appliquée à la microscopie électronique en haute résolution présentait un grand nombre de qualités qui en faisait une méthode de mesure parfaitement adaptée à l’étude des champs de contraintes dans les composants microélectroniques actuels. Par sa capacité à extraire une cartographie 2D en un seul relevé expérimental, elle devance nettement les autres techniques expérimentales telles que la NBD ou le CBED en terme de simplicité d’utilisation et d’interprétation. La haute résolution obtenue avec des microscopes classiques a longtemps été considérée comme une imagerie de contraste de phase réalisable uniquement à partir d’échantillons d’épaisseurs inférieures à 20 nm en se plaçant à la défocalisation de Scherzer. Dorénavant, avec l’apparition des correcteurs d’aberrations sphériques et l’utilisation de canon à émission de champ (FEG), la haute résolution à défocalisation nulle avec un contraste d’amplitude est devenue possible. L’épaisseur des échantillons n’est plus alors un facteur limitant et des études en haute résolution sur des échantillons approchant la centaine de nanomètres sont maintenant réalisables.

Les échantillons étudiés dans un premier temps ont été de simples couches de silicium contraint sur des substrats virtuels de silicium-germanium. Le but de cette première étude était de définir un protocole de mesure reproductible, applicable, par la suite, à des architectures plus complexes. Il a été mis en évidence la difficulté de réaliser des lames de microscopie par usinage mécanique seul (tripode). Les méthodes d’amincissement finalisées par polissage ionique ou par faisceaux d’ions focalisés ont montré des résultats satisfaisants et reproductibles. Les observations en haute résolution ont permis de quantifier la précision de nos mesures : sensibilité (0,3% moyenné sur 30 nm), exactitude (0,2% moyenné sur 45 nm), précision (0,3%), résolution spatiale (2 nm dans le meilleur des cas). Nos observations répétées sur différentes lames d’un même échantillon ont permis de montrer une bonne cohérence des résultats et une bonne robustesse de la technique dans le temps. De plus, les mesures faites sur différents microscopes ont donné des résultats équivalents. Ces observations préalables ont permis de confirmer la grande capacité de la méthode GPA. Le seul point négatif de la méthode vient de son extrême sensibilité aux variations de contraste. Une mesure fiable ne peut être obtenue que pour une image haute résolution n’ayant pas ou peu de variations de contraste. Celles-ci peuvent avoir différentes origines : changement d’épaisseur, courbure de l’échantillon ou mésalignement de l’échantillon par rapport à l’axe de zone lors de l’observation. Le FIB permet de s’affranchir de ces variations de contraste en réalisant des lames à faces parallèles d’une épaisseur comprise entre 50 et 100 nm.

Nos observations sur les systèmes Si1-xGex/Si, fabriqués au CEA LETI de Grenoble, nous ont conduits à effectuer des simulations par éléments finis pour comprendre et quantifier l’effet de relaxation de lame mince. Une tendance est ressortie de nos simulations et a confirmé nos observations par GPA : la relaxation de la contrainte varie en fonction du

Conclusions et perspectives

142

rapport entre l’épaisseur de la couche épitaxiée (l) et l’épaisseur de la lame mince (t). Une courbe universelle décrivant l’évolution de la déformation dans une couche mince en fonction du rapport t/l a été mise au point pour servir d’abaque et connaître l’état de relaxation en connaissant t et l. Pour des couches dont l’épaisseur oscille entre 5 et 30 nm, nos mesures par GPA s’approchent fortement de la valeur de contrainte dans le cas d’une lame infiniment fine (cas limite des contraintes planes).

Dans la continuité de ce travail, cette thèse s’est portée sur l’étude des déformations dans un transistor avec canal contraint. Les échantillons alors étudiés provenaient de l’IMEC. Les contraintes sont introduites par la source et le drain en Si80Ge20 qui compriment le canal longitudinalement. Les champs de déformations obtenus sont en parfait accord avec les simulations par éléments finis et confirment l’hypothèse d’une contrainte non-uniforme dans le canal. La compression est nettement plus élevée près de la grille et diminue progressivement vers le substrat. La géométrie du composant est en grande partie responsable de l’état de contrainte dans le canal et le rapport entre la longueur du canal et la profondeur des zones de SiGe ressort comme étant le facteur prédominant. La haute résolution couplée à l’analyse des phases géométriques est une véritable avancée concernant les méthodes de mesures de contraintes dans les composants de la microélectronique. Elle permet de quantifier de manière directe les déformations (et donc les contraintes) sans avoir recours à des simulations comme c’est le cas pour l’analyse de clichés obtenus par faisceau convergent. La mesure bien que bruitée a une bonne précision pourvu que l’on puisse moyenner sur une zone suffisamment étendue (au moins 20 nm). La déformation peut être mesurée avec une résolution spatiale de 2 nm et une précision sur la mesure de 0,2%. Néanmoins, il faut noter la forte importance du contraste qui peut amener l’observateur à de mauvaises conclusions sur l’état de contrainte (notamment dans le cas d’inversion de contraste).

