Imagerie tridimensionnelle nanométrique de matériaux et dispositifs à semi-conducteurs par tomographie électronique

par Georg Haberfehlner

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Pierre Bleuet.

Soutenue le 24-09-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) et de Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information (laboratoire) .

Le président du jury était Thiery Epicier.

Le jury était composé de Laurent Desbat, Laurens Kwakman.

Les rapporteurs étaient Paul Midgley, Filadelfo Cristiano.


  • Résumé

    Ces travaux de doctorat concernent le développement de la tomographie électronique appliquée à la nano-caractérisation tridimensionnelle de dispositifs à semi-conducteurs et de matériaux pour la micro et la nanoélectronique. Les contributions les plus significatives de ces travaux sont (i) l'exploration et l'application de différents modes de contraste en microscopie électronique à transmission (TEM) pour des applications spécifiques liées au semi-conducteurs et (ii) l'investigation de nouvelles pistes pour améliorer encore la résolution spatiale, en particulier en adaptant les schémas d'acquisition en tomographie. Le TEM en balayage (STEM), basé sur des mesures annulaires aux forts angles et en champ sombre (HAADF) a été mis en œuvre pour observer des dopants dont le numéro atomique est typiquement largement supérieur à celui de la matrice (en silicium), et nous avons combiné le TEM résolu en énergie (EFTEM) dans un régime de faible perte d'énergie des électrons avec les techniques de tomographie afin de reconstruire les spectres de perte d'énergie locaux, en chaque voxel. La tomographie double-axe a été expérimentalement mise en œuvre pour améliorer la résolution spatiale, et le potentiel de la tomographie à axe multiple a été démontré, grâce aux simulations. Enfin, des algorithmes de reconstruction basés sur la minimisation de la variation totale ont été appliqués à la tomographie électronique. Les analyses effectuées comprennent les transistors triple-grille, les nanofils III-V, les capacités à base de nanofils de silicium et le silicium sur-dopé au sélénium, un matériau utilisé pour des applications optoélectroniques.

  • Titre traduit

    3D nanoimaging of semiconductor devices and materials by electron tomography


  • Résumé

    In this thesis electron tomography is developed and applied as a tool for three-dimensional nanoscale characterization of semiconductor materials and devices. The major contributions of this thesis are the exploration and application of transmission electron microscopy (TEM) contrast techniques for specific semiconductor applications and the exploration of routes towards improving spatial resolution, in particular by adapting tomographic acquisition schemes. As contrast techniques we apply high-angle annular dark-field (HAADF) scanning TEM (STEM) for investigations of heavy dopants in a lighter environment and we combine spectral low-loss energy-filtered TEM (EFTEM) with tomography and explore the features of reconstructed low-loss spectra. For resolution improvement we experimentally apply dual-axis electron tomography and investigate the potential of multiple-axis tomography based on simulations. Furthermore reconstruction algorithms based on totalvariation minimization are applied to electron tomography. Samples investigated in this work include tri-gate transistors, III-V nanowire heterostructures and silicon nanowire based capacitors as well as selenium-hyperdoped silicon, a material for optoelectronic applications.


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