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Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas

Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas. Alberto Herrera-Gomez Laboratorio de Procesamiento y Caracterización de Nanopelículas CINVESTAV-Unidad Querétaro. Problemas de interés. (SEMATECH). Caracterización de nanopelículas conformes Capas que la constituyen Espesores

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Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas

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Presentation Transcript

  1. Estabilidad térmica y transporte de masa en nanopelículas Alberto Herrera-Gomez Laboratorio de Procesamiento y Caracterización de Nanopelículas CINVESTAV-Unidad Querétaro

  2. Problemas de interés (SEMATECH) • Caracterización de nanopelículas conformes • Capas que la constituyen • Espesores • Composiciones TiNO 24 Å Al2O3 29 Å Procesamiento y caracterización de nanopelículas As-As 4 Å 0.3 ML Ga+3 In0.65Ga0.35As O. Ceballos-Sanchez, A. Sanchez-Martinez, Milton O. Vasquez-Lepe, P. Lysaght, N. Goel, J. Huang, P. Kirsch, A. Rockett, T. Duong, R. Arroyave, and A. Herrera-Gomez. “Mass transport and thermal stability of TiN/Al2O3 and TiN/HfO2 nanofilms on InGaAs.” Submitted to PRL (2011).

  3. Problemas de interés (HITACHI) • Caracterización de nanopelículas conformes • Capas que la constituyen • Espesores • Composiciones C (H-sp3) 5 Å C (sp2) 23 Å Si C Procesamiento y caracterización de nanopelículas 10 Å Si substrate Rap. Comm., Surface and Interface Analysis. 39, p.904 (2007). Analytical Sci., 26, p. 267-272 (2010).

  4. Problemas de interés Caracterización de capas interfaz Procesamiento y caracterización de nanopelículas HfO2 Si substrate

  5. Composition? Thicknesses? Abrupt-Interface or Interface-Layer? Problemas de interés Caracterización de capas interfaz Procesamiento y caracterización de nanopelículas HfO2 Interface layer P.G. Mani-Gonzalez, M.O. Vazquez-Lepe, and A. Herrera-Gomez. “Atomic intermixing in ALD-grown hafnia on Si and SiO2/Si.” To be submitted to JAP (2011). Si substrate

  6. Problemas de interés Difusión TaN 1 ML La2O3 Hf O2 RTA (1000°C 10s) 8 Å Si O1.7 N0.3 Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å Si substrate (TEXAS INSTRUMENTS)

  7. Problemas de interés Difusión TaN TaN 1 ML 1 ML La2O3 La2O3 Hf O2 Hf O2 RTA (1000°C 10s) 8 Å 8 Å Si O1.7 N0.3 Si O1.7 N0.3 Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å 15 Å Si substrate Si substrate

  8. Problemas de interés Difusión TaN TaN 1 ML Hf O2 La2O3 La La Hf O2 RTA (1000°C 10s) La La 8 Å ? Å La La Si O1.7 N0.3 Si O? N? Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å ? Å Si substrate Si substrate

  9. Problemas de interés Difusión TaN TaN 1 ML Hf O2 La2O3 Hf O2 RTA (1000°C 10s) 8 Å ? Å Si O? N? La Si O1.7 N0.3 La La La Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å ? Å La La Si substrate Si substrate

  10. Problemas de interés Difusión TaN TaN 1 ML Hf O2 La2O3 Hf O2 RTA (1000°C 10s) 8 Å ? Å La2O3 Si O1.7 N0.3 Si O? N? Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å ? Å Si substrate Si substrate

  11. Problemas de interés Difusión TaN TaN 1 ML Hf O2 La2O3 Hf O2 RTA (1000°C 10s) 8 Å ? Å La2O3 Si O1.7 N0.3 Si O? N? Procesamiento y caracterización de nanopelículas 15 Å ? Å Si substrate Si substrate J. Appl. Phys. 106, p. 053506 (2009).

  12. HfO2 SiO2 Si substrate Problemas de interés Difusión (SEMATECH) cap RTA (1000°C 10s) N N 10 Å N N N ? N N 10 Å N N N N Procesamiento y caracterización de nanopelículas

  13. HfON SiON Si substrate Problemas de interés Difusión (SEMATECH) cap cap HfO2 RTA (1000°C 10s) N N 10 Å N N N SiON N N N N N N 10 Å N N N N N N N N N N Procesamiento y caracterización de nanopelículas Si substrate J. Appl. Phys. 104, p. 103520 (2008).

