Processus de formation du canal de grille de SiGe : le procédé de condensation

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Introduction générale

La diminution des dimensions caractéristiques des circuits intégrés et l’augmentation de la complexité de ces derniers représentent deux axes majeurs d’évolution de l’industrie microélectronique. Si pendant près d’un demi-siècle, la loi de Moore, prédisant un doublement de la densité d’intégration des transistors tous les 18 mois, a pu être respectée grâce aux progrès technologiques, depuis quelques années, la réduction des dimensions prédite n’est plus atteinte. En effet, ce sont maintenant les dimensions physiques des dispositifs qui deviennent limitantes.
Pour répondre aux nouveaux défis de la microélectronique, des alternatives aux technologies conventionnelles sont développées par les industriels. L’une de ces alternatives repose sur l’utilisation de substrats SOI (Silicon-on-Insulator, silicium sur isolant) pour les nœuds technologiques 28nm et 14nm ; on parle de technologies FDSOI (Fully Depleted SOI, SOI complètement déplété). Cette nouvelle architecture permet à la fois l’amélioration des performances du transistor et l’augmentation de la densité d’intégration des composants sur une même puce, tout en conservant une structure planaire.
Les technologies 28nmFDSOI et 14nmFDSOI utilisent l’architecture de grille de transistor dite « High-κ Metal Gate » (HKMG) : la combinaison oxyde de silicium nitruré/silicium poly cristallin (utilisée pour les technologies précédentes) y a été remplacée par l’empilement oxyde nitruré (SiON)/diélectrique à haute permittivité (HfON). De plus, pour améliorer encore davantage les performances des dispositifs, le silicium germanium (SiGe), reposant directement sur l’oxyde enterré du SOI, a été introduit en remplacement du silicium comme matériau de canal de grille, en raison de ses bonnes performances en termes de mobilité et de rapidité des porteurs.
Cette complexité croissante des architectures implique de nombreux challenges pour la métrologie. En effet, pour assurer la conformité et les performances du dispositif, une maitrise précise des épaisseurs, de la structure cristalline et de la composition, est indispensable pour chacune des couches de l’empilement. Or, avec l’augmentation de la complexité des empilements, reposant sur l’alternance de films très minces, les techniques de métrologie usuelles, basées sur des mesures en volume, sont parfois difficiles à mettre en oeuvre. C’est pourquoi, une émergence de l’utilisation des techniques à rayons X, et notamment de la spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), auparavant réservée aux laboratoires de caractérisation, est observée en milieu industriel. L’XPS, technique non destructive, bien connue pour l’étude quantitative en épaisseur et en composition chimique sur des films d’environ 10nm, a été largement améliorée, notamment par une diminution de la taille des faisceaux de rayons X et une automatisation de la technique, permettant son utilisation sur des surfaces de mesure réduites et dans un contexte industriel.
Malgré son adoption comme nouvelle méthode de mesure en milieu industriel, plusieurs aspects de la technique elle-même restent encore à étudier pour en maximiser les bénéfices et le potentiel notamment dans le cadre du développement et du contrôle des
15
procédés des technologies 28nmFDSOI et 14nmFDSOI. En effet, du fait de l’empilement de matériaux différents et d’épaisseurs de plus en plus faibles, une modélisation précise des profils et des interfaces en présence est plus que jamais indispensable. Ceci afin d’améliorer la sensibilité de la mesure et de détecter au mieux les dérives des procédés. Il est donc important de comprendre comment doivent être prises en compte et modélisées ces diverses caractéristiques pour un contrôle industriel optimisé par XPS mais aussi d’analyser le processus de métrologie afin de distinguer les différentes contributions reliées à la capabilité finale de la mesure.
Un autre aspect à considérer, est le besoin de plus en plus évident en nanométrologie de combiner diverses informations provenant de différentes techniques afin d’avoir une image la plus complète du mesurande et/ou de réduire l’incertitude de mesure d’une technique en particulier.
Parallèlement à ces nouveaux challenges liés aux nouveaux empilements en eux-mêmes, il parait également de plus en plus nécessaire de mesurer au plus près du circuit et non plus dans des larges structures de test planaires, parfois peu représentatives des effets de procédés observés dans la puce. En effet dans ces structures, une projection en 2D de l’information des structures réelles en 3D est faite. Hormis la scatterométrie, l’état de l’art des mesures de composition en trois dimensions inclut en grande majorité des techniques de laboratoire avec une lourde préparation des échantillons et un fonctionnement très éloigné des besoins industriels (EELS, Atome Probe Tomography…). En conséquence, la nanométrologie en 3D est un des axes de développement exprimé par la communauté scientifique et industrielle, tel qu’indiqué dans le dernier rapport de l’ITRS.
L’objectif principal de cette thèse est donc d’explorer de nouvelles approches de mise en œuvre de la technique XPS tant dans la méthodologie d’utilisation que dans les structures de tests étudiées, dans le but d’assurer un suivi industriel des nœuds technologiques avancés. Cette étude sera plus particulièrement appliquée à l’empilement de grille.
