Spectroscopies électroniques couplées pour l'analyse haute résolution d'agencements complexes de matériaux fonctionnels

Denne afhandling omhandler problemet med at probe dybt begravede grænseflader i multilags stacks, som bruges i teknologisk relevante devices, med en innovativ fotoemissions metode, der er baseret på Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) og analyse af den uelastiske baggrund. I afhandlingen er en numerisk procedure blevet implementeret til at kvantificere forskellen mellem en HAXPES målt uelastisk baggrund og en modelleret baggrund, som svarer til en given dybdefordeling af atomerne. Metoden muliggør, med en halv-automatisk procedure, at bestemme dybdefordelingen i store dybder. Metoden er først blevet testet ved at studere et ultra-tyndt lag af lanthan, som er begravet i en dybde > 50 nm i en high-k-metal-gate prøve. Indflydelsen af parametrene der ingår i analysen er blevet studeret for at opklare den primære betydning af det anvendte uelastiske spredningstværsnit. Kombinationen af HAXPES med analyse af den uelastiske baggrund og brug af den nye numeriske metode giver en hidtil uset probe-dybde, som giver mulighed for at probe den atomare sammens ætning i op til 65 nm dybde under overfladen og med høj følsomhed af et kun nm tykt lag. Dernæst er den uelastiske baggrundsanalyse blevet kombineret med højopløst core-level spektroskopi for at studere de aktive dele i en høj-elektronmobilitets transistor. De to analyser er komplementære, idet de henholdsvis bestemmer den atomare fordeling og atomernes kemiske bindingstilstand. Resultatet giver et fuldstændigt billede af atomernes omfordeling i prøven når denne opvarmes til forskellige temperaturer.This thesis tackles the challenge of probing in a non-destructive way deeply buried interfaces in multilayer stacks used in technologically-relevant devices with an innovative photoemission method based on Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) and inelastic background analysis. In this thesis, a numerical procedure has been implemented to quantify the matching between a HAXPES measured inelastic background and a simulated inelastic background that is representative of a given depth distribution of the chemical elements. The method allows retrieving depth distributions at large depths via a semi-automated procedure. First, this method has been tested by studying an ultra-thin layer of lanthanum buried at depth >50 nm in a high-k metal gate sample. The influence of the parameters involved in the analysis is studied unraveling the primary importance of the inelastic scattering cross section. The combination of HAXPES with inelastic background analysis using this novel method maximizes the probing depth to an unprecedented level, allowing to probe the sample up to 65 nm below the surface with a high sensitivity to a nm-thick layer. Second, the previously-checked inelastic background analysis is combined with that of high resolution core-level spectra in the case of the source part of a high electron mobility transistor. The two analyses are complementary as they allow retrieving the elemental depth distribution and the chemical state, respectively. The result gives a complete picture of the elemental intermixing within the sample when it is annealed at various temperatures.Ce travail de thèse est focalisé sur la détermination, de manière non-destructive, d'interfaces profondément enterrées dans des empilements multi-couches utilisés dans les conditions de technologie réelles au travers d'une méthode innovante basée sur la photoémission avec utilisation de rayons-x de haute énergie (HAXPES) et l'analyse du fond continu inélastique. Au cours de cette thèse, une procédure numérique a été développée pour quantifier la correspondance entre la mesure du fond continu faite par HAXPES et la simulation du fond continu représentative d'une distribution en profondeur donnée. Cette méthode permet de trouver la distribution en profondeur d'un élément grâce à une procédure semi automatisée. Dans un premier temps cette méthode a été testée en étudiant une couche ultra fine de lanthane enterrée à une profondeur >50 nm dans un dispositif de grille métallique high-k. L'influence des paramètres utilisés lors de l'analyse y est étudiée et révèle l'importance principale d'un paramètre en particulier, la section efficace de diffusion inélastique. La combinaison de mesures HAXPES avec l'analyse du fond continu inélastique utilisant cette nouvelle méthode permet d'augmenter la profondeur de sonde jusqu'à un niveau sans précédent. Ainsi l'échantillon peut être sondé jusqu'à 65 nm sous la surface avec une haute sensibilité à une couche nanométrique. Dans un second temps, la méthode précédemment validée d'analyse de fond continu inélastique est combinée avec une étude haute résolution des niveaux de cœur dans un échantillon servant de source dans un transistor à haute mobilité. Les deux analyses sont complémentaires puisqu'elles permettent d'obtenir la distribution en profondeur des éléments ainsi que leur environnement chimique. Le résultat donne une description complète des diffusions élémentaires dans l'échantillon suivant les différentes conditions de recuit