  14. SiO2 Poly Si Poly Si TiN TaN La cap La2O3 HfO2 Hf-Silicate Si substrate Si substrate Previous Studies of Thermal Stability Log La/Hf Concentration Log Si/Ti Ion counts Both La2O3 and La-Silicate were used in experiments Fig. 9: Backside SIMS showing no La penetration into the Si substrate after high T (1000°C) process IBM Sample Our Sample 1IBM VLSI 2006, V. Narayanan et. al.

  15. Si-bulk Poly Si TaN Hf-based La2O3 Diffusion of Ta, La, or Hf into Si bulkBackside Secondary Ion Mass Spectroscopy: All Samples No diffusion of La, Hf, nor Ta, from any of the samples into the substrate. Anneal recipe: 1000ºC in N2 for 5 seconds. Poly Si Si substrate Magnetic Mass Spec. Uses O2+ HV = 9kV Raster size = 180 um Lens = 150 um Data collected at: North Carolina State – F. Stevie

  16. Sample 1 100% Ta La Hf isoSi O N Vertical magnification x18 80% 400K - Unannealed - Annealed 60% 300K Composition Surface O O 200K 40% Ta Si O N 100K 20% Hf La 128ch 234.59KeV 384ch 373.86KeV 512ch 445.00KeV 1ch 165.00KeV 256ch 304.73KeV 24 48 72 96 120 Depth [Å]

  17. Técnica de Caracterización: ARXPS Por qué ARXPS Procesamiento y caracterización de nanopelículas

  18. Photoemission from core levels

  19. Photoemission from core levels K Vacuum Level VB hv EB 3s 2p1/2, 2p3/2 2s 1s

  20. Photoemission from core levels K Vacuum Level VB hv EB 3s 2p1/2, 2p3/2 2s 1s

  21. Photoemission from core levels K Vacuum Level VB hv EB 3s 2p1/2, 2p3/2 2s 1s Survey spectrum for C films C 1s C Auger Si 2p

  22. Photoemission from core levels K Vacuum Level VB hv EB 3s 2p1/2, 2p3/2 2s 1s Survey spectrum for C films C 1s C Auger Si 2p Survey spectrum for HfSiNO films O 1s Hf 4f O Auger N 1s

  23. 5.9 4.9 3.9 2.9 1.9 0.9 -0.1 109 107 105 103 101 99 97 95 ARXPS experiment ARXPS experiment Técnica de Caracterización: ARXPS Principios de ARXPS Electron Energy Analyzer Si 2p Si-Bulk X-Ray Source 1nm SiO2 Si(001) Procesamiento y caracterización de nanopelículas Intensity (c.p.s.) Sample 25 to 75° SiO2 Binding energy (eV)

  24. lower dependence on angle Peak Area Peak Area Take-Off Angle Take-Off Angle atom closer to the surface atom buried deep

  25. Técnica de Caracterización: ARXPS Principios de ARXPS Si 2p Procesamiento y caracterización de nanopelículas 532.5eV 531.3eV

  26. Técnica de Caracterización: ARXPS Principios de ARXPS Procesamiento y caracterización de nanopelículas Dependencia angular de la intensidad de los picos XPS

  27. Técnica de Caracterización: ARXPS Principios de ARXPS Spurious carbon(0.5ML) 8.4 Å Hf O1.9 Si O1.7 N0.5 15.3 Å Procesamiento y caracterización de nanopelículas Si substrate

  28. Técnica de Caracterización: ARXPS Si 2p 2p3/2 2p1/2 Procesamiento y caracterización de nanopelículas • Espectrómetro hemisférico de siete canales • Fuente monocromática • Al mismo tiempo • Alta estadística • Alta resolución

  29. Técnica de Caracterización: ARXPS Desarrollo de metrología Procesamiento y caracterización de nanopelículas AAligner®: Software de adquisición de datos propietario

  30. Técnica de Caracterización: ARXPS Desarrollo de metrología Procesamiento y caracterización de nanopelículas XPSGeometry®: Software de análisis propietario

