ANAlyse de Transitors MOS à l'Echelle atoMiquE – ANATEME

Le transistor MOS (métal-oxyde-semi-conducteur) est de loin le dispositif le plus courant dans la production actuelle de composants semi-conducteurs, car il est le composant de base de la technologie CMOS (Complementary MOS). Depuis le commencement, cette technologie est caractérisée par sa capacité à réduire la taille des dimensions des dispositifs dans l'objectif d'atteindre de plus grandes densités d'intégration et vitesse de fonctionnement. Analyser la distribution spatiale et chimique en trois dimensions à l'échelle atomique de ces dispositifs représente un challenge de taille pour les chercheurs en microélectronique. Cependant, parmi les techniques couramment utilisées pour analyser les procédés microélectronique comme la microscopie électronique à transmission haute résolution (HR-TEM), la spectrométrie de masse en ions secondaires (SIMS), et les instruments à sonde locale, aucun n'est en mesure de révéler et d'identifier les atomes en trois dimensions et à l'échelle atomique. Pour l'instant, seule la technique de sonde atomique tomographique peut approcher cet idéal. La sonde atomique tomographique (TAP), développée au laboratoire GPM (Université de Rouen) est basée sur l'évaporation par effet de champs d'atome au bout d'une pointe ultrafine. Le TAP était jusqu'à maintenant confiné à l'analyse des matériaux conducteurs (alliages métalliques) à cause de l'utilisation d'un pulse de tension pour initier l''évaporation des atomes, et à un champ de vision limité à 20x20nm2 à cause de la limitation du détecteur. Puis, la sonde atomique tomographique laser grand-angle (appelée LAWATAP) a été réalisée en 2006 au laboratoire au travers d'un partenariat avec la société CAMECA. Cette évolution du TAP consiste en l'implémentation d'un laser pulse femto-seconde associé à une augmentation de champ de vision (jusqu'à 100x100 nm2). Ce champ de vision devrait maintenant permettre l'analyse et la reconstruction tridimensionnelle d'un transistor MOS dans son ensemble. Ceci est l'objectif final du projet. Cependant, plusieurs verrous technologiques sont à lever. Le premier d'entre eux est la préparation des échantillons par faisceau d'ions focalisé (FIB) et spécialement les endommagements induits par le faisceau de Gallium du FIB. Ceci devrait être réduit par la diminution de l'énergie des ions de Ga. De plus, l'acquisition prévue d'un FIB plus performant devrait permettre le positionnement précis d'un transistor au bout d'une pointe ultrafine, nécessaire pour l'évaporation atomique. Deuxièmement, des problèmes sont également à résoudre au niveau instrumentation. La première étape est de comprendre la physique de l'évaporation laser et déterminer les meilleures conditions d'analyse sur les matériaux semi-conducteurs ou isolants. Par exemple, il a récemment été démontré que le pouvoir de résolution dépendait grandement de la longueur d'onde utilisée, ce qui n'est à ce jour pas encore expliqué. Dans un deuxième temps, nous devons démontrer la possibilité d'analyser des procédés MOS allant en se compliquant. La reconstruction 3D du volume analysé est également d'importance. En effet, la multiplicité et la nouveauté des matériaux utilisés dans un transistor MOS vont compliquer le processus de reconstruction. Un développement technologique visant à améliorer le pouvoir de résolution en masse du LAWATAP actuellement en cours d'étude (brevet déposé) pour clairement séparer des éléments comme l'azote et le silicium doublement ionisé (pouvoir de résolution en masse de 3000 nécessaire) sera expérimenté. Troisièmement, les analyses des procédés MOS seront réalisées dans le but de : 1) Comprendre et optimiser l'évaporation des dopants dans le silicium. 2) Détecter et quantifier les clusters de dopants dans la matrice de Si et comparer avec des simulations. 3) Associer les jonctions ultrafines et les siliciures dans le but d'étudier la ségrégation des dopants à l'interface métal/semi-conducteur ; 4) Analyser des fines couches de SiO2 (5-10 nm) sur sub