Análisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa para ...diposit.Ub.edu/dspace/bitstream/2445/34946/8/07.JAMP_PRESENTACION.pdfAnálisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa

Análisis de óxidos de silicio yAnálisis de óxidos de silicio yestructuras estructuras multicapa multicapa paraparaaplicaciones aplicaciones microelectrónicasmicroelectrónicas

José A. Moreno PastorDep. Electrònica

Universitat de Barcelona

Análisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa para aplicaciones microelectrónicas

Guión de la exposiciónGuión de la exposición

IntroducciónModelos estructurales del óxido de silicioCálculo de , a partir de espectros IREfectos geométricos en los espectros IRObtención de las probabilidades de enlace en elóxidoDeterminación de las concentraciones desubóxidosConclusiones


IntroducciónIntroducción

Óxido desilicio

Uso como dieléctrico enmicroelectrónica

Geometría de capaMarco teóricopoco definido

Técnicas deanálisis

FTIR, XPS

Sólido no cristalinovítreo

Técnicas desíntesis

CVD

Parámetros descriptivos estructura


Oxidación térmicaReacciones:Si + O2 → SiO2 ; Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

Depósito químico en fase vapor (CVD)– APCVD

T ↓, SiH4, O2

– LPCVDDifusión ↑, SiH4, O2

– PECVDT ↓, SiH4, N2O

Síntesis de óxido de silicioSíntesis de óxido de silicio





Modelo Modelo crncrn de de ZachariasenZachariasen--WarrenWarrenpara el SiOpara el SiO22

SROr . 1.61D

N . 109.5E

2m . 144E

(Distr. ancha)



SROr . 1.61D

N . 109.5E

2m . 144E

(Distr. ancha)

IRODistr. de * aleatoria

No correlación entre parámetros



SROr . 1.61D

N . 109.5E

2m . 144E

(Distr. ancha)



LRONo orden cristalino nimorfológico



SROr . 1.61D

N . 109.5E

2m . 144E

(Distr. ancha)



LRONo orden cristalino nimorfológico

GROOrden químico

No enlaces rotos

Homogeneidad


Modelos Modelos vibracionalesvibracionales del SiO del SiO22

Modos de vibraciónde la unidad Si2O

Modos de vibraciónde la unidad SiO4


ModelosModelos vibracionales vibracionales del SiO del SiO22

Límites bandas (Sen & Thorpe)


ModelosModelos vibracionales vibracionales del SiO del SiO22

Límites bandas (Sen & Thorpe)

Espectros de dispersión inelásticade neutrones, Raman e Infrarrojo(Galeener et al.)


Modelos de función dieléctricaModelos de función dieléctrica

Sólidos cristalinosN osciladores armónicos, carga q,masa m, amortiguamiento $

∑−−

+∞=γωωω

ωεωε

ip22

0

2 )(

mNq

0

2

εω =p


Modelos de función dieléctricaModelos de función dieléctrica

Sólidos cristalinosN osciladores armónicos, carga q,masa m, amortiguamiento $

∑−−

+∞=γωωω

ωεωε

ip22

0

2 )(

mNq

0

2

εω =p

Sólidos amorfosDistribución gaussiana deosciladores armónicos

,,,,(T) ' ,4 % jr m

4

0

T2pr g(T)&T0r,*r)

T)2&T2&i()rT)TdT)

g(T,*) ' 1a** B

exp &T

a**

2





Cálculo de un parámetro físicoCálculo de un parámetro físico

Espectro experimental

4000 3000 2000 1000-0,5

0,0

0,5

1,0

Abs

orba

ncia

de

T

Frecuencia (cm-1)

Parámetros del espectro(área, posición, etc.)

Características del materialCaracterísticas del material(composición, estrés, (composición, estrés, etcetc.).)




