CARACTÉRISATION PAR HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE ET SIMULATION DU DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI ULTRA-MINCE

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ÉLECTRONIQUE ET SIMULATION DU DOPAGE 2D

SUR SUBSTRAT SOI ULTRA-MINCE

Ailliot Cyril

To cite this version:

Ailliot Cyril.

CARACTÉRISATION PAR HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE ET

SIMU-LATION DU DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI ULTRA-MINCE. Micro et

nanotechnolo-gies/Microélectronique. Université de Grenoble, 2010. Français. �tel-00587918�

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE GRENOBLE

Spécialité nanophysique

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée et soutenue publiquement par

Cyril Ailliot

le 4 novembre 2010

CARACTERISATION PAR HOLOGRAPHIE ELECTRONIQUE ET SIMULATION DU

DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI

ULTRA-MINCE

Thèse dirigée par François Bertin et codirigé par Pierrette Rivallin

JURY

Civilité/Nom/Prénom

Fonction et lieu de la fonction Rôle

Mr François Bertin

Chercheur au LETI (Grenoble)

Directeur de thèse

Mr George Brémond

Professeur à l'INSA Lyon

Examinateur

Mme Karine Masenelli-Varlot

Professeur à l'INSA Lyon

Rapporteur

Mme Daniela Munteanu

Chercheur à l'IM2NP (Marseille) Rapporteur

Mr Ardéchir Pakfar

Ingénieur à STM (Crolles)

Examinateur

Thèse préparée au sein du LETI dans L'école doctorale de physique de l'université Joseph

Abstra t

O-axisele tronholographyisatransmissionele tronmi ros opy(TEM)basedte hnique sensi-tivetothefree arrier on entration.Itenables2Dquantitativemappingoftheele trostati potential withalargeeldofview,and anthereforebe omparedtopro esssimulationmaps.Thepurposeof this PhD(CIFREpartnershipbetweenCEA-LETI andSTMi roele troni s) wasononehandto set aproto olforsamplepreparationandobservationbyholography,andontheotherhandto ompare experimentalresults withTCAD pro esssimulation.

We rst studied the inuen e of instrumental parameters on the signal to noise ratio in holo-graphy,and setoptimisation rules for holography. Then, on elementary samples, we demonstrated the existen e of an ina tive layer and a potential underestimation due to TEM indu ed harges. These ee ts have been observed on both FIB and tripode prepared samples. The ina tive layer is inversely proportional to the dopant on entration, and in rease with the amount of rystalline defe ts indu ed byFIB at dierent energies.

Finally,theknowledgeofthese artefa tsenableda semi-quantitative analysisofthepotential in testingnMOS transistorsonthinsili onlm,anda alibrationofarseni implantation anddiusion insili on. We alsostudied the pra ti al limitations ofholographyfor TCAD alibration.

Résumé

L'holographie éle tronique "o-axis" est une te hnique de MET sensible à la densité lo ale de porteurs, elle permet fa ilement une artographie 2Ddu potentiel éle trostatique et, par sonlarge hampde vue,uneanalysedesprolsdedopantsa tifs,dire tementutilisablespour le alibragedes outils desimulation despro édés.

Les travaux de ette thèse ( onvention CIFRE entre le CEA-LETI etSTMi roele troni s) ont pour objet, d'une part l'établissement de proto oles de préparation des é hantillons, d'a quisition des données en holographie éle tronique, et d'autre part la omparaison entre les résultats de la mesureet euxde lasimulationà l'aidedesoutilsTCAD.

Pour mener ette étude, nousavons, dans un premier temps, étudié l'inuen e des paramètres du MET surla résolution spatiale et leniveau de bruit de l'holographie. Puis, sur desé hantillons élémentaires, nous avons prouvé la présen e d'une ou he ina tive et mis en éviden e les eets de harges induits par le fais eau de mesure. Ces artefa ts ont été observés aussi bien dans les é hantillons préparéspar polissage mé ano- himique que lorsde l'usinage desé hantillons par FIB. Notre étude montre d'une part que la ou he ina tive ristalline induite par les défauts pon tuels générés par ette te hnique est ontrlée par l'énergie du fais eau FIB, et d'autre part, que les harges éle triques de l'é hantillon réent une sous-estimation du potentiel mesuré, inversement proportionnelle àla on entrationde dopants.

Enn, la maitrise des artefa ts de la te hnique nousont permis de ara tériser des transistors 'nMOS'surlmmin ede sili ium,ave ommeobje tifle alibragedel'implantation etladiusion de l'arseni . Leslimitationsd'uneutilisation pratiquede l'holographieéle tronique ont étéétudiées par la omparaison de artographies de potentiel éle trostatique mesurées par ette te hnique et simulées par TCAD.

Remer iements

Jeremer iedansunpremiertempsmesen adrantspourleurpatien eetleursoutient.Je remer- ie don François Bertin, dont la rigueur, aussi bien s ientique que typographique, fut le garant de la qualité de e do ument, ainsi que pour sa disponibilité, d'autant plus appré iée qu'elle est habituellement rare hez un dire teur de thèse. Je remer ie David Cooper pour m'avoir appris à remettre ent fois mon métier sur l'ouvrage, pour m'avoir appris à tomber, me relever, tomber à nouveau,et ainside suite jusqu'à e qu'à obtenir une situation stable. J'ai desremer iements tout parti uliers à adresserà Pierrette Rivallin, pour sonsoutient ex eptionnel, etdont lamotivationet l'énergie ont su suppléer à mes moments de faiblesse. Sans elle, ette thèse aurait été abandonnée depuis bienlongtemps.Mesremer iements également àArdé hirPakfar poursadétermination àla limitedu raisonnable,etses nuits blan hes derele ture en état grippal.

Jenepouvaispartirsansremer ierles équipesave qui j'aipu ollaborer:Leséquipesd'imagerie METetdesimulationTCADdeSTM,ainsiqueleslaboratoiresLCPO etLSCEduCEAGrenoble. Parmi eux, je remer ie en parti ulier Olga Cueto, Roland Pantel, Germain Servanton, et Laurent Clément, ave qui j'ai pu réaliser le travail le plus pointu de ette thèse. Je remer ie également l'ensembles desthésards, post-do s, et autres intermittents de lare her he que j'ai eu le plaisir de toyer pendant ette thèse : un grand mer i don à Maylis, Khaled et ses bons mots, Matthieu, Clément, Olivier, Aude, Mi kael, Madeline, Adeline, Léa, Aurélien, Pierre, Katarina, Emmanuelle, Sébastien, etStéphane.

Un grand mer i également auxpro hes qui m'ont aidé pour e travail : Dhjizette, Lalette, Che-meeze,etmagrand-mère.Surunautreplan, ettethèsen'auraitpaspuaboutirnonplussansl'aide d'Alan Parker, James Hateld, Olivier Delafosse, Daron Malakian, Jim Morisson, Varphola k, et KohbiFahri. Enquelquesmotsnalement :A toutlemonde, àtous mes amis,je vousaime, je dois partir [1℄.

Variables, onstantes, et abréviations

L'ensembledudo umentutiliselesunitésstandarddusystèmeinternational(V,J,m,s,A,et .). Néanmoins, pour desraisons de larté, les appli ations numériques seront parfoisdonnées dansdes unités nonstandard(Å,eV,nm). Lesvaleurssoulignéessontobtenuespourunfais eauéle tronique a éléré à

200

kV,danslesili ium,à température ambiante.

Symbole Nom Unité / Valeur

α

Angle de déviation d'un fais eau par un

bi-prisme

rad

α

0

Coe ient angulaire de déviation d'un

fais- eaupar un biprisme

rad

α

F IB

Angle d'in iden e d'un fais eau FIBsur une

paroi

rad

β

M ET

Demiangle d'unfais eauéle tronique

rad

β

₀

Angle de rotation d'un é hantillon dans un

MET

rad

β

Kurtosisstatistique d'une ourbe variable

γ

Asymétrie statistiqued'une ourbe variable

γ

0

Anglededemiilluminationd'unhologramme

rad

Γ

Coe ient éle trostatique de déviation d'un

fais eaupar un biprisme

rad V

−

₁

Γ

I

Tauxdeformation d'interstitiels par implan-tation ionique

Γ

V

Taux de formation de la unes par

implanta-tion ionique

δ

Résolution spatiale

m

ǫ

₀

Permitivité du vide

8, 85 10

−

₁₂

F m

−

₁

ǫ

Si

Permitivité dansleSili ium

1.035 10

−

10

F m

−

1

ǫ

ox

Permitivité de l'oxyde

F m

−

₁

ϕ(~r)

