The performance of devices such as MOSFETs, image sensors, photovoltaic cells is dramatically influenced by the quality of interfaces, in particular between dielectrics and silicon. Passivation of Si using high-k dielectrics is known to improve the electrical properties of these interfaces. Among the methods used to characterize passivation, the second harmonic generation (SHG) is a promising sensitive and non-destructive technique based on the nonlinear optics. In the dipole approximation, the bulk SHG response is zero in centrosymmetric materials (e.g. Si, Al2O3, SiO2, etc.), therefore the SHG response mainly contains interface-related information, where the symmetry is broken. Additionally, when an electric field (EDC) exists at the interface, the signal is reinforced by the so-called EFISH (electric field induced SHG). Since the interface electric field is related to fixed oxide charges (Qox) and/or interface states (Dit), the SHG technique is sensitive to these electrical parameters. The aim of this thesis is to calibrate the SHG response for EDC measurement, particularly associated with Qox in the dielectrics. Extracting electrical-related information from SHG experimental data necessitates taking into account the influence of optical phenomena (absorption, interferences, etc.), which was achieved thanks to modeling/simulation of the nonlinear second harmonic response. Our simulation program is based on theoretical models from the literature that we adapted for multilayers. The experiments were performed on several Al2O3 layers on Si (100), deposited in different conditions and that exhibit very different interface quality. Complementary electrical techniques, such as corona oxide characterization of semiconductor (COCOS) and capacity-voltage measurements (C-V), gave access to the electrical field of the samples and complete the SHG results for the calibration. Both experiments and simulations prove the possibility of calibration for monolayers of dielectric on Si. Some challenges related to the characterization of multilayers such as silicon on insulator (SOI) are also discussed, in particular the influence of the layer thicknesses and of the electric fields of various nonlinear interfaces on the SHG response.

Résumé :

Les performances des dispositifs tels que les MOSFET, les photodétecteurs, les cellules photovoltaïques sont fortement influencée par la qualité des interfaces, en particulier entre les diélectriques et le silicium. La passivation de Si par des diélectriques à forte permittivité (high-k) est connue pour améliorer les propriétés électriques de ces interfaces. Parmi les méthodes utilisées pour caractériser la qualité des interfaces, la génération de seconde harmonique (SHG) est une technique sensible et non destructive prometteuse basée sur l’optique non linéaire. Dans l’approximation dipolaire, la réponse SHG dans les matériaux centrosymétriques (par exemple Si, Al2O3, SiO2, etc.) est nulle. Par conséquent, la réponse SHG contient principalement des informations liées aux interfaces, où la symétrie est brisée. De plus, le signal est renforcé en présence d’un champ électrique (EDC) à l’interface, phénomène appelé EFISH (Electric Field Induced SHG). Comme le champ électrique d’interface est associé aux charges fixes dans l’oxyde (Qox) et/ou aux états d’interface (Dit) entre oxyde et semiconducteur, la technique SHG est donc sensible à ces paramètres électriques. L’objectif de cette thèse est de calibrer la réponse SHG pour la mesure du champ électrique lié aux charges fixes dans les diélectriques. L’extraction d’informations électriques à partir de données expérimentales SHG nécessite la prise en compte de l’influence des phénomènes optiques (absorption, interférences, etc.), ce qui a été réalisé grâce à la modélisation/simulation de la réponse à la seconde harmonique des structures étudiées. Notre programme de simulation est basé sur des modèles théoriques de la littérature que nous avons adaptés pour les multicouches. Les expériences ont été réalisées sur plusieurs couches d’Al2O3 sur Si (100), déposées dans des conditions variables et qui présentent des qualités d’interface très différentes. Des techniques électriques complémentaires, telles que la caractérisation par charge corona (COCOS) et les mesures capacité-tension (C-V), ont permis d’accéder au champ électrique des échantillons et de compléter les résultats SHG pour la calibration. Les expériences et les simulations prouvent la possibilité de calibration pour des monocouches de diélectriques sur Si. Quelques éléments d’étude liés à la caractérisation des multicouches tels que la structure SOI (Silicon On Insulator) sont également discutés, en particulier l’influence sur la réponse SHG de l’épaisseur des couches ou encore des champs électriques présents aux diverses interfaces.

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