  31. Técnica de Caracterización: ARXPS Desarrollo de metrología Procesamiento y caracterización de nanopelículas AAnalyzer®: Software de análisis propietario

  32. Técnica de Caracterización: ARXPS Desarrollo de metrología Procesamiento y caracterización de nanopelículas Actualización y corrección de estándares de la ASTM e ISO

  33. Procesamiento de Nanopelículas Atomic Layer Deposition HfO2 Si Procesamiento y caracterización de nanopelículas

  34. Procesamiento de Nanopelículas Sputtering (necesidad) Procesamiento y caracterización de nanopelículas • Presión base en el rango de 10-8 Torr (con precámara) • Necesario para depósito de TiN o TaN sin óxidos • TaN y TiN usados como el metal en MOS y como capa protectora

  35. Recursos Humanos y Líneas de Investigación CINVESTAV-Unidad Querétaro: 21 prof., 7 nivel III SNI,13 nivel II, y 1-I, • Francisco Espinoza • Nanopartículas por Aleado Mecánico (molino de bolas) • Películas multicapas (superredes) crecidas por sputtering (hard coatings) • Microsonda (Electron Probe for Micro Analysis) • AFM (propiedades mecánicas y ferroeléctricas) • Gabriel Luna • Bionanocompositos • Nanopartículas de plata y oro estabilizados en matrices de biopolímeros • Alejandro Manzano • Nanotubos en matrices poliméricas • Juan Muñoz • Nanoindentación • Francisco Pérez • Nanotubos de carbono por CVD sin dopar y dopados • Membranas poliméricas dopadas con nanotubos de carbono para celdas de combustible de alta temperatura • Rafael Ramírez • Nanopelículas para electrónica flexible • Nanoestructuras en zeolitas • Catálisis • Aldo Romero • Modelado de propiedades físicas y químicas de nanoestructuras (métodos semiempíricos, dinámica molecular, DFT) Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

  36. Infraestructura y Equipo • Laboratorios • Equipo de caracterización • Microsonda JXA-8530F HyperProbe EPMA • AFM-SPM Nanoscope IV-Dimension 3100 • Nanoindentador (Ubi1 Hysitron, Ibis Fischer-Cripps) • XRD (Rigaku Utilma IV, Rigaku D/Max 2000) • XPS (Thermo-Fisher-Intercovamex) • Zetasizer de Malvern (partículas 0.8 nm a 6 micras) • Nanosizer de Colloidal Dynamics (partículas 20 nm a 10 ) • Equipo de procesamiento • Molino de bolas (Spex 8000, Pulverisette 6 Fritsch, …) • ALD • Magnetron Sputtering (DC, pulsed DC, RF) • Sol-Gel • CVD (National Instruments) Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

  37. Posgrados • Maestría en Ciencias, Especialidad en Materiales • actuales 40 • graduados 70 • Doctorado en Ciencias, Especialidad en Materiales • actuales 60 • graduados 56 Nanociencia y la Nanotecnologia en Cinvestav-Qro

  38. Colaboraciones Actuales • SEMATECH (Patrick Lysaght & Paul Kirsch) • A robust metrology approach based on ARXPS for the characterization of nanofilms • HITACHI-GST (Eric Sun & Eric Flint) • The Structure of Carbon Films from High Resolution ARXPS • Applied Materials (Giusepinna Conti & Yuri Uritsky) • Issues affecting the performance of the Theta-Probe • Texas A&M University (Raymundo Arroyave, Rusty Harris) • Indium diffusion through dielectric nanofilms • INAOE (Joel Molina) • Correlación entre la estructura de nanopelículas de óxido de hafnio con sus propiedades funcionales • CIMAV (Servando Aguirre & Francisco Espinosa) • Método discreto y contínuo para la caracterización del espesor de nanopelículas • IPN (Alicia Rodríguez) • Modificación al background tipo Shirley en el análisis de datos de XPS Colaboraciones

  39. Colaboraciones Deseadas • All-electron first principle calculation • EELS C (H-sp3) 5 Å C (sp2) 23 Å Colaboraciones Si C 10 Å Si substrate

  40. Colaboraciones Deseadas • Exportar la metodología ARXPS propia (Grenoble) Colaboraciones

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