Добірка наукової літератури з теми "Spectroscopie des rayons-X par photoémission à haute énergie"

Ce travail vise à utiliser la spectroscopie de photoélectrons à rayons X durs (HAXPES) à l'échelle du laboratoire dans la perspective de l'analyse du fond continue inélastique (IBA) pour des applications dans le domaine de la métrologie afin de fournir des mesures d'épaisseur de matériaux technologiquement pertinents pour les mémoires et transitors de puissance. Nous cherchons à répondre au besoin d'une méthode adaptée pour les processus de contrôle en salle blanche et l'analyse de routine. Les échantillons présentés dans ce travail ont été fabriqués par des procédés préindustriels et sont représentatifs de la technologie des dispositifs réels avec des préoccupations telles que des phénomènes de diffusion et des couches et interfaces actives profondément enfouies. Dans ce travail, nous évaluons la technique HAXPES-IBA par le biais des logiciels QUASES en étudiant les paramètres libres, les contributions des opérateurs et l'incertitude du résultat de distribution en profondeur. Nous présentons une analyse autonome en accédant aux spectres de photoémission haute-énergie des éléments de chaque couche de l'échantillon, enregistrés avec un nouvel instrument HAXPES (PHI Quantes) équipé d'une source de laboratoire délivrant la radiation Cr Kα (hv = 5414,72 eV). Tout d'abord, des échantillons de référence d'épaisseur rigoureusement contrôlés (films minces Al2O3 et HfO2) ont été étudiés pour confirmer la précision de la méthode IBA par rapport à des techniques de référence hautement quantitatives. Les déterminations d'épaisseur HAXPES-IBA d'échantillons bicouches comportant une couche de surface aussi épaisse que 25 nm et une couche enterrée d'environ 2,5 nm se sont avérées être en excellent accord avec les résultats obtenus par réflectivité des rayons X (XRR) avec une incertitude de la solution IBA sub-namométrique. La nécessité de sélectionner l'énergie d'excitation en HAXPES appropriée en fonction de l'épaisseur totale des films a été démontrée grâce à l'analyse de spectres HAXPES enregistrés avec une radiation Ga Kα (hv = 9251,74 eV). Enfin, nous appliquons la méthode à des échantillons technologiques réalistes. Dans la première étude, nous présentons les résultats d'épaisseur d'une série d'échantillons de film ALD d'Al2O3 déposés sur GaN, représentatifs d'un transistor à haute mobilité électronique (HEMT) MOS à grille encastrée. Les mesures quantitatives de spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) complètent la technique IBA en confirmant le besoin d'un spectre de référence. Dans la deuxième étude, la méthode HAXPES-IBA est combinée avec la pulvérisation ionique pour confirmer l'épaisseur de recouvrement Ti/TiN dans une structure Ti/HfO2 utilisée pour la technologie de mémoire d'accès aléatoire résistive à l'oxyde (OxRRAM). Enfin, nous fournissons un résumé critique des progrès à réaliser pour une méthode HAXPES-IBA fiable et précise, entièrement intégrée dans un environnement de contrôle en ligne
This work uses lab-scale hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) in the perspective of inelastic background analysis (IBA) for applications in the metrology field in order to provide thickness measurements of technologically relevant materials in memory and power devices. We seek to meet the need for a method adapted for inline processes and routine analysis. The samples presented in this work were fabricated by pre-industrial processes and are representative of real device technology with concerns like complex interdiffusion properties and deeply buried active layers and interfaces. In this work, we evaluate the HAXPES-IBA technique executed with QUASES software by studying the free parameters, the operator contributions, and uncertainty in the depth distribution. We present a self-contained analysis by accessing high energy photoelectron spectra of elements from each sample layer recorded with a novel lab-scale HAXPES instrument (PHI Quantes) fitted with a Cr Kα photon source (hv = 5414.72 eV). First, highly controlled reference samples of known thicknesses (Al2O3 and HfO2 thin films) were studied to confirm the accuracy of the IBA method through validation against highly quantitative reference techniques. HAXPES-IBA thickness determinations of bilayer samples with a thick overlayer up to 25 nm and a buried layer of approximately 2.5 nm were found to be in excellent agreement with results from X-ray reflectivity (XRR) with fitting uncertainty of the IBA solution in the sub-nanometer range. The need to select the appropriate HAXPES excitation energy depending on total film thickness was demonstrated thanks to complimentary HAXPES measurements recorded with Ga Kα radiation (hv = 9251.74 eV). Finally, we apply the method to realistic technological samples. In the first study, we present thickness results from a sample class of Al2O3 films deposited over GaN by atomic layer deposition (ALD), representative of a recessed gate MOS channel High Electron Mobility Transistor (HEMT). Quantitative secondary ion mass spectrometry (SIMS) measurements compliment the IBA technique by confirming need for reference spectrum. In the second study, the HAXPES-IBA method is combined with ion sputtering to confirm the Ti/TiN overlayer thickness in a Ti/HfO2-based structure used for oxide resistive random access memory (OxRRAM) technology. We provide a critical summary of advances to reach for an accurate and reliable HAXPES-IBA method fully-integrated into inline process control