Dans le premier chapitre, une présentation plus détaillée du contexte de cette étude, ainsi que des problématiques ayant motivées ce travail, sera exposée. Les procédés de réalisation de l’empilement de grille ainsi que les besoins métrologiques pour chacune des couches le composant y seront également présentés.
Le Chapitre II est dédié aux techniques de caractérisation utilisées dans cette étude. La technique XPS sera tout d’abord décrite en détail. La diffusion d’ion à moyenne énergie MEIS (Medium Energy Ion Scattering), technique largement utilisée au cours de cette étude, sera également exposée. La spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol ToF-SIMS (Time of Flight – Secondary Ion Mass Spectrometry), la spectroscopie Raman, l’ellipsométrie et la réflectivité des rayons X XRR (X-ray Reflectivity) seront succinctement abordées. Le principe de chacune de ces techniques sera rappelé, ainsi que leurs caractéristiques et leurs limites.
Le Chapitre III s’attachera à l’étude de couches minces homogènes par XPS. Dans ce chapitre, une étude détaillée de la mesure d’épaisseur par XPS appliquée à l’empilement HKMG HfO2/SiO2/Si sera présentée. Une seconde partie sera dédiée à l’étude d’un cas plus complexe d’une couche fine de SiGe sur silicium, où le développement d’une métrologie hybride entre une mesure XPS et une mesure d’épaisseur par XRR est nécessaire pour caractériser l’épaisseur et la composition de cette couche.
Dans le Chapitre IV, c’est l’étude de couches minces hétérogènes par XPS qui sera présentée. Cette étude repose sur l’utilisation d’un XPS académique angulaire, permettant de réaliser des reconstructions de profil chimique. Ainsi, une première partie sera dédiée à la validation de cette technique sur les matériaux utilisés pour former la grille (HfON, SiON et SiGe), à partir d’une comparaison avec des mesures MEIS. Dans une seconde partie, nous nous intéresserons à l’apport de cette technique pour l’amélioration du suivi en ligne de l’empilement de grille sur un XPS industriel. Enfin, dans une troisième partie, nous déterminerons le domaine d’utilisation de cette technique au vue des épaisseurs des couches étudiées.
Finalement, le Chapitre V aura pour but d’évaluer, dans une optique prospective, l’utilisation de l’XPS pour des caractérisations métrologiques plus avancées et d’explorer des applications de rupture. Ainsi, seront tour à tour abordées : une étude de l’impact de la cristallinité sur les spectres XPS, une étude de l’intérêt de l’utilisation de l’XPS pour extraire les paramètres optiques et le gap des matériaux analysés ainsi qu’une étude de motifs à trois dimensions sur un XPS industriel. Ce chapitre ouvrira également les perspectives envisageables à partir de ces travaux.

Table des matières