Phased'une onde

rad

ψ

Distortion dephase danslevide

rad

λ

Longueur d'ondedanslevide

2.51 pm

λ

in

Longueur d'ondedansun matériau

m

λ

lpm

Libre par ours moyen deséle trons

120 nm

λ

inel

Libre par ours moyen inélastique des

éle -trons

150 nm

λ

SCE

Longueurde hargeespa e ara téristiquedu

anal d'undispositif

Symbole Nom Unité / Valeur

µ

Visibilitédesfranges d'interféren e sans unité

ρ

Si

Densité volumique dusili ium

5 10

22

_{at m}

−

₃

ρ

p−n

Résistivité desili ium

Ω m

−

₁

ρ

Charge volumique totale

C m

−

₃

σ

ϕ

Bruitde phase

rad

σ

inel

Se tion e a e d'intéra tioninélastique

m

2

σ

el

Se tion e a e d'intéra tionélastique

m

2

τ

Ga

Si

Taux de pulvérisation du sili ium par le gal-lium

~

ξ

Champ éle trostatique de répartition de

harge

V m

−

₁

A(~r)

Amplitude en holographie

~

A

Potentielve teur magnétique

V s m

−

1

c

Vitesse dela lumièredans levide

2.998 10

8

_{m s}

−

₁

Cs

Coe ient d'aberration hromatique

m

Cs

Coe ient d'aberrationsphérique

m

C

E

Coe ient phase-potentiel

7.29 10

−

₃

rad nm

−

₁

V

C

Ga

(z)

Con entrationFIB degallium

m

−

₃

C

I

(z)

Con entrationFIB d'interstitiels

m

−

3

C

V

(z)

Con entrationFIB dela unes

m

−

₃

d

Si

Paramètre de maille dusili ium

5.341 10

−

₁₀

m

D

Ga

Dose équivalente de gallium

m

−

2

D

Ga

M C

Dose Monte Carlode gallium

m

−

₂

e

Charge de l'éle tron

−1.602 10

−

₁₉

C

E

Energie inétiquedeséle trons balistiques

J

E

0

Energie de masserestante de l'éle tron

8.18 10

−

₁₄

J

E

C

Energie de labande de ondu tion

J

E

f

Energie duniveau de Fermi

J

E

f i

Energie duniveau de Fermiintrinsèque

J

E

V

Energie de labande devalen e

J

f

distan efo ale

m

G

p

Tauxde réationdetroussousfais eauMET

m

−

₃

s

−

₁

G

n

Taux de réation d'éle trons sous fais eau

MET

m

−

₃

s

−

₁

h

Constantede Plan k

6.626 10

−

34

J s

k

Norme duve teur d'onde

rad m

−

1

k

B

Constantede boltzmann

1.30 10

−

₂₃

J K

−

₁

m

0

Masseau reposde l'éle tron

9.109 10

−

₃₁

Symbole Nom Unité / Valeur

N

a

Con entrationde dopants 'p'

m

−

3

N

d

Con entrationde dopants 'n'

m

−

₃

N

c

Densité d'étatsde labande de ondu tion

3.2 10

19

m

−

₃

N

v

Densité d'étatsde labande devalen e

1.8 10

19

m

−

₃

n

i

Con entration intrinsèque desporteurs dans

lesili ium

1.4 10

10

at m

−

3

n

Con entrationd'éle trons

e

−

m

−

₃

p

Con entrationde trous

h

+

_m

−

3

p

m

Quantité de mouvement

kg m s

−

₁

q

Diéren ede ve teursd'ondes

rad m

−

₁

r

bip

Rayondu biprisme

m

R

P

Profondeur moyenne d'implantation,

égale-ment premier moment d'une ourbe

m

R

C

Rayon ara téristique de l'aberration

hro-matique

m

R

sph

Rayon ara téristique de l'aberration

sphé-rique

m

S

1

Sour ese ondaire de référen e

S

2

Sour ese ondaire objet

t

amo

épaisseur amorphe

m

t

ina

épaisseur ina tive ristalline

m

t

ef f

épaisseur e a e

m

t

lim

épaisseur limite d'inuen eéle trostatique

m

T

img

Interfrange rapportéau planimage

m

T

obj

Interfrange rapportéau planobjet

m

V

Tension d'a élération d'unMET

V

V

bip

Potentieldubiprisme

V

V

in

Potentieléle trostatique

V

V

m

Potentielmoyen interne

V

V

0

Composante xe dupotentielmoyen interne

V

V

dop

Composante du potentiel moyen interne lié

au dopage

V

V

mid

Potentielmoyen

V

W

dop

Largeur dedéplétion d'unejon tion

m

W

obj

Largeur d'hologramme rapporté au plan

ob-jet

m

W

img

Largeur d'hologramme rapporté au plan

image

m

x

ch

Position de jon tion himique

m

x

el

Position de jon tion éle trique

m

x

V

M ID

Position du potentielmoyen

m

Z

Numéro atomique onversions

1 eV

1.6 10

−

₁₉

J

1 Å

10

−

10

_m

1 tr

2π rad

Abréviation Signi ation

APT AtomProbe Tomography

BCA Binary Collision Approximation

BIC Boron Interstitial Cluster

BOX Burried OXide

CBED Convergent Beam Ele tronDira tion

CCD CoupledCharge Devi e

CFEG Cold FieldEmissionGun

DIBL Drain Indu ed Barrier Lowering

EELS Ele tronEnergy Loss Spe tros opy

EFM Ele tri For e Mi ros opy

FDSOI FullyDepleted Sili onOn Insulator

FEG FieldEmissionGun

FET FieldEe t Transistor

FIB Fo usedIon Beam

HR HauteRésolution

HRBS Highresolution Rutterford Ba kS attering

IBAD Ion Beam AssistedDeposition

IBAE Ion Beam AssistedEt hing

ITRS InternationalTe hnologyRoadmapforSemi ondu tors

KFM Kelvin For e Mi ros opy

LEAP Lo alele trode Atom Probe

MC Monte Carlo

MEB Mi ros opeEle tronique en Balayage

MEIS Medium Energy IonS attering

MET Mi ros opeEle tronique en Transmission

MIS Metal InsulatorSemi ondu tor

MOS Metal OxideSemi ondu tor

NED Nitridation Enhan ed Diusion

OED OxidationEnhan ed Diusion

PSF Point Spreading Fun tion

SA Sele tion Aperture

SCM S anning Capa itan e Mi ros opy

SIMS Se ondaryEmissionIon Spe tros opy

SNR Signal to NoiseRatio

SOI Sili on OnInsulator

SPM S anning ProbeMi ros opy

SSRM S anning Spreading Resistan eMi ros opy

STEM S anning Transmission Ele tronMi ros opy

TCAD Te hnology Computer Aided Design

TED Transient Enhan ed Diusion

UV Ultra Violet

Introdu tion 9

I Cara térisation et simulation des dopants dans les lms min es 11

I.1 Propriétés desdopantsdansle sili ium . . . 11

I.2 Fon tionnement du transistoretintérêt desar hite tures surlmmin e de sili ium . 12 I.3 Cara térisation 2Ddesdopants . . . 15

I.3.1 La Se ondaryIon MassSpe tros opy(SIMS) . . . 15

I.3.2 La sondeatomique tomographique . . . 16

I.3.3 La Kelvin For eMi ros opy(KFM) . . . 17

I.3.4 La S anning Capa itan e Mi ros opy(SCM) . . . 18

I.3.5 La S anning Spreading Resistan eMi ros opy(SSRM). . . 18

I.3.6 La Mi ros opieEle tronique àBalayage (MEB) . . . 19

I.3.7 Lespertes d'énergie (EELS etEDX) . . . 20

I.3.8 L'Holographie éle tronique. . . 21

I.4 Modèlesde simulationde pro édé . . . 23

I.4.1 Implantation ionique . . . 23

I.4.2 Diusiondesdopants. . . 25

I.4.3 Comportement auxinterfa es . . . 29

I.5 Cara térisation desdopantsetsimulation numérique . . . 32

I.6 Con lusion:l'holographie éle tronique pour assisterla simulation numérique. . . 33

II Holographie éle tronique "o-axis" 34 II.1 Physique del'holographie . . . 34

II.1.1 Formation de l'hologramme par l'expérien edes fentes de Young . . . 34

II.1.2 Sensibilité de laphased'uneonde au potentiel éle trostatique . . . 41

II.1.3 Formation de potentiel dansunejon tion p-n . . . 42

II.2 L'holographie éle tronique"o axis"enmi ros opie éle tronique en transmission . . 48

II.2.1 Inuen edespropriétés dufais eauéle tronique surlesperforman es de l'ho-lographie . . . 49

II.2.2 Manifestationd'artefa tsinduits par l'é hantillon . . . 53

II.2.3 Implémentation optiquede l'holographieen mi ros opie éle tronique . . . 55

II.3 Résolution spatiale etbruiten holographie éle tronique. . . 59

II.3.1 Analyse statistiquedubruit en holographie . . . 59

II.3.2 Inuen edu potentiel dubiprisme . . . 61

II.3.3 Inuen ede l'intensité dufais eau . . . 62

II.3.4 Inuen edu temps d'a quisition . . . 63

IIIPréparation d'é hantillons et holographie éle tronique 67

III.1Préparation d'é hantillon . . . 67

III.1.1 La préparation d'é hantillons par fais eaud'ions . . . 67

III.1.2 La préparation d'é hantillons par polissage tripode . . . 70

III.2Simulationduprol de défautsetde gallium lors delagravure ionique . . . 73

III.3Stratégie d'exploitationd'é hantillons . . . 78

III.3.1 Cal ul d'épaisseurdu sili iumdans l'é hantillon . . . 79

III.3.2 Cal ul desaut de potentiel . . . 81

III.4Etude deseets de hargesuré hantillons préparéspar tripode . . . 85

III.5Inuen edesdéfauts pon tuelssurfa iquesen holographie . . . 94

III.6Con lusion:perpe tivesd'appli ation de l'holographie auxtransistors surlm. . . . 96

