Caractérisation et contrôle industriel des contraintes locales en microélectronique : applications aux transistors de technologie 20 nm

(1)

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Caractérisation et contrôle industriel des contraintes

locales en microélectronique : applications aux

transistors de technologie 20 nm

Aurèle Durand

To cite this version:

Aurèle Durand. Caractérisation et contrôle industriel des contraintes locales en microélectronique :

ap-plications aux transistors de technologie 20 nm. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université

Grenoble Alpes, 2016. Français. ฀NNT : 2016GREAY081฀. ฀tel-01693673฀

(2)

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE

GRENOBLE ALPES

Spécialité : Physique Appliquée

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Aurèle DURAND

Thèse dirigée par Patrice GERGAUD et

codirigée par Razvigor OSSIKOVSKI

préparée au sein du Laboratoire du CEA Leti

dans l'École Doctorale de Physique

Caractérisation et contrôle industriel des

contraintes locales en microélectronique :

- Applications aux transistors de technologie 20 nm -

Thèse soutenue publiquement le 29/11/2016, devant le jury composé

de :

Dr Roland FORTUNIER

Professeur à l’ENISE - Saint Etienne, Président

Dr Pierre-Olivier RENAULT

Professeur des universités à l’Université - Poitiers, Rapporteur

Dr Patrick SIMON

Directeur de recherche au CEMHTI-CNRS - Orléans, Rapporteur

Dr Alain CLAVERIE

Directeur de recherche au CEMES-CNRS - Toulouse, Examinateur

Dr Joel EYMERY

Ingénieur de recherche au CEA-INAC - Grenoble, Examinateur

Dr Patrice GERGAUD

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

⃗

̅

̿

𝐒𝐢 𝐒𝐢𝐆 𝒊

⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗

𝑬⃗⃗⃗

𝒌

𝒊

⃗⃗⃗⃗ 𝒌⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗

̅

∥ ⊥

λ

𝝈

𝝎

𝜦 𝜮

𝝎

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)



(19)

Enjeux contextuels et objectifs de la thèse



(20)



(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

Contraintes locales et méthodes de mesure : état de l’art

<

>

=

(26)

ℛ = ⃗, ⃗⃗, ⃗

⃗, ⃗⃗, ⃗

ℛ

⃗, ⃗⃗, ⃗

ℎ

⃗, ⃗⃗, ⃗

(27)

[

]

[

]

[̅ ] [

]

⃗ =

√

[

], ⃗ =

√

[̅ ], ⃗ = [

]

ℛ = , ⃗, ⃗, ⃗

(28)

−

= − ²

−

=

−

= ²

= ,

(29)

=

+ ,

𝜎̅

𝜎

𝜎 =

_∗

_𝜎

∗

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

Contraintes mécaniques

⃗⃗

=

+

(38)

̿

̿ = (

) =

(

+

)

(

+

)

(

+

)

(

+

)

(

+

)

(

+

)

₎

𝜎̿

𝜎̿ = (

𝜎

)

(39)

𝜎 =

⟺

=

𝜎

,

= = = = = =

(40)

=

(

)

̿̿ = ̿̿

−

{

=

₋

+

₊

=

₋

−

₊

=

(

𝜎

𝜎 )

=

(

)

(

)

=

−

(41)

⃗⃗⃗⃗⃗

,

⃗⃗⃗⃗⃗

̿ = (

)

⃗⃗⃗⃗⃗

𝜎̿ = (

𝜎

)

= = = 𝜎 = 𝜎 = 𝜎 =

(42)

⃗

(43)

∥

=

−

(44)

⊥ ⊥

=

₊

∥

=

−

∥

̿ =

∥ ∥ ⊥

𝜎

{

𝜎 =

∥

₊

=

∥

−

+

𝜎 =

⊥

=

⊥

−

₋

+

(45)

{

=

− ,

=

− ,

=

− ,

ℛ

[ ]

₌

(

+

−

+

−

+

−

)

(46)

=

∥

−

₋

(47)

=

−

, 𝑖 = , ,

(48)

(49)

Contraintes mécaniques 𝝈

𝜎 , ,

= 𝜎

√

+

−

.

