Chap. II

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Chap. II : METHODES DE CARACTERISATION
I. INTRODUCTION.........................................................................................................................................................33
II. CARACTÉRISATIONS PHYSIQUES ......................................................................................................................33
II.1. ELLIPSOMÉTRIE MONO-LONGUEUR D’ONDE.................................................................................................33
II.1.a. Définition des paramètres ellipsométriques............................................................................................33
II.1.b. Cas d’une structure multicouche...............................................................................................................35
II.1.c. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................36
II.2. SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION INFRAROUGE.............................................................................................37
II.2.a. Principe de la méthode................................................................................................................................37
II.2.b. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................38
II.3. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE D’IONS SECONDAIRES (SIMS)..................................................................40
II.3.a. Principe de la spectroscopie d’ions secondaires...................................................................................40
II.3.b. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................41
II.4. ANALYSE PAR FAISCEAU D’IONS.....................................................................................................................42
II.4.a. La spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford (RBS)...........................................................................42
II.4.b. Analyse par réaction nucléaire (NRA).....................................................................................................44
II.5. LES RAYONS X RASANTS....................................................................................................................................45
II.5.a. L’indice optique pour la longueur d’onde des rayons X......................................................................45
II.5.b. Le principe des rayons X rasants...............................................................................................................46
II.5.c. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................49
II.6. CARACTÉRISATION PAR PROCÉDÉS THERMIQUEMENT STIMULÉS...........................................................51
II.6.a. Le principe des méthodes............................................................................................................................51
II.6.b. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................52
II.7. MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE................................................................................................................53
II.7.a. Le principe.....................................................................................................................................................53
II.7.b. Le dispositif expérimental...........................................................................................................................54
III. CARACTÉRISATIONS ELECTRIQUES .................................................................................................................56
III.1. LES CARACTÉRISTIQUES CAPACITÉ-TENSION...............................................................................................56
III.2. LES CARACTÉRISTIQUES COURANT-TENSION...............................................................................................60

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IV. CONCLUSION..............................................................................................................................................................62

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I. INTRODUCTION
Dans ce chapitre, nous allons faire un bref descriptif des différents outils de caractérisation
utilisés au cours de cette étude. Cette partie n’a pas pour objectif de détailler les aspects théoriques
de chaque méthode, mais seulement d’en rappeler le principe, la mise en œuvre et les principaux
renseignements que l’on peut obtenir. Ces rappels ont été faits dans un chapitre à part dans le but de
faciliter la lecture des chapitres concernant les résultats expérimentaux.
Dans un premier temps, nous présenterons les méthodes de caractérisation physiques
(ellipsométrie mono-longueur d’onde, spectroscopie d’absorption infrarouge, spectroscopie d’ions
secondaires, analyse par faisceau d’ions, rayons X rasants, procédés thermiquement stimulés et
microscopie à force atomique). Puis nous aborderons, dans une deuxième partie de chapitre, les
caractérisations électriques (mesures de capacité et de courant).
II. CARACTERISATIONS PHYSIQUES
II.1. Ellipsométrie mono-longueur d’onde
L’ellipsométrie est une méthode de caractérisation optique, non destructive et sans contact.
Elle est basée sur le fait que l’état de polarisation d’une onde électromagnétique monochromatique
change lorsque celle-ci est réfléchie sous incidence non normale. Cette modification de la polarisation
lumineuse peut être caractérisée par une amplitude et une phase. Chaque mesure fournit donc deux
paramètres (contre un seul en réflectométrie) [MARTINET-95, RIEDLING-88].
II.1.a. Définition des paramètres ellipsométriques
Considérons une interface plane séparant deux milieux d’indices optiques complexes N
1
(n1+ik1) et N2 (n2+ik2). Soit Φ1 l’angle d’incidence de l’onde électromagnétique et Φ2 l’angle de
réfraction sous lequel se propage l’onde transmise.

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N1
N2n
E+1s
E+1p
Φ1
Φ2E+2p
E+2s
E-1p
E-1s
Figure II.1 : réflexion et transmission à l’interface entre deux milieux homogènes d’indices
différents (figure dans le plan d’incidence).
On se place dans le cas où les deux milieux sont isotropes, homogènes, transparents et semi-
finis. Le plan d’incidence est défini par la normale à l’interface et le vecteur de l’onde incidente (voir
Figure II.1).
La relation entre les angles Φ1 et Φ2 est donnée par la loi de Snell-Descartes :
Eq. II.1 : )sin()sin( 2211 Φ=ΦNN
Par ailleurs, les équations de Fresnel traduisent la continuité de la composante tangentielle du champ
électrique à l’interface :
Eq. II.2 : )cos()cos( )cos()cos(
2112
2112
1
1
12 Φ+ΦΦ−Φ
== +
−
NN NN E
E
r
p
p
p
Eq. II.3 : )cos()cos( )cos()cos(
2211
2211
1
1
12 Φ+ΦΦ−Φ
== +
−
NN NN E
E
r
s
s
s
où les indices p et s désignent respectivement les composantes parallèle et perpendiculaire au plan
d’incidence.
Les coefficients de réflexion sont des nombres complexes que l’on peut écrire sous la forme :

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Eq. II.4 : )exp(
1212 ppp irr δ=
Eq. II.5 : )exp(
1212 sss irr δ=
Soit ρ le rapport suivant :
Eq. II.6 : )exp(tan
12
12 ∆⋅Ψ== i
r
r
s
p
ρalors
Eq. II.7 : s
p
r
r
12
12
tan =Ψet spδδ −=∆
Ψ et ∆ sont les deux paramètres ellipsométriques. En considérant les relations Eq. II.1, Eq. II.2, Eq.
II.3, et en inversant Eq. II.6, on obtient l’égalité suivante :
Eq. II.8 : 1
2
2
1
1
2tan
1
1
1sin Φ
+
−
+Φ=ρ
ρ
N
N
Ainsi, lorsque l’on connaît l’indice N1 et l’angle d’incidence Φ1, il est possible de déterminer l’indice
N2.
II.1.b. Cas d’une structure multicouche
Lorsque le système comprend plusieurs couches, il est impossible de remonter directement
aux propriétés d’une couche particulière (indices optiques, rugosité de surface ou d’interface). En
fait, l’ellipsométrie ne donne que des informations indirectes : il faut faire l’hypothèse d’une structure,
en calculer la réponse, puis la comparer aux mesures.
On utilise donc un modèle multicouche [MARTINET-95], pour lequel on définit l’épaisseur, la
structure, et la composition des différentes couches. Certains de ces paramètres sont ajustés
itérativement, afin d’obtenir un écart quadratique minimum entre les courbes mesurée et calculée.
Ceci constitue le principal inconvénient de cette méthode : il faut définir un modèle. Il convient donc
de faire très attention aux hypothèses (sur la structure en autres) ainsi introduites.