IVCara térisation et simulation de dispositifssur lm de sili ium 99 IV.1 Etude de dispositifs de test par simulation etholographie . . . 99

IV.1.1 Présentation desdispositifsde test . . . 99

IV.1.2 Le potentieléle trostatique pour ara tériser un transistor . . . 101

IV.1.3 Cara térisation de dispositifs de testpar holographie éle tronique . . . 105

IV.2 Etude omplète d'untransistor réelpar Ele tronEnergy LossSpe tros opy, hologra-phie, etsimulation . . . 110

IV.2.1 Présentation dudispositif . . . 110

IV.2.2 Résultats . . . 113

IV.3 Con lusion:étude dedispositifs surlm . . . 116

Con lusion 118

ANNEXES 136

A : Modèlede formation de défauts par FIB 136

B : Transistors de test As_1,As_2, et As_3. 141

La rédu tion de la taille des omposants de la mi roéle tronique et l'émergen e de nouvelles ar hite tures induisentd'unepartlané essitéde alibrerlesmodèlesdediusiondedopantsutilisés dans les simulateurs de pro édés de fabri ation et, d'autre part, un besoin de ara térisation 2D spatialement résolue(<nm)etquantitative dela densitélo aledesporteurs.

L'holographie éle tronique "o-axis" est une des te hniques de MET 1

répondant partiellement à e besoin. En eet, ette te hnique étant sensible à la densité lo ale de porteurs, elle permet fa ilement le délinéament d'une jon tion. De plus, ette te hnique possède un large hamp de vue permettant des artographies 2Ddupotentieléle trostatique surun dispositif entier.

Lestravauxde ettethèseontpourobje tifd'unepartl'établissementdeproto olesdepréparation desé hantillons,d'a quisitiondesdonnéesenholographieéle tronique,etd'autre partla omparai-son entre les résultats expérimentaux et eux simulés à l'aide des outils TCAD

2

(SPROCESS de

SYNOPSYS).Enn,les limitesdel'holographie éle tronique ommeoutil d'aideàlasimulationdes pro édés sont évaluées.

Parmilesdispositifsdelami ro-éle tronique,nousavonsétudiédestransistorsfabriquésdansdes lms min esde sili iumsuroxydeenterré(ou transistorSOI

3

).Cetypedesubtrat onstitueunaxe important de re her he etdéveloppement dansl'industrie des semi- ondu teurs.

Dansle premier hapitre, noussituons l'holographie éle tronique par rapport à l'état de l'arten matière de mesure desdopants. Les ritères retenus pour omparerles diérentes te hniques sont : leur résolution spatiale,leur sensibilitéet leur dynamiquede mesure. Notons que este hniques se lassententrois atégories, ellesquisontsensiblesàla on entrationdesdopants(SIMSoul'APT), elles qui analysent la densité de porteurs (SSRM, SCM) et elles qui sont sensibles au travail de sortieouaupotentieléle trostatique(KFM,Holographieéle tronique).Nousdé rivonségalementles modèlesdesimulationdepro édésutiliséslors denostravauxetl'étatdel'artrelatifàl'asso iation de la ara térisation physi o- himique à lasimulation TCAD.

Dansle se ond hapitre, nousdétaillons l'holographieéle tronique etles traitements numériques à appliqueràunhologramme demanièreàobtenir une artographie dupotentiel. Lesperforman es ultimes delate hniquepourlamesurededopantssontévaluées.Enpratiquelesperforman estelles quelalimitederésolution spatiale etlasensibilitésont xéespardesfa teursinstrumentaux.Nous montrerons omment hoisir es paramètres instrumentaux de manière à optimiser la qualité des hologrammes.

1 . Mi ros opie Ele tronique en Transmission. L'a ronyme est également utilisé pour l'appareil : le Mi ros ope Ele troniqueenTransmission

2 . Te hnologyComputerAidedDesign 3 . Sili onOnInsulator

Dansletroisième hapitre,nousétudionsl'inuen edelapréparationd'é hantillons surdes jon -tions p-n réalisées par épitaxie.Dans unpremier temps, l'inuen ede la réation de harges réées parlefais eauéle troniqueestétudiéedansdesé hantillonspréparésparpolissagemé ano- himique. Dans un deuxième temps, nous étudions l'inuen e de lapréparation de lamelles par FIB

4 sur la qualitédesmesuresparholographieéle tronique.LeFIBest onnupourgénérerune ou heamorphe et une ou he ina tive. Nous proposons un modèle de génération de défauts introduits par la pré-paration FIB. Enn, nous her hons à reproduire par simulation les résultats expérimentaux en prenant en onsidération les défauts générés lors de la préparation d'é hantillons et les problèmes liésà l'a umulation des harges induitespendant lamesure par fais eaud'éle tron duMET.

Lequatrième hapitre débute par l'étudede l'implantation etladiusionde l'arseni , undopant de typen,dansdestransistorsde testsurlmmin e (

30

nm). Plusieursparamètres d'implantation (énergie, dose) ont été utilisés. Nous avons préparé nos é hantillons par FIB à basse énergie (5 keV),en utilisant unete hnique de gravureenfa earrière. Nousavonsprivilégiél'observation dela positionde la jon tion par rapportà l'évaluation dela on entration dedopage. Dans estravaux, la simulation de potentiel éle trostatique s'appuie sur une simulation TCAD de la répartition de dopants, puis sur la résolution des équations permettant d'obtenir la répartition des porteurs de harge. En se onde partie de e hapitre, nous utilisonsles résultats des hapitres pré édents pour analyser un transistor long (

60

nm de largeur de grille) sur un lm de

8

nm de sili ium. Nous l'observons onjointement en holographie et par EELS

5

, une te hnique de MET permettant une artographie himique

6

, puis nous omparons les artographie obtenues à la simulation TCAD. Cetteétudepermetd'illustrerparun asréell'apportdel'EELSetdel'holographieàla alibration desoutils de simulation.

4 . Fo usedIonBeam

5 . Ele tronEnergyLossSpe tros opy

Cara térisation et simulation des

dopants dans les lms min es

I.1 Propriétés des dopants dans le sili ium

Une propriétéimportante dessemi- ondu teurs onsiste enla possibilitéde modier d'unepart leur résistivité, et d'autre part leur type (n ou p) en in orporant dans leur matri e des impuretés nommées dopants. La onguration éle tronique du sili ium est

[N e]3s

2

_3p

2

. En formant

4

liaisons ovalentes dans un système tétraédrique, les atomes de sili ium saturent leur ou he éle tronique externe (gure (I.1)(a)). L'agen ement régulier de es tétraèdres résulte en une stru ture de type diamant.

Lesdopants sont desatomesayant un éle tronde plusquele sili ium(dopants detype n) ou un éle tronde moinsquelesili ium(dopant detypep).Lephosphore,l'arseni et l'antimoine sontdes dopants de type n. Ces impuretés donneuses, de on entration

N

d

, introduisent un éle tron libre

e

−

pouvant parti iper à la ondu tion du ourant, omme illustré dans la gure (I.1). Le bore et le gallium sont desimpuretés a epteuses de on entration

N

a

. Cesont des dopantsde type p,qui piègent un éle tron du ristal. Ce manque rée un porteur dénommé trou et noté

h

+

qui permet également la ondu tion du ourant. Seuls les dopants en site substitutionnel sont a tifs, ar ils partagent leurs éle trons de valen e ave la matri e.Un dopant en site interstitiel (gure (I.1)(b)) est éle triquement ina tif.

FigureI.1S hémad'uneimpuretédopantedetypen ensitea tif(a)etina tif(b),danslesili ium. Enpositionsubstitutionnelle,l'impuretépartageseséle tronsdevalen e,introduisantdesmodi ations destru tureéle tronique.Ensiteina tif,ledopantn'apasd'eetsurlastru turedebande.

Ledopagedessemi- ondu teursestréaliséa tuellementparimplantationionique,suivid'unre uit d'a tivation. Le re uit d'a tivation a pour obje tif de pla er les dopants en site substitutionnel et de guérir les défautsd'implantation.

I.2 Fon tionnement du transistor et intérêt des ar hite tures sur

lm min e de sili ium

FigureI.2S hémas(*.1)etdiagrammesdebandesd'énergie(*.2)detransistorà anallong(a)età anal ourt(b).L'étenduedelazonede harged'espa edudrainet delasour eintroduit une ourbure de bande ara tériséeparleparamètre

λ

SCE

.Cettedistan e déterminelalongueurde analminimale au-delàdelaquelle leseetsde anal ourtet d'abaissementdelabarrièredepotentielsemanifestent, ommelemontrela omparaisonentre lesdiagrammes d'énergiedutransistorlong(a)etdutransistor ourt(b).

