Growth and characterization of thin SiO2 and Ta2O5 dielectric layers by Nd: Yag laser oxidation

Abstract

öz Nd:YAG LASER OKSİTLEME YÖNTEMİ KULLANILARAK İNCE Si02 VE Ta205 DİELEKTRİK TABAKALARIN BÜYÜTÜLMESİ VE KARAKTERİZE EDİLMESİ Aygün Özyüzer, Gülnur Doktora, Fizik Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Raşit Turan Ortak Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Sinan Bilikmen Nisan 2005, 136 sayfa Amacımız, yarıiletken ve metal yüzeylerin lazer yardımıyla oksitlenmesi için bir yöntem geliştirmekti. Lazer ile oksitlemenin avantajlarından birisi, lazer ışınının çok ince bir yüzey tabakası içerisinde soğurulması gerçeği ve diğer avantajı ise oksitlemenin bölgesel olarak yapılabilmesidir. Buna ilave olarak, diğer işlemler aracılığıyla ulaşılamayan bazı bölgelere lazer ile ulaşmak mümkündür. Bu sebeplerden dolayı, 1064 nın dalga boyunda çalışan Nd:YAG darbeli lazeri, Si ve Ta ince filmini oksitlemek amacıyla kullanılmıştır. İlk olarak, farklı oksijen basıncı ve lazer güçleri için SİO2 tabakaları elde edildi. SİO2 tabakalarının kalınlığı, kincilik indisi, yapısı, dielektrik, elektrik ve opriksel özellikleri belirlenmiştir. Lazer gücü için, yüzey erimesi olmadan oksitlenmenin oluştuğu, bir aralığın bulunduğunu tespit ettik. Oksitleme işlemi, alttaş sıcaklığından (673 - 748 K) daha ziyade lazer gücü tarafından kontrol edilir. VIMümkün olabilen yüksek alttaş sıcaklıklarında ve 3.36 J/cm2 değerinden daha yüksek olan lazer gücünde büyütülen oksitin, daha iyi film kalitesine sahip olduğu durumu bulunmuştur. îkinci olarak, Ta205'nin yüksek dielektrik sabiti, yüksek kırılma voltajı ve nispeten küçük olan kaçak akım değerleriyle Si02'nin yerini alabilecek en iyi adaylardan birisi olması sebebinden dolayı, rf-sputter yöntemiyle elde edilen Ta tabakaları lazer kullanılarak oksitlendi. Alttaş sıcaklığının, ara-durum oksit değerleri az olan daha yoğun tabakalar elde etme bakımından önemli bir parameter olduğu ve yaklaşık olarak 350°C ile 400°C arasındaki alttaş sıcaklığının en uygun alttaş sıcaklığı olduğu bulunmuştur. înce filmler (20 - 25 nm kalınlığa kadar) 350 ile 400°C arasındaki alttaş sıcaklığında büyütüldüğünde ve kaim filmler (40 nm) ise 300 ile 350°C alttaş sıcaklığında büyütüldüğünde, 3 - ortorombik kristal yapısına sahip olduğu sonucu elde edildi. Lazer ile büyütülen ince tantalum oksit filmlerinin kincilik indisi değeri 1.9 ile 2.2 arasında değişmekte olup bulk Ta205'm kırıcılık indisi değerine (2.0 - 2.2) oldukça yakındır. Oksit kalınlıkları, düzgün Gaussian şeklinde olup başlangıçtaki Ta filminin yaklaşık olarak iki katı kalınlıktadır. Etkin dielektrik sabiti değerleri, alttaş sıcaklık değeri 250°C'den 400°C'ye artırıldığında, yaklaşık olarak 26'ya ulaşmıştır. Kaçak akım yoğunluğu seviyesinin artan alttaş sıcaklığı ile azaldığı gösterilmiştir. Buna rağmen, filmlerin kincilik indisi değerleri ısıtılarak büyül^enlerinkinden daha küçüktür. Düşük kincilik mdisinin sebebi, lazerle oksitleme esnasmda elde edilen yapının gözenekli olmasından kaynaklanıyor olabilir ve oksitleme sonrası ısıtma işlemleri aracılığıyla iyileştMlebilinir. Anahtar kelimeler : SİO2, Ta2Os, Nd:YAG lazer ile oksitleme, XPS, MOS yapılar, yansıma ve kincilik indisi. VU

ABSTRACT GROWTH AND CHARACTERIZATION OF THIN Si02 AND Ta205 DIELECTRIC LAYERS BY Nd:YAG LASER OXIDATION Aygün Özyüzer, Gülnur Ph. D., Department of Physics Supervisor: Prof. Dr. Raşit Turan Co-Supervisor: Prof. Dr. Sinan Bilikmen April 2005, 136 pages Our aim was to establish a methodology for laser assisted oxidation of semiconductor and metal surfaces. One advantage of laser oxidation is the fact that radiation is heavily absorbed in a thin surface layer of the sample and the other is its ability for local oxidation. In addition to this, laser beam can be directed into some areas that other processes cannot reach. For these reasons, Nd:YAG pulsed laser working at 1064 nm wavelength is used for the oxidation purposes of Si and Ta films. First, SİO2 layer was obtained for various O2 pressures and laser powers. The thickness, refractive index, structural, dielectric, electrical and optical characteristics of the SİO2 layers have been determined. We have established that there exists an interval of laser power in which the oxidation occurs without surface melting. The oxidation process is controlled by the laser power rather than by the substrate IVtemperature (673 - 748 K). It was found that better film quality is obtained at higher substrate temperatures and laser power greater than 3.36 J/cm2. Second, rf-sputtered Ta films were oxidized by laser, because Ta205 appears to be a good promising candidate to replace SİO2 because of its high dielectric constant, high breakdown voltage and relevant small leakage current values. It was found that the substrate temperature is an important parameter to obtain denser layers with reduced amount of suboxides and the most suitable substrate temperature range is around 350°C to 400°C. P-orthorhombic crystal structure was obtained when the substrate temperature is 350 - 400°C for thinner films (up to 20 - 25 nm) and 300 - 350°C for thicker films (40 nm). The refractive index values of laser grown thin tantalum oxide films were between ~1.9 and 2.2 being close to those of bulk TaaOs (2.0 - 2.2). Oxide thicknesses in uniform Gaussian-like shapes were measured as around the twice of those initial Ta films. Effective dielectric constant values reached ~26 when the substrate temperature was increased from 250°C to around 400°C. It was shown that the leakage current density level decreases with increasing substrate temperature. However, the refractive index values of the films were smaller than those of thermally grown films. Porous structure formed during laser oxidation might be the reason for lower refractive indices and can be improved by post-oxidation annealing. Keywords: SİO2, Ta20s, NdrYAG laser oxidation, XPS, MOS structures, reflectance and refractive index.