CHAPITRE III : METHODES EXPERIMENTALES ET
III.1. ANALYSE CHIMIQUE : LA SPECTROMETRIE DE MASSE A
III.1.1. Principe de base
La spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) est un procédé d’analyse de surface qui consiste à bombarder la surface de l’échantillon à analyser avec un faisceau d’ions dits primaires. L’échantillon est alors pulvérisé et une partie de la matière est ionisée ; il s’agit donc d’une méthode de caractérisation destructive. Les ions secondaires ainsi éjectés (cf. Fi- gure 32) sont accélérés vers un spectromètre de masse qui permet de mesurer la composition élémentaire, isotopique ou moléculaire de la surface de l'échantillon. Bien que les premières observations de la pulvérisation ionique aient été faites en 1910 par le physicien britannique
Sir Joseph John “J.J.” Thomson (1856-1940) [1], c'est à Herzog et Viehbock que l'on doit
69 Figure 32 : Vue schématique de la surface de
l’échantillon analysé bombardé par un faisceau d’ions primaires qui engendre l’émission de parti- cules secondaires ionisées.
Sa grande sensibilité et sa haute résolution en profondeur font du SIMS la méthode la plus adaptée et la plus précise pour l’analyse chimique des matériaux utilisés en microélec- tronique. Dans notre cas, nous l’utilisons pour établir un profil de concentration des dopants présents en fonction de la profondeur, les éléments que l’on veut détecter dépendent du type d’ions primaires utilisés.
III.1.2. Description détaillée de l’appareillage
Sur la Figure 33 sont représentés les éléments principaux qui constituent un tel appa- reillage. L’échantillon est tout d’abord placé dans une enceinte à vide très poussé (quelques 10-9 Torr) puis il est polarisé positivement ou négativement (selon la polarité des ions secon- daires que l’on veut extraire). Un faisceau d’ions dits primaires de faible énergie (quelques keV) est émis par une source et va bombarder l’échantillon cible. Sous l’effet de l’impact des ions incidents les atomes de la cible sont pulvérisés ; si le bombardement est maintenu, l’échantillon est alors érodé progressivement et très lentement. Ce bombardement continu génère l’émission d’espèces secondaires diverses (cf. Figure 32) : électrons, photons, atomes et molécules neutres issus de l’échantillon. Des ions primaires peuvent également être rétro- diffusés.
Les éléments ionisés extraits de la cible dépendent du type d’ions primaires utilisés. En effet, l’utilisation d’un faisceau d’ions primaires oxygène augmente significativement les rendements d’ions positifs (comme le bore) alors que sous l’effet d’un bombardement d’ions
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césium, on augmente le rendement d’ions négatifs (halogènes, phosphore, carbone, oxy- gène…). Sur la Figure 33, on retrouve la source d’ion césium ainsi qu’une source duoplasma- tron qui permet de générer des ions primaires argon, azote, xénon et oxygène. Les particules secondaires éjectées dans le vide sont ensuite accélérées jusqu’au spectromètre de masse ma- gnétique qui assure le tri des ions selon leur énergie et leur masse.
Figure 33 : Schéma de principe de fonctionnement d’un SIMS
En sortie du spectromètre, les ions secondaires sont dirigés vers un écran fluorescent ou système de détection constitué d’une cage de Faraday (pour les fortes intensités) suivi d’un multiplicateur d’électrons permettant de transformer un faible courant ionique en un signal mesurable. Chaque cascade d’électrons créée est comptabilisée comme un coup et correspond à un ion secondaire incident.
Les analyses SIMS présentés dans cette thèse ont pour la plupart été réalisées par Claude Armand à l’INSA de Toulouse sur un système CAMECA IMS 4Fe6, mais certaines mesures ont été réalisées soit en Allemagne par la société FEI sur un système FEI SIMS 4600 quadrupole depth profiler, soit en Angleterre par la société CSMA sur un système CAMECA IMS 7F.
III.1.3. Application à notre étude
L’analyse SIMS permet donc d’établir un profil représentant l’intensité de coup par seconde d’un élément donné en fonction du temps d’érosion (cf. Figure 34 premier graphe).
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La minimisation des fluctuations du faisceau d’ions primaires permet de maintenir la vitesse d’érosion constante, ainsi la mesure au profilomètre de la profondeur du « cratère » formé au cours de l’analyse, ramenée à la durée de celle-ci permet de déduire la valeur de la vitesse d’érosion et donc de calibrer en profondeur les spectres obtenus. La concentration des impure- tés analysées, quant à elle, ne peut être déterminée qu’à partir d’un échantillon référence. Cet échantillon, de même nature (matériau et impuretés) dont la concentration en impureté est connue, doit être analysé dans les mêmes conditions expérimentales que l’échantillon étudié. Ce type de référence est obtenu auprès d’organismes tels que l’ASTM International (Ameri-
can Society for Testing and Material) qui est un organisme de normalisation qui rédige et
produit des normes techniques concernant les matériaux, les produits, les systèmes et les ser- vices. Grâce à la référence, un facteur relatif de sensibilité (RSF pour Relative Sensitivity Factor) est déterminé et permet de convertir l’intensité (en coups par seconde) en concentra- tion d’impuretés (en atm.cm-3) comme montré sur la Figure 34. Cette méthode d’analyse donne la concentration totale des impuretés présentes en fonction de la profondeur, mais comme vu dans le premier chapitre, ces impuretés ne sont pas toutes électriquement activées après le recuit. C’est pourquoi nous combinerons cette technique d’analyse chimique à des techniques d’analyse électrique pour obtenir des informations sur le profil de dopants actifs.
Figure 34 : Profils SIMS avant (courbe de gauche) et après (courbe de droite) calibration, on obtient les variations de concentration de l’impureté introduite en fonction de la profondeur.
Comme on l’a vu dans la section I.2.1, le dopant majoritairement employé pour la fa- brication des jonctions p+/n est le bore. Le substrat qui constitue l’objet de la plupart de cette étude est le silicium, mais nous aborderons dans le dernier chapitre de ce manuscrit, les nou- veaux matériaux tels que le SOI (Silicon On Insulator), les alliages silicium/germanium (SiGe) ainsi que le germanium pur (Ge) (matériau avec lequel a été réalisé le tout premier transistor !), matériaux que l’on utilise déjà ou que l’on envisage d’utiliser, pour améliorer les performances des dispositifs.
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