Le fon tionnement éle tronique d'un transistor nMOS est s hématisé dans la gure (I.2). Le dopage du anal rée une barrière de potentiel pour les éle trons du drain et de la sour e. Un ontrle éle trostatique de lagrillepermetdebaisser ette barrièrejusqu'àrendre le analpassant.

La ara téristique prin ipale d'untransistorestsalongueur degrille,qui détermine l'espa ement entre les zones de dopagede sour e et de drain. Or, ommeillustré sur la gure (I.2), lalongueur ee tive du anal peut être diérente de la longueur entre les deux jon tions p-n du transistor. Désignons parleterme "jon tion himique"lepoint dejuxtapositiond'unerégiondopée p etd'une région dopée n.Comme nousledétaillerons dans ledernier hapitre, l'é art entre les jon tions hi-miquesnereprésentepasdire tementlalongueuree tivedu anal.Lalongueuree tiveestfon tion desprols de dopantsetde l'ar hite ture du dispositifetdétermine le omportement éle trique du transistor.

Dans un transistor, le hamp éle trostatique latéral de la sour e et du drain se manifeste sur unedistan e ara téristique

λ

SCE

1

,lalongueurdedéplétion ara téristiqued'undispositif.Comme illustré dansla gure (I.2)(b), dansles anaux ourts (

L

C

<

10 × λ

SCE

) [2℄, la ourbure de bande latérale de haque oté du anal abaisse la barrière de potentiel dans le anal

2

. La miniaturisa-tion des dispositifs, de génération en génération, a été possible grâ e à de nombreuses innovations te hnologiques[3℄,dont lessubstrats SOI.

L'utilisationd'unlmdesili ium isoléd'épaisseur

Ep

Si

modiel'expressiondelalongueur ara -téristique d'undispositifetpermetainside ontrler leDIBL

2 .Eneet [2℄ :

λ

SCE

=

r ǫ

Si

ǫ

ox

Ep

Si

Ep

ox

,

(I.1)

où

ǫ

Si

et

ǫ

ox

sont respe tivement lapermittivité danslesili ium etdansl'oxyde desili ium(

SiO

2

),

Ep

ox

l'épaisseur de l'oxyde de grille et

Ep

Si

l'épaisseur du lm de sili ium (voir gure (I.3)(b)). L'ajout d'unoxyde enterré permet de onner lasour e etle drain et améliore le ontrle éle tro-statiquede lagrille.

Grâ e au meilleur ontrle éle trostatique, les dispositifs SOI sont plus rapides à même tension d'alimentation.Late hnologieestadaptéeauxappli ationshautesfréquen es(gainde

30%

detemps de ommutation), ouauxappli ations àbasse onsommation (baissede

50%

de puissan edissipée) moyennant unsa ri edu temps de ommutation ontre une tensionplusfaible [4℄.

Lesdispositifs SOIprésentent d'autresavantages.

 Par rapportàdesMOSsursubstratmassif,oùles dispositifssonttous onne tésausubstrat, le SOI apporte la possibilité d'isoler haque transistor réduisant les ourants de fuite et la onsommation éle trique[5℄.

 Grâ eàlaprésen edel'oxydeen fa earrière, lesdispositifssont également résistantsà l'irra-diation[6℄, equia motivé l'utilisationduSOIenpremier lieupour lesappli ationsspatiales.  Grâ eàlate hnologie smart ut

[7℄,le oûtdeprodu tion dusubstratSOIàl'é helle indus-trielleestréduit,lestransistors FDSOI

3

sont utilisésdanslesappli ationsde grande onsom-mation.

Figure I.3 Comparaisonentreuntransistorsur substratmassif(a) etuntransistorsur lmmin e desili ium(b).L'utilisationdel'ar hite turesSOI onnele analde ondu tionetpermetunmeilleur ontrleéle trostatique[2℄.

1 .

λ

SCE

estunemesuredelalongueurde harged'espa elatérale delasour eetdu draindansunle anal,issu delarésolutiondeséquationsdePoissondansle anal,dontle al ulexa testdétaillédans[2℄

2 . DIBL:DrainIndu edBarrierLowering 3 . FullyDepletedSili onOnInsulator

DanslestransistorsFDSOI,lesjon tionss'étendent verti alement entrel'oxydeenterréetl'oxyde de grille etl'intégralité du anal est une zone de déplétion. Il n'y a don , au repos, au un porteur dansle anal.Dansuntransistorstandard,unpotentielpermetd'aborddeviderlazonesouslagrille desporteursmajoritaires, puisd'inverser lapopulationpour réer un anal. LesFDSOIétant vides initialement, ils réagissent àun potentielplusfaible. Il estparfois né essaire, par ontre, d'imposer un voltage opposépour garder un anal fermé.

La simulation physique des stru tures SOI doit prendre en ompte plusieurs eets innovants inuançant la diusion des dopants : les dimensions réduites du anal exigent un ranement des modèles de diusion et la présen e de l'oxyde enterré

4

introduit des phénomènes de diusion à l'interfa e Si-SiO

2

. De plus, la diusion des dopants à travers les interfa es inuen e la diusion latéraledeszonesa tivessour eetdrainetlalongueur ee tivedu anal.Cesphénomènesmontrent l'importan e d'unevisualisation 2Ddesdopants.

Lestransistors étudiésdans ette thèseprésentent les propriétés suivantes:  une épaisseur delm de sili iumentre

5

nmet

30

nm,

 deslongueursde anal

>

50

nm,  desniveauxde dopagede

10

15

at. m

−

3

à

10

21

at. m

−

3

,

Nousétudieronségalementdesdiodesp-n ave des on entrations dedopantsentre

10

17

at. m

−

₃

et

10

19

at. m

−

₃

.

I.3 Cara térisation 2D des dopants

Les diérentes te hniques de ara térisation 2D de dopants existantes doivent être estimées en fon tion de leur résolution spatiale et de leur dynamique de mesure des on entrations. Des onsidérations pratiques omme le pla ement pré is de la zone de mesure, le hamp de vue et le temps depréparationsont égalementàprendreen ompte.Enn,leste hniquessedistinguententre elles qui mesurent la on entration himique et elles qui mesurent la on entration de dopants a tivés.

I.3.1 La Se ondary Ion Mass Spe tros opy (SIMS)

La SIMS onsiste à pulvériser la surfa e d'un é hantillon à l'aide d'un fais eau d'ions primaires (gure (I.4)(a)), puis à analyser les ions se ondairesproduits par l'impa t [8℄.La on entrationen profondeur d'une espè e orrespond au rapport entre les ions se ondaires ara téristiques de et atome évalué et les ions se ondaires ara téristiques de la matri e. La sensibilité limite de ette te hniqueest inférieure à

10

15

at. m

−

₃

[9 ℄,par exemple, lors del'analyse duboredansdusili ium.

En pratique, la SIMS permet de déterminer les prols de dopants dans le sili ium ave une re-produ tibilité de l'ordre de

1%

[10, 11℄. Le diamètre du fais eau primaire est de quelques

µ

m, la zone balayée ayant quant àelle une taille inférieure à

200 × 200 µ

m

2

.Destailles defais eaux aussi faibles que

50

nm

× 50

nmetde

100

nm

× 100

nmont étéobtenuesrespe tivement pour des ions primaires

Cs

+

[12℄etpourdesionsprimaires

O

+

2

[13℄.LaSIMSest,grâ eàsasensibilitéetsagrande dynamique, une te hnique in ontournable pour les mesures de prol de dopant dans des zones de test dédiées.

Lors de l'impa t des ions primaires, des atomes de l'é hantillon sont repoussés dans le volume induisant un mixage ollisionel des espè es. Ce mélange détermine, in ne, la limite physique de la résolution en profondeur de la SIMS[14℄ qui varie ave l'énergieet lanature desions primaires. Les ions

O

+

2

et

Cs

+

sont les plus ouramment utilisés. A basse énergie, ils ont permis d'atteindre, sur des ou hes de SiGe épitaxiées sur Si, des résolutions de

1

à

2

nm (

O

+

2

à

150

eV [15 ℄,

Cs

+

à

500

eV [16, 17, 18℄).Des résolutionssimilaires ont étéobtenues pour lamesurede la on entration du bore[19 ℄ etde l'arseni [20℄ dansle sili ium.Toutefois, lavariation de lavitessed'abrasion lors des premières ou hes pulvérisées introduit une in ertitude sur lalo alisation des dopants dansles premiers nanomètres duprol. Ceté art est ritiquepour la ara térisationdesjon tionsultranes et, bien qu'il puisse être réduit [21 ℄, des te hniques omplémentaires de telles que la MEIS

5 ou le HRBS

6

peuvent êtreutilisées [22, 23 ,24℄.