4000 3000 2000 1000-0,5

0,0

0,5

1,0

Abs

orba

ncia

de

T

Frecuencia (cm-1)






4000 3000 2000 1000-0,5

0,0

0,5

1,0

Abs

orba

ncia

de

T

Frecuencia (cm-1)

Modelo de cálculodel espectro






4000 3000 2000 1000-0,5

0,0

0,5

1,0

Abs

orba

ncia

de

T

Frecuencia (cm-1)

Modelo de cálculodel espectro




Espectrofotómetro Espectrofotómetro para FTIRpara FTIR

Equipo: BOMEM DA3

Fuente: Globar (SiC)

Divisor de haz: KBr

Detector: MCT


Cálculo de R y TCálculo de R y T

0=N/: (pol. s)

0=N/, (pol. p)αsinan2−= 2n N

ji

i

ji

jiηη

ητ

ηη

ηηρ

+=

+=

2,

-

Matriz de transferencia desuperficie:

E %%%%

E &&&&Sl&

'1

JJJJl,l&&&&1

1 DDDDl,l&&&&1

DDDDl,l&&&&1 1E %%%%

E &&&&Sl%

Matriz de transferencia de capa:

E %%%%

E &&&&Sl%1

%

'MMMMl

&&&&1 0

0 MMMMl

E %%%%

E &&&&Sl&


Cálculo de R y TCálculo de R y T

Pila coherente o capa incoherente:

1*tij*

2

1 &*rji*2

*rij*2 (*tijtji*

2&*rijrji*2)

1*NNNNj*

2

1 0

0 *NNNNj*4

Matriz de transferencia multicapa:Ei

Er'

T11 T12

T21 T22

Et

0

Transmitancia T = 1/T11

Reflectancia R = T21/T11

0=N/: (pol. s)

0=N/, (pol. p)αsinan2−= 2n N

ji

i

ji

jiηη

ητ

ηη

ηηρ

+=

+=

2,

-


Determinación de Determinación de ,, a partir de R,T a partir de R,T

Procedimientos:Aproximaciones de capa delgadaResolución numérica de las ecuaciones ópticasAjuste de espectros a modelos de ,

Objetivo:Obtención de la función dieléctrica de la capa en estudiopartiendo de una o varias medidas de transmitancia oreflectancia


Aproximaciones de capa delgadaAproximaciones de capa delgada

Formalismo matricial:

tas 'A)Mx

A%BM2x

, ras 'C%DM2

x

A%BM2x

Desarrollo en serie de Taylor:

Tas ' *T0*2[1 & 2Im[T1Nx]*x % (*T1Nx*

2&Re[T1T2N2x ])*2

x] Re[0000s

0000a]

Ras ' *R0*2[1 & 2Im[R1Nx]*x % (*R1Nx*

2&Re[R1R2N2x ])*2

x]


Aproximaciones a 1Aproximaciones a 1erer orden orden

T (s)as '

4Nscos2cos2%Ns

1 &2,))x

cos2%Ns*x

R (s)as '

cos2&Ns

cos2%Ns

21 %

4cos2,))x,s&1

*x

T (p)as '

4Nscos2

cos2%Ns

,s

21 & 2

Im[,,,,x]Ns

,scos2%Im&

1,,,,x

sin22

cos2%Ns

,s

*x

R (p)as '

cos2&Ns

,s

cos2%Ns

,s

2

1 % 4cos2Im[,,,,x]

Ns

,s&Im&

1,,,,x

sin22

cos22&N2

s

,2s

*x

Polarización s Polarización p


Validez de las aproximacionesValidez de las aproximaciones

1400 1200 1000 800 60067

68

69

70

71

d = 10 nm

Exacta yAprox. orden 2 Aprox. orden 1

Tran

smita

ncia

(%)

Número de onda (cm-1)

Aprox. 1er orden: decenas de nm

Error en área < 1%

Aprox. 2o orden: 100 nm

Error en área < 4 %

1400 1200 1000 800 60040

50

60

70

75d = 100 nm

Aprox. orden 2Exacta

Aprox. orden 1Tran

smita

ncia

(%)



Aproximación para Aproximación para ImIm((,,))

Expresión a 1er orden:

,)) 'cos2%Ns

2*1& T

T0

1400 1200 1000 800 600

0

2

4

6

8

10

12Exacta

Aprox. orden 1Aprox. orden 2

Im(ε εεε

)Número de onda (cm-1)

Validez para espesoresde decenas de nm.

