FR3084659A1 - Procede de caracterisation d’un empilement de couches au moyen de mesures electriques et de spectrometrie de photoelectrons induits par rayons x sous tension, empilement de couches pour la mise en œuvre du procede, procede de fabrication de l’empilement de couches selon l’invention - Google Patents

Procede de caracterisation d’un empilement de couches au moyen de mesures electriques et de spectrometrie de photoelectrons induits par rayons x sous tension, empilement de couches pour la mise en œuvre du procede, procede de fabrication de l’empilement de couches selon l’invention Download PDF

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Abstract

Empilement de couches pour la caractérisation d'une couche de grille (E) au moyen de mesures électriques et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension VGmes, ledit empilement de couches comportant un substrat semi-conducteur (S) et une couche isolante (O) dans laquelle sont formées une première (P) et une deuxième (D) cavités, la première cavité (P) comportant une couche de grille (E) recouvrant le fond de la première cavité (P), les parois latérales de la première cavité (P) et débordant sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la première cavité (P), la deuxième cavité (D) comportant une couche de grille (E) ayant la même composition et la même épaisseur que la couche de grille de la première cavité (P) et recouvrant le fond de la deuxième cavité (D), les parois latérales de la deuxième cavité (D) et débordant sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la deuxième cavité (D),

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE CARACTERISATION D’UN EMPILEMENT DE COUCHES AU MOYEN DE MESURES ELECTRIQUES ET DE SPECTROMETRIE DE PHOTOELECTRONS INDUITS PAR RAYONS X SOUS TENSION, EMPILEMENT DE COUCHES POUR LA MISE EN ŒUVRE DU PROCEDE, PROCEDE DE FABRICATION DE L’EMPILEMENT DE COUCHES SELON L’INVENTION
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se situe dans le domaine de la caractérisation des empilements de couches pour la microélectronique, tels que les empilements de type métal/oxyde/semiconducteur ou MOS. Un objet de l’invention est un procédé de caractérisation d’un empilement de couches par mesures électriques et par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension. Un autre objet de la présente invention est un empilement de type métal/oxyde/semiconducteur adapté à la mise en œuvre du procédé selon l’invention. L’invention concerne en outre un procédé de fabrication de l’empilement de couches selon l’invention.
ETAT DE L’ART
Les industries de la microélectronique engagées dans le développement de filières CMOS (« Complementary Metal Oxide Semiconductor >> en anglais) ont besoin d’outils efficaces pour comparer des technologies variées ayant des architectures spécifiques.
La caractérisation de ces architectures repose sur la mesure de différents paramètres, tels que le travail de sortie de grille, l’épaisseur d’oxyde effective ou encore la tension de bandes plates. Même si certains de ces paramètres peuvent être déterminés à l’aide de techniques de caractérisation électrique, d’autres techniques de mesure peuvent s’avérer très utiles, permettant d’obtenir des informations complémentaires ou difficilement accessibles avec des mesures électriques.
Par exemple, il a été montré que la spectrométrie de photons induits par rayons X (ou XPS de l’anglais « X-Ray Photoelectrons Spectroscopy ») peut donner des informations sur l’énergie des niveaux électroniques dans les différents matériaux composant l’empilement de couches. Plus généralement, les mesures XPS permettent de mesurer la structure des bandes électroniques des différents matériaux.
En particulier, il est connu de l’homme de l’art que l’application d’une tension électrique pendant la réalisation de mesures XPS induit un décalage en énergie des spectres de photoélectrons, ce décalage étant proportionnel à la tension appliquée. Ces effets sont par exemple décrits dans le document « XPS for chemical- and charge-sensitive analyses >> de H. Sezen et S. Suzer, publié en 2013 dans « Thin Solid Films », numéro 534, pages 1-11.
Les mesures XPS sous tension peuvent être utilisées pour déterminer la structure des bandes énergétiques dans un empilement de couches, voir par exemple le document « Quantitative characterization of Band-Edge Energy Positions in High-k Dielectrics by X-Ray photoelectron spectroscopy» de Y. Chikata et al., publié en 2013 dans « Japanese Journal of Applied Physics », numéro 52. En particulier, il est montré dans ce document que grâce aux mesures XPS sous tension il est possible de déterminer les niveaux d’énergie des bandes de conduction et de valence d’un diélectrique par rapport à l’énergie de bande interdite du SiO2.
Par ailleurs, l’étude des décalages en énergie de spectres XPS sous tension a permis de déterminer la densité des états à l’interface entre les couches dans un empilement de type oxyde semiconducteur (cf. par exemple le document « Bias-voltage application in a hard x-ray photoelectron spectroscopic study of the interface states at oxide/Si interfaces » de Y. Yamashita et al., publié dans « Journal of Applied Physics », numéro 113, en 2013).
Toutefois, l’interprétation des mesures XPS sous tension reste difficile et peut parfois donner des résultats contradictoires. Par exemple, certains résultats publiés en littérature ont été interprétés comme une chute de potentiel à l’interface entre un métal et un oxyde, cette chute de tension étant trouvée variable en fonction de la variation de tension appliquée. Or, une telle interprétation n’est pas possible car la tension appliquée doit se répartir à l’intérieur de l’oxyde et non pas à l’interface entre le diélectrique et le métal. Plus précisément, une variation de potentiel à l’interface entre le diélectrique et le métal impliquerait un changement de charges de certains sites de cette interface, ce qui n’est pas possible puisque le niveau de Fermi du métal fixe les taux de remplissage de ces sites.
La figure 1a illustre schématiquement la réalisation d’une mesure XPS sous tension Vomes. Par exemple, l’empilement E ou couche de grille comprend une couche métallique et une couche diélectrique. L’empilement E est déposé en partie au-dessus d’un oxyde épais O et en partie au-dessus d’un semiconducteur S. Au niveau du contact avec la couche semiconductrice, l’empilement E forme un empilement de type MOS appelé dispositif (ou « Device >> ou « Device under test >> selon la terminologie anglaise). Le dispositif selon la figure 1a comprend l’empilement E et une partie de la couche semiconductrice S ayant une épaisseur de l’ordre de 1 pm.
Une première difficulté vient de la nécessité d’éclairer, avec le faisceau X, uniquement la zone de l’échantillon occupée par le dispositif que l’on veut analyser (ou « Device under test », DUT, selon la terminologie anglaise). En effet, si le faisceau X débordait sur l’oxyde épais O, les mesures de spectroscopie X seraient altérées par la réponse de l’oxyde O, qui pourrait déformer le spectre du dispositif à analyser.
La figure 1b illustre une deuxième difficulté dans l’interprétation des mesures XPS sous tension. En effet, il est difficile de contrôler précisément la tension appliquée à chacune des différentes couches composant l’empilement. En d’autres termes, quand on applique une tension Vgmes à une structure de taille suffisamment grande pour permettre la caractérisation XPS, la répartition de la tension Vgmes dans les différentes couches n’est pas connue.
