مقاله ساخت و بررسی خواص نانو اکسید سیلیکون توسط XPS

بخشی از مقاله

چکیده
ضخامت اکسید سیلیکون در ترانزیستورهاي CMOS فعلی حدود1 /2 نانومتر است و عواملی باعث محدود شدن کارایی اکسید فوق نازك سیلیکون در تولیدات آتی CMOS می شود. اما تاکنون هیچ عایق دي الکتریک دیگري نتوانست در عمل جایگزین خوبی براي اکسید سیلیکون باشد. بنابراین همچنان نیاز به رشد اکسید سیلیکون فوق نازك حدود 1 nm و نازکتر می باشد. لذا در اینجا به رشد اکسید سیلیکون درشرایط فوق خلاء پرداختیم وتوانستیم اکسید سیلیکون فوق نازکی بر زیر لایه ي سیلیکون رشد دهیم که یک رشد خود- محدودکننده اي را نشان داده است.

مقدمه

هر چند عواملی بکارگیري اکسید فوق نازك سیلیکون را به عنوان گیت دي الکتریک در تولیدات آتی CMOS تهدید می کند ولیکن همچنان نیاز مبرم به رشد اکسید فوق نازك سیلیکون وجود دارد. چرا که قطعات روز به روز کوچک و کوچکتر می شوند وتعداد ترانزیستورهاي هر تراشه مسیر تصاعدي را دارد. جداي از آن بنا به پیش بینی مور که به قانون مور - Moor's law - معروف
است [1]، در پنج سال آینده به کمتر از 1nm اکسید سیلیکون به عنوان گیت ترانزیستور CMOS نیاز داریم. چنانچه جایگزین مناسبی معرفی نگردد مجبوریم به طریقی اکسید فوق نازك سیلیکون را بدون هیچ ناخالصی و کثیفی اي بر زیرلایه سیلیکون رشد دهیم.اما سیلیکون عنصري بسیار حسا س است که به سرعت با عنصرهاي خواسته و نا خواسته پیوند تشکیل می دهد به همین دلیل تمیز بودن سطح سیلیکون از اهمیت بسزایی برخوردار است.

از طرف دیگر اکسید سیلیکون در دماهاي مختلف ویژگی هاي متفاوتی را از خود نشان داده است که بسته به فشار و دما می توان اکسید سیلیکون را در دو رژیم یا ناحیه ي فعال و منفعل تقسیم
کرد ]٢-٧[ .در رژیم فعال که در دماهاي بالا و فشارهاي پایین صورت می گیرد اکسیژن فرودي با تشکیل پیوند به صورت SiOسطح را ترك می کند و تنها در مطالعه ي مورفولوژي سطح به کار می آید ولیکن در رژیم منفعل می توان به رشد اکسید سیلیکون به صورت SiO2 دست زد که باعث می شود در دماهاي پایین و فشارهاي بالا بتوان هم اکسید ضخیم و هم اکسید فوق نازك را بر زیر لایه ي سیلیکون رشد داد.در همین راستا در شرایط فوق خلاء - - Ultra High Vacuumبه اکسیداسیون سیلیکون پرداختیم. سپس با استفاده از تکنیک - x-ray photoemission spectroscopy - XPS ضخامت اکسید سیلیکون را بدست آوردیم. در شرایط فوق خلاء ضخامت اکسید تا حدود 7 - 6 آنگستروم برآورد شده وآهنگ رشد نسبت به زمان ازیک رفتار بولتزمن یا زیگموند پیروي می نماید. در ضمن باید اشاره شود که داده هاي آزمایش در دانشگاه ادنسه و آرهوس دانمارك بدست آمده اند .

آزمایش و نتایج

زیر لایه هاي سیلیکون که Si - 100 - هستند از ورقه هاي بزرگترسیلیکون - نوع ,n مقاومت ویژه 5 اهم سانتیمتر - به ضخامت 2میلی متر بریده شده اند. اندازه نمونه 30 ×10 میلی متر مربع بوده اند . نمونه ها پس از اینکه در بشر حاوي اتانول گذاشته شده اند وارد حمام فراصوت به مدت نیم تا یک ساعت قرار گرفتند و بلافاصله به درون محفظه فوق خلاء برده شد تا جهت آزمایش
اکسیداسیون آماده شوند. فشار اولیه در محفظه فوق خلاء10-10توربوده است. احتمال اینکه درحین انتقال از حمام فرا صوت تا محفظه فوق خلاء ، اکسید اولیه اي بر روي سیلیکون تشکیل شود زیاد است. لذا، براي تمیز کردن سطح سیلیکون به حرارت دادن آن پرداختیم. در محفظه فوق خلاء این عمل گرم کردن با عبور سریع و چندباره ي جریان از سیم هاي متصل به سیلیکون که بر نگاهدارنده ي از جنس Ta آویزان شده اند، صورت گرفت.همانطور که از شکل - 1 - مشاهده می شود هیچ گونه کثیفی، نا خالصی ویا اکسید اولیه اي بر روي سیلیکون موجود نیست.

