Influence of Smart CutTM process' technological steps on the thickness uniformity of SOI wafers: Multi-Scale approach
Influence des étapes technologiques du procédé Smart CutTM sur l'uniformité d'épaisseur des substrats de SOI : Approche multi-échelle
Résumé
Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) wafers are promising substrates for new generations of CMOS transistors. A FD-SOI wafer consists of an ultrathin (~10 nm) silicon layer sitting on top of a buried oxide (BOx) layer itself on a thick (~750 µm) silicon handle wafer. Since final transistor characteristics dramatically fluctuate with thickness variations of the top layer, the capability of assessing and mastering thickness uniformity over a very large spatial bandwidth (from transistor to wafer scales, 10 nm - 300 mm) is a major challenge for this new application. In this work, a multi-scale metrology method, based on the use of the Power Spectral Density (PSD) functions allowing the treatment of data recorded from several experimental techniques is proposed. It is thus possible to characterize both surface roughness and thickness variations of thin layers over the bandwidth of interest. Using this method, the correlation between surface roughness and thickness variations of the silicon top layer has been addressed. It is found that depending on the spatial frequency, thickness variations can be larger, lower or similar to the surface topography. Furthermore, the impact of the main technological steps, involved in the fabrication of FD-SOI wafers, on the resulting thickness uniformity of the top silicon layer, is investigated. Fractal behaviors with different scaling exponents are observed, providing the spectral foot-prints of each step of the process, i.e., fracture propagation [from 1.10-5 to 2.10-3 µm-1], surface self-diffusion [from 0.3 to 1 µm-1] and thermal oxidation [from 1 to 10 µm-1]. The specific spectral contribution [from 0.03 to 1 µm-1], resulting from the depth and size-distribution of micro-cracks generated during the ion-implantation step, is established. Afterward, the influence of the implantation conditions on the post-fracture roughness is examined. Indeed, the surface roughness increases with the implanted dose in the case of H+-implantation. The impact of the order implantation in the case of He+-H+ co-implantation is treated. Besides, the underlying physical mechanisms involved in the thermally activated self-diffusion on silicon surfaces are investigated. We propose a parametric model, based on the Mullins-Herring diffusion equation, describing the surface topography evolution during thermal annealing. Two stochastic terms, corresponding to the thermal fluctuations at the surface and the oxidation-evaporation phenomenon are added. The extended model solved by spectral methods, allows predicting surface evolution during thermal annealing in reducing atmosphere for temperatures above that of roughening transition. A very good agreement between experimental and theoretical data describing roughness evolution and self-diffusion kinetics is obtained. The limitations of the silicon surface smoothening by rapid thermal annealing are explored and thus, the process parameters can be optimized. Finally, the evolution of the surface topography during thermal oxidation and chemical-mechanical polishing (CMP) has been studied. A fractal behavior is observed for the thermal oxidation influence. The value of the scaling exponent (α = -0.5) is in agreement with the Edward-Wilkinson growth model. Besides, the influence on the roughness evolution of several parameters of the CMP process is experimentally investigated. In conclusion, this work gives the necessary machinery to analyze both surface topography and thickness variations of thin films over a very large spectral bandwidth with an appropriated multi-scale approach. The extensive analysis of technological steps enhances their understanding and provides the necessary tools to improve the thickness uniformity of thin silicon layers.
Les substrats de silicium sur isolant totalement désertées (FD-SOI, pour Fully-Depleted Silicon-On-Insulator), se révèlent être une matière très prometteuse pour le développement des nouvelles technologies CMOS. Un substrat FD-SOI est formé d'une couche superficielle de silicium cristallin, extrêmement fine (~ 10 nm), disposée sur une couche d'oxyde enterrée (BOx) qui est elle-même portée par un substrat épais de silicium (~ 750 µm). En effet, il a été démontré que les caractéristiques des transistors fabriqués sur FD-SOI dépendent fortement de l'épaisseur de la fine couche de silicium. Il est donc indispensable que les variations d'épaisseur soient contrôlées avec une précision sous-nanométrique et ce sur une très large plage de fréquences spatiales (entre 10 nm et 300 mm) ce qui représente un grand défi pour l'industrie du semi-conducteur et en particulier pour la technologie CMOS. Au cours de cette thèse, des méthodes de caractérisation multi-échelle basées sur l'utilisation de la densité spectrale de puissance (PSD) et permettant le traitement des données obtenues par différentes techniques expérimentales, ont été développées. Cela permet de caractériser la rugosité et les variations d'épaisseur de couches fines sur l'intégralité de la bande spectrale d'intérêt. Ces outils ont permis l'étude de la corrélation entre la topographie de surface et les variations d'épaisseur du film de silicium. Ainsi, il a été mis en évidence qu'en fonction de la fréquence spatiale les variations d'épaisseur peuvent être supérieures, inférieures ou du même ordre de grandeur que celles de la topographie. En outre, les principales étapes technologiques entrant en jeu dans la technologie Smart CutTM pour la fabrication de substrats FD-SOI, ont été analysées, en particulier leur impact sur l'uniformité d'épaisseur de la couche de silicium. Cette analyse a révélé l'existence de trois régions spectrales montrant un comportement fractal avec des exposants de rugosité distincts, ceci permettant de déterminer les empreintes spectrales de certaines étapes technologiques du procédé, e.g., la propagation de la fracture [entre 1.10-5 et 2.10-3 µm-1], la diffusion de surface [entre 0.3 et 1 µm-1] et l'oxydation thermique [entre 1 et 10 µm-1]. De plus, la contribution spectrale résultant de la distribution de microfissures générées lors de l'implantation ionique, est établie [entre 0.03 et 1 µm-1]. Par la suite, l'influence des conditions de l'implantation ionique sur la topographie de surface après fracture ont été examinées. En effet, dans le cas de l'implantation H+, la rugosité augmente avec la dose ionique implantée. L'impact de l'ordre d'implantation, dans le cas de la co-implantation H+-He+ a également été traité. En outre, les phénomènes physiques à l'origine du lissage thermique par diffusion surfacique ont été investigués. Un modèle paramétrique décrivant l'évolution de la topographie de surface au cours d'un traitement thermique, a été développé à partir de l'équation de diffusion surfacique de Mullins-Herring. Deux termes stochastiques correspondant d'une part aux fluctuations thermiques et d'autre part au phénomène d'oxydation/évaporation, ont été ajoutés. Ce modèle permet donc de prédire l'évolution de la topographie des surfaces de silicium traitées par recuit thermique dans une atmosphère réductrice et pour des températures supérieures à celle de la transition rugueuse. Les données expérimentales décrivant l'évolution de la rugosité et la cinétique de diffusion sont en parfait accord avec les valeurs théoriques. L'optimisation des paramètres expérimentaux peut être réalisée suite à l'étude des limitations inhérentes au lissage des surfaces de silicium par recuit thermique rapide (RTA). Enfin, l'évolution de la topographie lors de l'oxydation thermique permet de mettre en évidence un comportement fractal présentant un exposant de rugosité (α=-0.5) montrant un bon accord avec le modèle de croissance de Edward-Wilkinson. Par ailleurs, l'influence de divers paramètres, entrant en jeu dans le polissage mécano-chimique (CMP), a été étudiée expérimentalement. Ce travail fournit l'ensemble des outils nécessaires à l'analyse multi-échelle de la topographie ainsi que des variations d'épaisseur des couches fines, sur une vaste gamme spectrale. L'étude approfondie des différentes étapes technologiques, permet une meilleure compréhension de ces dernières et facilite ainsi l'amélioration de l'uniformité de l'épaisseur pour des couches fines.
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