(Error 2% en área)

Obtención de ,´´ para unacapa de SiO2 de 100 D


Inversión de las ecuaciones ópticasInversión de las ecuaciones ópticas

Procedimiento general

•Medida de R, T, …

•Resolución del sistema

R, T, … = f(n,k)

•Relaciones de Kramers-Krönig


Inversión de las ecuaciones ópticasInversión de las ecuaciones ópticas

Procedimiento general

•Medida de R, T, …

•Resolución del sistema

R, T, … = f(n,k)

•Relaciones de Kramers-Krönig

Inconvenientes

•Multivaluación de lassoluciones

•Existencia de solucionesperdidas

•Errores no uniformes


Derivadas de la inversión de las ec. ópticas

Análisis de los procedimientos deAnálisis de los procedimientos deinversión de las ecuaciones ópticasinversión de las ecuaciones ópticas

600 800 1000 1200 1400

-5

0

5

10

15 100 nm 500 nm

dn/d

T / 1

000


600 800 1000 1200 1400

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

100 nm 500 nm

dk/d

T / 1

000



Derivadas de la inversión de las ec. ópticas

Análisis de los procedimientos deAnálisis de los procedimientos deinversión de las ecuaciones ópticasinversión de las ecuaciones ópticas

600 800 1000 1200 1400

-5

0

5

10

15 100 nm 500 nm

dn/d

T / 1

000


600 800 1000 1200 1400

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

100 nm 500 nm

dk/d

T / 1

000


600 800 1000 1200 1400-20

-10

0

10

20

30

40

50

100 nm 500 nm

dn/d

R /

1000


600 800 1000 1200 1400-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

100 nm 500 nm

dk/d

R /

1000



Ajuste de espectros de IRAjuste de espectros de IR

Características

•Alta automatización de los cálculos

•Incorporación de modelos físicos de ,

•Requiere una única medida experimental

Procedimiento

Minimización del error relativo cuadrático medio del ajustecon respecto a la medida experimental:

P2 '1Nj

N

k'1

T (exp)k &T (aju)

k

T (exp)k

2


Algoritmos de Algoritmos de minimizaciónminimización

Descenso simplex (Nelder & Mead)Conjunto de direcciones (Powel)Gradientes conjugados (Polak-Ribiere)Métrica variable (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)


Algoritmos de Algoritmos de minimizaciónminimización

Descenso simplex (Nelder & Mead)Conjunto de direcciones (Powel)Gradientes conjugados (Polak-Ribiere)Métrica variable (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)

Aproximaciones iterativas a la matriz inversa del Hessiano.

Actualización del punto mínimo:

Complejo de implementar.

Buena convergencia.

Si la función es cuadrática, converge en N iteraciones.

)( 1111 iiiii ffHxx ∇−∇=− +

−++


Respuesta dieléctrica del SiORespuesta dieléctrica del SiO22

Resultados del ajuste de la transmitancia en incidencia normalde una capa de SiO2 térmico de 250 nm. de espesor


Aplicabilidad de los procedimientosAplicabilidad de los procedimientosde cálculo de de cálculo de εε

Aproximaciones de capa delgadaPara capas de decenas de nm

Inversión de las ecuaciones ópticasFuera de las bandas intensas de absorción

Ajuste de espectrosProcedimiento de aplicación general, gran

precisión y versatilidad


Herramienta de análisis CAPASHerramienta de análisis CAPAS


Herramienta de análisis CAPASHerramienta de análisis CAPAS


Utilidad de la herramienta CAPASUtilidad de la herramienta CAPAS

Estudio de las mejores condiciones de medida:ángulo de incidencia, polarizaciónAnálisis de capas enterradas: ejemplo SIMOXDiscriminación de efectos intrínsecos y extrínsecosdel material sobre los espectrosObtención de propiedades intrínsecas del material:composición, estrés, etcEstudio de materiales constituidos por dos fases:medios efectivos de Bruggeman y Maxwell-Garnett





Efectos del espesor de la capaEfectos del espesor de la capa

Posición Altura Anchura Área

Capa 1000D x 10 1080 1.415 72 121.6

Capa 10000D 1092 1.459 84 163.4

1400 1200 1000 800-0,2

0,0

0,5

1,0

1,5

10000 Å

1000 Å

Abs

orba

ncia


•Los parámetros de los espectrosno escalan correctamente con elespesor

•Los perfiles de los espectrosson claramente diferentes

Espectros teóricos de capas deSiO2 de 1000 y 10000 Å


Efectos combinados del espesor deEfectos combinados del espesor dela capa y la intensidad de la bandala capa y la intensidad de la banda

0 200 400 600 800 1000995

1000

1005

1010

1015

1020Ω

2 (cm-2) 100 1000 10000 30000 50000

Posic

ión

del p

ico

(cm

-1)

Espesor (nm)

0 200 400 600 800 100060

65

70

75

80

85

90

95Ω

2 (cm-2) 100 1000 10000 30000 50000

Anc

hura

a m

edia

altu

ra (c

m-1)