La figure 1b illustre l’application d’une tension de polarisation Vgmes à un empilement E à caractériser et déposé sur une structure similaire à la structure décrite en référence à la figure 1a.
La figure 1 b illustre schématiquement comment, suite à l’application de la tension Vgmes de polarisation à la surface de l’empilement E, la tension appliquée se répartit différemment dans chaque couche, avec des chutes des tensions DV1(RS1), DV2(RS2). Il s’ensuit que la tension Vf réellement appliquée au dispositif que l’on veut caractériser ou « Device >> est différente de la tension de polarisation Vgmes appliquée à la grille par l’intermédiaire du dispositif de connexion électrique que l’on utilise.
Il est aujourd’hui impossible de prendre en compte correctement ces effets, ce qui rend difficile la caractérisation des empilements MOS au moyen de mesures XPS. En d’autres termes, il n’existe pas aujourd’hui une méthode de caractérisation des empilements de couches au moyen de mesures XPS, la méthode étant fiable, reproductible et capable de fournir des résultats expérimentaux cohérents et faciles à interpréter.
RESUME DE L’INVENTION
Pour résoudre au moins partiellement ces problèmes techniques, un premier objet de l’invention est un empilement de couches pour la caractérisation d’une bicouche au moyen de mesures électriques et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vomes, ladite bicouche comprenant au moins une couche métallique et une couche isolante, ledit empilement de couches comportant, en plus de la bicouche, un substrat et une couche isolante dans laquelle sont formées une première et une deuxième cavités.
La bicouche recouvre le fond de la première cavité, les parois latérales de la première cavité et déborde sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la première cavité.
La bicouche recouvre le fond de la deuxième cavité, les parois latérales de la deuxième cavité et déborde sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la deuxième cavité.
Les bicouches recouvrant les fonds de la première et deuxième cavités sont isolées électriquement les unes des autres, la surface de la première cavité étant strictement inférieure à la surface de la deuxième cavité, la surface de la première cavité étant choisie pour permettre la mesure d’au moins une caractéristique électrique, la surface de la deuxième cavité étant choisie pour permettre la focalisation d’un faisceau de rayons X et l’application de la tension Vomes à la bicouche.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la bicouche est une couche de grille formée par une couche en métal et une couche isolante. L’empilement formé par la couche de grille et le substrat semiconducteur au niveau de la première et deuxième cavités est un empilement de type métal/oxyde/semiconducteur ou MOS. Le substrat pourrait également être métallique avec un empilement formé par la bicouche et le substrat métallique au niveau du fond de la première et deuxième cavités formant un empilement de typé métal/isolant/métal ou MIM.
On entend par cavité, un évidement formé dans la couche isolante et permettant de déposer la couche de grille au contact du substrat semiconducteur. En d’autres termes, chaque cavité comprend, au niveau du fond de la cavité, une zone « active >> ou zone de « transistor >> formée par l’empilement d’une couche de grille ou « gate stack >> en anglais et du substrat semiconducteur. La couche de grille ou « gate stack >> peut par exemple comprendre une couche métallique et une ou plusieurs couches isolantes.
On entend par mesures électriques une caractérisation électrique de l’empilement de couches. Un exemple de mesure électrique est la caractéristique C(V), C étant la capacité mesurée entre la couche de grille et le substrat semiconducteur en présence d’une tension appliquée V. Un autre exemple de mesure électrique est la caractéristique l(V), I étant le courant mesuré entre la couche de grille et le substrat semiconducteur en présence d’une tension appliquée V.
On entend par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vomes ou XPS, la mesure des électrons émis par l’empilement de couches suite à l’éclairage par un faisceau X, en présence d’une tension appliquée Vomes. Ces mesures peuvent être présentées sous forme de spectres d’émission, chaque spectre représentant l’intensité des électrons émis en fonction de leur énergie d’émission. Le décalage en énergie des spectres en fonction de la tension appliquée Vomes permet, entre autres, de situer les uns par rapport aux autres les niveaux d’énergies des bandes de conduction et de valence des électrons dans les différentes couches.
Les bicouches recouvrant le fond de la première et deuxième cavités ont la même composition et la même épaisseur.
L’invention permet de caractériser un dispositif d’intérêt à l’aide de mesures XPS et électriques de façon fiable et reproductible. Cela est possible grâce au fait que la couche de grille à caractériser est déposée à la fois dans une première cavité de petite taille pour la caractérisation électrique et dans une cavité de grande taille pour la caractérisation XPS.
Avantageusement, l’utilisation d’une cavité de petite taille pour la caractérisation électrique permet de réduire les effets parasites qui masquent les caractéristiques recherchées de la réponse électrique, notamment dans le cas de mesures de type C(V).
Avantageusement, l’utilisation d’une cavité de grande taille pour la caractérisation XPS permet de focaliser le faisceau X à l’intérieur de la cavité, en évitant d’envoyer le faisceau X sur les autres couches ce qui masquerait les caractéristiques recherchées de la réponse de la couche de grille d’intérêt.
Avantageusement, le débordement de la couche de grille autour de la première et deuxième cavités permet l’application de la tension de polarisation Vomes lors des mesures XPS et de la tension V pour la caractérisation électrique de l’empilement.
Avantageusement, la couche isolante permet d’isoler électriquement les cavités les unes des autres et de les caractériser soit électriquement soit par mesure XPS.
Par ailleurs, la présence de la couche isolante et des cavités permet de poser les contacts pour l’application des tensions de mesures sans endommager le dispositif ou empilement MOS situé au niveau du fond des cavités, tout en polarisant les structures de façon fiable et reproductibles.
Grâce à l’empilement de couches selon l’invention, il est possible de caractériser la même couche de grille par mesures électriques et XPS, les cavités de petite taille étant plus adaptées à une caractérisation électrique et celles de grande taille étant plus adaptées à une caractérisation XPS.
Le dispositif selon l’invention peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la première cavité possède une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2et la deuxième cavité possède une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2 ;
- la couche de grille est une multicouche comprenant une couche métallique et une couche isolante électrique.
- la couche isolante électrique délimitant les cavités est une couche d’oxyde ;
- la couche isolante de la couche de grille comprend plusieurs couches d’oxydes différentes.