𝜎

= −

−√ 𝜋ℎ

−

−√ 𝜋ℎ−

α

(50)

(51)

⃗

ℛ = , [

], [

]

ℛ = , [

], [ ̅ ], [

]

⃗

=

−

(52)

𝜎

=

̅ |

(53)

(54)

(55)

Evaluation de la diffraction de rayons-X haute résolution pour la caractérisation des déformations

(56)

𝒌⃗⃗⃗𝒊 𝒌⃗⃗⃗

𝑖

⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗⃗⃗

(57)

𝒌⃗⃗⃗ 𝒌⃗⃗⃗

(58)

𝑖 𝜃

λ

𝜃

=

ℎ

sin 𝜃

ℎ ℎ

=

√ℎ +

+ ²

𝜃

(59)

(60)

= ∫

+∞

⃗ .

𝛿𝜙 −∞

⃗

𝜙

𝒌⃗⃗⃗𝒊 𝒌⃗⃗⃗

𝜙 = ‖⃗‖ sin + sin

= ‖⃗‖ (

⃗⃗⃗⃗⃗. ⃗

‖⃗‖‖⃗⃗⃗⃗⃗‖

−

𝑖

⃗⃗⃗⃗. ⃗

‖⃗‖‖

⃗⃗⃗⃗‖

𝑖

)

(61)

⃗

⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗ −

⃗⃗⃗⃗

𝑖

𝜙 = ⃗. ⃗

⃗

⃗ = ∫

+∞

⃗ .

⃗⃗. ⃗ −∞

=

⃗

⃗ = ∑

⃗ ∗ ⃗ − ⃗

⃗ =

( ⃗ ) =

⃗ . ∑

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗𝑗

= ∑

⃗

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗𝑗

⃗

‖⃗⃗⃗⃗‖ = ‖

⃗⃗⃗‖

𝑖

(62)

⃗ ∝ |

⃗ | |∑

⃗

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗𝑗

_{| =}

_|∑

_⃗

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗𝑗

_|

⃗ ∝

|∑ ∑

⃗

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗+⃗⃗⃗⃗⃗⃗𝑗

_{| ∝}

_|∑

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗⃗⃗

_{| |∑}

⃗

⃗⃗.⃗⃗⃗⃗𝑗

_|

∝

| ⃗ | | ⃗ |

⃗

⃗⃗

_⃗

⃗⃗⃗⃗⃗. ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗.⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗. ⃗

⃗ ∝

sin²

(63)

Evaluation de la diffraction de rayons-X haute résolution pour la caractérisation des déformations 𝑖

⃗⃗⃗⃗

, ,

∝

sin²

ℛ = ⃗, ⃗⃗, ⃗

ℛ

∗

= ⃗

∗

_{, ⃗⃗}

∗

_{, ⃗}

∗

⃗. ⃗

∗

_{= ⃗⃗. ⃗⃗}

∗

_{= ⃗. ⃗}

∗

₌

ℎ⃗⃗

ℎ

ℎ⃗⃗

ℎ

= ℎ ⃗

∗

+ ⃗⃗

∗

+ ⃗

∗

ℎ⃗⃗

ℎ ℎ

‖ℎ⃗⃗

ℎ

‖ =

ℎ

(64)

ℎ

⃗

(65)

ℎ, ,

, ,

ℛ

ℎ, ,

ℛ𝑐

=

,

ℎ, ,

ℛ

= √

, √

,

, ,

⃗⃗⃗⃗⃗⃗

̅

ℎ

⃗⃗⃗⃗⃗

ℎ̅

ℎ̅̅

(66)

(67)

∆

=

∆

+

Δ𝜃

_𝜃

∆λ

∆θ

,

(68)

,



−

_/

−



,

𝝀

, 𝝀

(69)



_𝜃



𝜃

−

(70)

(71)

=



Δ /

= Δ

.