En fin de thèse, nous avons développé une nouvelle technique de mesure de déformation basée sur l’holographie en champ sombre. Cette méthode consiste à faire interférer les faisceaux diffractés provenant du substrat et provenant d’une zone déformée. L’hologramme obtenu contient l’information sur l’état de déformation. Ainsi, il a été possible d’obtenir les cartographies de déformations de nombreux systèmes tels que les transistors p-MOSFET (publié dans Nature), des systèmes multicouches ou encore des transistors n-MOSFET avec des sources et drains en SiC (Figure VIII.1). L’avantage principal de l’holographie en champ sombre est son grand champ de vue (beaucoup plus étendu que pour la méthode GPA). Alors que pour l’analyse de phase d’images haute résolution nous étions limités à des champs de vue de 200 nm par 200 nm, en holographie en champ sombre nous pouvons faire des observations allant jusqu’à 2 µm de long et 500 nm de large. Cette méthode d’observation n’a pu être rendue possible que grâce à l’extrême flexibilité du correcteur d’aberrations sphériques qui ajoute les jeux de lentilles TL11-TL12 et TL21-TL22 le long de la colonne, ce qui fait du SACTEM du CEMES un équipement unique au monde pouvant rivaliser avec les microscopes équipés de lentilles de Lorentz. Cette technique est, tout comme l’analyse de phases géométriques, une méthode comparative entre une partie cristalline sous contrainte et un cristal non déformé. Il est donc obligatoire d’avoir, lors des observations, une zone de référence dans l’hologramme. La sensibilité sur la mesure est nettement améliorée par rapport à la GPA, elle atteint aisément 0,05% (pour une intégration sur 80 nm) et la reproductibilité d’un transistor à un autre est excellente (Figure VIII.1) (variation inférieure à 0,03% d’un transistor à un autre) ce qui laisse entrevoir une bonne reproductibilité du procédé de mesure. L’holographie en champ sombre ne nécessite pas des

Conclusions et perspectives

échantillons aussi fins qu’en haute résolution. L’épaisseur de lame optimale se situe aux alentours de 150 nm pour limiter les effets de relaxation et conserver le relâchement des conditions de Bragg propice à une bonne observation sur de grandes zones en condition 2- ondes. Les préparations sont faites par FIB pour avoir des faces parallèles et s’affranchir des franges d’épaisseur présentes avec des échantillons en biseau.

La présence des étages supérieurs du composant microélectronique (oxyde de grille, grille, dépôt métallique en surface) donne une rigidité supérieure à la lamelle en section transverse et diminue considérablement les effets de relaxation de lame mince.

Figure VIII.1 : Mesure de déformations dans des transistors n-MOSFET par holographie en champ sombre

pour une technologie 90 nm.

Cette méthode de mesure a été testée sur plusieurs types d’architectures. Pour des composants SOI (Silicon On Insulator), elle se heurte à l’absence de cristal de référence à proximité de la zone sous contrainte ; celui-ci se trouve sous l’oxyde isolant BOX (Burried Oxide) à une distance avoisinant la taille de recouvrement (250 nm). De plus, les composants SOI sont réalisés par collage de wafers et un léger désalignement entre le composant actif et le substrat est fréquent ce qui rend les conditions de Bragg difficiles à obtenir pour les deux parties cristallines à la fois. L’oxyde enterré est également un obstacle pour l’analyse de phases géométriques en haute résolution. La GPA nécessite alors deux clichés : un de la zone

Conclusions et perspectives

144

de référence et un de la zone déformée sans changer les conditions d’illumination ni la focalisation.

Les observations sur de véritables composants provenant de ST-microeletronics (Figure VIII.2) ont cependant montré qu’il était difficile d’extraire un signal clair sur de petits composants (10 nm). L’impossibilité de pouvoir comparer ces résultats, soit à des simulations soit à des valeurs mesurées par une autre technique, rend leur interprétation d’autant plus délicate.

Figure VIII.2 : Mesures de déformations pour une série de transistors en technologie SOI. Le cristal de

référence se situe à 250 sous l’oxyde enterré. Déformation longitudinale εxx, transversale εzz et rotation R.

A l’avenir, l’holographie en champ sombre deviendra certainement une méthode automatisée et largement utilisée dans le monde de la microélectronique pour le contrôle des dispositifs. Cette méthode va, en partie, remplacer le CBED étant donné sa plus grande facilité d’interprétation et sa capacité à faire de la cartographie 2D. L’utilisation de l’holographie en champ sombre sur des microscopes équipés de canon FEG froid permettra d’avoir une plus grande cohérence et les champs d’observation ainsi que la résolution spatiale en seront d’autant plus grands. L’utilisation de caméra 4k ou 8k sera alors incontournable.

Pour le moment, l’holographie en champ sombre est encore considérée comme une méthode émergente par la communauté scientifique. Sa propagation dans le milieu de la microscopie dépend essentiellement des besoins en contrôle-qualité des grandes firmes des semiconducteurs. Quoi qu’il en soit, ses possibilités sont immenses et sa qualité d’observation surpasse très nettement celle des autres méthodes d’investigations actuelles.

Annexe

Elasticité et équations aux dérivées partielles

ette annexe permet de faire le lien entre la théorie élastique développée dans le chapitre III et le formalisme utilisé par les logiciels de calculs par éléments finis (FEM). Dans une première partie, nous traitons la partie analytique du problème d’épitaxie puis, dans un second temps, nous présentons le logiciel COMSOL Multiphysics avec lequel nous avons fait l’ensemble de nos simulations. Cette deuxième partie se veut volontairement exhaustive pour permettre une réutilisation du code pour traiter les déformations de lame mince pour la microscopie électronique en transmission. Nous présentons ici les différents modèles possibles : modèle 3D d’une lame mince, modèle 2D d’une lame épaisse et modèle 2D d’une lame infiniment fine (contrainte plane).