Un deuxième objet de l’invention est un procédé de caractérisation d’un empilement de couches selon l’invention par mesures électriques et par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
• Mesure d’une caractéristique C(V) correspondant à une première cavité de l’empilement, C étant la capacité mesurée entre la couche de grille et le substrat quand une tension V est appliquée à la couche de grille, la tension V pouvant balayer une plage de valeurs DV ;
• Mesure d’une caractéristique lp(V), I étant le courant électrique traversant l’empilement au niveau de la première cavité quand une tension V est appliquée à la couche de grille, la tension V pouvant balayer une plage de valeurs DV et calcul, à partir de lp(V), de la densité surfacique de courant Jp(V) traversant l’empilement au niveau de la première cavité ;
• Mesure d’une caractéristique iD(VGmes), Id étant le courant électrique traversant l’empilement au niveau de la deuxième cavité quand une tension Vcmes est appliquée à la couche de grille et calcul, à partir de iD(VGmes) de la densité surfacique de courant Jo(VGmes) traversant l’empilement au niveau de la deuxième cavité ;
• Mesure d’une série de spectres de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vûmes, chaque spectre correspondant à une tension Vûmes différente, les spectres étant mesurés au niveau d’une deuxième cavité de l’empilement, la tension Vûmes étant appliquée à la couche de grille ;
• Détermination de la chute de tension Vdut par comparaison des caractéristiques Jo(VGmes) et Jp(V), Vdut étant la chute de tension aux bornes de l’empilement au niveau du fond de la deuxième cavité ;
• Mesure d’une tension électrique à proximité de la deuxième cavité pour la détermination d’une chute de potentiel DVrs2 dans le substrat, • Correction, à l’aide des chutes de tension Vdut et DVrs2, des parties des spectres de photoélectrons qui sont associées aux différentes couches du dispositif à caractériser.
On entend ici par Vdut la tension véritablement appliquée à l’empilement que l’on veut caractériser.
Selon un mode de réalisation l’étape de détermination de la chute de tension DVrs2 comprend la détermination de la tension Vf à la face avant de l’empilement de couches au niveau du fond de la deuxième cavité, Vf = Vdut + DVrs2, la tension Vf étant utilisée, lors de l’étape de calibration pour corriger la partie des spectres de photoélectrons induits par rayons X associée à la partie métallique de la couche de grille.
Selon un mode de réalisation, la correction de la série de spectres de photoélectrons induits par rayons X est spécifique à chaque couche de l’empilement.
Selon un mode de réalisation, la série de spectres de photoélectrons induits par rayons X comprend plusieurs spectres, chacun acquis à une tension de mesure VGmes donnée. Par exemple, à l’intérieur d’un même spectre on trouve différents pics associés aux différents éléments (par exemple Ti, Hf ou Si) et donc aux différentes couches.
Selon un autre mode de réalisation, la série de spectres comprend un seul spectre réalisé sous une seule et même tension de mesure Vgmes.
Dans le cas d’une cavité de grande taille destinée à la caractérisation par XPS, la tension de polarisation Vomes appliquée à la couche de grille ne correspond pas à la tension Vdut appliquée à l’empilement MOS situé au niveau du fond de la cavité, à savoir l’empilement que l’on veut caractériser ou dispositif ou « device >> (« Device under test >> ou « DUT >> selon la terminologie anglaise). En effet, les chutes de tension parasites deviennent plus importantes dans les dispositifs de grande taille. Le procédé selon l’invention permet de déterminer la tension de polarisation réellement appliquée au dispositif que l’on veut caractériser lors des mesures XPS sous tension et donc d’interpréter correctement ces mesures.
En particulier, l’invention repose sur le fait que, pour une densité de courant donnée, le dispositif au niveau du fond de la première cavité et le dispositif au niveau du fond de la deuxième cavité se trouvent dans le même état électrique.
Avantageusement, le procédé selon l’invention exploite la présence de structures de tailles différentes sur la même plaquette semiconductrice pour caractériser la couche de grille.
En particulier, la mesure C(V) sur des petites structures permet d’identifier l’état de polarisation de l’empilement, à savoir pour la chute de tension Vdut aux bornes du dispositif la répartition des tensions entre oxyde et semiconducteur. Il est important de noter que cette mesure est uniquement possible sur des structures de petite taille telles que les premières cavités de l’empilement selon l’invention. Sur des structures de grande taille, par exemple les structures ayant une taille suffisante pour permettre une caractérisation XPS, l’information recherchée dans des mesures C(V) seraient complètement masquées par des effets parasites.
Dans un empilement de type MOS, la caractéristique C(V) représente le couplage électrostatique entre la couche métallique et la couche semiconductrice, séparées par la couche diélectrique. A partir de la caractéristique C(V), il est possible d’extraire, grâce à des modèles connus de l’homme du métier, la tension de bandes plates, l’état de charge dans le semi-conducteur, les chutes de tension dans le semi-conducteur et le diélectrique.
Le procédé selon l’invention comprend en outre une étape de mesure de la caractéristique lp(V), lp étant le courant électrique traversant l’empilement au niveau de la première cavité. A partir de la caractéristique lp(V) il est ensuite possible de calculer la densité de courant en fonction de la tension appliquée Jp(V) = lp(V)/Si, Si étant la surface de la première cavité.
Avantageusement, la caractéristique lp(V) est couplée à la caractéristique C(V). Il est possible d’utiliser cette relation pour identifier, à partir des caractéristiques mesurées pour une petite structure, une polarisation donnée dans une structure de grande taille, les deux structures étant dans le même état électrique à parité de densité de courant mesurée.
Pour ce faire, le procédé selon l’invention comprend une étape de mesure de la caractéristique iD(VGmes), Id étant le courant traversant l’empilement au niveau d’une deuxième cavité de l’empilement. Ensuite, il est possible de calculer la densité de courant correspondant Jo(VGmes) = lD(VGmes)/S2, S2 étant la surface de la deuxième cavité.
Il est donc possible de remonter à la polarisation Vdut de l’empilement MOS dans une structure de grande taille pour une tension Vûmes appliquée en comparant Jp(V) et JD(VGmes). Plus précisément il est possible de considérer la densité de courant mesurée pour un dispositif de grande taille et de lire la tension correspondant sur la courbe Jp(V), mesurée pour un dispositif de petite taille. Grâce à cette étape de comparaison des densités de courant il est possible d’obtenir la tension de polarisation de l’empilement Vdut au niveau de la deuxième cavité pour une tension appliquée Vûmes.
La relation entre Vdut et la tension appliqué Vomes permet de corriger les spectres XPS et de prendre en compte les chutes de tension parasites dans les dispositifs de grande taille. En d’autres termes, en connaissant la tension Vdut réellement appliquée à l’empilement que l’on veut caractériser, il est possible de mesurer correctement les décalages en énergie des spectres XPS sous tension.
