Ion beam analysis of three dimensional (3D) structures for applications in nanotechnology

Afin d'optimiser les performances des circuits intégrés, l’industrie de la micro et nanotechnologie mène d'intenses recherches sur la miniaturisation à l'échelle sub-22nm de leurs principaux constituants que sont les transistors MOS. La réduction de la taille de grille atteint néanmoins des limites qui rendent problématique le contrôle du canal. L'une des approches les plus prometteuses pour contourner ce dilemme et ainsi poursuivre la miniaturisation des futurs nœuds technologiques, consiste au développement des transistors d’architectures 3D (Trigate ou FinFET). La mise au point de telles structures requiert une caractérisation de plus en plus fine, surtout à une étape clé de leur élaboration, qui est celle du dopage par implantation ionique. Du fait des faibles profondeurs implantées, l'analyse par diffusion d'ions de moyenne énergie (MEIS) est tout à fait adaptée pour quantifier les implants et évaluer la conformité du dopage grâce à sa bonne résolution en profondeur (0.25 nm). Néanmoins, les dimensions de la sonde (0.5 × 1 mm2) étant très supérieures à celles des motifs, il nous a fallu développer un protocole d’analyse propre à de telles architectures. Les échantillons étudiés dans le cadre de cette thèse sont des systèmes modèles. Ils sont constitués de réseaux de lignes de silicium (Si) 3D, formées par gravure lithographique par faisceaux d’électrons (e-beam) sur des plaques 300 mm de types silicium sur isolant (SOI). Le dopage a été réalisé à une énergie de 3 keV par implantions conventionnelle (ou beam line) et immersion plasma (PIII).L’analyse des spectres MEIS des implants insérés dans chaque facette des motifs a été possible grâce aux simulations 3D types Monte-Carlo effectuées avec le logiciel PowerMEIS. Nous avons ainsi développé une nouvelle méthode adaptée à la caractérisation du dopage 3D. Les mesures ont montré que, contrairement à la méthode PIII, la dose implantée par la méthode conventionnelle correspond à celle visée. Cependant la distribution des dopants introduits au sein des nanostructures par les deux méthodes de dopage n’est pas uniforme. Dans les échantillons implantés par PIII, on a observé une importante concentration des dopants aux sommets des motifs et un faible dopage des flancs. Ceci étant moins marqué dans celui implanté par la méthode conventionnelle. En corrélant les techniques de Microscopie Electronique en Transmission (MET), d’analyses par rayons x synchrotron et MEIS, nous avons également pu déterminer les dimensions des zones implantées ainsi que celles des zones cristallines dans les réseaux de lignes gravées.L'exploitation de la technique MEIS en mode canalisation a permis une évaluation complète des couches non gravées. L’investigation des endommagements post – dopage dans les régions cristallines non implantées ont été menées toujours avec la même technique MEIS. Les résultats ont révélé une importante influence de la méthode d’implantation et la température sur les défauts et les déformations dans le cristal. L’origine des anomalies au sein des échantillons a ainsi été identifiée en corrélant les mesures MEIS et celles par spectrométrie de masse des ions secondaires en temps de vol (ToF-SIMS).With the aim of optimizing the performances of integrated circuits (ICs), the nanotechnology industry is carrying out intense research activities on the miniaturization at the sub-22 nm scale of their main constituents: the MOS transistors. Nevertheless, the shrinking of the gate size has reached the limits that make the control of the channel problematic. One of the most promising approaches to circumvent this dilemma and thus further the miniaturization of the future technological nodes, is the development of transistors of 3D architecture (Trigate or FinFET). The elaboration of such nanostructures requires increasingly fine characterization tools precisely at a key stage of their fabrication, namely the ion implantation doping. Given the ultra-shallow implantation depths, the medium energy ion scattering (MEIS) analysis technique is suitable for quantifying the implants and evaluating the doping conformity thanks to its good depth resolution (0.25 nm). However, the dimensions of the beam (0.5×1 mm2) being by far larger than those of the patterns, we had to develop an analysis protocol dedicated to such architectures. The samples studied in the framework of this thesis are considered as model systems. They are constituted of 3D silicon (Si) Fin – shaped line gratings, etched on the 300 mm wafers of silicon on insulator (SOI) types by using the electron beam (e-beam) lithography. The doping has been carried out at an energy of 3 keV by using the conventional (or beam line) and plasma immersion ion implantation (PIII) methods.The analyses s of the MEIS spectra of the dopants implanted into each part of the patterns were possible thanks to the 3D Monte-Carlo simulations performed with the PowerMEIS software. We have thus developed a new method suitable for the characterization of the 3D doping. The measurements have shown that, contrarily to the PIII method, the dose implanted by the conventional method is as targeted. However, the distribution of the dopants inserted within the nanostructures by using the two doping methods is not uniform. In the PIII implanted samples, a large dopants' focusing at the tops of the patterns and low sidewalls' doping have been observed. This is less marked in the one implanted by the conventional method. By correlating the Transmission Electron Microscopy (TEM), synchrotron x – ray analyses and MEIS, we have also determined the dimensions of the implanted and crystal areas of the line gratings.The exploitation of the MEIS technique in channeling mode has permitted the full assessment of the impacts of the implantation in the non-etched layers. The investigations of the crystal qualities in the non-implanted areas were carried out with the same technique. The results show that the temperature conditions have a considerable influence on the defects and lattice deformations. The origin of the anomalies in the samples has thus been identified by correlating the MEIS and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) measurements