Direct thermal nitridation of thin SiO2/Si films

Nitruration thermique directe de films minces SiO2/Si

D. Saidi*, S. Boutarfaia

Centre de Recherche Nucléaire de Draria, Division des Matériaux et Combustibles Nucléaires

Département de métallurgie, BP 43 Draria, Alger, Algérie

* Corresponding author. E-mail: saididj@yahoo.fr

Received: 07 March 2005; revised version accepted: 06 December 2005

Abstract

These last years, many studies are developed on thin of nitroxides films which seem to be good candidates advantageously to improve the dielectric properties of thin films SiO2 used in the

technology circuits of very large scale integration (VLSI). Recently, we realized that the direct thermal nitidation process of the SiO2 films by NH3 improves the electric properties as well as the qualities of metal-insulator-silicon structure (MIS). In this work, we studied the nitriding kinetics of thin oxide fims in order to understand the transport mechanism of nitriding spies. The physicochemical characterization of nitrided surface and the profile of concentration of resulting film are studied by the Auger Electrons Spectroscopy (A.E.S.) in conjunction with ionic bombardment. We found that, during nitriding by successive stages (duration 15 minutes) of an SiO2 film with thickeness equal to 110 ?, an Auger peak localised at 81.5 eV, characteristic of an oxynitrure of surface, develops with nitriding duration. Nitridings continually during four hours at ambiant temperature or at high temperature (1110°C) during five heures respectively at a pressure of NH3= 2 10-4 torr and 5 10-6 torr, shows that the nitriding species (nitrogenizes, ammonia...) diffuses easily trough the oxyde film to the SiO2/Si interface were it reacts preferentially.

Keywords: Nitridation; Auger; Kinetics; Oxide; Nitroxide.

Résumé

De nombreuses études sont développées ces dernières années sur les films minces de nitrure ou de silice nitrurés qui semblent être de bons candidats pour améliorer avantageusement les propriétés diélectriques des films minces SiO2 utilisés dans la technologie de circuits à haute intégration (VLSI). On s’est aperçu très récemment que la nitruration thermique directe des films SiO2 par NH3 améliore les propriétés électriques de l’isolant ainsi que les qualités des structures MIS (métal-silicium) à grille métallique résultantes.

Or, le mécanisme de nitruration demeure encore mal connu. Dans cette optique nous avons développé une étude afin d’analyser la cinétique de nitruration de l’oxyde mince et comprendre le mécanisme de transport des espèces nitrurantes.

La caractérisation physico-chimique de la surface nitrurée et le profil de concentration du film résultant sont étudiés par la Spectroscopie des Electrons Auger (SAE) associée au bombardement ionique. On a montré que, au cours de la nitruration par étapes successives (durée 15 minutes) d’un film SiO2 (110 ?), un pic Auger à 81.5 eV , caractéristique d’un oxynitrure de surface, se développe avec la durée de nitruration.

Les nitrurations en continu à la température ambiante pendant quatre heures ou à haute température (1110°C) pendant cinq heures respectivement aux pressions de NH3= 2 10-4 torr et 5 10-6 torr, montrent que l’espèce nitrurante (azote, ammoniac …) diffuse facilement à l’interface SiO2/Si ou elle réagit préférentiellement.

Mots clés : Nitruration; Auger; Cinétiques; Oxyde; Oxynitrure.

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