̅̅ tan ≅ 𝜆 𝑡≅ /

(72)

𝑖

⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗⃗⃗

⃗

𝜃

⃗⃗⃗⃗⃗

⃗

⃗⃗⃗⃗⃗

𝜃

{

= sin 𝜃 sin 𝜃 −

= sin 𝜃 cos 𝜃 −

(73)

Evaluation de la diffraction de rayons-X haute résolution pour la caractérisation des déformations 𝝎 𝜽 𝜽 − 𝝎

 𝝎 − 𝒂

𝝎



_{𝜽 − 𝒂}

_𝜃



_{𝜽 − 𝝎 − 𝒂}

∆ = − ⁄ ∗ 𝜃



_{− 𝒂}

(74)

∆

(75)



(76)



(77)

(78)

(79)

(80)

⃗ = | ⃗ |² = |

⃗ |²

sin

(81)

= , −

(82)

=

∆

ℎ⃗⃗ = ℎ′

⃗⃗⃗⃗ − ℎ⃗⃗ = − ℎ⃗⃗.⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

̿

ℎ⃗⃗ = −ℎ⃗⃗( +

) = − +

ℎ⃗⃗

(83)

ℎ⃗⃗

é

_{= − ̿. ℎ⃗⃗}

ℎ⃗⃗

é

_{= −}

_{ℎ +}

ℎ +

_{ℎ +}

ℎ

_ℎ

ℎ +

ℎ

⃗⃗⃗⃗⃗

(84)

//

ℎ ℎ ℎ

ℎ

⃗⃗⃗⃗⃗

é é

_{= −}

//

ℎ

//

ℎ

ℎ ≅

(85)

(86)

⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗

(87)



(88)

≫

≅

=

"

−

=

"

𝑖 𝑖 ≅ , − _≅ −

ℎ⃗⃗

=

"

−

=

Δ

, 𝑖 = , ,

(89)

(90)

(91)

⃗

⃗⃗

′

_⃗⃗

′

_{= ⃗ + ⃗⃗}

⃗ = ∫

+∞

⃗ .

⃗⃗.⃗⃗′ −∞

= ∫

⃗ .

⃗⃗. ⃗+⃗⃗⃗ +∞ −∞

⃗⃗

_ℎ

( ⃗ − ⃗⃗

ℎ

). ⃗⃗ →

⃗⃗. ⃗+⃗⃗⃗

_~

⃗⃗. ⃗ ⃗⃗_ℎ .⃗⃗⃗

⃗ = ∫

⃗

⃗⃗ℎ . ⃗ ⃗⃗. ⃗ +∞ −∞

∝

[ ⃗

⃗⃗_ℎ .⃗⃗⃗

_]

∆

(92)

∆ =

_𝛿

=



⃗

⃗⃗



(93)



(94)

(95)



(96)



(97)

≅

=

≅

̅̅

≠

(98)

̅̅

≫

(99)

̅̅ ̅̅

(100)

| = − , %

| = , %

(101)

̅̅



(102)

(103)

(104)

±

(105)

(106)

̅̅ ̅̅

≅ ,

−

_{≅ ,}

−

̅̅

_{≅ ,}

−

(107)

𝜎 = ; ≠

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

Enjeux de la caractérisation par spectroscopie Raman

−

λ

π/

(114)

,

< <𝝅_𝒂 =𝝅_𝒂



ℎ

⃗

= ±

⃗⃗ = ⃗⃗ ± ⃗

ν ≫

‖⃗⃗ ‖ ≅ ‖⃗⃗ ‖

‖ ⃗‖ ≅

(115)



=

λ

(116)

𝛤

_{= , − , + ,}

𝛤

(117)

Enjeux de la caractérisation par spectroscopie Raman 𝑬 _𝒊𝑮 𝑬_𝒊𝑮 𝑬_𝒊𝑮 𝑬 _𝒊𝑮

̅

⃗⃗

ℛ = , ⃗, ⃗, ⃗

α

⃗⃗ = ̿ ⃗⃗ = (

) ⃗⃗

⃗⃗ =

⃗⃗⃗⃗⃗ cos

⃗⃗⃗⃗. ⃗ −

𝑖

⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗cos

⃗⃗⃗⃗. ⃗ −

𝑖

=

+

|

(118)

