Une équipe de chercheurs d'Aix Marseille Université à Marseille, La France dirigée par le Dr Frédéric Leroy a développé une technique qui leur permet de suivre les processus physiques se produisant à la surface des matériaux au niveau atomique in situ et en temps réel. Ce nouveau procédé a permis à l'équipe de recherche d'étudier la cinétique de décomposition d'une couche mince de dioxyde de silicium déposée sur du silicium lors d'un traitement thermique, un élément critique de la micro-électronique. L'approche est basée sur les principes de la microscopie électronique.
Le dioxyde de silicium est l'un des éléments constitutifs les plus importants de la micro-électronique et sa stabilité thermique est essentielle aux performances de l'appareil. La décomposition d'une fine couche de dioxyde de silicium sur du silicium fait l'objet d'un grand intérêt scientifique depuis quatre décennies. Des études antérieures montrent que la décomposition se produit de manière non homogène en surface via la formation locale de trous dans la couche d'oxyde qui s'étendent latéralement. Comprendre les processus atomiques élémentaires responsables de la vitesse d'ouverture de ces trous est nécessaire pour améliorer les performances de l'oxyde de silicium.
Pour que l'équipe de recherche puisse mieux comprendre les propriétés des nanomatériaux, des outils de caractérisation avancés étaient nécessaires.
« Il fallait pouvoir caractériser la structure (cristallographie, Taille, forme) et les propriétés chimiques à la fois et de pouvoir suivre in situ et en temps réel les évolutions au cours d'un processus donné pour un retour rapide sur les paramètres expérimentaux, " a expliqué Leroy. " Notre approche basée sur la microscopie électronique à basse énergie est la pierre angulaire de nos réalisations. "
Cependant, même avec le nouvel instrument, l'équipe a rencontré des défis. L'obtention de mesures en temps réel de la décomposition thermique du dioxyde de silicium était particulièrement difficile puisque le processus complet se déroule en quelques minutes seulement dans une fenêtre de température étroite.
"Il était impossible d'ajuster tous les paramètres de contrôle du microscope électronique avant le début du processus de décomposition car le dioxyde de silicium est amorphe, il a donc fallu ajuster finement les réglages en quelques secondes dès que l'oxyde se décompose afin de caractériser l'ensemble du processus, " expliqua Leroy.
Cependant, la mesure méticuleuse a donné des résultats surprenants. Leroy et son équipe de recherche ont trouvé des preuves expérimentales que le processus de décomposition n'était pas initialement dans un régime d'état stable comme les études précédentes l'avaient soutenu.
"Nos résultats impliquent que la vision conventionnelle d'un régime stationnaire pour la décomposition du dioxyde de silicium se rapporte à une réaction simplifiée Si+SiO2-> 2SiO(g) apparaissant au bord du trou n'est généralement pas vrai, " dit Leroy. Au lieu de cela, les résultats de l'équipe impliquent que la décomposition du dioxyde de silicium se produit via la nucléation des trous et l'ouverture avec une forme circulaire. La vitesse d'ouverture des trous est intimement liée à la vitesse de décomposition du dioxyde de silicium à la périphérie des trous. Initialement, les grands trous s'ouvrent rapidement grâce à une réaction chimique catalysée par des espèces telles que les hydroxyles de Si présents à l'intérieur du trou. Les chercheurs soupçonnent que ces espèces s'agglomèrent lors d'un long recuit thermique et sont libérées à l'intérieur des trous lors de la décomposition du dioxyde de silicium.
Les principales applications de ces travaux sont en micro-électronique, en particulier toutes les étapes de traitements thermiques.
"Nous avons montré que le dioxyde de silicium formé par un traitement chimique humide est très défectueux après un long recuit thermique, " Leroy a déclaré. "La prochaine étape de nos recherches consiste à étudier l'interaction entre les réactions chimiques et l'amélioration de la mobilité des nanostructures."