Espesor (nm)

Parámetros espectros simulados con pico único centrado en 1000 cm-1


Efectos combinados del espesor deEfectos combinados del espesor dela capa y la intensidad de la bandala capa y la intensidad de la banda

0 200 400 600 800 1000-10

0

20

40

60

80

100

120

140

160

100 1000 10000 30000 50000

Ω2 (cm-2)

Áre

a de

l pic

oEspesor (nm)

0 200 400 600 800 1000-0,10,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4Ω2 (cm-2)

100 1000 10000 30000 50000

Altu

ra d

el p

ico

Espesor (nm)

Parámetros espectros simulados con pico único centrado en 1000 cm-1


Substracción de la línea de baseSubstracción de la línea de base

4000 3000 2000 10000,15

0,20

0,25

0,30

Abs

orba

ncia


Espectro simulado para pico deabsorción único (6p=100 cm-1)

1400 1200 1000 800

0,00

0,02

0,04

Abs

orba

ncia


0

2

4

nResultado de la substracción dela línea de base sinusoidal


La concentración de enlaces es proporcional al áreade la banda del coeficiente de absorción " = 4B6k

Procedimientos de cálculo deProcedimientos de cálculo deconcentraciones de enlacesconcentraciones de enlaces

Procedimientos de cálculo de "Beer-Lambert (BL)Brodsky-Cardona-Cuomo (BC)




0lnT

Td1−=α

Procedimientos de cálculo de "b ( )




Despreciando las reflexiones en la superficie capa-substrato: T '

4 T 20 M

(1%T0)2&(1&T0)2M2

Φ= lnd1-α 0

lnTT

d1−=α

Procedimientos de cálculo de "b ( )


•BL y BC aportan resultadossimilares

•Área proporcional a intensidad

•Factor de proporcionalidaddepende del espesor

•La posición de la banda no afectasignificativamente

0 2000 4000 6000 8000 100000

200

400

600

800

1000

BL 100 nm BL 2500 nm BC 100 nm BC 2500 nm DEF

Áre

a pi

co α ααα

(100

0 cm

-2)

Intensidad integ. de oscilador (cm-2)

Comparación de BL y BCComparación de BL y BCpara bandas de impurezaspara bandas de impurezasBandas calculadas conparámetros similares alSi-H en óxido de silicio


Comparación de BL y BCComparación de BL y BCpara bandas de impurezaspara bandas de impurezasBandas calculadas conparámetros similares alSi-H en óxido de silicio

0 1000 2000 3000 4000 5000

100

120

140

160

180

BL BC

Áre

a de

α ααα (1

03 cm

-2)

Espesor (nm)

Dos zonas diferenciadas:

•Régimen lineal a espesorespequeños (menores que 1 :m)

•Régimen estacionario a espesoresgrandes (mayores que 1 :m)


Factor de corrección de áreasFactor de corrección de áreas

Regla de suma

∫= κακπ dnp22

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7κp/κ0

0.05 0.10 0.35 0.60 0.80

( π πππ2 κ κκκ

p2 )/(Á

rea

de n

α ααα)

n κκκκ0 d0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

Bandas débiles Bandas intensas

Fact

or c

orre

ctor

par

a ar

eas

n κκκκ0 d


Procedimientos

Cálculo de 6p mediante ajuste de un espectro experimental

Cálculo de ,(6)

Cálculo de "(6) mediante la fórmula de Beer-Lambert ynuestro factor corrector C

Cálculo de las concentracionesCálculo de las concentracionesN de enlacesN de enlacesEcuaciones a aplicar:

κκακκεκκ dnCdfNL p ∫∫ === )(10·0594.2))(Im(10·294.110·0325.2 15162160

2

Enlace f0

Si-O 0.077Si-H 0.023Si-OH 0.153





Óxidos de silicio analizadosÓxidos de silicio analizados

UN: APCVD T=400oCPL: PECVD T=380oCPE: PECVD T=300oCLTO: LPCVD T=430oC

Todos los óxidos analizados han sidodepositados en el CNM (Bellaterra)

