Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Traçage isotopique à l'aide de 18 O et profilage par résonance étroites nucléaires Application

Groupe de Physique des SolidesCNRS et Universités de Paris 6 et 7

Traçage isotopique à l'aide de 18O et profilage par résonance étroites

nucléaires

Application à l'étude des mécanismes de croissances d'oxydes thermiques sur sémi-conducteurs.

présenté par

I. C. Vickridge

G Amsel, J. Siejka, S. Rigo, J.-J. Ganem, I. Trimaille, I. Baumvol, F. Stedile, T. Alermark


Profilage par résonance étroite nucléaire

153 152 151 150 149

FWHM ~ 100 eV

The resonance occurs at depth x in the sample

The resonance samples

the 18

O at depth x = E/dEdx

energy loss E

in the sample

energyEr + E

Beam

Sample

average beam energy in sample (keV)

18O(p,)15N resonance at 151 keV.

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

150°lab

Q=3.98 MeV

18O(p,a0)15N

(m

b sr

-1)

Energie (keV)

On calcul des courbes d'excitation pour profils quelconques dans le cadre d'une théorie stochastique de la perte d'énergie.

En balayant l'énergie du faisceau incident, on balade la résonance à l'intérieure de l'échantillon


Une vraie courbe d'excitation

150 152 154 156 158 160 162 164 1660.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4 Ultra-dry oxidation of 6H SiC1100°C, 100mb, 45hr

Y

rela

tiv

e t

o Y (p

ure

Si

18 O

2)

Beam energy (keV)

Carbon face Silicon face

50 1000Depth (nm)

1 8O

con

cent

r ati

on (

1=S

i1 8O

2)

1

180(p,)15NER = 151 keV, =100eV

Croissance de SiO2 sur SiC par oxydation thermique

R100~20nm


Quelques isotopes avec résonances exploitables13C(p,) Croissance de -C:H

15N(p,) Nitruration, diélectriques

18O(p,) Corrosion, passivation, microélectronique, géologie

19F(p,) Tissus calcifiés

20Ne(p,) Études fondamentales

23Na(p,) Corrosion de verres

24,26Mg(p,) Géologie, corrosion

27Al(p,) Microéléctronique, géologie

29,30Si(p,) Microéléctronique, géologie

48Ti(p,) Couches barrières

52Cr(p,) Corrosion, usure des aciers inox


Résolution en profondeur

Energie(keV)

Largeur(eV)

dEdx(keV/mg/cm2)

R0

(Å)R1000

(Å)R2000

(Å)152 100 549 15 214 302

429 105 334 30 348 492

629 2100 304 330 400 566

1169 50 197 30 642 908

Pour protons en SiO2


Principe de traçage isotopique

SiliconSi16O2

Silicon

SiliconSi16O2 Si18O2

• Comment bougent les atomes?• Quelles sont les espèces mobiles?

16O2 then 18O2 Siexchange growth

SiO2

150 155 160 165 170 175 1800

200

400

600

800


16O2 then 18O2 Siexchange growth

SiO2

150 155 160 165 170 175 1800

200

400

600

800

Oxydation thermique de Si

x(t) ~ kt (x << ) régime linéaire

x(t) ~ k' (x >> ) régime parabolique

Dt

Dt

Deal – GroveTransport interstitiel de l'espèce oxidante (molécule O2?)

sans réaction avec la matrice


Profil superficiel

I. Trimaille, thèse, GPS

18O(p,)15N à 151 keV.

Dans les toutes premières nm, nous distinguons entre des profils de forme rectangulaire et erfc, pour la même quantité totale de 18O et la même concentration en surface.

Un facteur 3 de résolution en surface est envisageable en géométrie inclinée

Pic de surface : transport de Si ou échange d'oxygène?


Perte à l'interface SiO2/SiAprès oxydation croisée 16O2/18O2, on fait une 3ème oxydation en 16O2

SiO2 Silicium

CO

x

O2

Par quel mécanisme peut cet oxygène quitter l'interface?


