Mesures de déformations dans des dispositifs de la microélectronique par microscopie électronique en transmission en haute résolution et holographie en champ sombre
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Strained silicon is now an integral feature of microelectronic devices due to the associated enhancement in carrier mobility. The general aim of this thesis is to explore how transmission electron microscopy can be used to measure strain in such systems. We show in particular how Geometric Phase Analysis (GPA) of High Resolution Electron Microscopy images (HREM) can be used to study thin layers of strained silicon grown upon virtual substrates of Si1-xGex. By studying different virtual substrate compositions and different layer thicknesses we have optimized the technique and evaluated its accuracy and reliability. Accuracy in strain measurement can reach 0. 2% for fields of view of 200 nm x 200 nm. The detailed comparison of experimental measurements and finite element simulations allows the quantification of thin foil relaxation for TEM lamellas. We show, for the first time, that strain can be mapped in two dimensions in an actual device, a p-MOSFET, with a spatial resolution of 2 nm. The second part concerns a new method developed in the CEMES-CNRS laboratory: dark-field holography. With the aid of a field emission gun and a biprism, interferometric fringes are created between a diffracted wave coming from a perfect crystal and a diffracted wave coming from a distorted area. Analysis of the hologram allows us to determine strain. Very large field of view (500 nm by 2 µm) can be obtained with an even better precision than HREM: 0. 02%. Finally, the complementarity of the two techniques is demonstrated through the study of various systems such as multichannel, uniaxial compressed p-MOSFETs (SiGe) with different channel lengths or uniaxial tensile strained n-MOSFETs (Si:C).
Abstract FR:
Les matériaux cristallins sous contrainte font aujourd'hui partie intégrante des dispositifs de la microélectronique car ils offrent une amélioration considérable de la mobilité des porteurs dans les zones actives. Dans un premier temps, nous avons développé l'analyse de phases géométriques (GPA) d'images en haute résolution (HREM), en étudiant des couches minces de silicium en contrainte biaxiale sur des pseudo-substrats de SiGe. Les résultats obtenus pour différentes gammes de Si1-xGex et différentes épaisseurs de films minces, comparés à des simulations par éléments finis (FEM), ont permis d'optimiser cette méthode. La précision sur la mesure des déformations atteint 0,2% et le champ de vue 200 nm x 200 nm. Mesures expérimentales et simulations FEM ont également permis de quantifier l'effet de relaxation des lames minces de microscopie. L'étude d'un système plus complexe, un p-MOSFET, a montré la possibilité de cartographier pour la première fois les champs de déformations en deux dimensions avec une résolution spatiale pouvant atteindre 2 nm. Cette thèse présente également, dans un second temps, une nouvelle méthode développée au sein du CEMES-CNRS : l'holographie en champ sombre. Cette technique, nécessitant un canon à émission de champ et un biprisme électrostatique, permet de réaliser des franges d'interférences, entre une onde diffractée par un réseau cristallin parfait et une onde diffractée par un réseau déformé. Ainsi, il devient possible de cartographier les déformations sur un très large champ de vue (500 nm x 2 µm) avec une meilleure précision qu'en haute résolution : 0,02%.