Recocido en N2 a diversas temperaturas

Recocido en O2 a diversas temperaturas

Muestras no recocidas


Absorción infrarrojaAbsorción infrarrojaen óxido de silicioen óxido de silicio

4000 3000 2000 10000,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Tran

smita

ncia


O-H

stretching

Si-H stretching

Si-O stretching

Si-O bending

Si-H bending

Parámetros bandas

Concentracionesde enlaces

Probabilidadesde enlace


Composición de los óxidos PEComposición de los óxidos PE

10 15 20 25 30 35

0

50

100

150

200

250Óx. PE, P=30W

300oC

[Si-H

] (10

20 c

m-3)

R (N2O/SiH4)

950oC 1150oC

0

2

4

6

[O-H

] (10

20 c

m-3)

200

400

600

800

1000

[Si-O

] (10

20 c

m-3)

Si-O ↑ con R

Si-O ↑ con T

Si-H, Si-OH estacionariospara R altas

Contenido de H independientede R tras el recocido

P no afecta sensiblemente alcontenido de H


Modelo Modelo termodinámico termodinámico basadobasadoen enlaces (MTBE) en en enlaces (MTBE) en SiOSiOxxHHzz

Objetivo: Interpretar las probabilidadesde enlace de las diversas especies quecomponen el óxido.




nSi = 1 - (2y1x+z)/4

nO = y1x/2

nH = (z-(1-y1)x)/4

nOH = (1-y1)x/4

y1 = fracción de O que no enlaza con H




nSi = 1 - (2y1x+z)/4

nO = y1x/2

nH = (z-(1-y1)x)/4

nOH = (1-y1)x/4


Procedimiento: Minimización de lafunción de Gibbs del materialrespecto del parámetro y1.

Resultado:

)E energía de la reacción:

Si-Si + O-H → Si-O + Si-H

∆−==TkEK

nnnn

Bn

OHSi

HO exp2

2




nSi = 1 - (2y1x+z)/4

nO = y1x/2

nH = (z-(1-y1)x)/4

nOH = (1-y1)x/4


Procedimiento: Minimización de lafunción de Gibbs del materialrespecto del parámetro y1.

Resultado:

)E energía de la reacción:

Si-Si + O-H → Si-O + Si-H

∆−==TkEK

nnnn

Bn

OHSi

HO exp2

2

Si Si

Si

Si Si

Si

O

O

H

H


Resultados del MTBEResultados del MTBE

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

z = 0.1 kn=1 kn=10 kn=0.1 Lím. sup. Lím. inf.

y 1 (%

)

x = [O]/[Si]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 x = 1.8

kn= 1 kn=10 kn=0.1 Lím. sup. Lím. inf.

y 1 (%

)z = [H]/[Si]

kn=1 enlace aleatorio | kn>1 Reac. favorecida hacia la derecha

Fracción de oxígeno enlazado sólo a silicio


Valores experimentales de Valores experimentales de ))EE

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

UN

Ener

g. r

eac.

enl

aces

(eV

)

x (O/Si)

PL PED

PEA PEB LTO

)E negativo: Si-O y Si-Hfavorecidos

)E depende del contenido de O:

Proximidad a la línea:estabilidad termodinámica

LTO comportamiento aleatorio.

PE no recocidos: cercanos alequilibrio termodinámico

−−−=∆

457.0exp014.0125.0 xE

)E obtenidos de las probabilidades de enlace mediante laecuación de equilibrio de la reacción de intercambio de H


Probabilidades de enlaceProbabilidades de enlacedel O y del Hdel O y del H

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,40

20

40

60

80

100

pHSi pOSi

Prob

ab. d

e en

lace

(%)

z (H/Si)

O se enlaza con Si

Para z ↓, la prob. deenlace del H con Si aumentacon z

Para z>0.2, todo el H seenlaza con Si





Modelo de material

•crn de Zachariasen-Warren.

•Tetraedros con 0, 1, 2, 3 y 4 oxígenos

•Homogeneidad?

Presencia de Presencia de subóxidos subóxidos en elen elóxido de silicio óxido de silicio subestequiométricosubestequiométrico

Oxígeno

Silicio


Modelo de enlace aleatorioModelo de enlace aleatoriobinomial binomial (RBM (RBM binomialbinomial))•Material SiOx

•Probabilidad de que uncierto enlace de Si se saturecon O: PSi-O = x/2

•Probabilidad de tetraedroscon i oxígenos:

•No explica evolucionestérmicas

ii

ixx

iP

−

−

=

4

21

24

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abid

ades

Pi (

%)

x = [O]/[Si]


Modelo Modelo termodinámico termodinámico basadobasadoen tetraedros (MTBT)en tetraedros (MTBT)Objetivo: Interpretar las probabilidades ni de aparición delos diversos tipos de tetraedros que componen el óxido.

