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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.

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1 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 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

2 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Profilage par résonance étroite nucléaire 18 O(p,  ) 15 N resonance at 151 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

3 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Une vraie courbe d'excitation Depth (nm) 18 O concentration (1=Si 18 O 2 ) (p,  ) 15 N E R = 151 keV,  =100eV Croissance de SiO 2 sur SiC par oxydation thermique R 100 ~20nm

4 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Quelques isotopes avec résonances exploitables 13 C(p,  )Croissance de  -C:H 15 N(p,  ) Nitruration, diélectriques 18 O(p,  ) Corrosion, passivation, microélectronique, géologie 19 F(p,  ) Tissus calcifiés 20 Ne(p,  ) Études fondamentales 23 Na(p,  ) Corrosion de verres 24,26 Mg(p,  ) Géologie, corrosion 27 Al(p,  ) Microéléctronique, géologie 29,30 Si(p,  ) Microéléctronique, géologie 48 Ti(p,  ) Couches barrières 52 Cr(p,  ) Corrosion, usure des aciers inox

5 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Résolution en profondeur Pour protons en SiO 2

6 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Principe de traçage isotopique SiliconSi 16 O 2 Silicon Si 16 O 2 Si 18 O 2 •Comment bougent les atomes? •Quelles sont les espèces mobiles? 16 O 2 then 18 O 2 Si exchange growth SiO 2

7 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 16 O 2 then 18 O 2 Si exchange growth SiO Oxydation thermique de Si x(t) ~ kt (x << ) régime linéaire x(t) ~ k' (x >> ) régime parabolique Deal – Grove Transport interstitiel de l'espèce oxidante (molécule O 2 ?) sans réaction avec la matrice

8 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Profil superficiel I. Trimaille, thèse, GPS 18 O(p,  ) 15 N à 151 keV. Dans les toutes premières nm, nous distinguons entre des profils de forme rectangulaire et erfc, pour la même quantité totale de 18 O 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?

9 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Perte à l'interface SiO 2 /Si Après oxydation croisée 16 O 2 / 18 O 2, on fait une 3 ème oxydation en 16 O 2 SiO 2 Silicium COCO x O2O2 Par quel mécanisme peut cet oxygène quitter l'interface?

10 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Oxydation thermique de SiC

11 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 L'oxyde est stoichiométrique, l'interface abrupte Depth (nm) 18 O concentration (1=Si 18 O 2 ) (p,  ) 15 N E R = 151 keV,  =100eV Croissance de SiO 2 sur SiC par oxydation thermique R 100 ~20nm

12 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Controlé par l'interface ou le volume? 6H SiC-C Oxydé 45hr 100mb 1100°C Oxyde mincie chimiquement Les deux échantillons oxydés 2hr 18 O 2 Rigoureusement la même quantité d'oxygène fixé à l'interface indépendamment de l'épaisseur de l'oxyde 18 O(p,  ) 15 N 1370 Å 470 Å  Rôle de l'interface est dominant

13 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Pour le futur •Modification volontaire de l'interface SiO 2 /SiC –Recuits (oxygène, argon …) –Trempage –Oxy-nitruration – 17 O … • Traçage 29 Si (rôle de l'interstitiel de silicium)

14 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Un développement instrumental envisagé (RBS) Détecteur = 10 keV p-type silicon undepleted region depleted region deposited energy angle énergie MEIS Medium-Energy Ion Scattering Résolution typiquement ~ qqs nm Résolution bien sub nano-métrique, voir atomique, possible

15 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 La 2 O 3 (high k) déposé sur Si, puis oxydé : réaction chimique … IBM Research MEIS

16 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 MEIS La 2 O 3 (high k) déposé sur Si, puis oxydé : réaction chimique … RBS relativement classique 200keV 4 He + dét. 15keV M edium E nergy I on S cattering (piqué de M. Copel et al, IBM Almaden)

17 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 An excitation curve 18 O(p,  ) 151 keV  =100 eV Corresponding excitation curve N(E) Concentration profile C(x) G(E)beam + Doppler energy spread W(E)resonance lineshape T(E)beam energy straggling S ‘ straggling ’ of C(x)

18 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Charged particle energy loss E inc xx The charged particles lose their energy in independant collisions with electrons EE f(u) Energy loss u Collisions with target electrons * * protons

19 Groupe de Physique des Solides CNRS et Universités de Paris 6 et 7 Straggling * * * * On average, m energy-loss events per unit lrngth f(u) For thickness x mx events on average g(u;x)g(u;x) 0 u •g(u;x) tends towards a Gaussianfor large x f(u)*f(u)


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