⃗⃗ =

⃗⃗⃗⃗⃗ cos(

⃗⃗⃗⃗. ⃗ −

𝑖

)

+

|

⃗⃗ [cos (⃗⃗ + ⃗). ⃗ − ( − )

+ cos (⃗⃗ − ⃗). ⃗ −

( − ) ]

𝛿 𝛿

|

̅

[ ∶ ]

ℛ = , [

], [

]

̿̿̿̿ = (

) , ̿̿̿̿ = (

) , ̿̿̿ = (

)

ℛ

′

₌

, ⃗ = [

], ⃗ = [ ̅ ], ⃗ = [

]

−

(119)

=

𝛿_𝛿

[ : ]

= |⃗⃗⃗⃗⃗. ̿̿̿̿.

⃗⃗⃗⃗|

𝑖

⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗⃗

𝑖 𝑖 ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ̅ ̅ ̅

ω

𝜎

ω

𝜎

ω

(120)

ω

𝒈 ω

ω ω

𝛚𝐒𝐢−𝐒𝐢≅ 𝐦− 𝛚𝐒𝐢−𝐆 ≅ 𝐦− 𝛚𝐆 −𝐆 ≅

(121)

Enjeux de la caractérisation par spectroscopie Raman −

= − ²

−

=

−

= ²

{

−−

=

− −

=

−

−−

=

− −

=

−

. = −

+ ∑

, ,

=

/

=

, =

=

(122)

− , ± , 𝝎 − , ± , 𝝎 − , ± , 𝝎 − , ± , 𝝎 − , ± , 𝝎 − , ± , 𝝎

|∆

̅ − | =

∆

̅

̿̿

∆

̿ =

+

=

−

=

−

Δ

=

(123)

{

Δ

= Δ

=

[

∥

+

⊥

]

Δ

=

[

∥

+

⊥

]

−

,

∥

=

−

+ Δ

− ∥

Δ

,

∥

=

−

,

∥

−

= −

−

+

− ∥ − − − −

=

(−

+

)

(124)

−



(125)



(126)

Δ =

,

λ

=

− 𝜋𝜆

(127)

(128)

(129)



(130)

(131)

(132)

𝑖

_𝑔

Δ

−

𝑖

_𝑔 ₋𝑇 𝑔

(133)

(134)

(135)

∥

{

ω

Si−Si

= ω

Si−Si

− a

Si−Si

x + b

Si−Si ∥

ω

Si−Ge

= ω

Si−Ge,x→

− a

Si−Ge

x + b

Si−Ge ∥

ω

Ge−Ge

= ω

Ge−Ge

− a

Ge−Ge

x + b

Ge−Ge ∥

ω

−

ω

−

T

g

(136)

a

− −

Δ

− é

= −a

Si−Si

= −

∥

Δ

₋ ℎ

= −a

Si−Si

x + b

Si−Si ∥

= −

b

Si−Si

b

Si−Si

(137)

∆

̅

(138)



(139)

(140)

a

Si−Si

b

Si−Si

{

Δ

₋ ℎé

_{= −a}

si−Si

= −

± ,

Δ

₋ ℎ

= −

Si−Si

x + b

Si−Si ∥

= −

± ,9

Δ

₋ ℎé

_,

∥

= −a

Si−Si

x + b

Si−Si ∥

= −

± ,

−

∥

± , %

a

Plasma Si Si-Si Si-Ge Ge-Ge

b

%Ge Déformation (%)

Ecarts de position2

(cm-1₎ _0,06 _0,10 _0,06 _0,60 _1,21 _Ecarts _0,3 _0,012

𝝈

(141)

±

x < ,

x

x + x

−−

= I

Si−Ge

/ I

Si−Si

∝ A x

−−

(142)

(143)

−−

∆𝛚_{𝐒𝐢−𝐒𝐢}𝐱𝐩 _{𝒊− 𝒊}𝒊−𝑮

(144)