Ce travail de thèse est focalisé sur la détermination, de manière non-destructive, d'interfaces profondément enterrées dans des empilements multi-couches utilisés dans les conditions de technologie réelles au travers d'une méthode innovante basée sur la photoémission avec utilisation de rayons-x de haute énergie (HAXPES) et l'analyse du fond continu inélastique. Au cours de cette thèse, une procédure numérique a été développée pour quantifier la correspondance entre la mesure du fond continu faite par HAXPES et la simulation du fond continu représentative d'une distribution en profondeur donnée. Cette méthode permet de trouver la distribution en profondeur d'un élément grâce à une procédure semi automatisée. Dans un premier temps cette méthode a été testée en étudiant une couche ultra fine de lanthane enterrée à une profondeur >50 nm dans un dispositif de grille métallique high-k. L'influence des paramètres utilisés lors de l'analyse y est étudiée et révèle l'importance principale d'un paramètre en particulier, la section efficace de diffusion inélastique. La combinaison de mesures HAXPES avec l'analyse du fond continu inélastique utilisant cette nouvelle méthode permet d'augmenter la profondeur de sonde jusqu'à un niveau sans précédent. Ainsi l'échantillon peut être sondé jusqu'à 65 nm sous la surface avec une haute sensibilité à une couche nanométrique. Dans un second temps, la méthode précédemment validée d'analyse de fond continu inélastique est combinée avec une étude haute résolution des niveaux de cœur dans un échantillon servant de source dans un transistor à haute mobilité. Les deux analyses sont complémentaires puisqu'elles permettent d'obtenir la distribution en profondeur des éléments ainsi que leur environnement chimique. Le résultat donne une description complète des diffusions élémentaires dans l'échantillon suivant les différentes conditions de recuit
This thesis tackles the challenge of probing in a non-destructive way deeply buried interfaces in multilayer stacks used in technologically-relevant devices with an innovative photoemission method based on Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) and inelastic background analysis. In this thesis, a numerical procedure has been implemented to quantify the matching between a HAXPES measured inelastic background and a simulated inelastic background that is representative of a given depth distribution of the chemical elements. The method allows retrieving depth distributions at large depths via a semi-automated procedure. First, this method has been tested by studying an ultra-thin layer of lanthanum buried at depth >50 nm in a high-k metal gate sample. The influence of the parameters involved in the analysis is studied unraveling the primary importance of the inelastic scattering cross section. The combination of HAXPES with inelastic background analysis using this novel method maximizes the probing depth to an unprecedented level, allowing to probe the sample up to 65 nm below the surface with a high sensitivity to a nm-thick layer. Second, the previously-checked inelastic background analysis is combined with that of high resolution core-level spectra in the case of the source part of a high electron mobility transistor. The two analyses are complementary as they allow retrieving the elemental depth distribution and the chemical state, respectively. The result gives a complete picture of the elemental intermixing within the sample when it is annealed at various temperatures
Denne afhandling omhandler problemet med at probe dybt begravede grænseflader i multilags stacks, som bruges i teknologisk relevante devices, med en innovativ fotoemissions metode, der er baseret på Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) og analyse af den uelastiske baggrund. I afhandlingen er en numerisk procedure blevet implementeret til at kvantificere forskellen mellem en HAXPES målt uelastisk baggrund og en modelleret baggrund, som svarer til en given dybdefordeling af atomerne. Metoden muliggør, med en halv-automatisk procedure, at bestemme dybdefordelingen i store dybder. Metoden er først blevet testet ved at studere et ultra-tyndt lag af lanthan, som er begravet i en dybde > 50 nm i en high-k-metal-gate prøve. Indflydelsen af parametrene der ingår i analysen er blevet studeret for at opklare den primære betydning af det anvendte uelastiske spredningstværsnit. Kombinationen af HAXPES med analyse af den uelastiske baggrund og brug af den nye numeriske metode giver en hidtil uset probe-dybde, som giver mulighed for at probe den atomare sammens ætning i op til 65 nm dybde under overfladen og med høj følsomhed af et kun nm tykt lag. Dernæst er den uelastiske baggrundsanalyse blevet kombineret med højopløst core-level spektroskopi for at studere de aktive dele i en høj-elektronmobilitets transistor. De to analyser er komplementære, idet de henholdsvis bestemmer den atomare fordeling og atomernes kemiske bindingstilstand. Resultatet giver et fuldstændigt billede af atomernes omfordeling i prøven når denne opvarmes til forskellige temperaturer

