analyse de composition d'une couche mince

Composition

L'aspect le plus important d'une caractérisation de couche mince est sans doute l'analyse de sa composition. Les méthodes analytiques, classiques avec les matériaux massifs, sont le plus souvent en défaut en raison du peu de matière dont on dispose d'une part, (rappelons qu'un film de 1 cm² de 100nm d'épaisseur d'un matériau de densité 10 représente 100µg), et d'autre part, en raison de l'exigence de séparation totale du film et du substrat, et enfin parce que ces méthodes sont souvent globales et ne permettent pas de préciser le profil de composition dans l'épaisseur, ou le positionnement des impuretés.

C'est pourquoi on va privilégier les méthodes non destructives d'analyse de surface, susceptibles de détecter une monocouche. La plupart font appel à l'excitation de cette surface par un projectile d'énergie précise et à l'analyse des émissions en résultant, caractéristiques des atomes émetteurs. Le spectre d'énergie émis permet en général d'identifier les atomes émetteurs, tandis que les intensités relatives conduisent au rapport de composition de la zone superficielle examinée.

Fig. exemple de module d'analyse de surface. (doc. Instruments SA)

Dans la figure ci-dessus la partie avant (sortie du canon à ions et entrée de l'espace analyseur) est sous ultra-vide

Le système permet tous les types d'analyse et possède en outre un canon à ions intégré grâce auquel on peut procéder à une érosion couche par couche de la surface et ainsi permettre une connaissance de la structure en profondeur. Cette procédure est évidemment destructrice. La figure ci-dessous montre le synoptique d'un système analyseur tel celui de la photo sur lequel outre l'analyseur figurent les diverses sources d'excitation de la surface qui peuvent être associées.

Fig. synoptique d'un analyseur de surface

(1) Auger (AES)

Le mécanisme de l'émission Auger est représenté dans le cas du fer sur la figure ci-avant. Il s'agit d'un mécanisme en cascade. Un premier électron d'une couche interne est arraché par suite d'une collision avec une particule incidente dont l'énergie est supérieure à 708 eV (typiquement entre 1kev et 1.5keV); cet électron n'est pas significatif. Ensuite un électron plus périphérique redescend sur ce niveau vacant et simultanément un second électron est émis (parfois c'est seulement un photon et donc moins intéressant) dont l'énergie est caractéristique du matériau. Dans l'exemple figuré, l'électron passe du niveau 54 au niveau 708 ce qui implique une variation énergétique de 708-54=654 eV. L'électron émis nécessite 3.8 eV pour être expulsé, la différence est donc 650.2 eV, représentant l'énergie cinétique de cet électron Auger, dont la quantification précise va donc permettre d'identifier qu'il s'agit d'un électron émis par un atome de fer. Pour cela il suffit de placer un champ magnétique connu (et le plus souvent réglable) perpendiculairement à la direction d'émission de l'électron Auger qui va alors subir une déviation circulaire dont le rayon dépend directement de son énergie initiale, permettant de le récupérer (et seulement celui-là) sur une électrode ad hoc.

L'identification des énergies des électrons Auger permetta donc d'identifier à quels atomes ils appartenaient tandis que la quantification du nombre d'électrons (amplitude du pic Auger) permettra l'analyse quantitative.

exemple d'analyse en profondeur d'un transistor MOS

Notons qu'on peut établir le profil de composition dans l'épaisseur en couplant le spectromètre Auger avec un système de sputtering qui décapera couche après couche le film mince. Cependant la pulvérisation préférentielle de certaines espèces fait que l'interprétation des résultats n'est pas toujours aisée. On suit en pratique plusieurs pics Auger caractéristiques des matériaux en présence.

La figure ci-dessus montre un exemple caractéristique de l'évolution de trois pics principaux en fonction du temps de sputtering, c'est à dire en fonction de la profondeur d'analyse (analyse transversale d'un transistor MOS au niveau de la grille). On note la présence d'oxygène en surface (gaz adsorbé) et à l'intérieur du gate (SiO2). La répartition du tungstène indique qu'il s'agit d'une couche métallique de siliciure de tungstène (surface de l'électrode du gate) sous laquelle on a une couche de polysilicium. On retrouve évidemment le silicium seul dans le substrat (zone du canal du transistor).

(2) Xray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

En irradiant la surface par un rayonnement X monoénergétique de fréquence n on obtient des électrons secondaires caractéristiques d'énergie E_k :

E_k = h - E_B - f , où E_B représente l'énergie de liaison caractéristique du matériau et

f la fonction de travail spécifique du spectromètre (constante liée à sa technologie et sa géométrie)

L’intérêt est évident, surtout pour les matériaux qui ne donnent pas de résultats Auger, d'autant que le spectromètre peut être combiné puisque la partie réceptrice est la même dans les deux cas.

(3) electron probe microanalysis (EPM) ou sonde électronique de Castaing.

On peut récupérer et analyser les RX émis lors du bombardement de la surface par un faisceau électronique. Cette sonde est généralement couplée à un MEB. Elle comporte plusieurs spectromètres accordés chacun sur une plage RX différente afin d'optimiser le fonctionnement. La différence essentielle avec les AES/XPS est que la profondeur d'analyse est de 0.5µm minimum ce qui prend généralement en compte le substrat. Précisons que cette technique, due au scientifique français R. Castaing (chercheur à l'ONERA), est désignée par le sigle EPM aux Etats-Unis

(4) Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)

C'est la méthode la plus sensible pour l'analyse de traces (environ 10^-6 monocouche soit 10^-12g).

On focalise un faisceau d'ions inertes ou actifs sur la surface ce qui pulvérise progressivement celle-ci à l'état ionisé. Les ions émis sont récupérés par un spectromètre de masse de type quadripolaire ou magnétique

(5) Rutherford BackScattering (RBS)

C'est la seule méthode ne nécessitant pas d'étalonnage préalable. On bombarde la surface avec un faisceau d'ions H⁺ d'énergie E_o comprise entre 0.3 et 3MeV et on analyse l'énergie E_c des ions rétrodiffusés. Pour un matériau de masse m2, si m1 est celle de l'ion H et

l'angle de scattering on a la relation

E_c/E_o= {(m₂² - m₁² sin²)^1/2 + m₁cos}²/(m₁+ m₂)²

Le tableau suivant permet de comparer les performances de ces cinq procédés d'analyse de surface.

méthode	résolution spatiale	en profondeur	limite de détection	limite Z	précision
AES XPS EPM SIMS RBS	0.1µm 1000 0.5-1 0.5 10-1000	< 0.005µm < 0.005 0.5-2 < 0.005 0.01-0.03	1000ppm 1000 50-1000 0.000001 ³⁰	>3 >3 >4 >1 >3	10-20% 10-20 1-5 10-15 < 5

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	5 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 18 mars 2013

composition	méthodes d'analyse de surface
spectrométrie Auger	un mécanisme sophistiqué
spectrométrie de photoélectrons X	combiné au précédent
sonde de Castaing	l'analyse globale en volume
méthode SIMS	hypersensible
backscattering de Rutherford	la plus chère>
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TECHNOLOGIE DES COUCHES MINCES

caractérisation suite (3/4): composition