Dans les paragraphes précédents, nous avons volontairement passé sous silence deux aspects importants concernant les deux méthodes de mesures. Nous nous proposons de les examiner maintenant. Il s’agit d’une part de la plage énergétique accessible aux mesures et d’autre part de la résolution en énergie de ces mesures.
Différents facteurs limitent la plage d’énergie accessible aux mesures, c’est-à-dire la partie de la bande interdite du semiconducteur où l’on peut calculer Dit. Pour les méthodes de Terman et quasi-statique, l’hypothèse de la courbe HF (équation 2-16) est difficilement vérifiée lorsque l’on approche la bande des porteurs majoritaires (bande de conduction pour un type n ou bande de valence pour un type p). En effet, l’augmentation de la densité de porteurs majoritaires à l’interface entraine une diminution du temps de réponse des états d’interface (équations 2-11 et 2-13), et ces derniers ont donc plus de facilité à suivre le signal. La densité d’états d’interface mesurée par ces méthodes n’est donc pas fiable pour les énergies comprises entre le niveau de Fermi en bande plate et la bande de porteurs majoritaires. De plus, d’autres problèmes existent lorsque l’on approche le régime d’inversion, c’est-à-dire lorsque le niveau de Fermi à l’interface se rapproche de la bande de
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porteurs minoritaires. Ces problèmes sont
Dit
ˇnergie
BV BC
a
b
Figure 2-20 Représentation schématique d’une courbe Dit(E) réelle (a) et de la courbe
déterminée par caractérisation électrique (b). Les zones hachurées sont les zones inaccessibles par la caractérisation électrique.
essentiellement liés au fait que, dans cette région, Csc devient comparable à Cit : la capacité mesurée devient moins sensible aux états d’interface et les erreurs sur Dit augmentent.
Pour ces deux méthodes de caractérisation, la plage énergétique où l’on peut mesurer Dit de manière fiable est donc réduite aux énergies proches du milieu de la bande interdite du semiconducteur, ce qui correspond au régime de déplétion. Dans cette région, la courbe Dit(E) présente généralement un minimum et varie peu avec l’énergie (figure 2-20). Par conséquent, on se contente parfois, pour caractériser la densité d’états d’interface, de donner la valeur du minimum et sa position en énergie.
Par ailleurs, il faut garder en mémoire que la courbe Dit(E) obtenue n’est pas la distribution réelle des états d’interface dans la bande interdite mais une reproduction de celle- ci vue avec la résolution de la méthode. Pour les deux méthodes utilisées, la résolution en énergie est de l’ordre de quelques kT (typiquement 0,09 eV) [NICOLLIAN, p.221]. Cette
résolution a pour effet d’aplatir la courbe réelle, comme illustrée sur la figure 2-20.
Les tableaux 2-9 et 2-10 résument les avantages et les inconvénients de chaque méthode et leur domaine d’utilisation. On peut remarquer que les deux méthodes de caractérisation utilisées sont complémentaires : les structures pouvant être analysées par la méthode de Terman ont une interface de mauvaise qualité et leur caractéristique C(V) présentent généralement une hystérésis, ce qui rend la méthode quasi-statique inutilisable. Ainsi, comme
on peut le voir dans le tableau 2-10, la méthode de Terman et la méthode quasi-statique sont très complémentaires du point de vue de leur utilisation.
Tableau 2-9 Comparaison des deux méthodes de caractérisation électrique utilisées.
Méthodes Hypothèses Limites Avantages
Terman
Tous les états sont gelés Dit ≥ 1011 eV-1 cm-2. Connaissance de CI et Ndop. Simple et rapide. Permet de déterminer la relation V(Ψs). Quasi- statique
HF : Tous les états sont gelés QS : La structure est à l’équilibre Inexploitable en cas d’hystérésis. Connaissance de CI. Compromis entre la précision et l’équilibre de la structure en QS. Sensible (Dit ≈ 1010 eV- 1 cm-2) et précise. Permet de déterminer la relation V(Ψs).
Tableau 2-10 Récapitulatif des méthodes utilisables pour les différentes structures MIS étudiées.
Structures Terman Quasi-statique
Al/SiNx/Si non-recuit OUI NON (hystérésis) Al/SiNx/Si recuit NON
(Dit < 1011 eV-1 cm-2)
OUI
Al/SiNx/InP non-recuit Al/SiNx/InP recuit
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6 Conclusion
Outre la description du réacteur DECR utilisé pour déposer le nitrure de silicium, nous avons présenté dans ce chapitre les différentes techniques d'analyses retenues pour étudier le plasma DECR, les films minces SiNx et les interfaces SiNx/Si et SiNx/InP.
En ce qui concerne l'étude du plasma, l'apport essentiel de ce travail réside dans la mise en oeuvre de l'analyse par sondes électrostatiques simple et double, technique qui n'avait jamais été employée au laboratoire. Nous avons donc choisi de détailler le cheminement que nous avons suivi, de la conception de la sonde à l'automatisation des acquisitions sans oublier l'analyse des caractéristiques obtenues. Une étude préliminaire a permis de déterminer les paramètres d'acquisitions adéquats pour réaliser des mesures fiables et reproductibles et également d'évaluer les incertitudes sur chaque grandeur calculée. Grâce à l'optimisation des différents paramètres, nous avons pu réaliser une étude par sondes électrostatiques en plasma de dépôt, qui sera présentée dans le chapitre suivant.
En ce qui concerne l'étude du film de nitrure de silicium, nous avons utilisé des méthodes diverses et variées pour obtenir des informations sur la physico-chimie de film. Ces méthodes ayant déjà été utilisées dans les précédentes thèses menées au laboratoire, nous sommes contenté de rappeler brièvement les moyens techniques utilisés, le but de l'analyse, sa précision, ses avantages et ses inconvénients.
A travers la description des différents aspects de l'interface SiNx/semiconducteur, nous avons présenté les techniques de caractérisation des interfaces dont nous disposons pour orienter nos études de passivation des semiconducteurs III-V. Dans une dernière partie, nous avons dressé une comparaison critique des deux méthodes utilisées pour la
caractérisation électrique des interfaces SiNx/semiconducteur, la méthode de Terman et
la méthode quasi-statique, et nous avons montré leur complémentarité. Ces deux méthodes seront utilisées au chapitre 4 pour analyser les interfaces SiNx/Si et SiNx/InP.
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L'analyse du plasma et
les mécanismes de dépôt
Les résultats présentés dans ce chapitre ont fait l'objet de deux publications (une lettre et un article) dans des revues internationales :
• F. Delmotte, M. C. Hugon, B. Agius and J. L. Courant, J. Vac. Sci. Technol. B 15 (6), 1919 (1997). • F. Delmotte, M. C. Hugon, B. Agius, A. M. Pointu and S. Teodoru, Appl. Phys. Lett. 72 (12), 1448
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