Avantageusement, le procédé selon l’invention permet de comparer la caractéristique Jp (V) mesurée dans un dispositif de petite taille et la caractéristique Jo(VGmes) mesurée dans un dispositif de grande taille. Dans le cas d’une petite structure, la tension V appliquée correspond à la tension de polarisation Vdut de l’empilement MOS. En comparant les deux courbes Jp (V) et JD(VGmes), il est possible de remonter à la relation qui lie la tension appliquée dans une structure de grande taille, Vûmes, à la tension de polarisation du dispositif que l’on veut caractériser, Vdut. En connaissant cette relation, il est possible de connaître le véritable état de polarisation de l’empilement lors de l’acquisition des spectres XPS sous tension.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre un relevé de tension électrique à proximité de la deuxième cavité. Ce relevé de tension permet de déterminer la chute de potentiel DVrs2 entre la face arrière du dispositif que l’on veut caractériser et la face arrière du substrat semi-conducteur.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’acquisition des spectres XPS est réalisée après la caractérisation électrique de la deuxième cavité de grande taille.
Selon un mode de réalisation, les spectres XPS sont mesurés dans une condition de polarisation correspondant à la tension de bandes plates du dispositif que l’on veut caractériser.
Avantageusement, la détermination de la chute de tension DVrs2 permet de déterminer la tension Vf appliquée à la face supérieure de la couche de grille. En particulier, la tension DVrs2 permet de situer la chute de tension Vdut développée dans le dispositif à étudier par rapport à la référence des tensions. La référence des tensions, ou masse GND, est par exemple la référence du spectromètre XPS.
Selon un mode de réalisation, le relevé de tension à proximité de la deuxième cavité permet de mesurer la chute de tension DVrsi entre le point d’application de la tension
VGmes et le bord de la deuxième cavité. Il est donc possible de déterminer la chute de tension DVrs2 à partir de l’équation Vomes= DVrsi + Vdut + DVrs2.
Selon un mode de réalisation, la correction des spectres XPS est spécifique à chacune des couches à l’intérieur du dispositif que l’on analyse et elle est déterminée en utilisant Vdut. En particulier on peut écrire, Vdut =Vfb+Vsc+V0X où Vfb, VSc et Vox sont respectivement les chutes de tension dites de bandes plates, dans le semi-conducteur et dans l’oxyde, les deux dernières dépendant de Vdut, la première étant fixe et spécifique du dispositif à étudier, toutes pouvant être calculées à partir de la seule courbe C(V) et un modèle physique associé. C’est ainsi que la partie propre au spectre de la couche métallique sera corrigée aussi de Vdut pour rendre compte de la différence de tension Vf= Vdut+DVrs2 par rapport à la référence du système de mesure, tandis que la partie propre au spectre de la surface du semi-conducteur sera elle corrigée de VSc pour rendre compte de la chute de tension à la surface de ce semiconducteur, soit Vsc+DVrs2. Pour une couche d’oxyde à l’intérieur de la grille, on prendra la chute de tension dans cette couche au point médian de cette couche.
Un troisième objet de l’invention est un procédé fabrication d’un empilement de couches selon l’une des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
• Dépôt d’une couche isolante sur un substrat semiconducteur ;
• Gravure de la couche isolante pour former une première et une deuxième cavités ayant tailles différentes ;
• Dépôt d’une couche de grille ;
• A l’aide d’un masque définissant une première région autour de la première cavité et une deuxième région autour de la deuxième cavité, gravure de la couche de grille autour de la première et de la deuxième cavité ;
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication d’un empilement de couches selon l’invention comporte la gravure d’une multiplicité de premières cavités et une multiplicité de deuxièmes cavités, les premières cavités possédant une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2, les deuxièmes cavités possédant une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication d’un empilement de couches selon l’invention comporte en outre une étape de réduction de l’épaisseur de la couche de grille, de sorte à pouvoir réaliser des mesures XPS au niveau de la deuxième cavité. Selon un mode de réalisation, l’épaisseur de la couche de grille est inférieure à 10 nm pour permettre une caractérisation XPS.
Selon un mode de réalisation, le masque utilisé pour la définition d’une première et d’une deuxième régions autours des cavités est un masque pour lithographie optique ou électronique.
LISTE DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La figure 1a illustre schématiquement un montage expérimental pour la caractérisation d’un empilement de type MOS par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension ;
- La figure 1 b illustre comment les chutes de tension parasites peuvent empêcher la détermination de l’état de polarisation d’un empilement MOS de grande taille ;
- La figure 2 illustre schématiquement une tranche de semiconducteur comprenant un empilement de couches selon l’invention ;
- La figure 3a représente une vue en coupe de l’empilement de couches selon la figure 2, au niveau d’une première cavité ou cavité de petite taille ;
- La figure 3b représente une vue en coupe de l’empilement de couches selon la figure 2 au niveau d’une deuxième cavité ou cavité de grande taille ;
- Les figures 4a et 4b illustrent plusieurs caractéristiques C(V) correspondant à des cavités de taille différente ;
- La figure 5a illustre plusieurs caractéristiques l(V) correspondant à des cavités de taille différente ;
- La figure 5b illustre les résistances parasites pour des cavités de taille différente ;
- La figure 6 illustre schématiquement les différentes étapes du procédé selon l’invention ;
- Les figures 7a, 7b, 8a, 8b, 9a et 9b montrent des exemples de spectres XPS sous tension ;
- La figure 10 illustre les mesures de décalage en énergie des spectres XPS en fonction de la tension de polarisation Vomes ;
- La figure 11a illustre schématiquement la répartition de la tension appliquée pour un dispositif de grande taille ou deuxième cavité et un dispositif de petite taille ou première cavité ;
- La figure 11 b illustre la détermination de la tension Vdut réellement appliquée au dispositif que l’on veut caractériser selon l’invention ;
- Les figures 12a et 12b illustrent la correction des décalages en énergie des spectres XPS selon l’invention ;
- Les figures 13a, 13b et 13c illustrent un exemple d’application du procédé selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
La figure 2 illustre schématiquement une tranche de semiconducteur comprenant un empilement de couches selon l’invention. L’empilement comprend un substrat (non visible sur la figure 2), par exemple du Silicium. Une couche isolante épaisse O est déposée au-dessus du substrat en Silicium. La couche isolante O peut comprendre par exemple un oxyde épais.
L’empilement selon l’invention comprend des premières cavités P et des deuxièmes cavités D. Les premières et deuxièmes cavités sont formées dans la couche d’oxyde épais O. Comme il est visible sur la figure 2, les premières cavités P possèdent une surface plus petite que les deuxièmes cavités D.
Selon un mode de réalisation les premières cavités P possèdent une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2et les deuxièmes cavités possèdent une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2.
Chaque cavité comporte une couche de grille E déposée sur le fond de la cavité et recouvrant les parois latérales de la cavité. La couche de grille E déborde sur la face supérieure de la couche isolante délimitant chaque cavité. Au niveau de chaque cavité la couche de grille E est au contact du substrat semiconducteur. La couche de grille E comprend une couche métallique et une ou plusieurs couches isolantes, par exemple en oxyde.
