Characterization of deeply buried interfaces by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy

par Charlotte Zborowski

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Geneviève Grenet et de Sven‏ Tougaard.

Soutenue le 27-06-2018

à Lyon en cotutelle avec Syddansk Universitet (Danemark) , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Adam Cohen Simonsen.

Le jury était composé de Geneviève Grenet, Sven‏ Tougaard, Anne-Ségolène Callard, Olivier Renault.

Les rapporteurs étaient Wolfgang Unger, Francisco‏ ‎ Yubero.

  • Titre traduit

    Caractérisation d’interfaces profondément enterrées par spectroscopie de photoélectrons à haute énergie (HAXPES)


  • Résumé

    Cette thèse vise à améliorer la méthode d'analyse du fond continu inélastique afin de l'appliquer à des cas qui présentent un intérêt technologique. En effet, ces améliorations sont cruciales car elles portent sur des critères de précision et de gain de temps, plus particulièrement pour l’étude de dispositifs présentant plusieurs couches profondément enterrées de matériaux bien distincts. Ainsi, l'analyse du fond continu inélastique associée à la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) présente un grand intérêt car l’HAXPES permet de sonder plus profondément dans un échantillon qu'avec la spectroscopie de photoélectrons à rayons X classique (XPS). Ce présent travail porte sur des échantillons technologiquement pertinents, principalement des transistors à haute mobilité d'électrons (HEMTs), à certaines étapes cruciales de leur processus de fabrication, tels que des recuits. Il est donc très important que ces analyses soient effectuées de manière non destructive afin de préserver les interfaces enterrées. Ce sont souvent l'emplacement de phénomènes complexes qui sont critiques pour les performances du dispositif et une meilleure compréhension est une condition préalable à l’amélioration des dispositifs. Dans ce travail, les phénomènes de diffusion en profondeur sont étudiés grâce à l’analyse du fond continu inélastique associée à l’HAXPES (en utilisant le logiciel QUASES) pour des profondeurs allant jusqu'à 60 nm. Les résultats de distribution en profondeur présentent des écarts par rapport aux mesures TEM inférieures à 5%. Le choix des paramètres d'entrée de la méthode est discuté pour une large gamme d'échantillons et des règles simples en sont issues qui rendent l'analyse réelle plus facile et plus rapide à effectuer. Enfin, il a été montré que la spectromicroscopie faite avec la technique HAXPEEM peut fournir des spectres à chaque pixel utilisables pour l’analyse du fond continu inélastique. Cela peut fournir une cartographie 3D de la distribution en profondeur des éléments de manière non-destructive.


  • Résumé

    This thesis aims at improving the inelastic background analysis method in order to apply it to technologically relevant samples. Actually, these improvements are utterly needed as they concern criteria of accuracy and time saving particularly for analysis of devices presenting deeply buried layers with different materials. For this purpose, the interest of the inelastic background analysis method is at its best when combined with hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) because HAXPES allows to probe deeper in the sample than with conventional X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The present work deals with technologically relevant samples, mainly the high-electron mobility transistor (HEMT), at some crucial steps of their fabrication process as annealing. Actually, it is very important that these analyses shall be performed non-destructively in order to preserve the buried interfaces. These are often the location of complex phenomena that are critical for device performances and a better understanding is often a prerequisite for any improvement. In this thesis, the in-depth diffusion phenomena are studied with the inelastic background analysis technique (using the QUASES software) combined with HAXPES for depth up to 60 nm. The depth distribution results are determined with deviations from TEM measurements smaller than a typical value of 5%. The choice of the input parameters of the method is discussed over a large range of samples and simple rules are derived which make the actual analysis easier and faster to perform. Finally, it was shown that spectromicroscopy obtained with the HAXPEEM technique can provide spectra at each pixel usable for inelastic background analysis. This is a proof of principle that it can provide a 3D mapping of the elemental depth distribution with a nondestructive method.


  • Résumé

    Denne afhandling har til formål at forbedre den uelastiske baggrundsanalysemetode til anvendelser i den til teknologiske industri. Faktisk er disse forbedringer absolut nødvendige, for at opnå nøjagtighed og tidsbesparelse, især for analyse af prøver med dybt begravede lag af forskellige materialer. Til det formål er interessen for den uelastiske baggrundsanalysemetode bedst i kombination med hård røntgenfotoelektron-spektroskopi (HAXPES), fordi HAXPES gør det muligt at probe dybere i prøven end med konventionel røntgenfotoelektron-spektroskopi (XPS). Dette arbejde beskæftiger sig med teknologisk relevante prøver, hovedsagelig høj-elektron mobilitetstransistor (HEMT), på nogle afgørende trin i deres fremstillingsproces som fx annealing. Faktisk er det meget vigtigt, at disse analyser udføres på en ikke-destruktiv måde for at bevare de begravede grænseflader. Det er ofte her de komplekse fysiske fænomener opstår, som er kritiske for fuktionaliteten, og en bedre forståelse af grænsefladerne er ofte en forudsætning for at kunne forbedre denne. I denne afhandling studeres de dybdegående diffusionsfænomener med den uelastiske baggrundsanalyse teknik (ved hjælp af QUASES software) kombineret med HAXPES for dybder op til 60 nm. Dybdestributionsresultaterne har afvigelser fra TEM-målinger mindre end en typisk værdi på 5%. Valget af input parametre for metoden er diskuteret på bagground af et stort udvalg af prøver samt omfattende simuleringer og enkle regler er udledt, hvilket gør den praktiske analyse nemmere og hurtigere at udføre. Endelig blev det vist, at spektromikroskopi opnået med HAXPEEM-teknikken kan tilvejebringe spektre ved hver enkelt pixel som kan anvendes til uelastisk baggrundsanalyse. Dette viser at i princippet kan en 3D-billeddannelse af den elementære dybdefordeling bestemmes ikke destruktivt.


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