Analyse du spectre de rayons X émis après la traversée d'une feuille de C par un faisceau d'ions de Si de 44mev. Identification des raies satellites observées à partir de résultats théoriques par la méthode de Dirac-fock multiconfigurationnelle; mise en évidence de plusieurs configurations ayant un électron m. Par analyse des spectres à partir des valeurs calculées des rapports de branchement, confirmation d'un processus de population statistique des états excités initiaux associés à une même configuration électronique. Effet de la réponse du gaz d'électrons libres de la cible sur l'énergie de la raie de résonnance.

Cette thèse se situe dans un des axes principaux de l'INL qui a pour objectif de développer des procédés de fabrication de films minces d'oxydes monocristallins, épitaxiés sur silicium. Ces oxydes pourraient remplacer les oxydes de grille amorphes de type SiOxNy ou HfSixOyNz et répondre au cahier des charges de la « Road Map » de l'ITRS dans les futures filières CMOS sub 22nm. L'intérêt de maîtriser l'épitaxie d'oxydes sur silicium va bien au-delà de l'application au CMOS. Un tel savoir faire serait une brique technologique essentielle pour pouvoir développer des filières d'intégration monolithique sur silicium.

Dans ce contexte, l'objectif principal de ma thèse a été de mener une étude approfondie des propriétés physicochimiques et structurales de couches fines d'oxydes élaborées par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) sur substrat silicium ou oxyde, en utilisant la spectroscopie de photoélectrons (XPS) et la diffraction de photoélectrons (XPD).

Nous avons étudié dans un premier temps la relaxation de films minces de LaAlO3 et de BaTiO3 épitaxiés sur des substrats de SrTiO3(001). Nous avons montré qu'au-dessous d'une certaine épaisseur critique ces deux oxydes sont contraints de façon pseudomorphiques sur SrTiO3(001). De plus nous avons clairement mis en évidence une forte augmentation de la déformation ferroélectrique pour une couche contrainte de BaTiO3.

Dans un deuxième temps, nous avons aussi étudié la croissance de LaAlO3 sur Si(001). LaAlO3 est amorphe pour des températures de croissance en dessous de 500°C. Pour des températures supérieures il y a formation de silicates à l'interface qui empêche la cristallisation. Pour surmonter cette difficulté, des procédés d'ingénierie d'interface ont été développés pour limiter les réactions interfaciales et réussir la croissance épitaxiale. Ils sont basés sur l'utilisation de couches tampons interfaciales d'oxydes comme SrO, SrTiO3 et Al2O3.

