Modélisation des phénomènes physiques à l'échelle nanométrique dans les composants de la microélectronique étudiés par holographie électronique operando

Modelling nanoscale fields in microelectronics components studied by operando electron holography

• Auteur / Autrice : Kilian Gruel
• Direction : Martin Hÿtch, Christophe Gatel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 14/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérémie Grisolia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Hÿtch, Christophe Gatel, Jérémie Grisolia, Catherine Dubourdieu, Williams Lefebvre, Christian Ricolleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Dubourdieu, Williams Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Microscopie électronique en transmission

Holographie

Mots clés libres

Microscopie électronique

Méthode des éléments finis

Composants micro-électroniques

Micro-electronic devices

Finite element method

Electron microscopy

Résumé

L'holographie électronique est une méthode dérivée de la microscopie électronique en transmission (MET) et l'une des rares techniques capables de cartographier quantitativement les champs électriques, magnétiques et de déformation à l'échelle nanométrique. L'holographie permet d'accéder au déphasage acquis par le faisceau électronique lorsqu'il interagit avec des potentiels électromagnétiques. Les électrons acquièrent ce déphasage non seulement en traversant l'échantillon polarisé, mais aussi par le champ de fuite rayonné et qui l'entoure inévitablement. Associée à des expériences de polarisation in situ, l'holographie électronique ouvre des perspectives sans égales pour mesurer les champs électriques dans des dispositifs issus de la microélectronique pendant leur fonctionnement. Il est cependant nécessaire dans un premier temps de démontrer que ces mesures sur des nanocomposants en fonctionnement sont parfaitement quantitatives et exploitables, en commençant par des systèmes modèles. Les résultats expérimentaux doivent également être comparés aux modélisations prenant en compte différents facteurs tels que la géométrie de l'échantillon, les dommages causés par le faisceau d'ions focalisés (FIB à source de gallium) utilisés pour l'amincissement, les champs de fuites et les effets de charge. Les échantillons préparés spécifiquement sont placés sur une puce insérée dans un porte-objet MET dédié à l'injection in situ de signaux électriques. Les expériences d'holographie électronique dites operando ont été réalisées sur le microscope I2TEM avec des temps d'exposition extrêmement longs pour améliorer le rapport signal/bruit (jusqu'à 30 minutes) grâce à l'automatisation dynamique qui permet la stabilisation des franges d'interférence et de l'échantillon. Ce travail de thèse démontre comment interpréter quantitativement les images de phase expérimentales obtenues par holographie électronique sur des nanocondensateurs modèles polarisés, ainsi que dans des dispositifs issus de lignes de production, en utilisant des simulations numériques avec la méthode des éléments finis (MEF). J'ai ainsi développé une méthodologie basée sur la MEF à l'aide d'un logiciel commercial (COMSOL Multiphysics) pour modéliser le potentiel électrostatique à l'intérieur et autour de nanodispositifs polarisés électriquement. Des couches conductrices ont été incluses dans le modèle pour prendre en compte l'effet de dommages de surface introduits pendant la préparation de l'échantillon par FIB. Pour s'ajuster au déphasage mesuré expérimentalement, les paramètres sont d'abord ajustés manuellement, puis de manière algorithmique en utilisant la méthode de la région de confiance avec réflexion de manière itérative. Le processus d'ajustement permet d'estimer la véritable polarisation appliquée aux nanodispositifs, de déterminer la présence et les caractéristiques des couches conductrices à la surface, et de mesurer les densités de charge pouvant apparaître. Les résultats obtenus sur des nanocondensateurs modèles et des nanocomposants issus des lignes de production de STMicroelectronics sont présentés et analysés, et les erreurs sont étudiées. Une étude théorique de la relation entre un condensateur modèle et l'image de phase résultante est également détaillée. Ce travail de thèse démontre l'intérêt d'étudier à une échelle nanométrique la distribution des champs et potentiels électriques. Nous mettons par exemple en évidence la présence de zones chargées en volume qui modifient les caractéristiques électriques attendus dans des nanocondensateurs métal/oxide/semiconducteur (MOS) modèles alors que tout semblait parfaitement compris sur ce type de nanodispositifs. De plus, la corrélation des champs électriques locaux avec les propriétés structurales et chimiques aiderait considérablement les laboratoires de recherche et l'industrie microélectronique dans la recherche fondamentale et le développement de nouveaux dispositifs nanoélectroniques.

Electron holography is a powerful transmission electron microscopy (TEM) technique, one of the few capable of quantitatively mapping electric, magnetic, and strain fields at the nanoscale. Holography allows the measurement of the phase shift of the electron beam caused by the interaction with electromagnetic potentials along its trajectory, both within the polarized sample but also in the surrounding stray field. When combined with in situ biasing experiments, electron holography provides unprecedented opportunities to measure electric fields in operating microelectronic devices. However, it is necessary to demonstrate that such operando measurements are fully quantitative, and therefore exploitable, by first studying model systems. Experimental results will have to be compared to models that account for variables such as sample geometry, damage caused by the focused ion beam (gallium-source FIB) used for thinning, stray fields, and charging. The specially prepared samples are placed on a chip that is inserted into a dedicated TEM holder for in situ electrical signal injection. Operando electron holography was carried out on the I2TEM microscope (In-situ Interferometry TEM), a Hitachi 3300-C TEM, specifically designed for such experiments. Extremely long exposure times were used (up to 30 minutes) to improve the signal-to-noise ratio, thanks to recently developed dynamic automation that allows the stabilization of the position of the sample and the hologram fringes during acquisition. This thesis shows how experimental phase images obtained by electron holography can be quantitatively interpreted for biased model nanocapacitors, as well as devices from production lines, using numerical simulations with the finite element method (FEM). I created a FEM-based methodology for modeling the electrostatic potential in and around electrically polarized nanodevices using commercial software (COMSOL Multiphysics). To account for the effect of surface damage introduced during FIB sample preparation, conductive superficial layers were included in the model. To fit the experimentally measured phase shift, the parameters are manually adjusted and then algorithmically adjusted iteratively using the trust region reflective method. The fitting process estimates the true bias applied to the nanodevices, determines the presence and characteristics of conductive layers on the surface, and measures the charge densities that may occur. The results of model nanocapacitors and nanodevices from STMicroelectronics manufacturing lines are presented and analyzed, and errors are investigated. There is also a detailed theoretical study of the relationship between a model capacitor and the resulting phase image. This thesis demonstrates the interest of studying the distribution of electric fields and potentials at a nanometric scale. For example, we highlight the presence of volume charged regions that alter the expected electrical characteristics of model metal-oxide-semiconductor (MOS) nanocapacitors, despite the fact that this type of nanodevice was considered to be completely understood. We anticipate that establishing the relationship between local electric fields and the structural and chemical information will greatly assist research laboratories and the microelectronics industry in the development of new nanoelectronic devices.