150 155 160 165 170 175 1800

50

100

150

200

250

300(a)

6H SiC-Si1100°C 100 mb

40hr 16O2/5hr 18O

2

Y (E

p)

Ep (keV)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

SiO2/SiC interface

[18O

] (%

)

Depth (nm)

150 155 160 165 170 175 1800

50

100

150

200

250

300

6H SiC-C1100°C 100 mb

40hr 16O2/5hr 18O

2

Y (E

p)

Ep (keV)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

SiO2/SiC interface

[18O

] (%

)

Depth (nm)

Oxydation thermique de SiC

" Face Silicium"6HSiC- Si

(0001)

Silicium

b

c

a

Carbone "Face Carbone"6HSiC- C

(0001)

0 10 20 30 40 500

40

80

120

160

200

Oxidation in ultra-dry O2

1100°C, 100mb

Si(100) SiC-C SiC-Si Deal-Grove fits

Equ

ival

ent

SiO

2 thi

ckne

ss (

nm)

Oxidation time (hr)


L'oxyde est stoichiométrique, l'interface abrupte

150 152 154 156 158 160 162 164 1660.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4 Ultra-dry oxidation of 6H SiC1100°C, 100mb, 45hr

Y

rela

tiv

e t

o Y (p

ure

Si

18 O

2)

Beam energy (keV)

Carbon face Silicon face

50 1000Depth (nm)

1 8O

con

cent

r ati

on (

1=S

i1 8O

2)

1

180(p,)15NER = 151 keV, =100eV

Croissance de SiO2 sur SiC par oxydation thermique

R100~20nm


Controlé par l'interface ou le volume?

150 155 160 165 1700

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Co

ups

Energie (keV)

6H SiC-COxydé 45hr 100mb 1100°COxyde mincie chimiquement

Les deux échantillons oxydés 2hr 18O2

Rigoureusement la même quantité d'oxygène fixé à l'interface indépendamment de l'épaisseur de l'oxyde

18O(p,)15N

1370 Å

470 Å

Rôle de l'interface est dominant


Pour le futur

• Modification volontaire de l'interface SiO2/SiC

– Recuits (oxygène, argon …)– Trempage– Oxy-nitruration– 17O …

• Traçage 29Si (rôle de l'interstitiel de silicium)


Un développement instrumental envisagé (RBS)

Détecteur = 10 keV

p-type silicon

undepletedregion

depletedregion

deposited energy

angle énergie

MEIS

Medium-Energy Ion Scattering

310E

E

Résolution typiquement ~ qqs nm Résolution bien sub nano-métrique, voir atomique, possible


La2O3 (high k) déposé sur Si, puis oxydé : réaction chimique …

IBM Research

MEIS


MEIS

120 140 160 180 200 2200

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

4000000

Cou

ps

Energie (keV)

simulated O Si La

La2O3 (high k) déposé sur Si, puis oxydé : réaction chimique …

RBS relativement classique200keV 4He+ dét. 15keV

Medium Energy Ion Scattering

(piqué de M. Copel et al, IBM Almaden)


An excitation curve

149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 1620.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Rendem

ent

Energie du faisceau (keV)

18O(p,) 151 keV =100 eV

Corresponding excitation curve N(E)

Concentration profile C(x)

)()(

)(*)(*)(*)()(

*

0

ufkxCS

xCSETEWEGEN

nn

n

n

G(E) beam + Doppler energy spreadW(E) resonance lineshapeT(E) beam energy stragglingS<C(x)>‘ straggling ’ of C(x)


Charged particle energy loss

Einc x

The charged particles lose their energy in independant collisions with electrons

x 0The stopping power dE/dx Lim

E

x

x

A

ZSuf

2)(

by defined is Sconstant straggling The

Ef(u)

Energy loss u

Collisions with target electrons

* * * *protons


Straggling

* * * *

!

)()(

)()();( *

0

n

mxemxP

ufmxPxug

nmx

n

nn

nn

On average, m energy-loss events per unit lrngth

f(u) f(u) f(u) f(u)

For thickness xmx events on average

g(u;x)

0 u

• g(u;x) tends towards a Gaussianfor large x

f(u)*f(u)

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