= Fiabilité de la SCM et de la SCS pour la caractérisation à la nano-échelle des semiconducteurs et des diélectriques

Reliability of the Scanning Capacitance Microscopy and Spectroscopy for the nanoscale characterization of semiconductors and dielectrics

• Auteur / Autrice : Octavian Ligor
• Direction : Brice Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique industrielle

Résumé

Ce travail a été dédié à l'étude expérimentale des mesures capacitives avec le microscope à force atomique (AFM) pour la caractérisation des profils des dopants dans des structures semiconductrices et pour la caractérisation des oxydes minces. La SCM est une méthode de caractérisation très utile pour les mesures de défaillance des profils des dopants, par exemple pour vérifier si des différentes étapes technologique s comme l'implantation des dopants dans des substrats semiconducteurs a été correctement effectuée. Nous avons démontré le potentiel de la SCM pour la caractérisation des profils des dopants en utilisant des échantillons de test qui couvrent à peu prés toutes les structures semiconductrices rencontrées dans l'industrie de la microélectronique: des profils des dopants, de type escalier, des puits quantiques, des jonctions p-n. Des images qualitatives ont été obtenues sur des échantillons contenant des profils des dopants des concentrations entre 2. E+15 at. Cm-3 et 5. E+19cm-3. Nous avons montré que la SCM est capable de détecter des puits quantiques avec une épaisseur d'environ 7 nm. La SCM est capable de faire la différence entre les dopants de type n et les dopants de type p. Tous ces résultats confirment l'utilité de la SCM comme méthode de caractérisation qualitative des profils des dopants à nano-échelle. Nous avons aussi étudié les paramètres expérimentaux qui jouent un rôle dans l'interprétation et la reproductibilité du signal capacitif: la lumière laser parasite provenant du système de détection de l'AFM, des couplage capacitifs parasites, les problèmes de contact entre la sonde AFM et l'échantillon, l'influence des champs électriques forts générés par la sonde AFM, la topographie des échantillons, la qualité et les propriétés de l'oxyde de grille. Nous avons proposé des solutions pour l'élimination de tous ces facteurs parasites et pour l'avancement de la SCM vers des mesures reproductibles et quantifiables.

This work was devoted to the experimental study of the scanning capacitance microscopy (SCM) and spectroscopy (SCS) for the mapping of the dopants in the semiconductor structures and for the characterization of thin oxides. SCM has appeared to be a very powerful technique for doping mapping as long as qualitative images are needed, for example in order to check whether fabrication steps like implantations have been correctly operated during the fabrication of devices (presence or absence of doping of a given type in a region where it should be present). When quantitativity is needed, the only way of performing a calibration of SCM images for dopant mapping seems to grow exactly the same oxide on two different samples, one being a calibration sample from which a semi-calibration curve associating doping levels and SCM signal levels will be measured and applied to the unknown sample (semi-calibration). We have shown the capabilities of SCM for dopant mapping using a series of experimental situations and test samples covering almost all frequently encountered structures in the industry of silicon microelectronics : doping staircases of p-type and n-type structures, quantum wells and p-n junctions. Qualitative images have been obtained for a wide range of doping levels between 2. E+15 at. Cm-3 to 5. E+19 at. Cm-3. SCM is able to detect quantum wells of ~ 7 nm width. SCM is also able to differentiate between dopants of different type (p-type or n-type). All these results confirm the usefulness of SCM as a qualitative imaging technique. We have studied the experimental parameters playing a role in the interpretation and reproducibility of SCM signal: stray light, stray capacitance, the tip-sample contact, the influence of strong electrical fields, the sample’s topography, the quality and the properties of the top oxide. We have proposed solutions for eliminating all these parasitic factors and for rendering the SCM measurements reproducible and quantitative.