Procedimiento: Minimización de la función deGibbs del material.

Resultado:

)E energía de la reacción de intercambio deoxígenos entre tetraedros:

2 Ti → Ti+1 + Ti-1

∆−====TkEK

nnn

nnn

nnn

Bn exp

3

42

2

31

1

20

( )[ ]

∑

∑

=

=−−−−−−−−−−−−−

−=

∆+++−+−−+=

4

0

4

0

2

)ln(

262782

iiiB

Si

iiSiSiSiSiSiSiSiSiOSiSiOSiOSiSiSiOSiOSi

Si

nnkNS

niEEExEEEEEENE

Condiciones:

xni

n

ii

ii

2

1

4

0

4

0

=

=

∑

∑

=

=


Probabilidades calculadasProbabilidades calculadascon el MTBTcon el MTBT

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100

Kn = 1 P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s p i

x = [O]/[Si]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100

Kn = 0.5 P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s p i

x = [O]/[Si]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100

Kn = 2 P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s p i

x = [O]/[Si]

Óxido aleatorio Óxido homogéneo Separación de fases


Obtención experimental de lasObtención experimental de lasproporciones de los proporciones de los subóxidossubóxidosTécnica de medida:

Espectroscopía de fotoelectrones derayos X (XPS).

Descripción:

•Irradiación de la muestra con rayos X.

•Recolección de fotoelectrones emitidospor efecto fotoeléctrico.

Procedimiento:

Ajuste del espectro XPS con una bandapor cada tipo de tetraedro.

108 106 104 102 100 980

10

20

30

40

50 PLE P0 P1 P2 P3 P4 Ajuste

Energía (eV)


La La espectroscopíaespectroscopía XPS XPS

Fuente de rayos X: línea K" del Mg (1253.6 eV)Energía electrones emitidos: Ec = h< - EB - Ns

Interacción spin-órbita: cada línea → un dobleteHay que sustraer la señal de fondodebida a los electronesprovenientes de capas interiores


La La espectroscopíaespectroscopía XPS XPS

Sustracción de la línea de base

Espectro XPS capa 1.7 nm. SiO2/Si

Fuente de rayos X: línea K" del Mg (1253.6 eV)Energía electrones emitidos: Ec = h< - EB - Ns

Interacción spin-órbita: cada línea → un dobleteHay que sustraer la señal de fondodebida a los electronesprovenientes de capas interiores


XPS: Tratamiento de los datosXPS: Tratamiento de los datos

La intensidad de una línea es proporcional a la densidad de átomos si elespesor de la capa es mayor que la longitud de escape de los electrones

La línea de base utilizada es la línea recta

La x se obtiene de las áreas: promediando diversosciclos de sputtering

La escala de energías se calibró con el modelo de transferencia de carga.

SiSi

OO

SnSnx

//

=

Espectro


XPS: Tratamiento de los datosXPS: Tratamiento de los datos

La intensidad de una línea es proporcional a la densidad de átomos si elespesor de la capa es mayor que la longitud de escape de los electrones

La línea de base utilizada es la línea recta

La x se obtiene de las áreas: promediando diversosciclos de sputtering

La escala de energías se calibró con el modelo de transferencia de carga.

SiSi

OO

SnSnx

//

=

Espectro

Un Si puede estar en 5 estados de oxidación Sin (n=0,..,4), según el númerode oxígenos del tetraedro asociado

Cada tipo de tetraedro → un doblete de dos picos gaussianos

Los únicos parámetros libres del ajuste son las intensidades de las bandas

Se puede obtener la x a partir de las probabilidades: ∑=

=4

021

nnnPx

Ajuste


Resultados de los ajustesResultados de los ajustes

Constante de reacción

400 600 800 1000 12000,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

UN

k n

Temperatura (oC)

PL PE1 PE3 PE4

Energía de intercambio de O

1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

∆ ∆∆∆E

(eV

)

x (O/Si)

Valor medio de )E: 25 meV

)E > 0 Tendencia a la homogeneización

T↑ Óxidos más aleatorios y menortendencia a homogeneización


Probabilidades de tetraedrosProbabilidades de tetraedros

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100

∆E=0.025eV

T=300oC

P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s (%

)

x (O/Si)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100

∆E=0.025eV

T=1100oC

P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s (%

)

x (O/Si)

Probabilidades calculadas para el valor promedio de ∆E (25 meV)

Recocido

Óxidos no recocidos:Comportamiento homogéneosimilar al RBM binomial

Óxidos recocidos:

Más aleatorios


Probabilidades de tetraedrosProbabilidades de tetraedros

Superposición de probabilidades teóricas y experimentales

Recocido

Óxidos no recocidos: No ajustan.