Glossaire
Introduction générale
Chapitre I Introduction générale et Contexte de l’étude
1. La microélectronique
1.1. La naissance de la microélectronique
1.1.1. Le premier transistor
1.1.2. Le transistor MOSFET
1.1.3. La course à la miniaturisation
1.2. Limite de la loi de Moore
1.2.1. La fin de la loi de Moore ?
1.2.2. De nouvelles solutions
1.2.3. Substrats FDSOI
2. Les technologies CMOS avancées
2.1. L’empilement High-κ/couche interfaciale
2.1.1. Les matériaux High-κ
2.1.2. Couche interfaciale
2.2. Procédés de formation de l’empilement HfON/SiON.
2.2.1. SiON
2.2.2. HfON
2.3. Le canal de grille de SiGe
2.4. Processus de formation du canal de grille de SiGe : le procédé de condensation
3. La métrologie
3.1. Historique de la métrologie
3.2. Métrologie industrielle
3.3. Métrologie et microélectronique
3.3.1. Besoins de caractérisation
3.3.2. Métrologie et miniaturisation
3.3.3. Structures de mesure pour la qualification des procédés
3.3.4. Métrologie pour la qualification des équipements de procédé
4. Besoins métrologiques au niveau de la grille
4.1. L’empilement HfON/SiON
4.2. Canal de grille de SiGe
4.3. Structures 3D
5. Conclusion
Bibliographie
Chapitre II Méthodes de caractérisation
1. Spectroscopie de photoélectrons par rayons X XPS
1.1. Principe de la spectroscopie XPS
1.2. Analyse de l’environnement chimique
1.3. Couplage spin-orbite
1.4. Autres effets physiques à l’origine de pics XPS
1.4.1. Transition Auger
1.4.2. Pics de perte d’énergie
1.4.3. Pics satellites de shake-up
1.4.4. Fond inélastique des électrons secondaires
1.5. Mesure de la composition atomique
1.6. Mesure d’épaisseur
1.7. L’analyse en profondeur par XPS
1.7.1. Principe de l’analyse en profondeur
1.7.2. L’XPS résolue en angle parallèle.
1.7.3. Mesure d’épaisseur par pARXPS
1.7.4. Reconstruction de profil par la méthode d’entropie maximale
1.8. Dispositif expérimental
1.8.1. Source de rayonnement X
1.8.2. Monochromateur
1.8.3. Analyseur de photoélectrons
1.8.4. Les équipements XPS utilisés pendant la thèse
2. Diffusion d’ion à moyenne énergie MEIS
2.1. Principe de la technique
2.1.1. Choc élastique entre charges ponctuelles
2.1.2. Pertes d’énergie inélastiques continues
2.1.3. De la perte d’énergie à l’épaisseur
2.1.4. De l’intensité à la concentration
2.2. Géométrie d’analyse
2.2.1 La canalisation
2.2.2. Le blocage
2.3. Considérations quantitatives
2.3.1. Précision quantitative en profondeur
2.3.2. Précision quantitative en concentration
2.3.3. Nature des ions incidents
2.4. Dispositif instrumental
2.4.1. Source d’ions et ligne de focalisation
2.4.2. Détecteur
2.4.3. Chambre d’analyse
3. Spectrométrie de masse à temps de vol des ions secondaires ToF-SIMS
3.1. Principe du SIMS
3.2. Le spectromètre à temps de vol
3.3. Profil de composition en profondeur
4. La spectroscopie Raman
5. L’ellipsométrie
6. La réflectivité des rayons X XRR
6.1. Principe
6.2. Mesure d’épaisseur
7. Conclusion
Bibliographie
Chapitre III Caractérisation par XPS de couches minces homogènes.
1. Mesure d’épaisseur par XPS
1.1. Analyse des spectres
1.1.1. Spectres pARXPS
1.1.2. Comparaison entre XPS industriel et pARXPS
1.2. Méthode de mesure
1.2.1. Mesure d’épaisseur par pARXPS
1.2.2. Mesure d’épaisseur sur l’XPS industriel
1.3. Incertitude de la mesure d’épaisseur
1.4. Evaluation de la justesse de la mesure d’épaisseur par XPS
1.4.1. Mesure d’épaisseur sur un empilement SiO2/Si.
1.4.2. Mesure d’épaisseur sur un empilement HfO2/SiO2/Si
1.5. Effet du nombre d’angles sur la mesure d’épaisseur par pARXPS
1.5.1. Echantillon SiO2/Si
1.5.2. Echantillon HfO2/SiO2/Si
1.6. Conclusion
2. Développement d’une métrologie hybride pour le suivi et le contrôle industriel du canal de SiGe
2.1. Utilisation des techniques conventionnelles
2.2. Limites de l’XPS seul
2.3. Méthode hybride {XPS/XRR}
2.4. Validation de la technique hybride {XPS/XRR}
2.5. Intérêt de la technique
2.6. Application en milieu industriel
2.6.1. Méthode de mesure du facteur de sensibilité
2.6.2. Méthode de mesure du facteur k
2.6.3. Evaluation de la précision de la technique de métrologie hybride
2.7. Conclusion
3. Conclusion
Bibliographie
Chapitre IV Caractérisation par XPS de couches minces hétérogènes
1. Validation de la profilométrie par pARXPS
1.1. Validation par MEIS de la reconstruction de profil par pARXPS
1.1.1. Empilement HfON/SiON
1.1.2. Canal de SiGe
1.2. Optimisation du nombre d’angles d’acquisition
2. Développement de nouveaux programmes de mesure XPS pour le contrôle industriel de l’empilement HfON/SiON
2.1. Etude de l’empilement HfON/SiON
2.1.1. Couche SiON
2.1.2. Empilement HfON/SiON
2.1.3. Application de la reconstruction de profil par pARXPS à l’empilement HfON/SiON
2.1.4. Mesure synchrotron de l’empilement HfON/SiON
2.2. Nouveaux programmes de mesure sur XPS industriel
2.2.1. Amélioration du programme de mesure sur XPS pour l’empilement SiON/Si
2.2.2. Nouveau programme de mesure par XPS pour l’empilement HfON/SiON/Si
3. Apport de l’XPS au développement de couches minces de SiGe
3.1. Etude de l’influence de l’épaisseur sur la reconstruction de profil chimique par pARXPS
3.1.1. Etude de l’épaisseur de SiO2 au-delà de laquelle le profil de germanium n’est
correct………….
3.1.2. Etude de l’épaisseur de SiO2 au-delà de laquelle le profil de SiO2 n’est plus correct
3.2. Application de la reconstruction de profil chimique par pARXPS à des empilements industriels
3.3. Conclusion
4. Conclusion
Bibliographie
Chapitre V Mesures exploratoires et Perspectives
1. Etude de la cristallinité par XPS
2. Détermination de fonctions diélectriques et de l’énergie de gap à partir du signal XPS de perte d’énergie des niveaux de coeurs
3. Mesure XPS sur structures à trois dimensions
3.1. Mesure sur structure 3D d’un empilement SiO2/SiGe/BOx
3.2. Mesure d’espaceurs sur flancs de structures
3.2.1. Mesure après dépôt
3.2.2. Mesure après gravure
4. Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
Annexes
Annexe 1 : Calcul des longueurs d’atténuation
Annexe 2 : Complément de l’étude de l’épaisseur de SiO2 au-delà de laquelle le profil
germanium n’est plus correct
Annexe 3 : Complément de l’étude de l’épaisseur de SiO2 au-delà de laquelle le profil de SiO2 n’est plus correct