Caractérisation et contrôle industriel des contraintes locales en microélectronique : applications aux transistors de technologie 20 nm

par Aurèle Durand

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Patrice Gergaud et de Razvigor Ossikovski.

Soutenue le 29-11-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Roland Fortunier.

Le jury était composé de Alain Claverie, Joël Eymery, Denis Rouchon, Delphine Le Cunff.

Les rapporteurs étaient Patrick Simon, Pierre-Olivier Renault.


  • Résumé

    De nombreuses techniques de caractérisation sont utilisées dans les industries de la microélectronique dans le but d’inspecter et analyser les circuits. Actuellement, la réduction des dimensions des transistors, l’implémentation d’alliage de silicium-germanium (SiGe) et l’ingénierie des déformations, nécessitent de développer une métrologie innovante des champs de déformations induits par les procédés de fabrication. Ces techniques non-destructives et rapides de caractérisation des déformations doivent être aussi capables d’analyser des nanostructures directement en ligne de production. Dans ce contexte, nous avons évalué les performances de la diffraction de rayons-X haute résolution (HRXRD) et de la spectroscopie Raman à mesurer des déformations, et nous avons proposé une méthodologie adaptée aux exigences de la métrologie.Les équipements industriels de HRXRD développés pour la métrologie, sont aptes à mesurer la déformation de couches nanométriques de SiGe, avec une grande sensibilité (< 10-4). Néanmoins, pour des structures complexes comme les transistors planaires, la complexité du champ de déformation requière la mesure et l’analyse approfondie de cartographies de l’espace réciproque (RSM). Nous avons alors montré l’intérêt et les performances des RSM pour la caractérisation des déformations dans des réseaux de transistors pMOS. Pour ce faire, une méthode inverse a été développée, consistant à simuler des RSM à partir d’une modélisation mécanique des champs de déformation. Différents modèles ont été explorés et un très bon accord entre les RSM mesurées et simulées est établi. Le champ des déformations extrait par cette méthode est corrélé avec succès à celui mesuré par la technique d’holographie électronique en champ sombre, démontrant ainsi l’analyse fine des champs des déformations de pMOS par HRXRD.La spectroscopie µ-Raman a aussi été identifiée comme étant une candidate prometteuse pour l’industrie, du fait de sa résolution spatiale sub-micrométrique et d’une grande sensibilité sur des structures nanométriques. Elle permet de déterminer de manière simultanée l’état de déformation et la composition moyenne d’un film de SiGe de quelques nanomètres d’épaisseur. Ainsi, la spectroscopie µ-Raman a alors permis de révéler que le procédé de condensation, critique pour la création du canal en SiGe contraint des transistors de technologie avancée, induit une inhomogénéité de composition en germanium dans le film de SiGe. Enfin, la résolution spatiale de la spectroscopie µ-Raman et de la spectroscopie Raman exaltée par effet de pointe (TERS) a été déterminée par comparaison de mesures avec des simulations. Ces résultats montrent les évolutions attendues pour répondre aux exigences de l’industrie de la microélectronique.Finalement, une méthodologie industrielle d’HRXRD permettant de suivre en ligne l’évolution du champ de déformation pendant les procédés de fabrication est développée. La méthode principale utilise une librairie de RSM simulées pour toute une série de structures avec des géométries, des compositions en germanium et des paramètres de déformation variables. Les RSM mesurées sont ensuite associées de manière sélective aux RSM simulées inclues dans la librairie, fournissant simplement et rapidement une géométrie et un champ des déformations comme données de sortie, paramètres pouvant être ajustés par des itérations ultérieures si nécessaire. Grâce au développement d’un logiciel (DeusX), qui traite et simule les RSM, l’ensemble de la procédure est capable de suivre, détecter et localiser automatiquement des variations faibles de déformation induites par les étapes de fabrication. L’ensemble des résultats démontrent que la procédure est compatible avec les exigences industrielles : rapidité, robustesse et simplicité. Ce travail est ainsi une avancée majeure vers l’utilisation des RSM pour le suivi industriel en ligne des déformations.

  • Titre traduit

    Characterization and industrial control of local stress in microelectronics : applications to advanced transistors technology of 20 nm


  • Résumé

    For many years, characterization techniques have been used in the microelectronic industry in order to probe and analyze integrated components. Nowadays the critical downscaling of transistors and implementation of new materials and methods, such as silicon-germanium (SiGe) and strain engineering, induce the necessity of developing innovative metrology in order to monitor the fabrication processes at each step. In this context, there is a need for non-destructive and fast strain characterization techniques, capable of in-line analysis of nano-structures. Within that framework, the capabilities of High Resolution X-Ray Diffraction (HRXRD) and Raman spectroscopy for strain measurements is evaluated and a methodology tailored to in-line metrology constraints is proposed.Industrial HRXRD equipment, developed for an in-line strain metrology have demonstrated their ability to measure strain in SiGe thin films of only a few nanometers thick, with a great sensitivity (< 10-4). Nonetheless, when it comes to advanced structures, such as planar transistors, the strain field complexity requires the measurement and the thorough analysis of Reciprocal Space Mappings (RSM). In this study, we demonstrate the interest and capability of RSM for the characterization of strained structures for gratings of pMOS transistors. A reverse method that consists in using a strain field model to reproduce the measured RSMs is used. The benefit of using different mechanical models is explored and a very good agreement between experimental and simulated RSM’s is established. Strain field extracted by this method is successfully correlated to the one measured by Dark-Field Electron Holography (DFEH) technique, emphasizing the capability of HRXRD for pMOS strain field investigation.Alongside, µ-Raman spectroscopy was also identified to be a promising candidate for the industry, due to a sub-micrometers spatial resolution and a low detection threshold. It enables to determine simultaneously the strain state and the average composition of SiGe thin films down to the nanometer scale. Thereby, µ-Raman reveals that a condensation process, critical to create a strained SiGe channel for advanced transistor technology, induces a germanium composition inhomogeneity in the SiGe thin films. To go further, the spatial resolution of µ-Raman and Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) techniques is investigated by comparing the measurements with simulations, highlighting that there is still some way to go before fulfilling the demands of the microelectronics industry.Finally, a HRXRD methodology is developed in order to follow the strain field evolution all along process steps in a manufacturing environment. The main method uses a large library computed for a bunch of structures with varying geometries, germanium content and strain parameters. Then the measured RSMs are selectively matched to the simulated RSMs within the library, providing in a simple and a quick way a close corresponding geometry and strain field as an output, which could then be refined by iteration if necessary. Thanks to a homemade software (DXtract), that processes and simulates the RSMs, the whole procedure is automated and is capable to follow, detect and localize even the small strain variations induced by the manufacturing steps. In addition, all the results demonstrate that the procedure is compatible with industrial constraints, meaning fast, robust and easy to operate. This work is therefore a major step towards the use of RSM for in-line monitoring, which is undoubtedly a relevant technique for industrial strain metrology.


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