Investigação do perfil químico e espessura de filmes nanométricos de SiO2/Si e Al2O3/SiO2/Si

Abstract

Nas últimas décadas ocorreram avanços significativos na área de nanotecnologia, cujas aplicações estão transformando os centros de pesquisa e as indústrias de alta tecnologia, como as de semicondutores e de painéis fotovoltaicos baseados em silício. Assim sendo, o estudo de filmes ultrafinos como o SiO2/Si e Al2O3/SiO2/Si são vitais para o desenvolvimento de transistores cada vez menores e para a passivação térmica em painéis solares, respectivamente. Neste trabalho, investigamos dois sistemas de filmes nanométricos: o óxido nativo de Si sobre substrato de Si monocristalino comercial e um filme de Al2O3 depositado no mesmo óxido nativo pela técnica de Deposição de Camada Atômica (ALD). As amostras foram estudadas pelas técnicas de Espalhamento de Íons de Energia Média (MEIS) e Espectroscopia de Fotoelétrons Induzidos por Raios-X Resolvida em Ângulo (ARXPS), visando sondar o ambiente químico da superfície e interfaces dos filmes ultrafinos, bem como determinar as espessuras de suas camadas através do perfilamento em profundidade dos ambientes químicos. Apesar da técnica de MEIS ser muito utilizada para extrair tais informações de filmes ultrafinos, a técnica não apresentou resolução para determinar a espessura das amostras devido as pequenas dimensões (menores que 3 nm), e a proximidade de número atômico entre os elementos químicos envolvidos, o Si, O e Al. Por outro lado, a técnica de ARXPS se mostrou muito eficiente para a determinação do ambiente químico dos átomos presentes nas camadas e, ainda, foi possível verificar a existência de uma camada de apenas (3,0 ± 0,2)𝑥10−1 𝑛𝑚 de Si2O (Si1+) entre o substrato de Si e a camada de óxido nativo (SiO2). Também, as espessuras dos filmes de SiO2 e de Al2O3 encontradas pela técnica de ARXPS são de (1,5 ± 0,1) 𝑛𝑚 e de (1,9 ± 0,1) 𝑛𝑚, respectivamente.

In recent decades, there have been significant advances in the field of nanotechnology, whose applications are transforming research centers and high-tech industries, such as semiconductors and silicon-based photovoltaic panels. Therefore, the study of ultrathin films such as SiO2/Si and Al2O3/SiO2/Si are vital for the development of increasingly smaller transistors and for thermal passivation in solar panels, respectively. In this work, we investigate two nanometric film systems: the native Si oxide on a commercial monocrystalline Si substrate and an Al2O3 film deposited on the same native oxide by the Atomic Layer Deposition (ALD) technique. The samples were studied using the techniques of Medium Energy Ion Scattering (MEIS) and AngleResolved X-Ray Photoelectron Spectroscopy (ARXPS), aiming to probe the chemical environment of the surface and interfaces of the ultrathin films, as well as to determine the thicknesses of its layers through the depth profiling of the chemical environments. Although the MEIS technique is widely used to extract such information from ultrathin films, the technique did not show resolution to determine the thickness of the samples due to the small dimensions (less than 3 nm), and the proximity of atomic number between the chemical elements involved, the Si, O and Al. On the other hand, the ARXPS technique proved to be very efficient for determining the chemical environment of the atoms present in the layers, and it was also possible to verify the existence of a layer of only (3,0 ± 0,2)𝑥10−1 𝑛𝑚 of Si2O (Si1+) between the Si substrate and the native Si oxide layer. Also, the SiO2 and Al2O3 film thicknesses found by the ARXPS technique are (1,5 ± 0,1) 𝑛𝑚 and (1,9 ± 0,1) 𝑛𝑚, respectively. Within the uncertainty, the result by ARXPS agreed with the value of 2 nm programmed in the ALD technique for the deposition of the Al2O3 on SiO2/Si ultrathin film. Dentro da incerteza, o resultado por ARXPS concordou com o valor de 2 nm programados na técnica de ALD para a deposição do filme ultrafino de Al2O3 sobre SiO2/Si.