Une solution possible pour améliorer larésolution de la SIMS onsiste à s'aran hir du fais eau primaire soitpar pulvérisationlaser(te hniquemiseen÷uvredanslasondeatomique[25℄) soitpar réa tion himique assistéepar fais eaud'éle trons.Cettedernièresolution, nomméeSIMSàénergie nulle[26 ℄,permetenprin iped'obtenirlarésolutionatomiqueenprofondeuretunerésolutionlatérale de

2 − 3

nm. La résolution latérale est xée par la taille du fais eauéle tronique. Cettete hnique, en ore en développement, a permis de ara tériser le bore ave une résolution en profondeur de

1, 5

nm[26, 27 ℄.

5 . MediumEnergyIonS attering 6 . HighResolutionBa kS attering

Figure I.4 S hémade prin ipedelaSIMS(a)et de lasondeatomique(b). EnSIMS, unfais eau d'ionsprimaireestdirigésurl'é hantillon,dontilpulvériselasurfa e.Unspe tromètredemasseanalyse lesatomespulvérisés(substrat,espè es himiquesdufais eau,impuretésdopantes)etfournit lamesure de la on entration en profondeur des espè es himiquesde l'é hantillon. L'atome probe pulvérise les atomesparmono ou heatomique, equi luidonneunerésolution atomiqueenprofondeur(z).L'é ran olle teurre ueillelaposition(x,y)desatomesave unerésolution

<

0, 5

nmetleurtempsdevol(t.o.f: time of ight), permettantla dis rimination des espè es himiqueset une grande sensibilité himique [28℄

.

I.3.2 La sonde atomique tomographique

Une sonde atomique tomographique est un mi ros ope analytique fournissant des images tridi-mensionnelles d'unvolume ave une résolution atomique [29 , 30, 31℄. La sondeatomique peut être assimilée à un mi ros ope à proje tion basé surlaphysique de l'eet de hamp etlaspe trométrie demasseàtemps devol.La sondeatomique tomographiqueestunesondeatomique lassiquedotée d'undéte teur spatial2D[32 , 33 ℄.

Le s hémade prin ipe est présentésurla gure(I.4). L'é hantillon estpréparé sous forme d'une pointe ave un rayon de ourbure d'apex inférieur à

50

nm. Les atomes en surfa e de la pointe sont "évaporés" sous la forme d'ions positifs

n

fois hargés grâ e à la superposition d'impulsions éle triques(

1

ns)à un potentieléle trique positif ontinu deplusieurs kV.

Lanature himiquedesionsestidentiéeparunspe tromètredemasseàtempsdevol(mesuredu tempsdevoldel'ionentrelapointeetledéte teur).Lapositionlatéraledel'ionestdéterminéeà par-tir des oordonnées desonimpa tsurun multidéte teurspatial. L'é hantillonétant évaporé ou he atomique par ou he atomique, l'étudeen profondeur permet une re onstru tion tridimensionnelle de la matière évaporée. L'amélioration des performan es des déte teurs [34 ℄ et spe tromètres de

masse[35 ℄permetdedéte ter

60%

desatomesévaporésetd'atteindreune résolutionenmasse

∆M

M

Denombreuxmétauxontpuêtreanalysésparsondeatomiquetomographique lassiquetelqu'une atmosphère de Cottrell[36 ℄,desmulti ou hes magnétiques[37℄. Enrevan he,les matériaux présen-tant une résistivité de l'ordre de quelques

Ω×

m(mauvais ondu teursde l'éle tri ité)ne sont plus analysables par une sonde utilisant des impulsions éle triques. Des études ont montré que le sili- iumfortementdopés'évaporesousimpulsionséle triquesmaislarésolution enmasseestfortement dégradée.

L'analyse de mauvais ondu teurs [38 , 39℄ (semi- ondu teurs et isolants) a été rendue possible grâ e àl'émergen e delasonde laser[40,28 ℄. Dans e as, l'évaporation desions n'est plusassistée pardesimpulsionséle triquesmaispardesimpulsionslaserdetrès ourtedurée(

500

fs).Dans e as, l'augmentation de température permet aux atomes de quitter la surfa e. Les résolutions latérales, en profondeur et en masse sont respe tivement de

0, 3

nm,

0, 1

nm et de

300

à

10%

. Ainsi, du sili ium intrinsèque derésistivité élevée (

10

4

_Ω×

m)a puêtre analysé.Ave l'apparition desondes grand angle permettant d'obtenir des hamps de vue et des profondeurs d'analyse respe tivement de

180

nmet

300

nm(dépend du rayon de ourbure de la pointe), les limites de déte tion debore etde phosphore ont augmentéetlasensibilitépeutatteindre

2 × 10

18

at. m

−

₃

.

Toute la di ulté de ette te hnique réside dans la préparation d'é hantillons sous forme de pointes. En mi roéle tronique, les pointes sont généralement préparées par fais eaud'ions gallium fo alisésetsontobtenuesendeuxétapes.Dansunpremiertemps,l'é hantillonàanalyserestprélevé de l'é hantillon d'origine puis ollé sur "un support" de sonde atomique. Dans un se ond temps, on impose au FIB de balayer l'intérieur d'un masque annulaire de diamètre interne dégréssif an d'obtenir une pointe dont lerayon de ourbure est inférieurà

50

nm.

I.3.3 La Kelvin For e Mi ros opy (KFM)

LeKFMestunete hniquedemi ros opieàsondelo aleopérantenmodeos illant.Sonprin ipe est inspiré de elui de la sonde de Kelvin [41 ℄, il permet de mesurer la diéren e entre le travail de sortie d'une éle trode de référen e et elui du matériau à analyser. L'implémentation des deux méthodesesttoutefois diérente. En modeKFM, lepotentiel

U

(t) = U

dc

+ U

ac

sin(ω × t)

(I.2)

estappliquéentrelapointeetl'é hantillon.Ilestaisédes'assurerquelavibrationinduiteparlafor e

éle trostatique

F

=

1

2

dC

dz

U

2

s'annule lorsque le potentiel

U

dc

est égal à la diéren e de potentiel

(φ

pointe

− φ

ech

)

e

entre lapointe etl'é hantillon. Lorsqu'on travailledansdes onditions normalesde températureetdepression,lasensibilitéde ettete hnique estdel'ordrede

10

meVetsarésolution spatiale est ompriseentre

50

et

100

nm.

Idéalement,letravail desortied'unsemi- ondu teur varie demanière logarithmiqueave le taux dopageN,soit :

φ

sc

= χ

sc

+

E

G

2

+

−

k

B

T

log(

N

n

i

)

(I.3)

où

χ

sc

,

E

G

,

n

i

, représentent respe tivement l'anité éle tronique, la valeur de la bande interdite etla on entration intrinsèquedeporteursdusemi- ondu teur. Atempératureambianteetpour le sili ium,nousavons:

χ

sc

= 4, 05

eV,

E

G

= 1, 12

eVet

n

i

= 1, 4 × 10

10

m

−

₃

.Dans larelation(I.3), le signe moinsouplus està utiliser respe tivement pour un semi- ondu teur de type n ou p.Cette relationexpliquelasensibilitétrèsmédio reaudopage.Eneet,danslesili ium,unevariationd'une

dé ade de on entration de dopants a tifsinduit une variation de 100 meV du travail de sortie. Il est important de noterque larelation(I.3) neprendpasen onsidérationlaprésen ede diples et, éventuellement, de hargeà lasurfa e dusemi- ondu teur. L'origine de es diples peut être due à la ourbure debande,àlaprésen ed'oxyde ouen ore d'espè es adsorbées. Toutefois, ilestpossible d'améliorer lasensibilité, larésolution spatiale et lareprodu tibilité de ette te hnique en opérant sous ultravide et en préparant spé iquement lasurfa e [42 , 43℄. Malgré ses limitations, la KFM a été utilisée pour ara tériser, ave une dynamique de

5

dé ades (de

10

15

at. m

−

₃

à

10

20

at. m

−

₃

) des on entrationsde dopantsdansdessemi- ondu teurs III-V[43 ,44℄ et danslesili ium [45,46℄

I.3.4 La S anning Capa itan e Mi ros opy (SCM)

LaSCMestunete hniquedemi ros opieàsondelo aleopérantenmode onta tetpermettantla

mesurespatialement résoluedela apa itédiérentielle

∆C

∆U

entrelapointeetl'é hantillonanalysé. Dans e mode, une apa ité MIS (Metal-Insulator-Semi ondu tor) est onstituée de la manière suivante:l'armaturemétalliquesupérieureestforméeparlapointe(ensili ium re ouvertedemétal Au,PtIr,WoudegrainsdediamantdopésB)etl'isolant(SiO

2

)estdéposésurlesemi- ondu teurqui onstitue l'armatureinférieure. Demanièreà xerun point de fon tionnement surla ourbe

C(U )

, la apa itéMISestpolarisée enappliquant unetension

U

dc

àlapointe.Unetensiondemodulation,

∆U cos(ωt)

,estsuperposéeàlatension ontinue

U

dc

.Uneinstrumentationdédiéepermetdemesurer la apa itédiérentielle

∆C

∆U

.Cette apa itédiérentielledépenddutauxdedopage(elleaugmente lorsquela on entrationdudopagediminue),lesignede ette apa itédiérentielle dépend dutype de dopage (p ou n). En pratique,il est possible demesurer des on entrations de dopant ave une dynamiquedesixdé ades(de

10

15

at. m

−

3

à

10

21

at. m

−

3

)[45,47℄.Lorsd'uneutilisationstandard, la résolution spatiale de laSCMest de l'ordrede quelquesdizaines de nanomètres. L'utilisationde ourbes de alibrage obtenues sur des é hantillons témoins, préalablement ara térisés par SIMS, permet,en prin ipe,de rendre laSCMsemi-quantitative.

