Soutenance de thèse de Jean ALMORIC

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : INSTRUMENTATION
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Spectrométrie de masse des ions secondaires,Temps de vol orthogonal,Faisceau d'ions focalisés,Caractérisation 3D nanométrique,Nano matériaux,
Keywords
Secondary ion mass spectrometer,Orthogonal time of flight,Focused ion beam,Nanometric 3D characterization,Nano materials,
Titre de thèse
Développement d’un nouvel instrument couplant FIB/SEM UHV et OTOF-SIMS à haute résolution spatiale pour la microélectronique et ses applications.
Development of a new instrument coupling FIB/SEM UHV with OTOF-SIMS at high spatial resolution for microelectronic applications.
Date
Mercredi 22 Septembre 2021 à 16:00
Adresse
95 avenue des Monts Auréliens ZA Saint Charles - F - 13710 Fuveau
SAY 32
Jury
Directeur de these Mme Isabelle BERBEZIER Institut des Matériaux de Microélectronique et Nanoscience de Provence (IM2NP CNRS UMR 7334)
Rapporteur M. Alain BRUNELLE Laboratoire d'archéologie moléculaire et structurale (LAMS UMR 8220)
Rapporteur M. Jean-Paul BARNES MINATEC - CEA Grenoble
Examinateur Mme Nathalie BOZZOLO Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF CNRS UMR 7635)
Examinateur M. Serge DELLA NEGRA Institut de Physique Nucléaire Orsay (IPNO UMR 8608)
Examinateur M. Antoine RONDA Institut des Matériaux de Microélectronique et Nanoscience de Provence (IM2NP CNRS UMR 7334)
Examinateur M. Arnaud HOUEL Société Orsay Physics

Résumé de la thèse

La spectrométrie de masse d’ion secondaire (SIMS) est probablement la technique d'analyse chimique la plus largement utilisée en science des semi-conducteurs et en métallurgie en raison de sa sensibilité ultime à tous les éléments. En particulier aux éléments légers, par exemple, les éléments dopants (ex : B et H), les contaminants (ex : C et O), fournissant des informations semi-quantitatives sur la distribution en profondeur de ces éléments, les gradients chimiques et la ségrégation dans les films minces et aux interfaces. Avec la réduction de la taille des systèmes, l'imagerie chimique 3D haute résolution est devenue une condition requise pour le développement de nouveaux matériaux et la compréhension approfondie de la corrélation entre leurs propriétés structurales et leurs fonctionnalités. La majorité du travail de cette thèse a été consacrée au développement et à l’optimisation d’un SIMS par temps de vol orthogonal implémenté dans une station de travail possédant une colonne de faisceau d’ion focalisé haute résolution et un microscope électronique à balayage. Nous avons fait le choix d’utiliser du gallium comme ions primaires pour l’analyse SIMS afin d’obtenir une très haute résolution latérale requise dans de nombreuses applications de la microélectronique et de la métallurgie. Pour pallier au faible taux d’ionisation secondaire induit par le gallium, nous avons développé et implémenté un système d’injection de gaz d’oxygène et de césium. Ainsi, nous avons obtenus une amélioration significative de l’ionisation secondaire positive grâce à l’oxygène et de l’ionisation secondaire négative grâce au césium, jusqu’à plusieurs décades de gain (jusqu’à ̴ 100 en positif et >100 en négatif, très dépendant de l’élément). La compensation de charge pour les échantillons partiellement ou complètement isolants s’est avérée essentielle pour l’imagerie en ions secondaires et s’est traduite par le développement d’une stratégie d’injection d’électrons de faible énergie à la surface des échantillons durant l’analyse. Nous avons travaillé sur chaque sous partie de notre instrument dans le but d’améliorer la résolution en masse, la résolution spatiale, la détection limite ainsi que la reproductibilité de notre système. Une résolution latérale d’environ 25nm et une résolution en masse ̴ 4500 sur le pic de l'isotope 28 du silicium ont été démontrées sur des superalliages à base nickel, dans lesquels des précipités de taille ̴ 25nm ont été détectés et imagés. La corrélation SEM/SIMS nous a permis de localiser les analyses SIMS sur des zones d’intérêts sub-micrométriques, comme des ségrégations aux joints de grains. De plus, un protocole semi-quantitatif a été mis en place pour caractériser les différentes phases chimiques présentes dans ces superalliages, dont la fiabilité et la reproductibilité ont été testées. Nous avons par la suite utilisé notre instrument pour des études systématiques sur des technologies GST (germanium, antimoine et tellure) utilisées pour la fabrication de mémoire à changement de phase de dernière génération. Des protocoles d’analyses semi-quantitatifs de profil en profondeur et d’imagerie SIMS 2D de cross section ont été mis en œuvre afin de comprendre l’évolution des couches de GST sous contraintes thermiques.

Thesis resume

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is probably the most widely used chemical analysis technique in semiconductor science and metallurgy due to its ultimate sensitivity to all elements. In particular to light elements, for example, doping elements (ex: B and H), contaminants (ex: C and O), proposed semi-quantitative information on the in-depth distribution of these elements, chemical gradients and segregation in thin films and at interfaces. With the downsizing of systems, high resolution 3D chemical imaging has become a requirement for the development of new materials and the deep understanding of the correlation between their structural properties and functionality. The majority of the work of this thesis was devoted to the development and optimization of an orthogonal time-of-flight SIMS implemented in a workstation having a high resolution focused ion beam column and a scanning electron microscope. We have made the choice to use gallium as primary ions for the SIMS analysis in order to obtain a very high lateral resolution required in many applications of microelectronics and metallurgy. To compensate for the low secondary ionization rate induced by gallium, we have developed and implemented an oxygen and cesium gas injection system. Thus, we obtained a significant improvement in positive secondary ionization thanks to oxygen and negative secondary ionization thanks to cesium, up to several decades of gain (up to ̴ 100 in positive and >100 in negative, very dependent on the element). Charge compensation for partially or fully insulating samples has been shown to be essential for secondary ion imaging and has resulted in the development of a strategy for injecting low energy electrons into the surface of the samples during analysis. We have worked on each sub-part of our instrument in order to improve the mass resolution, the spatial resolution, the limited detection as well as the reproducibility of our system. A lateral resolution of about 25nm and a mass resolution of ̴ 4500 on the peak of the 28 isotope of silicon have been demonstrated on nickel-based superalloys, in which the size ̴ 25nm has been detected and imaged. The SEM / SIMS correlation allowed us to locate the SIMS analyzes on sub-micrometric areas of interest, such as segregations at grain boundaries. In addition, a semi-quantitative protocol has been set up to characterize the different phases present in these superalloys, the reliability and reproducibility of which have been tested. We then used our instrument for systematic studies on GST technologies (germanium, antimony and tellurium) used for the manufacture of last generation phase change memory. Semi-quantitative deep profile analysis and cross-section 2D SIMS imaging protocols were implemented in order to understand the evolution of GST layers under thermal stress.