Développement de l’imagerie 3D haute résolution par ToF-SIMS et AFM de dispositifs avancés

Development of 3D high-resolution imaging of complex devices by the correlation of ToF-SIMS and AFM

• Auteur / Autrice : Maiglid Andreina Moreno Villavicencio
• Direction : Brice Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologies
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Didier Leonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brice Gautier, Didier Leonard, Thierry Conard, Anouk Galtayries, Sarah Fearns, Nathalie Valle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Thierry Conard, Anouk Galtayries

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle haute résolution

Nanotechnologie

Nanoélectronique

Mots clés libres

Electronique des micro-Ondes

AFM - Atomic force microscopy

ToF-SIMS

Caractérisation chimique

Caractérisation 3D

Piezoresponse Force Microscopy - PFM

Scanning capacitance Microscopy - SCM

Scanning spreading resistance microscopy

Electronique des micro-Ondes

Reconstruction 3D

Visualisation 3D

Cartographie des vitesses de pulvérisation

Imagerie 3D

Electronic Engineering

AFM - Atomic force microscopy

ToF-SIMS

Chemical Characterization

3D Characterization

PFM - Piezoresponse Force Microscopy

SCM - Scanning Capacitance Microscopy

Microwave Electronics

3D Reconstruction

3D visualization

Sputter rate map

3D Imaging

Résumé

La miniaturisation continue et la complexité des dispositifs poussent les techniques existantes de nano-caractérisation à leurs limites. De ce fait, la combinaison de ces techniques apparait être une solution attrayante pour continuer à fournir une caractérisation précise et exacte. Dans le but de dépasser les verrous existants pour l’imagerie chimique 3D haute résolution à l’échelle nanométrique, nous avons concentré nos recherches sur la création d’un protocole combinant la spectrométrie de masse à ions secondaires de temps de vol (ToF-SIMS) avec la microscopie à force atomique (AFM). Ceci permet entre autre de corréler la composition et la visualisation en 3 dimensions avec des cartographies de topographie ou d’autres propriétés locales fournies par l’AFM. Trois principaux résultats sont obtenus grâce à cette méthodologie : la correction d’un ensemble de données ToF-SIMS pour une visualisation 3D sans artefacts, la cartographie du taux de pulvérisation locale permettant de mettre en évidence les effets liés à la rugosité et la présence d’interfaces verticales et la superposition des informations avancées ToF-SIMS et AFM. Quatre applications de la méthodologie combinée ToF-SIMS et AFM sont abordées dans cette thèse. La procédure de correction des données ToF-SIMS en 3D a été appliquée sur une structure hétérogène GaAs / SiO2. Les artefacts liés à la pulvérisation, notamment l’effet d’ombrage, ont été étudiés par le biais des cartographies de taux de pulvérisation sur des échantillons avec nano-motifs structurés et non structuré. Enfin, nous avons exploré la combinaison de l’analyse ToF-SIMS avec trois modes avancées de microscopie AFM : piézoélectrique (PFM), capacité (SCM) et conducteur (SSRM). Une première étude a notamment permis d’observer l’évolution et la modification chimique suite à l’application d’une contrainte électrique sur deux film mince piézoélectriques. Une deuxième étude s’est focalisée sur l’impact de l’implantation Ga lors de la préparation d’échantillons par FIB pour voir comment limiter l’effet de l’amorphisation sur la mesure électrique. Les aspects techniques de la méthodologie seront abordés pour chacune de ces applications et les perspectives de cette combinaison seront discutés.

The continuous miniaturization and complexity of devices have pushed existing nano-characterization techniques to their limits. The correlation of techniques has then become an attractive solution to keep providing precise and accurate characterization. With the aim of overcoming the existing barriers for the 3D high-resolution imaging at the nanoscale, we have focused our research on creating a protocol to combine time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) with atomic force microscopy (AFM). This combination permits the correlation of the composition in 3-dimensions with the maps of topography and other local properties provided by the AFM. Three main results are achieved through this methodology: a topography-corrected 3D ToF-SIMS data set, maps of local sputter rate where the effect of roughness and vertical interfaces are seen and overlays of the ToF-SIMS and AFM advanced information. The application fields of the ToF-SIMS and AFM combined methodology can be larger than expected. Indeed, four different applications are discussed in this thesis. The procedure to obtain the topography-corrected 3D data sets was applied on a GaAs / SiO2 patterned structure whose initial topography and composition with materials of different sputter rates create a distortion in the classical 3D chemical visualization. The protocol to generate sputter rate maps was used on samples with structured and non-structured nano-areas in order to study the possible ToF-SIMS sputtering artefacts, especially the geometric shadowing effect. Finally, we have explored the combination of ToF-SIMS analysis with three AFM advanced modes: piezoresponse force microcopy (PFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM). Specifically, two main applications were studied: the chemical modification during electrical stress of a piezoelectic thin film and the recovery of initial electrical characteristics of a sample subjected to Ga implantation during FIB preparation. Technical aspects of the methodology will be discussed for each application and the perspectives of this combination will be given.