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

Profilage par résonance étroite nucléaire 18O(p,a)15N resonance at 151 keV. En balayant l'énergie du faisceau incident, on balade la résonance à l'intérieure de l'échantillon On calcul des courbes d'excitation pour profils quelconques dans le cadre d'une théorie stochastique de la perte d'énergie.

Une vraie courbe d'excitation 180(p,a)15N ER = 151 keV, G=100eV 1 18O concentration (1=Si18O2) 50 100 Depth (nm) R100~20nm Croissance de SiO2 sur SiC par oxydation thermique

Quelques isotopes avec résonances exploitables 13C(p,g) Croissance de a-C:H 15N(p,a) Nitruration, diélectriques 18O(p,a) Corrosion, passivation, microélectronique, géologie 19F(p,ag) Tissus calcifiés 20Ne(p,g) Études fondamentales 23Na(p,g) Corrosion de verres 24,26Mg(p,g) Géologie, corrosion 27Al(p,g) Microéléctronique, géologie 29,30Si(p,g) 48Ti(p,g) Couches barrières 52Cr(p,g) Corrosion, usure des aciers inox

Résolution en profondeur Pour protons en SiO2

Principe de traçage isotopique Comment bougent les atomes? Quelles sont les espèces mobiles? Silicon Si16O2 Silicon Si16O2 Si18O2 Silicon SiO2 16O2 then 18O2 Si 150 155 160 165 170 175 180 200 400 600 800 exchange growth

Oxydation thermique de Si Deal – Grove Transport interstitiel de l'espèce oxidante (molécule O2?) sans réaction avec la matrice x(t) ~ kt (x << ) régime linéaire x(t) ~ k' (x >> ) régime parabolique 16O2 then 18O2 Si exchange growth SiO2 150 155 160 165 170 175 180 200 400 600 800

Profil superficiel 18O(p,a)15N à 151 keV. Pic de surface : transport de Si ou échange d'oxygène? 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 I. Trimaille, thèse, GPS

Perte à l'interface SiO2/Si Après oxydation croisée 16O2/18O2, on fait une 3ème oxydation en 16O2 CO SiO2 Silicium O2 x Par quel mécanisme peut cet oxygène quitter l'interface?

Oxydation thermique de SiC " Face Silicium" 6HSiC- Si (0001) Silicium b c a Carbone "Face Carbone" 6HSiC- C

L'oxyde est stoichiométrique, l'interface abrupte 180(p,a)15N ER = 151 keV, G=100eV 1 18O concentration (1=Si18O2) 50 100 Depth (nm) R100~20nm Croissance de SiO2 sur SiC par oxydation thermique

Controlé par l'interface ou le volume? 18O(p,a)15N 6H SiC-C Oxydé 45hr 100mb 1100°C Oxyde 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 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) MEIS Medium-Energy Ion Scattering Détecteur = 10 keV angle énergie p-type silicon depleted region undepleted region deposited energy Résolution typiquement ~ qqs nm Résolution bien sub nano-métrique, voir atomique, possible

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

Medium Energy Ion Scattering MEIS La2O3 (high k) déposé sur Si, puis oxydé : réaction chimique … RBS relativement classique 200keV 4He+ dét. 15keV Medium Energy Ion Scattering (piqué de M. Copel et al, IBM Almaden)

Corresponding excitation curve N(E) An excitation curve 18O(p,a) 151 keV G=100 eV Concentration profile C(x) Corresponding excitation curve N(E) G(E) beam + Doppler energy spread W(E) resonance lineshape T(E) beam energy straggling S<C(x)> ‘ straggling ’ of C(x)

Charged particle energy loss The charged particles lose their energy in independant collisions with electrons * * * * protons Collisions with target electrons f(u) Einc DE Energy loss u Dx

On average, m energy-loss events per unit lrngth Straggling * * * * On average, m energy-loss events per unit lrngth f(u) f(u) f(u) f(u) For thickness x mx events on average f(u)*f(u) g(u;x) u g(u;x) tends towards a Gaussianfor large x