Le fond de chaque cavité forme un empilement de type métal/oxyde/semiconducteur appelé également zone active ou zone de transistor ou dispositif (« Device >> ou « Device under test », DUT, selon la terminologie anglaise).
Il est important de noter que, même si la couche de grille déborde sur la face supérieure de la couche isolante, les cavités sont séparées par des zones de couche isolante dépourvues de couche de grille. Cela permet d’assurer que les cavités sont électriquement isolées les unes des autres, ce qui est très important pour pouvoir les caractériser séparément.
En d’autres termes, l’empilement n’est électriquement actif que dans les cavités.
Avantageusement, les cavités de petite taille P sont destinées à la caractérisation électrique et les cavités de grande taille D sont destinées à la caractérisation par mesures XPS.
Les figures 3a et 3b montrent une vue en coupe du dispositif selon l’invention, la coupe étant selon un plan normal au plan des couches.
La figure 3a illustre l’empilement selon l’invention au niveau d’une première cavité P ou cavité de petite taille. La première cavité P est formée dans une couche isolante épaisse, par exemple une couche d’oxyde O. Une couche de grille E recouvre le fond de la cavité ainsi que les parois latérales et déborde sur la face supérieure de la couche isolante. Au niveau du fond de la cavité, l’empilement formé par la couche de grille E et le substrat semiconducteur S constitue l’empilement de type MOS que l’on veut caractériser. Cet empilement est également appelé zone active ou dispositif ou « Device under test >> DUT. Le dispositif que l’on veut caractériser ou DUT comprend donc la couche de grille E et une couche de substrat semiconducteur d’épaisseur 1 pm. Cette définition du dispositif que l’on veut caractériser DUT vient du fait que, au bout d’un pm et pour un dopage faible et non intrinsèque, le semiconducteur est dans un état d’équilibre entre dopants et porteurs libres et qu’il n’est pas sensible à la polarisation de surface.
Lors de la caractérisation électrique de la première cavité P, une tension V est appliquée à la face supérieure de la couche de grille. Dans le cas de la cavité de petite taille P, la tension V appliquée se répartit entièrement aux bornes du dispositif que l’on veut tester et on a Vdut=V. En effet, dans le cas de cavités de petite taille, les chutes parasites sont négligeables. Il est donc possible de connaître directement la tension de polarisation Vdut du dispositif.
La figure 3b illustre l’empilement selon l’invention au niveau d’une deuxième cavité D ou cavité de grande taille. La deuxième cavité D est formée dans une couche isolante épaisse, par exemple une couche d’oxyde O. Une couche de grille E recouvre le fond de la cavité ainsi que les parois latérales et déborde sur la face supérieure de la couche isolante. Au niveau du fond de la cavité, l’empilement formé par la couche de grille E et le substrat semiconducteur S constitue l’empilement de type MOS que l’on veut caractériser. Cet empilement est également appelé zone active ou dispositif ou « Device under test >> DUT.
Avantageusement, grâce à une surface S2 grande, la deuxième cavité D est adaptée à une caractérisation XPS, car il est possible de focaliser entièrement un faisceau X au niveau du dispositif à caractériser DUT.
Lors de la caractérisation électrique de la deuxième cavité D, une tension Vgmes est appliquée à la face supérieure de la couche de grille. Contrairement à ce que l’on observe dans le cas d’une cavité de petite taille P, dans le cas de la cavité de grande taille D, la tension Vgmes se répartit dans les différentes couches et il n’est plus possible d’identifier directement la tension de polarisation du dispositif Vdut avec la seule tension de polarisation Vgmes.
A cause des chutes de tension parasites, la relation qui lie la tension appliquée Vgmes et la tension de polarisation du dispositif DUT est une relation du type Vgmes = DVrsi+ Vdut + DVrs2.
Le procédé selon l’invention permet de déterminer Vdut et DVrs2 pour une cavité de grande taille D et donc d’interpréter correctement les spectres XPS.
L’effet des chutes de tension parasites dans une cavité de grande taille D est illustré aux figures 4a et 4b. Ces graphes montrent différentes courbes C(V) mesurées sur des dispositifs de taille croissante. Chaque dispositif est un carré de surface 5pm*5pm, 10μηΤΊ Opm jusqu’au dispositif de taille 900pm*900pm de la figure 4b.
Pour les dispositifs de grande taille, il est impossible de mesurer les caractéristiques C(V) qui sont complètement masquées par les effets parasites.
Le graphe de la figure 5a montre les caractéristiques l(V) mesurées sur des dispositifs de taille croissante. Chaque dispositif est un carré de surface 5pm*5pm, ΙΟμπΤΊΟμιτι jusqu’au dispositif de taille 5000pm*5000pm. Quand les dimensions de la cavité augmentent le courant mesuré à la saturation diminue. Cela s’explique par l’impact des résistances série parasites, illustrées à la figure 5b.
La figure 6 illustre schématiquement les étapes du procédé PRO selon l’invention.
Lors d’une première étape CAPA_P, la caractéristique C(V) d’une première cavité P de petite taille est mesurée.
Avantageusement, la caractéristique électrique C(V) est mesurée pour un dispositif de petite taille, ce qui permet de s’affranchir des effets parasites présent dans un dispositif de grande taille.
Comme il est connu de l’homme du métier, en partant de la caractéristique C(V) il est possible de remonter à l’état de polarisation du dispositif. En particulier, en utilisant des modèles théoriques il est possible d’extraire la tension de bandes plates Vfb et l’état de charge Qsc du substrat semiconducteur. Il est ensuite possible, d’extraire la répartition des chutes de tension dans le diélectrique Vox et dans le semiconducteur Vsc.
Lors d’une deuxième étape COUR_P, la caractéristique lp(V) d’une première cavité de petite taille est mesurée. A partir de la caractéristique lp(V), la caractéristique densité de courant Jp(V) = lp(V)/Si est calculée.
Avantageusement, cette étape permet de compléter la caractérisation électrique de la cavité de petite taille P. De plus, la densité de courant permet d’établir un lien entre la cavité de petite taille P et la cavité de grande taille D. En effet, une tension de polarisation donnée Vdut aux bornes du dispositif que l’on veut caractériser détermine la densité de courant J(Vdut) traversant le dispositif que l’on veut caractériser, à la fois dans une cavité de petite taille P et dans une cavité de grande taille D.
L’étape COUR_D comprend la caractérisation électrique de la cavité D de grande taille. Lors de cette étape la caractéristique lD(Vgmes) est mesurée. A partir de la caractéristique iD(Vgmes) la caractéristique JD(Vgmes) est calculée.
L’étape SPECTRO_X comprend l’acquisition de spectres de photoélectrons induits par rayonnement X sous tension Vgmes.
Avantageusement, la spectrométrie X est réalisée sur des cavités de grande taille, ce qui permet de focaliser entièrement le faisceau X sur le dispositif que l’on veut caractériser.