Enfin, nous avons comparé les modes de croissance et la stabilité d'interface d'Al2O3 et de Gd2O3 épitaxiés sur Si(111) et Si(001). Les résultats prouvent que la croissance de ces deux oxydes sur Si(111) a une orientation suivant [111]. Par contre sur Si(001) le mécanisme de croissance est plus complexe avec des relations d'épitaxie et des orientations inhabituelles.

La miniaturisation depuis 50 ans des composants, transistors MOSFET à base de silicium, dans les technologies CMOS est de plus en plus limité par l'apparition de phénomènes quantiques dans les dispositifs de taille sub-0,1 µm. L'épaisseur requise pour l'isolant de grille devenant trop faible, cela induit une très forte augmentation des courants de fuites à travers le diélectrique. Une solution pour résoudre ce problème est de remplacer la silice (SiO2), qui est l'isolant naturel du substrat de Si, par un autre matériau qui a une constante diélectrique plus élevée que celle de la silice. Avec ces oxydes « high-κ » on peut viser une épaisseur physique d'isolant plus élevée et donc diminuer les courants de fuites tout en maintenant la capacité surfacique du transistor constante.
Les solutions industrielles actuelles développées sont à base d'oxydes « high-κ » amorphes. Une alternative serait l'utilisation d'oxydes monocristallins épitaxiés directement sur silicium qui permettrait de retrouver les propriétés de l'oxyde massif et d'obtenir des interfaces abruptes sans présence de couches interfaciales. Cependant le choix du matériau est limité par le désaccord de maille avec le substrat et aussi par la compatibilité et la stabilité thermodynamique des oxydes vis-à-vis du Si. Les matériaux explorés dans cette thèse ont été LaAlO3 et Gd2O3 choisis pour leurs propriétés électroniques (constante diélectrique et discontinuités de bandes) et γ-Al2O3 choisi pour ses qualités thermodynamiques vis-à-vis du Si. La méthode d'élaboration utilisée a été l'épitaxie par jets moléculaires (EJM).
Nous avons tout d'abord commencé par étudier le système LaAlO3/Si. Après avoir défini les conditions optimales de croissance (température, pression d'oxygène et vitesse de croissance), par homoépitaxie (sur un substrat de LaAlO3(001)) et hétéroépitaxie (sur un substrat de SrTiO3(001)), nous avons exploré les possibilités de faire croître cet oxyde directement sur Si(001). N'ayant pas pu trouver de fenêtre de croissance compatible, une solution a été d'utiliser une fine couche interfaciale de SrO ou de SrTiO3 pour obtenir une phase solide de LaAlO3 sur Si. Cependant les limitations thermodynamiques de l'interface à base d'alcalino-terreux (Sr) rendent incompatible la réalisation de transistors CMOS.
Le deuxième oxyde étudié a été l'oxyde de gadolinium (Gd2O3). Si la croissance s'est révélée monodomaine et de très bonne qualité sur Si(111), nous avons observé une croissance bidomaine sur substrat de Si(001). Ceci provient de l'alignement des plans (110) de l'oxyde sur les plans (001) du Si, tournés de 90° à chaque marche de silicium, Nous avons alors montré que l'utilisation d'un substrat vicinal de Si(001) désorienté de 6° permet de favoriser qu'un seul domaine de Gd2O3. Malgré ses limitations (formation de silicate interfacial à hautes températures) le système Gd2O3/Si est actuellement considéré comme un des plus intéressants pour l'intégration dans les technologies CMOS.
Afin d'obtenir des interfaces abruptes et stables thermodynamiquement, nous avons exploré les possibilités offertes par l'oxyde γ-Al2O3. Après avoir mis en évidence la possibilité de faire croître un film fin de γ-Al2O3(001) pseudomorphe avec une interface cohérente, nous avons défini différents assemblages possibles combinant γ-Al2O3 et un oxyde « high-κ ». Une solution originale qui permet d'intégrer un oxyde « high-κ » cristallin sur Si avec une interface abrupte et stable a été proposée.