∆

= ,

−

−−

∆ω

Si−Si

∆𝛚_{𝐒𝐢−𝐒𝐢}𝐱𝐩

~

(145)

∆𝛚_{𝐒𝐢−𝐒𝐢}𝐱𝐩

~

(146)

∆

|

/

= − , %

∆

|

/

= − , %

∆

−

|

/

∆

−

|

/

∆

−

|

/

= ,

−

(147)

(148)

~ µ

∆

₋

= ,

± , −

(149)

∆

₋

=

± , −

∆

=₋𝑟

_{= |}

− = 𝑟

₋

−

| = , |

−

| = , ∆

−

(150)

(151)

(152)

(153)

(154)



~ µ µ



𝜃

(155)

Contrôle industriel des contraintes en microélectronique

𝒊

(156)

(157)

(158)

̅̅̅̅ ̅̅̅̅

− −

(159)

(160)

⃗⃗⃗⃗⃗

̅̅̅̅ ̅̅̅̅

𝝈 −

(161)

Contrôle industriel des contraintes en microélectronique ̅̅̅̅

⃗⃗⃗⃗⃗

̅̅̅̅ ̅̅̅̅ 𝝈 𝚫 − 𝝈 𝚫 − 𝝈 𝚫 𝝈 𝚫 ̅̅̅̅

̅̅̅̅

_{⃗⃗⃗⃗⃗}

̅̅

⃗⃗⃗⃗⃗

̅̅

(162)

,

⃗⃗⃗⃗⃗

∆

𝑸 𝑸 𝑸 𝑸

⃗⃗⃗⃗⃗

(163)

𝜎

𝝈

(164)

(165)



(166)

ℳ

Υ

(167)

Contrôle industriel des contraintes en microélectronique è

, , … ,

Υ

² =

∗

è

, , … ,

Υ

χ

, , … ,

Υ

= ∑

, , … ,

Υ

²

=

(168)



≼



(169)

𝒊 𝒊

ℳ

(170)

𝒊

∆ 𝒊

(171)

Δ

(172)

(173)

(174)

=

−

(175)

𝝌

(176)

𝛴

Π

𝛴

² = ∑

Π

= ∏

𝝉𝜮 𝝉𝚷

(177)

=

%

=

°

=

̅̅ 𝝌

=

, %

̅̅

=

, %

̅̅

=

%

=

%

=

, %

̅̅

₌

_{, %}

_̅̅

̅̅

=

, %

(178)

=

, %

=

, %

=

%

± , °

(179)

²

̅̅

²

=

°

(180)

𝝌²

(181)

𝝌² 𝝌²

̅̅ ̅̅

(182)

(183)

ℳ

̅̅

(184)

̅̅

̅̅ ̅̅

(185)

ℳ

∆

= , %

∆

= , %

, %

̅̅ ̅̅ ̅̅

(186)

(187)

ℳ

̅̅

(188)

(189)

(190)

(191)

(192)

ℳ

(193)

(194)

(195)

(196)

(197)

Conclusion générale et perspectives

(198)

(199)

Annexes



_{𝕷 𝜎}

ω

𝔏 ,

, , 𝜎 =

₋

𝜎

_{+ 𝜎²}



_{𝓖 𝜎}

ω

𝒢 ,

, , 𝜎 =

𝜎√

− 𝜔−𝜔 𝜎²



_𝒱

𝒱 ,

, , 𝜎,

= 𝔏 ,

, , 𝜎 +

− 𝒢 ,

, , 𝜎



_𝒂

ω

ℒ

,

, , 𝜎 =

²

sin

−

sin

−

(200)



=

_!

− 𝜴

ℛ = , ⃗, ⃗, ⃗

ℛ = , "

⃗⃗⃗⃗, "

⃗⃗⃗⃗

̿ 𝜃, 𝜙 = (

𝜃

𝑖 𝜙

𝜙 −

𝜃 𝑖 𝜙

𝜙

𝑖 𝜃

)