یکی از نتایج خوب این آزمایش وجود نمونه تمیزعاري ازناخالصی است که در اثر عبور سریع جریان از دو سر نمونه صورت گرفته است ودر شرایط فوق خلاء10-10تور، دماي نمونه به حدود 1100
درجه سانیگراد می رسید. این دما را با دما سنج پایامتر که نسبت به پنجره و سیستم XPS کالیبره شده بود اندازه گرفتیم.همانطوري که بیان شد اکسیداسیون در فشار پایین - یا تحت شرایط فوق خلاء - صورت پذیرفت. پس از آنکه دما به 500 درجه سانتیگرادرسید، بلافاصله شیر مخزن اکسیژنی که تا 99% خالصبوده است باز شد و اکسیژن وارد محفظه حاوي نمونه شد. عمل اکسیداسیون در زمانهاي مختلفی صورت پذیرفت. این نمونه ها مجدداً تا 5 دقیقه دیگر در محفظه ماندند تا اینکه دما پایین آمد وسرد گشت و آنگاه طیف هاي XPS از آنها گرفته شود که در شکل - 2 - مشاهده می کنید.

در این شکلها مشخص شده است که قله هاي سیلیکون، اکسیژن و اکسید سیلیکون حضور دارند. - قله مربوط به کربن بسیار بسیار کوچک وقابل اغماض است - .شکل - - 3 ضخامت اکسید را بر حسب زمان رشد اکسید نشان می دهد. اگر این نمودار را با آنچه که دیل-گروو مطرح نمودند [2] مقایسه کنید ملاحظه می کنید آهنگ رشد بر خلاف آهنگ رشد درمدل خطی سهمی دیل وگروو و مدل مسعود و همکارانش است3 ]و4و.[5شکل ٢ طیف XPS اکسید سیلیکون در هر ۵ ثانیه، محور افقی انرژي جنبشی در١٠٣، محور عمودي شدت در ١٠٣را نشان می دهدضخامت اکسید با استفاده از فرمول زیر بدست آمده است[ 6 ]شکل٣ نم ودار ض خامت اک سید س یلیکون ب ر ح سب زم ان اکسیداسیون در فشارحدود 10−7 توردر رابطه بالا، O1s ، Si 2sوSi 2p بترتیب مولفه ي اکسیژن،اوربیتال هاي 2s و 2p در فیلم اکسید سیلیکون هستند که تغییرات آنهانشاندهنده واکنش هاي شیمیایی بین اکسیژن و سیلیکون می باشد.

همینطور در طیف  XPS  قله ي OKLL مولفه ي Augerاکسیژن می باشد که در فرایند XPS کمتر مورد توجه واقع می شود چون نمی توان آن را با قله متناظر سیلیکون مقایسه کرد. اگربهرشد اکسید نسبت به زمان اکسیداسیون توجه کنیم می بینیم که رفتاري شبیه تابع بولتزمنی یا زیگموند را دارد - شکل - . - - 3 نیک پیداست که رشد اکسید در شرایط فوق خلاء کاملاً یک رشد خود
محدود کننده یا  Self-limiting است.شکل۴ خطوط دو ناحی ه منفع ل - Passive - وفع ال - Active - را بر حسب فشار- عکس دما متمایز می کند] ٨. [

بحث
دیدیم که فشار و دما تاثیر زیادي بر فرآیند اکسیداسیون سیلیکون دارد]٨،٧و٩[ و باعث شد تا SiO2  و یا  SiO بر زیرلایه ي سیلیکون رشد یابد. در رژیم منفعل یا Passive - شکل [8] - 4
انتظار رشد SiO2  بر Si - 100 - را داریم.دلیل آن هم این است که میزان فرار اکسیژن از سطح کمتر از مولکولهاي اکسیژن فرودي است و در نتیجه بیان می شود سطح زیر لایه سیلیکون منفعل است اما در وقتی که سطح فعال باشد، یعنی وقتی اکسیداسیون در دماهاي بالا صورت می پذیرد آنگاه فرار مولکولهاي گاز اکسیژن نسبت به آن چه از سطح به شکل SiO فرارمی کنند کمتر است و در نتیجه توده ي اکسیدي بر سیلیکون رشد نخواهد یافت. در این رژیم - رژیم فعال - تنها می توان به مرفولوژي سطح پرداخت در حالی که در رژیم منفعل می توان اکسید سیلیکون را رشد داد.نکته دیگر این است که اکسید سیلیکون داراي رشد سریع در مراحل اولیه ي رشد است یعنی به صورت تابع نمایی-1    x   - 1 e رشد می کند کهl حدود 7 آنگستروم است3]و4و[5،و x ضخامت اکسید می باشد.

این برخلاف آنچیزي است که در مدل دیل-گروو یعنی t  Ax  Bx2 مطرح شده است .مورد دیگري که در طیف هاي XPS در شکلهاي - - 1و - - 2وجود دارد مربوط به قله هاي اطراف قله بلندتر می باشد که به گذارهاي K β و Kγ بر می گردد. این قله ها جداي از آنکه وجود گذارهاي ممکن را نشان می دهند، یک نکته را نیز مشخص می سازد که تأثیر اکسیداسیون بر جابجایی شیمیایی قله هاي سیلیکون است. معنی آن این است که پیوندهاي بین سیلیکون واکسیژن باعث می شود تا قله هاي سیلیکون تحت تأثیر این پیوندهاقرار گیرند و به اصطلاح ویژگی شیمایی شان تغییر کند. بنا به آنچهکه گفته شددونتیجه مهم بدست آمده است. یکی انحراف از مدل دیل-گروو / مسعود که مربوط به رشد اکسید فوق نازك بر زیرلایه ي سیلیکون در فشارهاي پایین بوده است و دیگري هم رشداکسید فوق نازك - حدود6-7 آنگستروم - تحت شرایط فوق خلاءاست. البته در تعیین ضخامت اکسید با استفاده از تکنیک XPS