ETUDE DE LA DIFFUSION INTERVENANT DANS LA

THÈSE
PRESENTEE PAR
Nicolas PAOUR
POUR OBTENIR LE TITRE DE DOCTEUR
DE
L'UNIVERSITE JOSEPH FOURIER - GRENOBLE I
(Arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et du 30 mars 1992)
(SPECIALITE PHYSIQUE)
ETUDE DE LA DIFFUSION INTERVENANT DANS LA
RESOLUTION EN PROFONDEUR EN ANALYSE SIMS :
APPLICATION A L'AlGaAs
Date de soutenance : 30 janvier 1997
Composition du Jury :
Président : F. MERCHEZ
Rapporteur :
Rapporteur :
A. BENYAGOUB
B. LEGRAND
J.R. REGNARD
J.C. PFISTER
B. BLANCHARD
Thèse préparée au sein du LETI-CEA Technologie Avancées, Département d'Optronique,
CEA - Grenoble

REMERCIEMENTS
Cette étude a été menée au Laboratoire d'Electronique de Technologie et
d'Instrumentation (LETI) du CEA Grenoble (Commissariat à l'Energie Atomique).
Mes premiers remerciements vont à M. DUPUY qui m'a accueilli au sein du
groupe de Caractérisation Physique des Matériaux.
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur B. BLANCHARD,
spécialiste de la Spectrométrie de Masse en Ions Secondaire (SIMS). Il a su me faire
bénéficier de son expérience et de sa compétence. Je le remercie pour la confiance
qu'il m'a toujours témoignée en m'accordant une grande autonomie.
Je remercie tout particulièrement Monsieur le Professeur J.R. REGNARD
qui a accepté de me diriger dans ce travail.
J'exprime ma plus profonde gratitude à Monsieur F. MERCHEZ qui me fait
l'honneur de présider la commission d'examen.
Je ne saurais oublier de remercier Monsieur A. BENYAGOUB qui a accepté
avec enthousiasme de juger ce travail et pour les discussions fructueuses que nous
avons eues.
Que B. LEGRAND, ingénieur de recherche du CEA de Saclay reçoive mes
plus profonds remerciements pour l'aide qu'il m'a apportée sur les effets d'irradiation
et pour avoir accepté d'être rapporteur de cette thèse.
Bien entendu, je n'oublie pas J.C. PFISTER qui a bien voulu examiner ce
travail et pour sa présence dans le jury. Les discussions enrichissantes que nous
avons eues témoignent de son intérêt pour ces travaux.
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Les échantillons de multicouches niobium/aluminium ont été réalisés par
R. CHICAULT et J.C. VILLEGIER. Je les remercie vivement pour le soin
désintéressé qu'ils ont apporté à cette réalisation.
Merci à S. POUJOL de m'avoir aidé dans la conception d'une régulation en
température.
Que F. PIERRE et C. VANNUFFEL reçoivent ma sincère amitié ainsi que
mes vifs remerciements pour leur collaboration et leur grande humanité.
J'ai apprécié l'aide que m'ont apporté F. BERTIN, H. JAFFRESICK et
B. ROUX sur mes problèmes en informatique. Je les remercie aussi pour le soutien
et la sympathie qu'ils m'ont manifesté.
Mes remerciement ne sauraient oublier D. HERVE et E. MOLVA qui ont
bien voulu sacrifier leurs échantillons laser en me les confiant et en m'autorisant à
publier les résultats obtenus.
Merci à M. et D. GRUNWALD, D. MUYARD, V. ROY de m'avoir assisté
lors de ma rédaction et à toutes les personnes de CPM, qui d'une manière ou d'une
autre, m'ont aidé à passer trois années bien sympathiques.
Enfin, j'ai une pensée toute particulière pour mon épouse Soraya, dont le
soutien ne m'a jamais fait défaut et à mes deux p'tits gars, Martin et Florent. Ils ont
su contribuer à leur façon à l'aboutissement de ce travail que je leur dédie
aujourd'hui.
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Résumé
Ce travail propose, dans le cadre de l'étude d'interfaces en analyse SIMS
(Secondary Ions Mass Spectrometry), une approche basée sur l'étude de la diffusion
assistée par l'irradiation du faisceau d'ions primaires. Le SIMS utilisé est un
IMS300 fonctionnant avec un duoplasmatron à cathode chaude et un faisceau d'ions
primaires (ou de neutres) xénon.
Au cours de cette étude, une régulation en température a été mise au point.
Elle permet de contrôler la température de l'échantillon lors des analyses, sur une
plage comprise entre -196°C et +500°C. L'étude de multicouches de
niobium/aluminium et de structures laser d'AlGaAs, à basse température, a permis
d'observer une nette amélioration de la résolution en profondeur. Une comparaison
systématique des vitesses de pulvérisation a fait apparaître que le facteur
responsable de cette amélioration était le temps d'analyse, mettant ainsi en évidence
les phénomènes de diffusion assistée par l'irradiation.
Un modèle a donc été développé autour de cette hypothèse pour rendre
compte de la diffusion et a abouti à la simulation d'analyses SIMS pour des
composés d'AlGaAs. La simulation donne des résultats, directement comparables à
ceux de l'analyse. Elle a permis de montrer, par comparaison de profils simulés et
expérimentaux, que le phénomène prépondérant, responsable de la dégradation de
profils sous faisceaux de faible énergie, est bien la diffusion assistée par
l'irradiation. La simulation a pour autre avantage, de retourner les dimensions
exactes de la structure de l'échantillon telles qu'elles étaient avant l'irradiation.
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Abstract
This work suggests, within the interface study in SIMS analysis (Secondary
Ions Mass Spectrometry), an approach based on the observation of diffusion under
irradiation of primary ion beam. The SIMS system used is an IMS300 working with
a duoplasmatron with a hot cathode and a primary ion beam (or neutrals) xenon.
During this study, a regulation in temperature has been carried out. It allows
the control of the temperature of the sample, during some analyses, on a range
between -196°C and +500°C. The study of niobium/aluminium multilayers and
laser structures of AlGaAs, at low temperature, allows us to observe a clear
improvement of the depth resolution. A complete comparison of the pulverisation
speeds reveals that the factor responsible for this improvement is the time analysis,
highlighting the phenomena of the diffusion under irradiation.
A model has been developed around this hypothesis to summarize the
diffusion under irradiation and this led to a SIMS analyses simulation of AlGaAs
compounds. The results provided by the simulation are comparable to those of the
analysis. By comparing simulated and experimental profiles, it is evident that the
leading phenomenon, responsible for the degradation of profiles under low energy
beams, is indeed diffusion under irradiation. The other advantage of the simulation
is that the exact dimensions of the sample structure as they were given initially
before irradiation can be retrieved.
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