Analyse ultime par Spectrométrie de Masses des Ions Secondaires des matériaux de la microélectronique avancée : contribution à l'interprétation des profils de bore dans le silicium

= Ultimate secondary ion mass spectrometry of advances microelectronics' materials : contribution to the interpretation of boron profiles in silicon

• Auteur / Autrice : Nicolas Baboux
• Direction : Jean-Claude Dupuy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l'Electronique Intégrée
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Microélectronique

Spectrométrie de masse des ions secondaires

Résumé

La Spectrométrie de Masse des Ions Secondaires (SIMS) est une méthode d'analyse élémentaire qui, de part sa sensibilité et sa bonne résolution en profondeur, est une méthode de choix pour la caractérisation élémentaire des matériaux de la microélectronique. Cependant, la réduction rapide et continue des dimensions des dispositifs avancés de cette filière impose un cahier des charges de plus en plus éxigeant. La mise en œuvre de l'analyse SIMS prend alors un caractère ultime. Nous avons procédé à la mise en évidence et à l'interprétation de certains artefacts instrumentaux et montré qu'ils sont pour une grande part à l'origine des problèmes de reproductibilité. Bien sûr, la résolution en profondeur doit être améliorée drastiquement. L'évolution des paramètres de la fonction de résolution en profondeur a été étudiée de façon rigoureuse dans le cas du bore dans le silicium. Dans les conditions accessibles les plus favorables, la résolution atteinte est de l'ordre du nanomètre, soit quelques couches atomiques. D'autre part, le régime transitoire, correspondant aux premiers instants de l'érosion ionique, ne peut plus être négligé dans le contexte : une partie conséquente des profils d'intéret peut y résider, rendant leur quantification difficile, et l'effet intégral de ce processus peut conduire à un décalage systématique de l'échelle des profondeurs. Nous avons démontré que l'analyse SIMS sous soufflage permet une mesure précise de la dose des profils dans cette région, bien qu'ils subissent une distorsion importante. Il a été de plus établi que la précision absolue de l'échelle des profondeurs est meilleure que le nanomètre. Enfin, la recherche des conditions d'analyses optimales en terme de résolution en profondeur peut être compromise par l'apparition de rugosités à la surface de l'échantillon, dont les conséquences sur l'analyse ont été étudiées de façon quantitative. Le domaine des conditions d'analyses adéquates a été déterminé dans le cas du soufflage d'oxygène.

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is a method of choice for elemental characterization of micro-electronics materials, due to its high sensitivity and good depth resolution. However, as devices dimensions shrink continuously, the demand for this method becomes more and more stringent. Practical implementation of the technique then becomes ultimate. We reported a number of instrumental artifacts, trying to interpret them, and showed that they are for a great responsible for the lack of reproducibility. Of course, the depth resolution must be drastically improved. The evolution of the depth resolution function parameters was studied in a rigorous way in the case of boron in silicon. For the best available analysis conditions, the achieved resolution is of order of one nanometer that is to say a few atomic planes. Moreover, the transient region, corresponding to the first instants of the erosion process, cannot be neglected any more: a substantial part of the impurity profile can lie in it, making its quantification very difficult, and the integral effect of this phenomenon can lead to a systematic shift of the depth scale. We showed conclusively that flooding the sample with oxygen during analysis allows a precise measurement of the total profile's dose, although it undergoes a significant shape distorsion. It was also established that the absolute precision of the depth scale is better than one nanometer. Finally, the search of the optimal conditions in terms of depth resolution is hampered by the occurrence of roughness on the instantaneous surface of the sample. We have quantitatively studied its consequences on the measurements interpretation. Useful range of analysis conditions was determined for the case of oxygen flooting.