CARACTERIZATION BY OFF-AXIS ELECTRON HOLOGRAPHY AND SIMULATION OF 2D DOPING CONCENTRATION ON THIN SOI FILMS
CARACTÉRISATION PAR HOLOGRAPHIE ÉLECTRONIQUE ET SIMULATION DU DOPAGE 2D SUR SUBSTRAT SOI ULTRA-MINCE
Résumé
Off-axis electron holography is a transmission electron microscopy (TEM) based technique sensitive to the free carrier concentration. It enables 2D quantitative mapping of the electrostatic potential with a large field of view, and can therefore be compared to process simulation maps. The purpose of this PhD (CIFRE partnership between CEA-LETI and STMicroelectronics) was on one hand to set a protocol for sample preparation and observation by holography, and on the other hand to compare experimental results with TCAD process simulation. We first studied the influence of instrumental parameters on the signal to noise ratio in holography, and set optimisation rules for holography. Then, on elementary samples, we demonstrated the existence of an inactive layer and a potential underestimation due to TEM induced charges. These effects have been observed on both FIB and tripode prepared samples. The inactive layer is inversely proportional to the dopant concentration, and increase with the amount of crystalline defects induced by FIB at different energies. Finally, the knowledge of these artefacts enabled a semi-quantitative analysis of the potential in testing nMOS transistors on thin silicon film, and a calibration of arsenic implantation and diffusion in silicon. We also studied the practical limitations of holography for TCAD calibration.
L'holographie électronique "off-axis" est une technique de MET sensible à la densité locale de porteurs, elle permet facilement une cartographie 2D du potentiel électrostatique et, par son large champ de vue, une analyse des profils de dopants actifs, directement utilisables pour le calibrage des outils de simulation des procédés. Les travaux de cette thèse (convention CIFRE entre le CEA-LETI et STMicroelectronics) ont pour objet, d'une part l'établissement de protocoles de préparation des échantillons, d'acquisition des données en holographie électronique, et d'autre part la comparaison entre les résultats de la mesure et ceux de la simulation à l'aide des outils TCAD. Pour mener cette étude, nous avons, dans un premier temps, étudié l'influence des paramètres du MET sur la résolution spatiale et le niveau de bruit de l'holographie. Puis, sur des échantillons élémentaires, nous avons prouvé la présence d'une couche inactive et mis en évidence les effets de charges induits par le faisceau de mesure. Ces artefacts ont été observés aussi bien dans les échantillons préparés par polissage mécano-chimique que lors de l'usinage des échantillons par FIB. Notre étude montre d'une part que la couche inactive cristalline induite par les défauts ponctuels générés par cette technique est contrôlée par l'énergie du faisceau FIB, et d'autre part, que les charges électriques de l'échantillon créent une sous-estimation du potentiel mesuré, inversement proportionnelle à la concentration de dopants. Enfin, la maitrise des artefacts de la technique nous ont permis de caractériser des transistors nMOS sur film mince de silicium, avec comme objectif le calibrage de l'implantation et la diffusion de l'arsenic. Les limitations d'une utilisation pratique de l'holographie électronique ont été étudiées par la comparaison de cartographies de potentiel électrostatique mesurées par cette technique et simulées par TCAD.
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