Lejos del equilibrio termodinámico

Óxidos recocidos:

Ajustan bien a prob. calculadas

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100∆E=0.025 eV

T=300oC

P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s (%

)

x (O/Si)

P0 P1 P2 P3 P4

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

20

40

60

80

100∆E=0.025 eV

T=1100oC P0 P1 P2 P3 P4

Prob

abili

dade

s (%

)

x (O/Si)

P0 P1 P2 P3 P4





ConclusionesConclusiones

Las similitudes y diferencias estructurales entre óxidos de siliciosubestequiométricos han sido descritas evitando la complejaespecificación de los SRO, IRO y LRO mediante el uso de parámetrossencillos basados en modelos termodinámicosLos efectos que causan en los espectros de infrarrojo múltiplescircunstancias no intrínsecas del material en estudio, como el espesorde la capa y las condiciones de medida (efectos geométricos) han sidodeterminados y analizados minuciosamenteLos factores de proporcionalidad de la altura y el área de las bandasrespecto de la concentración de enlaces dependen del espesorPara identificar y aislar los efectos geométricos de los intrínsecos delmaterial, es necesario un estudio de simulación mediante laherramienta de análisis CAPAS desarrollada por nosotros



Los parámetros de R o T no son los apropiados para obtenerpropiedades intrínsecas del material. En su lugar deben utilizarse losparámetros de la función de respuesta dieléctricaProponemos tres procedimientos para el cálculo de , y analizamos yaplicabilidad y precisión– Aprox. de capa delgada: espesores de hasta decenas de nm.– Inversión de las ec. ópticas: fuera de las bandas intensas– Ajuste de espectros: aplicabilidad general y gran precisión

Las áreas de " obtenido mediante los procedimientos de Beer-Lamberty de Brodsky-Cardona son proporcionales a las concentraciones deenlaces, pero los factores de proporcionalidad aumentan hastaespesores de 1 :m, oscilando alrededor de un valor estacionario paraespesores mayores



El cálculo de concentraciones puede realizarse mediante tresprocedimientos– Uso de la intensidad 6p

2 de la función dieléctrica– Uso de la función dieléctrica ,(6)– Uso del coeficiente de absorción " y nuestro factor corrector

Las probabilidades de enlace de las especies que componen losmateriales SiOxHz se interpretan de acuerdo con la reacción deintercambio de hidrógenos Si-Si+O-H→Si-O+Si-H con )E < 0Los óxidos con mayor contenido de O tienen mayor tendencia aenlazar el H y el O con el SiLas energías de los óxidos recocidos se ajustan bien a una curvaexponencial de variable x, la proximidad a la cual es un criterio deestabilidad termodinámica



Los óxidos LPCVD y los PECVD no recocidos muestran unaestructura de enlaces cercana a la distribución aleatoria. Los LPCVDposeen una estructura alejada del equilibrio termodinámico. LosPECVD, en cambio, se encuentran más cerca del equilibrio y son másestables frente a tratamientos térmicosLas probabilidades de los tetraedros centrados en Si con diferentescantidades de O se interpretan mediante la reacción de intercambio deoxígenos entre tetraedros 2Ti → Ti+1 + Ti-1 con )E positivoLos óxidos con mayor contenido de O tienden a distribuirlo de formamás aleatoria entre todos los tipos de tetraedrosLa tendencia a distribuir los O equitativamente entre tetraedros sedebilita al aumentar la temperatura. Se observa un incremento en lasprobab. de los tetraedros con número mayor y menor de O

Análisis de óxidos de silicio yAnálisis de óxidos de silicio yestructuras estructuras multicapa multicapa paraparaaplicaciones aplicaciones microelectrónicasmicroelectrónicas

José A. Moreno PastorDep. Electrònica

Universitat de Barcelona

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Análisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa para ...diposit.Ub.edu/dspace/bitstream/2445/34946/8/07.JAMP_PRESENTACION.pdfAnálisis de óxidos de silicio y estructuras multicapa