Caractéristiques des échantillons de nanocristaux de Si enfouis dans du SiO 2

donnant notamment la nomenclature employée par le LETI est listée en annexe D.

3.5.2 Caractérisation par AFM

Une première caractérisation est l’étude de la rugosité des surfaces des différents échantillons, recuits ou non. La figure 3.15 regroupe les images AFM ainsi que des profils de topographie. Elle souligne le fait qu’il y ait présence ou non de nanocristaux, la rugosité est sensiblement la même pour les quatre échantillons. En effet, l’échantillon E4, qui n’est pas recuit et ne possède donc pas de nanocristaux mais une couche amorphe de SiOx, présente une rugosité comparable aux trois autres échantillons, qui ont eux été recuits. Cette rugosité s’élève à environ 6 Å, ce qui est bien inférieur à la taille attendue des nanocristaux. Nous en déduisons que les nanocristaux ne contribuent pas à la rugosité de la surface, donc qu’ils sont enfouis dans la couche superficielle de l’échantillon. Il reste maintenant à déterminer la bonne démixion du silicium de son oxyde, avant d’estimer la taille et la densité des nanocristaux.

Chapitre 3. Nanostructures semiconductrices

FIG. 3.15: Images de topographie AFM des nanocristaux de Si enfouis dans du SiO2 (à gauche), et profi ls de

hauteur (à droite). a) : Echantillon E1, rugosité RMS : 3,7 Å. b) : Echantillon E2, rugosité 6,5 Å. c) : Echantillon E3, rugosité 6,0 Å. d) : Echantillon E4, rugosité 6,1 Å. Toutes les rugosités sont comparables et faibles, en particulier même lorsqu’il n’y a pas de nanocristaux (Echantillon E4, non recuit). Ceci indique que les nanocristaux sont bien enfouis dans le SiO2, et ne contribuent donc pas à la rugosité de la surface.

3.5. Nanocristaux de Si enfouis dans du SiO2

3.5.3 Caractérisations par techniques optiques et par imagerie TEM

Le recuit visant à obtenir la démixion de la phase silicium de la phase dioxyde de silicium a été opti- misé en temps, en température et en pression d’azote. Il s’agit cependant de vérifier le bon déroulement de la réaction. A cette fin, la spectroscopie infra-rouge à transformée de Fourier (FTIR, "Fourier Trans- form Infra-Red Spectroscopy") est utilisée. Elle mesure l’énergie vibratoire de la liaison -O-Si-O-. Dans du SiO2pur, la fréquence de vibration longitudinale ("streching mode" en anglais) se situe à 1080 cm−1, soit correspondant à une longueur d’onde de 9,25 microns. Pour l’oxyde sous-stœchiométrique, cette valeur est décalée vers les nombres d’onde plus bas. Les expériences menées par N. Buffet et al. au LETI montrent qu’avec une température de recuit de 1000◦C, la position de la fréquence de vibration de la liaison -O-Si-O- située entre 1020 et 1040 cm−1avant recuit avait atteint sa valeur d’équilibre autour de 1080 cm−1 au bout de 900 secondes quelque soit le taux de silicium de la couche de SRO [114]. Nous nous sommes assurés de la bonne démixion des deux phases sur deux échantillons : les échantillons E2 et E3. Les spectres FTIR sont mesurés en transmission, le spectre de l’échantillon de référence (25 nm de SiO2 sans couche de SRO) a été systématiquement soustrait. Pour une meilleure visibilité, on a éga- lement soustrait le signal de fond et inversé les valeurs. Les spectres sont représentés sur la figure 3.16. Les deux échantillons possèdent une fréquence de vibration située à 1070 cm−1, ce qui pourrait indiquer

FIG. 3.16: Spectres FTIR inversés des échantillons

E2 et E3, corrigés de leur valeur de fond. Les deux pics se situent à 1070 cm−1_{. Le pic de référence}

de SiO2 pur est lui situé à 1078 cm−1 (non re-

présenté). On attribue ce décalage à l’oxyde sous- stœchiométrique qui demeure à l’interface nano- cristal/matrice de SiO2, voire à l’interface avec le

substrat.

une démixion incomplète, car la fréquence mesurée de l’oxyde stœchiométrique déposé dans les mêmes conditions est elle de 1078 cm−1 (non représentée sur ce graphe). Ceci laisse à penser que cette tech- nique conserve toujours des traces d’oxyde sous-stœchiométrique, peut-être à l’interface avec le substrat de silicium, ou à l’interface des nanocristaux de silicium avec la matrice de dioxyde de silicium. Nous en concluons que malgré ce décalage, il y a bien eu démixion de la phase Si dans la phase SiO2.

La présence de nanocristaux étant établie, nous nous intéressons maintenant à la détermination de la fraction volumique de la phase de silicium. Pour cela, nous avons recours aux mesures d’éllipsométrie, qui consistent à envoyer un faisceau de lumière polarisée sur l’échantillon et à analyser la rotation de la polarisation après réflexion. L’intensité ainsi mesurée est modulée par l’épaisseur de la couche réfle-

Chapitre 3. Nanostructures semiconductrices

chissante, mais aussi par l’indice de réfraction du milieu. En toute rigueur, la couche de SRO n’est pas homogène après le recuit puisqu’elle contient des inclusions cristallines de Si. Cependant le modèle uti- lisé pour faire des ajustements des courbes enregistrées peut prendre en compte la présence de plusieurs phases dans une même couche, avec des indices de réfraction distincts. Il peut ensuite faire varier les proportions volumiques de chaque phase afin d’ajuster la courbe expérimentale avec la courbe théorique. Cette démarche s’appelle l’approximation de milieu effectif de Bruggeman. Dans le programme de mo- délisation, nous avons déclaré deux phases présentes dans la couche de SRO en proportions inconnues : une phase silicium cristalline et une phase de dioxyde de silicium amorphe. La couche sous-jacente de 25 nm de SiO2 a aussi été declarée, de même que le substrat de Si, cependant avec une épaisseur telle qu’il empêche la pénétration de la lumière dans la couche. Nous avons choisi de laisser en paramètre variable l’épaisseur de cette couche SRO car nous avons remarqué que si elle était fixée à 30 Å, alors le modèle divergeait pour certains échantillons (avec des proportions d’une phase supérieure à 100%). Le tableau 3.3 résume les résultats obtenus avec le modèle de Bruggeman pour les échantillons E1, E2 et E3.

Echantillon Rapport Epaisseur de la Si(%) SiO2(%) Fraction x γ couche SRO (Å)

E1 0,3 24 40,1 59,9 0,81

E2 0,5 28,4 8,2 91,8 1,67

E3 0,9 44,1 5,7 94,3 1,77