L’ordre de réalisation des étapes SPECTRO_X et COUR_D peut également être inversé, la caractérisation électrique de la cavité de grande taille étant réalisée après l’acquisition des spectres XPS.
Avantageusement, lors de l’étape SPECTRO_X plusieurs spectres XPS sont mesurés, chaque spectre correspondant à une tension appliquée Vgmes différente. Si correctement interprétés, ces spectres contiennent des informations sur les niveaux de bandes énergétiques des différents matériaux composant le dispositif. De plus, des informations sur l’état de polarisation aux interfaces peuvent également être extraites à partir de ces données.
Lors de l’étape POLAR-DUT, les deux caractéristiques Jp(V) et JD(Vgmes) sont comparées pour remonter à la tension de polarisation Vdut du dispositif de la cavité de grande taille D. Pour ce faire, la valeur de Jd mesurée est reportée sur la courbe Jp(V). En inversant la courbe Jp(V), on peut trouver la valeur Vdut = f’1 (Jp), comme il est illustré à la figure 11b.
Avantageusement, cette étape permet de lier les états de polarisation du dispositif de grande taille D et ceux du dispositif de petite taille P. En particulier, les dispositifs que l’on veut caractériser étant les mêmes dans la première et dans la deuxième cavité, une densité de courant donnée correspond à la même tension de polarisation Vdut. En inversant la courbe Jp(V) mesurée pour la première cavité P de petite taille, il est possible de s’affranchir des effets parasites observés lors de la caractérisation électrique de la deuxième cavité D de grande taille et qui a été caractérisée par mesures XPS.
Selon un mode de réalisation, lors de l’étape MES_PAR la tension Vf est déterminée à partir de la tension Vdut et de la chute de tension parasite DVrsi . La chute de tension parasite DVrsi est mesurée directement grâce à un relevé de tension à proximité de la deuxième cavité D. Les relations Vgmes = DVrsi + Vdut + DVrs2 et Vf = Vdut + DVrs2 sont utilisées pour remonter à Vf.
Lors de l’étape CALIB, la tension Vgmes appliquée à la deuxième cavité D lors des mesures XPS est corrigée pour prendre en compte les effets parasites observés, la correction étant spécifique à chaque couche de l’empilement. En particulier la tension Vgmes est remplacée par les tensions Vdut et Vf pour la correction de la partie des spectres XPS associée à la partie métallique de la couche de grille. La tension Vdut est déterminée en inversant la caractéristique Jp(V).
Selon un mode de réalisation, la tension Vgmes est remplacée par la tension Vf pour interpréter correctement la série de spectres XPS.
Pour la correction des parties des spectres XPS associées aux autres couches de l’empilement on peut écrire Vdut =Vfb+Vsc+VOx où Vfb, Vsc et Vox sont respectivement les chutes de tension dites de bandes plates, dans le semi-conducteur et dans l’oxyde, les deux dernières dépendant de Vdut, la première étant fixe et spécifique du dispositif à étudier, toutes pouvant être calculées à partir de la seule courbe C(V) et un modèle physique associé. C’est ainsi que la partie propre au spectre de la couche métallique sera corrigée aussi de Vdut pour rendre compte de la différence de tension Vf= Vdut+DVrs2 par rapport à la référence du système de mesure, tandis que la partie propre au spectre de la surface du semi-conducteur sera elle corrigée de Vsc pour rendre compte de la chute de tension à la surface de ce semi-conducteur, soit Vsc+DVrs2. Pour une couche d’oxyde à l’intérieur de la grille, on prendra la chute de tension dans cette couche au point médian de cette couche. Selon un mode de réalisation, pour une couche d’oxyde on prendra Vsc+ une fraction de Vox.
Avantageusement, la tension Vdut représente la véritable chute de tension aux bornes du dispositif de grande taille quand une tension Vgmes est appliquée. Grâce à l’évaluation des tensions Vdut et Vf réellement appliquées au dispositif de grande taille, il est possible d’interpréter correctement la partie des spectres XPS associée à la couche métallique de la couche de grille.
Avantageusement, grâce au procédé de caractérisation selon l’invention il est possible de contrôler effectivement l’état de polarisation de ces dispositifs lors des mesures XPS.
La tension Vf à la face avant de la couche de grille E peut être déterminée en réalisant un relevé de tension pour la détermination de la chute de tension parasite entre la face arrière du dispositif et la face arrière du substrat DVrs2 (ou Vpar2). La tension à la face avant du dispositif peut être alors déterminée comme étant Vf= Vdut + DVrs2.
On entend ici par face arrière du dispositif une profondeur de semiconducteur qui se trouve à une épaisseur d’environ 1 pm de la surface du semiconducteur.
Avantageusement, le procédé selon l’invention permet donc d’évaluer les chutes de tension réellement présentes dans le dispositif que l’on veut étudier lors des mesures XPS sous tension Vgmes. En particulier, grâce au procédé selon l’invention, il est possible de remplacer la tension appliquée Vgmes par la réelle chute de tension aux bornes du dispositif Vdut ou par la tension à la face avant de la couche de grille Vf.
Un exemple d’application du procédé selon l’invention est illustré aux figures 7 à 10. Dans cet exemple, la couche de grille est formée par un empilement de TiN, HfO2 et S1O2. Le dispositif que l’on veut analyser ou DUT comprend donc l’empilement MOS formé par la couche de grille et une couche en Si de 1pm d’épaisseur.
Le graphe de la figure 7a montre un spectre XPS sous tension pour une couche en TiN. L’intensité des électrons émis, associé au pic d’émission relatif aux électrons 2p du Titane est représentée en fonction de leur énergie d’émission. Chaque courbe correspond à une tension Vgmes appliquée. Il est évident que l’application de la tension Vgmes entraîne un décalage en énergie des spectres.
La figure 7b montre qu’en décalant chaque spectre de la figure 7a d’une énergie Δ, il est possible de superposer les spectres. Le décalage en énergie Δ dépend de la tension Vgmes appliquée, comme il est discuté plus bas.
Les figures 8a et 8b montrent les mêmes informations que les figure 7a et 7b pour une couche en HfO2, les spectres étant eux relatifs aux émissions des électrons 4f de l’Hafnium.
Les figures 9a et 9b montrent les mêmes informations que les figure 7a et 7b pour les couches en S1O2 et en Si, à partir de la partie du spectre relatif à l’émission des électrons 2p du Silicium.
La figure 10 montre les décalages en énergie Δ des spectres XPS en fonction de la tension Vgmes appliquée lors de l’acquisition des spectres XPS. Cette figure illustre que le décalage des spectres XPS augmente à l’augmenter de la tension Vgmes appliquée.