Si ette te hnique est relativement aisée à mettre en ÷uvre, elle reste soumise à de nombreux artéfa ts. En eet, la tension de polarisation

U

dc

dépla e la position des jon tions [48℄ l'inje tion, en ours de mesure, de harges dans l'oxyde onduit à un omportement hystérétique des ourbes

C(U )

[49℄, laqualité etlevieillissement desoxydes doivent être maîtrisés pour éviterla génération de harges xes,de ourantsde fuiteetde entres de re ombinaison deporteurs[50 , 51 ℄.

I.3.5 La S anning Spreading Resistan e Mi ros opy (SSRM)

LaSSRMestunete hniquedemi ros opieàsondelo aleopérantenmode onta tetpermettant lamesurespatialement résoluede larésistan e de onta t entre lapointede mesureetl'é hantillon analysé. Le prin ipe de ette te hnique (gure (I.5)) onsiste à appliquer une tension ontinue

U

(

0 < U < 10

V)entre la pointe etlafa e arrièrede l'é hantillon à analyser.La mesuredu ourant ainsi généré (

50

pA

< I <

0, 1

mA) permetd'obtenir la résistan ed'étalement

R

=

U

I

.Pour le as d'un onta t ohmique entre une pointe de résistivité nulle et un substrat semi-inni de résistivité

ρ

p−n

uniforme, lavaleurde larésistan ede onta test égaleà :

R

=

ρ

p−n

4a

(I.4)

où

a

représente lerayondel'aire de onta tsupposée ir ulaire. Ennotant

N

et

µ

Si

respe tivement la on entrationde porteurset leurmobilité, larésistivité d'unmatériau s'é rit :

ρ

p−n

=

1

N eµ

Si

Figure I.5 S hémadeprin ipedelaSSRM

En portant l'équation(I.4) dansl'équation(I.5),etennégligeant ladépendan ede lamobilitéave le taux de dopage, on onstate que la résistan e de onta t varie omme l'inverse de la densité de porteurs e qui onfère à la SSRM une dynamique de mesure omprise entre

10

15

at. m

−

₃

et

10

20

at. m

−

3

. La limite supérieure est xée par larésistan e résiduelle des pointes (

≃ 10

k

Ω

). En réalité, la mobilité des porteurs dépend du taux de dopage, elle diminue lorsque la on entration de dopant augmente; ette dépendan edoitêtre prise en onsidération pour traduireles valeursde résistan es d'étalement en desvaleursde on entrationde dopant.

Pour artographier la répartition de dopage dans du sili ium, on utilise des pointes en sili ium re ouvertes de grains de diamant et dopés par du bore. Des for es aussi importantes que

1 µ

N sont appliquées à la pointe résultant en des pressions de onta t supérieures à

10

GPa. Dans es onditions, une résolution spatiale de

1

nm a été démontrée [52℄.Comme laSCM, ette te hnique peutêtrerenduesemi-quantitativeenutilisantdes ourbesde alibrageobtenuessurdesé hantillons témoins,préalablement ara térisésparSIMS[53 ℄.Lesé hantillonssontpréparéssoitpar livage,soit par polissage mé ano- himique, arlesrugosités RMSrésiduelles doivent êtreinférieuresàquelques Angströms.

Ré emment ila étémontré qu'en travaillant sous vide (

10

−

₄

Pa), il est possible de réduire d'un fa teur 10 la pression de onta t et d'améliorer ainsi la reprodu tibilité de lamesure [54℄. En mi- roéle tronique,laSSRM est adaptéeau développement dun÷ud te hnologique 32 nm[55 ℄ et à la ara térisation desFinFet[56 , 57℄.

I.3.6 La Mi ros opie Ele tronique à Balayage (MEB)

La mi ros opie éle tronique à balayage onsiste à balayer la surfa e d'un é hantillon ave une sonde éle tronique de petitetaille (dans unHITASHI

5005

, le diamètre du fais eau est de

400

pm à

30

keV) et à analyser les éle trons se ondaires ou rétrodiusés. Les éle trons se ondaires sont re ueillis par un déte teur d'angle solide

Ω

.Le ourant

I

d

d'éle trons se ondaires ainsi généré est égal à:

I

d

= I

0

Z

E

M AX

0

dE

k

Z

Ω

∂

2

δ

∂E

k

∂Ω

dω

(I.6)

où nous avons noté

I

0

le ourant du fais eausonde,

E

M AX

l'énergiemaximumdes éle trons rétro-diusés (

E

M AX

≃ 50

eV), et

δ

lerendement d'émission.Lerendement d'émission dépendde l'angle azimutal, de l'énergie

E

k

des éle trons se ondaires, du matériau et de sontravail de sortie... Dans

le as des semi- ondu teurs, omme le montre la relation (I.3), le travail de sortie dépend de la on entrationetdu type de dopage,de la ourbure de bande,etde la ontamination de surfa e.

Ledopage nonuniformed'unsemi- ondu teur résulteen destransfertsde harges an derendre onstant le potentiel himique dans le matériau. Dans e as, le niveau lo al du vide n'est pas uniforme et un hamp éle trique est réé. Ce hamp éle trique altère l'énergie et les traje toires des éle trons se ondaires, e i peut rendre di ile l'interprétation du ontraste. La MEB permet une ara térisation rapide et aisée de se tions droites livées. La dynamique de ette te hnique est omprise entre

10

15

at. m

−

₃

et

10

21

at. m

−

₃

,etsarésolution spatialeest de l'ordrede

2

nm. Malheureusement, ette te hnique soure de nombreux défauts. En eet, la génération par le fais eaud'analysed'une ontamination arbonéedégradele ontraste.Cette ontaminationpeutêtre limitéeparuntraitementpréalabledesé hantillonsparunplasmad'oxygène.Deplus,l'a umulation de harges dansles matériauxisolants(espa eurs etoxydesenterrés) dégrade larésolution spatiale du MEB. Enn la préparation d'é hantillons par livage ondamne l'observation des dispositifs issus desn÷udste hnologiques

40

nmetau delà. Notons également, qu'aujourd'hui, il n'existepas d'algorithmes ablespermettant la onversion du ontrastede l'image en on entration dedopage.

I.3.7 Les pertes d'énergie (EELS et EDX)

Latailledelasondeéle troniqued'unSTEMatteintaujourd'huiunetailleaussifaibleque

47

pm en utilisant un orre teur d'aberration sphérique surle fais eausonde. Cettenano-sonde peut être mise à prot pour ara tériser la distribution de dopant dans un dispositif en utilisant les modes d'a quisition dits d'analyse himique. Ces modes sont basés sur la perte d'énergie que peut subir un éle tron lorsqu'il traverse l'é hantillon. En eet dans la matière, les éle trons du fais eau sont soumis à des intera tions élastiques et inélastiques. Les intera tions élastiques sont à l'origine du mode ontrasteenZetles ollisionsinélastiquessontàl'originedesmodesd'analyse himique(EELS, EDX). Plus pré isément les ollisions inélastiques résultent d'une intera tion éle tron-éle tron qui peutgénérerl'éje tiond'unéle trond'une ou heatomiqueinterne(K,L).Lala uneainsi rééepeut être omblée par un éle trond'une ou he supérieure (L, M); ette transition peut êtreradiative

7

etdonnerlieuàl'émissiond'unphotonX.Dèslors,nouspouvonsanalysersoit lespe tred'émission de rayonsX (EDX), soitlaperte d'énergiesubie par lefais eausonde(EELS : voirgure(I.6)).

Enpratique desfais eaux éle troniques de basseénergie (inférieureà

120

keV)sont utilisés pour d'une part limiter les dégâts d'irradiation

8

et, d'autre part, augmenter la se tion e a e d'inter-a tion (la se tion e a e pour l'arseni est deux fois plus importante à 80 keV qu'à

200

keV). La méthodeEDXestpeuutiliséeà ausedestemps d'a quisitionprohibitifsdusaumanque d'e a ité du système de olle tion

9

(diode SiLi). La méthode EELS est aujourd'hui utilisée pour observer la on entrationd'arseni

10

,ave unseuil de déte tionde

10

19

at. m

−

₃

,une résolution spatiale d'en-viron

2

nmetdes temps d'analyse d'environ deuxheures (pour a quérir

10

4

pixels). Des exemples d'appli ation de l'EELS pour la ara térisation de l'arseni dans les dispositifs de la mi roéle tro-nique ont étépubliéspar l'équipe METdeSTMi roele troni s[58 , 59℄.

7 . La transitionpeutégalementêtrenon-radiativeetdonnerlieuàl'émission d'unéle tronAuger.

