Second harmonic generation (SHG) for contactless characterization of dielectric-semiconductor interfaces
Génération de seconde harmonique (SHG) pour la caractérisation des interfaces entre diélectriques et semiconducteurs
Résumé
This PhD work was developed in the context of research for novel characterization methods for ultra-thin dielectric films on semiconductors and their interfacial quality. Second harmonic generation (SHG) is a very promising non-invasive technique based on nonlinear optics. A laser emitting at the fundamental frequency is incident upon the sample which responds through its 2nd order polarization, generating a signal at twice the fundamental frequency. For centrosymmetric materials such as c-Si, amorphous SiO2 or Al2O3, the SHG signal is mainly due to the defects and to the static electric field Edc present at the interface (due to pre-existing charges Qox and/or photo-injected charge trapping/detrapping at interface traps Dit). Thus, SHG measurement gives access to the quality of dielectric/semiconductor interfaces. Nevertheless, the SHG signal is also dependent on multilayer optical propagation phenomena. For this reason, we have developed a simulation program which accounts for the optical phenomena and the static electric fields at the interfaces. We have used SHG to monitor the passivation quality of Al2O3/Si structures prepared with different processes and showed a correlation between SHG and minority carrier lifetime measurements. Qox and Dit were extracted from capacitance-voltage measurements and helped calculating the Edc values. The optical simulation, fed with known Edc values reproduced the experimental SHG data in these structures. The SHG was also used for Silicon-on-Insulator (SOI) substrates characterization. In thick SOI structures, both simulations and experimental results show that the SHG response is mainly given by optical interferences (Edc has no impact). In ultrathin SOI, the interfaces are electrically coupled and Edc is needed as input in the simulation in order to reproduce the experimental SHG data. This implies that in ultrathin SOI, SHG can access the interface electric fields in a non-destructive way.
Cette thèse s’intéresse à une technique de caractérisation particulièrement bien adaptée à l’étude de couches diélectriques ultra-minces sur semiconducteurs. La génération de seconde harmonique (SHG) est une méthode très prometteuse, basée sur l’optique non-linéaire. Un laser est focalisé sur l'échantillon à caractériser et le signal à deux fois la fréquence fondamentale est mesuré. Pour les matériaux centrosymétriques comme c-Si, SiO2 et Al2O3, le signal SHG est dû aux défauts et au champ électrique Edc d’interface (induit par les charges préexistantes Qox et/ou piégées au niveau des pièges d’interface Dit). La SHG donne ainsi accès à la qualité des interfaces entre diélectriques/semiconducteurs. Néanmoins, le signal SHG dépend aussi des phénomènes de propagation optique dans les structures multicouches. Pour cette raison, nous avons développé un programme de simulation qui prend en compte les phénomènes optiques et les champs électriques statiques aux interfaces. Nous avons utilisé la SHG pour analyser la qualité de passivation de structures Al2O3/Si préparées avec des procédés différents et nous avons montré une corrélation entre SHG et mesure de durée de vie des porteurs de charges. Les valeurs de Qox et Dit ont été extraites par des mesures de capacité-tension et elles ont permis de calculer le champ Edc. La simulation optique, avec les valeurs extraites de Edc a permis de reproduire les données expérimentales de SHG dans ces structures. La SHG a été utilisée également pour la caractérisation des substrats Silicium-sur-Isolant (SOI). Pour les structures SOI épaisses, la simulation et les résultats expérimentaux ont montré que la réponse SHG est dominée par les interférences optiques (faible impact de Edc). Pour les structures SOI ultraminces, les interfaces sont couplées électriquement et des valeurs de Edc sont nécessaires pour reproduire les données expérimentales par simulation. Cela implique que pour les SOI ultraminces, la SHG pourrait donner accès aux champs électriques au niveau des interfaces d’une manière non-destructive.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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