Toutefois on observe que le décalage en énergie Δ n’est pas proportionnel à la tension Vgmes car les points s’écartent de la linéarité, représentée par la ligne droite en pointillé. En particulier, pour des tension Vgmes grandes, le décalage en énergie pour la couche en TiN est plus petit que le décalage attendu pour la face avant du dispositif. Par exemple, pour une tension appliquée Vgmes = -1.5 V, le décalage mesuré est d’environ -1.2 eV, le décalage attendu étant autour de -1.5 eV.
Cet écart est attribué aux chutes de tension parasites entre le point d’application de Vgmes et la face avant du dispositif, DVrsi ou Vpan, et entre la face arrière du dispositif et la face arrière du substrat DVrs2 ou Vpar2. Ces chutes de tension parasites sont illustrées schématiquement à la figure 11 a.
Le procédé selon l’invention permet de prendre en compte ces effets et d’estimer correctement la tension appliquée à la face avant du dispositif.
En effet, comme il est illustré à la figure 11a, dans le cas d’un petit dispositif ou première cavité P, la tension appliquée V correspond effectivement à la chute de tension aux bornes du dispositif que l’on veut caractériser, Vdut. Le dispositif est formé par l’empilement au niveau du fond d’une cavité, à savoir l’empilement comprenant la couche de grille E et une partie du substrat semi-conducteur correspondant à une couche d’un pm d’épaisseur.
Dans le cas de la cavité utilisée pour la caractérisation XPS, ou deuxième cavité D, la répartition de la tension appliquée Vgmes est plus complexe. En particulier, à cause des chutes de tension parasites, seulement une partie de la tension Vgmes se retrouve aux bornes du dispositif que l’on veut caractériser.
Le procédé selon l’invention exploite le fait que pour une densité de courant donné, la première et deuxième cavité se trouvent dans le même état électrique, à savoir avec la même chute de tension à leur borne.
Il est donc possible, lors de l’étape POLARJDUT, d’inverser la courbe Jp(V) comme il est illustré à la figure 11b. En particulier, la valeur de courant Joest reportée sur la courbe Jp. La tension Vdut se lit comme l’abscisse de la valeur Jd reportée sur la courbe Jp. En d’autres termes, Vdut= f’1 (Jp) quand Jp prend la valeur de densité de courant mesurée dans la deuxième cavité pour une tension appliquée Vomes.
Dans l’exemple de figure 11a, la tension à la face avant du dispositif Vf correspond à la tension mesurée à la surface de la couche en Ti, Vtî.
La tension Vtî peut être calculée à partir de la tension flottante Vdut et d’un relevé de tension autour de la deuxième cavité, le relevé de tension permettant de mesurer la chute de tension parasite entre la face arrière du dispositif et la face arrière du substrat, DVrs2. La tension Vtî est alors donnée par Vtî = Vdut + DVrs2.
Lors de l’étape CALIB, les spectres XPS sont corrigés pour remplacer la tension appliquée Vgmes par la tension de polarisation réellement appliquée au dispositif que l’on veut caractériser. On note sur la figure 10 que la correction est différente pour chaque couche.
Par exemple, la figure 12a montre les décalages des spectres XPS en fonction de la tension appliquée Vgmes. La figure 12b montre les décalages des spectres XPS en fonction de la tension réellement appliquée à la face avant du dispositif, Vti, calculée en appliquant le procédé selon l’invention. Il est évident que les spectres XPS corrigés montrent des décalages qui varient linéairement en fonction de la tension appliquée au dispositif.
Le procédé selon l’invention permet donc de mesurer correctement la condition de polarisation du dispositif que l’on veut caractériser lors des mesures XPS et de ses différentes couches.
Un troisième objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un empilement de couches l’invention, ledit procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
• Dépôt d’une couche isolante sur un substrat semiconducteur ;
• Gravure de la couche isolante pour former une première et une deuxième cavités ayant des tailles différentes ;
• Dépôt d’une couche de grille ;
• A l’aide d’un masque définissant une première région autour de la première cavité et une deuxième région autour de la deuxième cavité, gravure et de la couche de grille autour de la première et de la deuxième cavité.
Avantageusement, l’utilisation des cavités gravées dans la couche isolante permet de polariser la couche de grille en réalisant un contact sur l’empilement métal/oxyde, sans contacter directement la couche de grille au niveau de l’empilement métal/oxyde/semiconducteur où, la couche d’oxyde étant très fine, cela permet de ne pas l’abîmer lors de la pose des contacts électriques.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication d’un empilement de couches minces selon l’invention comporte la gravure d’une multiplicité de premières cavités et une multiplicité de deuxièmes cavités, les premières cavités possédant une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2, les deuxièmes cavités possédant une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2.
Avantageusement, les premières cavités sont utilisées pour la caractérisation électrique et les deuxièmes cavités sont utilisées pour la caractérisation XPS.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication d’un empilement de couches minces selon l’invention comporte en outre une étape de réduction de l’épaisseur de la couche de grille, de sorte à pouvoir réaliser des mesures XPS. Selon un mode de réalisation, l’épaisseur de la couche de grille ou « gate stack >> est inférieure à 10 nm.
Les figures 13a, 13b et 13c montrent comment le procédé de caractérisation selon l’invention peut être utilisé pour déterminer les niveaux d’énergies des bandes électroniques dans un empilement. En particulier, l’invention permet de remonter aux énergies de liaison des électrons ou « Binding Energy», BE selon la terminologie anglaise. De plus, il est possible de mesurer précisément les dipôles aux interfaces entre les différentes couches.
La figure 13a montre les énergies de liaison mesurées à la tension de bandes plates Vfb pour quatre échantillons différents : un échantillon AI2.2 comprenant une couche additionnelle en aluminium, un échantillon de référence « No additive » sans couche additionnelle, un échantillon La2A et un échantillon La4A comprenant une couche additionnelle en lanthane d’épaisseur différente. La figure 13a montre que l’ajout de ces matériaux conduit à un décalage de la tension de bandes plates, lesquelles ont été mesurées par caractérisation C(V) et sont représentées en abscisse. Toutefois, les valeurs de décalage des niveaux d’énergie pour les différents matériaux des couches de l’empilement Ti, Hf, Si et S1O2 qui apparaissent en ordonnée ne sont pas directement interprétables et sinon prêteraient à confusion. En effet, on s’attend au moins pour une polarisation en tension de bandes plates que le niveau associé au semi-conducteur, ici le Silicium, soit le même pour tous les échantillons.