8 . Danslesili ium,pournepas auserdedégâtd'irradiationl'énergiedu fais eauin identdoitêtreinférieure à

120

keV.

9 . Aujourd'hui des mi ros opes équipés de déte teurs SDD sont rapides et possédent un grand angle solide (

0

, 9

srad),permettantd'observerlesdopantsdansun omposé omplexe.

10 . En EELS,iln'estpaspossiblede ara tériserle bore ar sonseuild'ionisationde188eV esttroppro hedes résonan esplasmons.Iln'estpaspossibled'observerlephosphoreave unesensibilitémeilleurequequelquespour ent arsonénergied'ionisationestsituéeaprès elledusili ium,rendantdi ilel'extra tiondufond ontinu.

Figure I.6S hémadeprin ipedel'EELS(a)etspe tredeperteénergétiqued'unfais eaua éléré à

120

kVdansuné hantillontestdesili iumdopéà

3 %

d'arseni .

Reproduitave l'autorisationdeGServantonetRPantel.

I.3.8 L'Holographie éle tronique

L'holographie éle tronique "o-axis" est une te hnique de MET qui permet d'obtenir à la fois l'amplitude etla phase d'une onde grâ e à laformation d'unegure d'interféren e entre une onde objetetuneondederéféren e(danslevide). Cettete hnique sedistingueainsidelami ros opieen hamp lairoùseulel'amplitudeestextraiteàpartirdel'intensitémesurée[60 ℄.Plusieursalgorithmes permettent dere onstruirel'imagedephase[61 ,62℄.L'algorithmeleplus ourant onsisteàltrerla transforméede Fourier del'hologramme pour isoler l'information de phase. Sonprin ipe détermine dire tement larésolution théoriquede late hnique [60 ℄.

Enabsen ede hampmagnétiqueetenabsen ede hampéle trostatiquedanslevide,laphasede l'onde objet estproportionnelle au potentielinterne d'uné hantillon. Ce potentielreète le niveau de dopants a tifs dans le matériau [63 ℄. A titre d'exemple, une jon tion p-n symétrique ave une on entrationde dopants de

10

19

at. m

−

₃

génère un sautde potentieléle trostatique de l'ordrede

1

V.Selonlesparamètres utilisés,l'améliorationdelarésolutionspatialedel'holographiepeutnuire àlasensibilité[64℄:pour onserverunesensibilitéa eptablede

0, 1

V,larésolutionestgénéralement

<

10

nm[65,66,67,68,69℄.Lorsd'observationsré entesave desmi ros opesdedernièregénération, unerésolution de

2 − 3

nmapuêtreobtenuetouten onservant

0, 1

Vdesensibilité[70,71 ,72,73℄. L'holographie permetde déte terdes niveaux de dopants ave une dynamiquede inq dé ades (de

10

17

at. m

−

3

à

10

21

at. m

−

3

) [74, 70 ℄. De plus, les dopages n et p ont des ontrastes diérents. La phase est proportionnelle au potentiel, mais la mise en ÷uvre de la mesure quantitative des dopantsseheurteàdesproblèmesliésàlaprésen ed'épaisseurina tive [75 ,76 ,77 ,78 ℄etde harges dans l'é hantillon [79 , 80, 67℄. La manifestation de es artefa ts est dépendante de la préparation d'é hantillon.

Lapréparationd'é hantillonspourl'holographieutiliseune ombinaisondesoutilsàdispositionde la mi ros opie en transmission:FIB, polissage mé ano- himique, abrasionpar fais eau d'ions[60℄. L'obje tif delapréparation estd'obtenirune lamelle d'épaisseur ontrlée, entre

200

et

700

nm,de faible rugosité de surfa e, etdont lazone d'intérêt estpro he du vide [81℄.Habituellement, l'étape nale de préparation (déterminant l'importan e de la ou he ina tive) est soit une gravure au FIB

[76℄, soit une exposition de quelquesminutes à un fais eau d'argon d'une énergie de quelques keV [81℄.LapréparationparFIBintroduitunbruitplusimportant.Lavarian edephased'unelamellede sili ium de

200

nmd'épaisseurpréparée parFIBaétéestimée autripledelavarian ed'unelamelle demêmeépaisseurpréparéepargravureionique[64 ℄.L'épaisseurdela ou heina tiveintroduitepar FIB à l'énergie habituelle de

30

keV est également tropimportante pour une mesure quantitative. Plusieurs solutions ont étéproposées pour diminuer eproblème :lagravureà basseénergie[75℄,la gravure parFIBenutilisant lesili ium oul'oràlapla edugallium [76℄etlere uitdesé hantillons [82, 83 ℄. La préparation par FIB de dispositifs se fait en fa earrière, pour éviter l'eet é ran de la métallisation oudesgrilles, quimodientl'épaisseur de l'é hantillon. Un é artde

2

nmprovoquele même déphasage qu'une diéren e de potentielde

0, 1

V [79 ,84, 64℄.

Enpréparation par FIBou par abrasionmé ano- himique, il est ourant de trouverdeseetsde harge,enparti ulierdanslesé hantillons onstituésd'oxyde.Undéptde arbonesurunedesfa es del'é hantillonaméliorelareprodu tibilitédelate hnique,né essairepouruneanalysequantitative. Ce dépt supprime les hamps éle trostatiquesparasites danslevide [79, 80 ,67℄.L'holographie est une te hnique privilégiée pour observer le prol des jon tions éle triques et mesurer la largeur de anal e a e, ave une pré ision de quelques nm [73, 85 , 71 , 86℄. La te hnique a également été utiliséepour montrer deseets2Dde diusiondes dopants danslesili ium [87 ℄.

Au delà de la ara térisation des dopants en 2D, l'observation de dispositifs sous tension par l'holographie [88 , 89℄, ainsi qu'une artographie despotentiels du dispositif à diérents régimes de fon tionnement etlarépartition desporteurséle triques,ont étéréalisésave une grandepré ision. Deplus,latomographieholographique, ombinantunesériedemesuresholographiquesàdiérentes orientations, permetla ara térisation3Ddesdopants[77 , 90 ℄.

I.4 Modèles de simulation de pro édé

Lasimulation TCADenglobeàlafoislasimulation despro édésdefabri ationd'undispositifde lami ro-éle tronique ("Pro ess TCAD") etlasimulationde son omportement éle trique ("Devi e TCAD"). Elle permet de onstruire virtuellement un dispositif, en modélisant toutes les étapesde sa fabri ation, dont les étapes lés d'implantation et de diusion des dopants. Elle a pour but de reproduireetd'analyser le omportement éle trique du dispositifréel.

I.4.1 Implantation ionique

Figure I.7 Modèled'implantationanalytique(a)et MonteCarlo(b).

Dans le modèle analytique, une réponse pon tuelle est obtenue par le produit d'une répartition en profondeur(a.3)etd'unerépartitionlatérale(a.4).

LesmodèlesMonteCarlo(b)simulentunesériede'

n

'impa tspossibles, ha unreprésentantunefra tion de la dose omplète d'impuretés. L'ensemble de la haîne de ollision donne la répartition de défauts pon tuels.

L'implantation ioniqueesta tuellementlaprin ipalete hniqued'in orporation d'impuretésdans les semi- ondu teurs, en raison de la pré ision liée à la maîtrise de l'énergie, de la dose, et de la dispersionangulaire de lazone de dopage. Des jon tions abruptes peuvent être forméesà quelques nanomètres sous lasurfa e de sili ium. Deplus, lapréparation d'é hantillons par FIB utilise aussi une implantation ionique quiprovoquedes artefa tsde mesureen holographie.

L'impa tdesions in identsprovoque desdéfautspon tuelsdansun ristal (la unes 11

et intersti-tiels

12

). En présen e d'une grande quantité de défauts pon tuels, le sili ium devient amorphe. La proportion empirique de

10%

du nombred'atomes ristallin ae tédétermine leseuil d'amorphisa-tion[91 ,92℄.Lasimulationdel'implantation ioniquepermetlaprédi tionduprolde on entration d'impuretés, la répartitiondesdéfauts pon tuels, etlaformation dela phaseamorphe.

Figure I.8  Dans un modèleMonte Carlo, l'intera tion entre union et les atomes dela ible suit l'approximationde ollisionà deux orps. Chaque ho se manifeste par un hangementde dire tion et une perte d'énergie, déterminés en onsidérant une perte éle tronique (le modèle de Oen-robinson est leplus ourant[93℄),etle omportementd'uneparti ule dansun hampéle trostatiquenu léaire(le potentieldeZiegler-Biersa k-Littmann[94℄est ourammentutilisé).

Les simulations dynamique molé ulaires sont elles qui dé rivent le mieux la physique de l'inté-ra tionentre l'ionenmouvement danslamatri e ristallineou amorphe.La traje toire del'ion est al ulée omme solution des équations de la mé anique en prenant en onsidération l'intera tion entrel'ion etl'ensembledesatomesde la ible [95, 96℄. Pour desraisonsde taille demémoire et de temps de al ul, ette te hnique n'est pasadaptéeauxdispositifs delami roéle tronique. Pour des énergies d'implantation

>

500

eV [97℄,le omportementde l'ionpeutêtre simpliépar unesériede ollisions ave les atomesdela ible danslesmodèles MonteCarlo(M-C).

