Stress transfer in ultimate transistors through SiN deposits : study by electron holography and finite element modelling

par Patrizio Benzo

Thèse de doctorat en Physique de la matière

Sous la direction de Alain Claverie et de Daniel Bensahel.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .

mots clés

• Contraintes et déformations dans les MOSFETs
• Holographie Electronique en Champ Sombre
• Modélisation par Eléments Finis
• Liner SiN
• Transistors MOSFET
• Holographie numérique
• Éléments finis, Méthode des

Titre traduit

Transfert de contraintes dans les tranisitors ultimes via des dépôts SiN : étude par holographie électronique et modélisation par éléments finis

Résumé

Longtemps considérées comme pénalisantes, les contraintes sont aujourd'hui utilisées sciemment pour fabriquer des transistors CMOS de dernière génération car elles permettent d'augmenter très sensiblement la mobilité des porteurs dans le silicium et donc la vitesse des dispositifs type MOS. L'utilisation de couches fortement contraintes qui, déposées sur un transistor, introduisent une déformation élastique dans la région électriquement active du dispositif, est une solution très prometteuse. A cette fin, les couches amorphes de Nitrure de Silicium (SiN) sont particulièrement intéressantes car elles sont peu couteuses à fabriquer et compatibles avec les technologies MOS. Cependant, l'optimisation de ce procédé de mise sous contrainte impose de connaître précisément les propriétés mécaniques de ces couches. Celles-ci étant très dépendantes des conditions d'élaboration et donc des lieux de production, ces propriétés sont en général pas connues. La récente invention de l'Holographie Electronique en Champ Sombre (Dark Field Electron Holography, DFEH), qui permet de mesurer des distributions de déformations avec un champ de vue de l'ordre du micromètre, une résolution spatiale nanométrique et une très bonne précision (10-4), ouvre de nouvelles perspectives dans ce domaine. Le but de ce travail de thèse était d'étudier, en couplant des mesures DFEH à des Modélisations par Eléments Finis (FEM), les déformations transférés par des couches de SiN amorphe déposées sous des conditions communément utilisées dans l'industrie microélectronique. Dans un premier temps, j'ai étudié les déformations introduites dans des structures modèles composées de motifs de Silicium recouvert par un dépôt de SiN. Ce faisant, j'ai pu développer le concept générique de "capteur de déformation". L'idée est d'utiliser un matériau cristallin bien connu comme un "capteur" pour étudier les déformations cristallines introduites en son sein par une couche déposée. La confrontation avec des simulations par éléments finis (FEM) permet ensuite de déterminer les caractéristiques mécaniques (contrainte interne et module de Young) de ces couches déposées. Pour me rapprocher de la structure réelle de dispositifs MOS, j'ai ensuite étudié puis expliqué les déformations introduites par un réseau de lignes de poly-Si déposé sur un substrat de silicium, lui-même recouvert par une couche de SiN contraint. Doté de cette méthodologie, j'ai finalement étudié la distribution des déformations dans de " vrais " dispositifs MOSFETs (type "n" et "p") réalisés en technologie "28 nm". Plus précisément, je me suis attaché à comprendre l'effet des différentes étapes technologiques sur la distribution des déformations dans des dispositifs " complets ". J'ai ainsi pu mettre en évidence que l'introduction de certains " éléments " (spacers, contacts) ou la réduction de "taille" peuvent sensiblement affecter/réduire les effets bénéfiques espérés grâce à cette approche technologique.

Résumé

For long time considered as detrimental, stress is now an integral feature of ultimate MOS technology because it considerably increases the carrier mobility in silicon, hence it can be used to boost device performances. The use of highly stressed layers deposited over the transistor for introducing an elastic deformation in the electrically active region of the device is a very promising solution. For that, silicon nitride (SiN) amorphous layers are particularly interesting because they are cheap and compatible with MOS technology. However, the optimization of this method for stress transmission requires the precise knowledge of the mechanical properties of these layers. Being highly dependent on the fabrication parameters and thus on the production sites, these properties are generally unknown. The recent invention of Dark Field Electron Holography (DFEH), which allows strain fields to be mapped over micro-scale fields of view, with nanometric spatial resolution and high precision (10-4), opens new perspectives in this field. The aim of this thesis was to investigate, by combining DFEH measurements and Finite Element Modelling (FEM), the strain transferred by amorphous SiN layers deposited under conditions commonly used in the microelectronics industry. At first, I studied the strain introduced in model structures composed of silicon patterns covered by a SiN deposit. While doing this, I have developed the generic concept of "strain sensor". The idea is to use a well-known crystalline material as a "sensor" to study the crystal deformations introduced by a deposited layer. The comparison with finite element simulations (FEM) allows one to determine the mechanical properties (internal stress and Young's modulus) of these deposited layers. Then, to get closer to the actual structure of MOS devices, I studied and explained the strain introduced by an array of poly-Si lines deposited on a silicon substrate, covered by a stressed layer of SiN. Using this approach, I finally studied the strain distribution in "real" MOSFET devices ("n" and "p" types) made by the "28 nm" technology node. More precisely, I sought to understand the effect of the different technological steps on the final strain distribution in "complete" devices. I was able to show that the introduction of some "components" (spacers, contacts) or the reduction of "size" can significantly affect/reduce the beneficial effects expected using this technological approach.