La figure 13b montre les mêmes données de la figure 13a après correction des énergies de liaison BE au moyen du procédé selon l’invention. La figure 13b montre que les énergies de liaison BE des couches en SI et en S1O2 ne varient pas, ce qui signifie qu’il n’y a pas de dipôle électrique à cette interface. Par contre, les énergies de liaison BE des couches en Ti et en Hf évoluent en fonction de la tension de bandes plates selon la relation ΔΒΕ = -AVfb/q. Cela montre la formation d’un dipôle électrique à l’interface HfCte/SiCte. La figure 13c illustre schématiquement les énergies des bandes pour les différents empilements étudiés. Dans l’échantillon de référence aucun dipôle n’est présent aux interfaces. Au contraire, les échantillons comprenant une couche en Al ou en La montrent la formation d’un dipôle à l’interface entre HfCte et S1O2.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Empilement de couches pour la caractérisation d’une bicouche (E) au moyen de mesures électriques et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vomes, ladite bicouche comprenant au moins une couche métallique et une couche isolante, ledit empilement de couches comportant, en plus de la bicouche (E), un substrat (S) et une couche isolante (O) dans laquelle sont formées une première (P) et une deuxième (D) cavités, la bicouche (E) recouvrant le fond de la première cavité (P), les parois latérales de la première cavité (P) et débordant sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la première cavité (P), la bicouche (E) recouvrant le fond de la deuxième cavité (D), les parois latérales de la deuxième cavité (D) et débordant sur la face supérieure de la couche isolante délimitant la deuxième cavité (D), les bicouches recouvrant les fonds de la première (P) et deuxième (D) cavités étant isolées électriquement les unes des autres, la surface de la première cavité (P) étant strictement inférieure à la surface de la deuxième cavité (D), la surface de la première cavité (P) étant choisie pour permettre la mesure d’au moins une caractéristique électrique, la surface de la deuxième cavité étant choisie pour permettre la focalisation d’un faisceau de rayons X et l’application de la tension Vomes à la bicouche (E).
  2. 2. Empilement selon la revendication précédente caractérisé en ce que la première cavité (P) possède une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2et la deuxième cavité (D) possède une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2.
  3. 3. Empilement selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bicouche est une couche de grille comprenant une couche métallique et une couche isolante électrique et le substrat (S) est un substrat semiconducteur. 4
  4. 4. Empilement selon la revendication précédente caractérisé en ce que la couche isolante électrique est une couche d’oxyde.
  5. 5. Empilement selon l’une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que la couche isolante électrique comprend plusieurs couches d’oxydes différents.
  6. 6. Procédé de fabrication d’un empilement de couches selon l’une des revendications 3 à 5 comprenant les étapes suivantes :
    • Dépôt d’une couche isolante (O) sur un substrat semiconducteur (S) ;
    • Gravure de la couche isolante (O) pour former une première (P) et une deuxième (D) cavités ayant tailles différentes ;
    • Dépôt d’une couche de grille (E) ;
    • A l’aide d’un masque définissant une première région autour de la première cavité (P) et une deuxième région autour de la deuxième cavité (D), gravure et de la couche de grille (E) autour de la première (P) et de la deuxième cavité (D).
  7. 7. Procédé de fabrication d’un empilement de couches selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’étape de gravure de la couche isolante (O) comporte la gravure d’une multiplicité de premières cavités (P) et une multiplicité de deuxièmes cavités (D), les premières cavités (P) possédant une surface comprise entre 1 pm2 et 10000 pm2, les deuxièmes cavités (D) possédant une surface comprise entre 10000 pm2 et 25 mm2.
  8. 8. Procédé de caractérisation d’un empilement de couches selon l’une des revendications 1 à 5 par mesures électriques et par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vgmes, ledit procédé de caractérisation comprenant les étapes suivantes :
    • Mesure (CAPA_P) d’une caractéristique C(V) correspondant à une première cavité (P) de l’empilement, C étant la capacité mesurée entre la bicouche (E) et le substrat (S) quand une tension V est appliquée à la bicouche (E), la tension V pouvant balayer une plage de valeurs DV ;
    • Mesure (COUR_P) d’une caractéristique lp(V), lp étant le courant électrique traversant l’empilement au niveau de la première cavité (P) quand une tension V est appliquée à la bicouche (E), la tension V pouvant balayer une plage de valeurs DV et calcul, à partir de lp(V), de la densité surfacique de courant Jp(V) traversant l’empilement au niveau de la première cavité (P) ;
    • Mesure (COUR_D) d’une caractéristique iD(VGmes), Id étant le courant électrique traversant l’empilement au niveau de la deuxième cavité (D) quand une tension Vomes est appliquée à la bicouche et calcul, à partir de iD(VGmes) de la densité surfacique de courant Jo(VGmes) traversant l’empilement au niveau de la deuxième cavité (D);
    • Mesure (SPECTROJD) d’une série de spectres de photoélectrons induits par rayons X sous tension Vûmes, chaque spectre correspondant à une tension Vûmes différente, les spectres étant mesurés au niveau d’une deuxième cavité (D) de l’empilement, la tension Vûmes étant appliquée à la bicouche (E) ;
    • Détermination (POLAR_DUT) de la chute de tension Vdut par comparaison des caractéristiques Jo(VGmes) et Jp(V), Vdut étant la chute de tension aux bornes de l’empilement au niveau du fond de la deuxième cavité (D) ;
    • Mesure (MES_PAR) d’une tension électrique à proximité de la deuxième cavité (D) pour la détermination d’une chute de potentiel DVrs2 dans le substrat (S) ;
    • Correction (CALIB), à l’aide des chutes de tension Vdut et DVrs2, des parties des spectres de photoélectrons induits par rayons X qui sont associées aux différentes couches du dispositif à caractériser.
  9. 9. Procédé de caractérisation d’un empilement de couches selon la revendication précédente caractérisé en ce que la correction de la série de spectres de photoélectrons induits par rayons X est spécifique à chaque couche de l’empilement.
  10. 10. Procédé de caractérisation d’un empilement de couches selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que l’étape de mesure (MES_PAR) d’une tension électrique comprend la détermination de la tension Vf = Vdut + DVrs2 à la face avant de l’empilement de couches au niveau du fond de la deuxième cavité et en ce que, lors de l’étape de correction (CALIB), la tension Vf est utilisée pour corriger la partie des spectres de photoélectrons induits par rayons X associée à la partie métallique de la couche de grille.
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Title
H. SEZEN; S. SUZER, THIN SOLID FILMS, 2013, pages 1 - 11
Y. CHIKATA ET AL.: "Quantitative characterization of Band-Edge Energy Positions in High-k Dielectrics by X-Ray photoelectron spectroscopy", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2013
Y. YAMASHITA ET AL.: "Bias-voltage application in a hard x-ray photoelectron spectroscopic study of the interface states at oxide/Si interfaces", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 2013
YUGO CHIKATA ET AL: "Quantitative Characterization of Band-Edge Energy Positions in High- k Dielectrics by X-ray Photoelectron Spectroscopy", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 52, no. 2R, 16 January 2013 (2013-01-16), JP, pages 021101, XP055579708, ISSN: 0021-4922, DOI: 10.7567/JJAP.52.021101 *

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