L'implantation parmodèlesanalytiques onstitueunealternativeàlasimulationM-C,ets'appuie sur des ourbes prédénies(gure (I.7)), qui sont alibrées à partir de simulations MonteCarlo ou de SIMS. Une ourbe analytique estdénie par ses moments statistiques (profondeur moyenne

R

p

, varian e

σ

,asymétrie

γ

,etkurtosis

β

,voirgure(I.7)), quisont dénis enfon tion desparamètres de l'implantation.

Dans les modèles Monte Carlo, la traje toire d'un ion est onsidérée omme une alternan e de ho setdetrajets libres. Lorsde haque impa t, leparamètre de ladistan ede viséeest aléatoire, anderetrans rireladispersiondestraje toirespossibles.Chaque ho esttraitéselonlathéoriede ollision àdeux orps [94 ℄, ommeillustrédanslagure (I.8).L'inuen ede l'atomede la ible sur l'ionestdé omposéeen unpotentieléle trostatiquedu noyau (habituellement lepotentieluniversel de Ziegler-Biersa k-Littmann [94 ℄) etun pouvoir d'arrêtéle tronique (habituellement lemodèlede Oen-Robinson[93 ℄).Le ho introduitun hangementdedire tionetuneperted'énergiedel'ion.Les prolsdelaplupartdedopants(bore,arseni ,antimoine,phosphore,indium)obtenusparsimulation

11 . Unela uneestforméparlemanqued'unatomedu ristal

MonteCarlosonten bon a ordave l'expérien epour desénergies ara téristiquesdesutilisations en mi roéle tronique [98 , 94℄.

DanslasimulationM-C,lemode' as ades'prenden omptelapositionde haqueatomedépla é: lorsdespremiers ho save l'ionin ident,lesatomesdela iblereçoiventdel'énergieetàleurtourse dépla ent,provoquantd'autres ollisionsetdéfautspon tuels.Cemodèlepermetuneestimationplus réalistedesdéfautspon tuelsetreproduitla réationdedéfautsàtouteslesphasesdel'implantation [99, 92 ,96℄ etla analisationdesions dansun ristal [100, 101,99 ℄.

Ilexistedesmodèlessimpliésd'évaluationdesdéfautspon tuels,tellemodèledeKin hin-Pease, quel'onretrouvedansl'outildesimulationdé ritdanslaréféren e[100 ℄.Dans emodèle, haque ho del'ionin identave unatomedela ible réeunnombre

n(E

n

)

dedéfautspon tuelsproportionnel à l'énergie

E

n

édée:

n(E

n

) = k

E

n

2E

d

,

(I.7)

où

E

d

est l'énergie de seuil du dépla ement d'un atome (

15

eV dans le sili ium) et

k

= 0, 8

une onstante. Dela on entrationdedéfauts d'implantation sontdéduits les on entrations dela unes etd'interstiels inuantsladiusion desdopants[102 , 103 ℄

Situation Complexité Modèlepour Modèle pour les

d'implantation du modèle les impuretés défautspon tuels

MOSsimplié 2D Monte Carlo Analytique

MOSréel 2D Monte Carlo Kin hin-Pease

FIB 1D Monte Carlo MonteCarlo

TableI.1 Modèlesd'implantationutilisésdansnostravaux.

Nousavonsutilisé lesmodèlesMCd'implantation ioniquepour lasimulation de transistorsMOS simpliésetd'undispositifréel( hapitreIV).Nousavonségalementdéveloppéunmodèledynamique d'endommagementdel'é hantillonparFIB, ommeprésentédansle hapitreIII.(voirtableau(I.1)).

I.4.2 Diusion des dopants

Les dopants introduits par implantation ionique sont a tivés à haute température. Sous l'eet de l'agitation thermique, les impuretés diusent dans le sili ium. La modélisation de la diusion des dopants permet de omprendre et de ontrler la répartition des zones a tives déterminant le omportement éle triqued'un dispositif.

Soit

X

undopant introduitdanslesili ium(bore, arseni ,antimoine,phosphore).L'évolution de

X

ave letemps estrégie par laloi dediusion deFi ketlaloide onservation delamasse. La loi de Fi krelieleuxde ette parti ule

~

J

X

à sa on entration

[X]

par larelation [104℄ :

~

J

X

= D

X

× ~

grad[X]

(I.8)

où

D

X

est le oe ient de diusion du dopant et reète l'évolution thermodynamique de l'espè e danslesili ium [105 , 106 ,107 ℄. L'équation de onservation de lamasse[105 , 104 ℄s'é rit :

∂[X]

Figure I.9  Représentation simpliée dans un ristal des diérentes impuretés et défauts dans le sili ium:la unes

V

,pairela une-dopant

XV

,dopantsensitea tifsubstitutionnel

X

S

,auto-intertitiels

I

,paireinterstitiel-dopant

XI

,etdopantensiteinterstitiel

X

I

.

Ave

R

X

,letaux de réation/disparitionde l'espè e.

Unmodèledediusionestd'autantpluspré isqu'iltient ompted'ungrandnombred'intéra tion entreles espè es présentes danslesili ium(gure (I.9)). Cesespè essont :



V

,lala une, orrespondant au manque d'unatome danslamatri e ristalline,



I

, l'auto-interstitiel (ou interstitiel), orrespondant à l'ajout d'unatome de sili ium entreles atomesde lamaille,



X

S

,ledopant enpositionsubstitutionnelle, qui orrespondégalement àun dopant a tif, 

X

I

,ledopant enpositioninterstitielle, don ina tif,



XV

,lapaire dopant-la une, 

XI

,lapaire dopant-interstitiel.

Danslesili ium ristallin,ladiusionn'estpossiblequ'enprésen ededéfautspon tuelsetladiusion des dopants seuls (

X

S

et

X

I

) est négligeable [108 , 105 ℄. La diusion se fait par lebiais des paires

XI

(Diusionassistéeparlesinterstitiels,D.I,dé riteparlagure(I.11))ou

XV

(Diusionassistée par les la unes,D.L,dé rite par lagure(I.10)).

Lemé anismede diusionla unaire(D.L :gure(I.10))[108℄ seproduit lorsqu'undopant etune la une sont voisins. Le dopant prend alors la pla e de la la une et lui reste lié. Le dépla ement brownien du oupledopant-la une dansle ristal de sili ium permetladiusion de elui- i dansle sens dugradient dé roissant (d'oùlaloi phénoménologique de Fi k).

Lemé anismede diusionassistéparles interstitiels(D.I) [109 ,110 ℄ impliquelaformationd'une paire dopant-interstitiel :lesdeuximpuretés partagent un mêmesite du réseauet diusent selon le mé anisme illustrédanslagure(I.11).

Les diérents mé anismes impliqués dans la diusion des dopants sont résumés dans la gure (I.12). Les mé anismes de Frank-Turnbull et de Ki k-Out sont des phénomènes avan és qui sont ouramment pris en ompte dans les modèles de simulation. Il sont majoritaires pour la diusion et l'a tivation des dopantsà basse température de re uit. Ces mé anismes font parti de l'ensemble

Figure I.10Illustrationdumé anismedediusionla unaire(D.L).Ledopantsedépla eà l'empla- ementdelala une,mais elle- iluiresteliéeet évolueautour dudopant.

Figure I.11  Illustration du mé anisme de diusion interstitiel (D.I). La paire dopant-interstitiel o upeunsitesubstitutionnel. Ladiusion dudéfautsefaitendéformantl'arrangementdu ristal.

desphénomènes à prendre en ompte pour analyser laphysique dela diusiondes dopants dansle sili ium etleur simulation.

Dopant fra tionde diusionpar les interstitiels

Bore >0,84

Phosphore >0,86

Arseni <0,45

Antimoine <0,16

Table I.2Fra tiondiusivedediérentsdopantsdanslesili iumà

1000

◦

_C

.D'après[111℄

Les dopants et les défauts pon tuels se présentent sous diérents états de harge. La la une

V

, par exemple,estprésente souslesétats hargés

V

−

,

V

+

,et

V

0

[104 ,112 ℄. Leurs on entrationssont régies par le niveau de Fermi dans le sili ium [113 ℄, et expliquent les intera tions éle trostatiques observéesnotammentenprésen ed'ungradientdedopantàforte on entration.Introduiredeseets éle trostatiquesdansladiusionné essited'in orporerl'équationdePoissonauxéquations initiales (I.8) et(I.9).

Lesdopantspeuventdiuseràlafoisparlemé anismela unaireetlemé anismeinterstitiel.Leur anité ave les diérents mé anismes de diusion est représentée par la fra tion de diusion par interstitiel. Comme illustrédans le tableau (I.2),le boreetle phosphore diusent majoritairement par lesmé anismesinterstitielsetl'antimoineàl'aidedesla unes.Une on entrationanormalement