Characterization of the interface of high-k praseodymium oxide thin films on silicon surfaces
Caractérisation de l'interface de couches minces d'oxyde de praséodyme "High-K" sur surfaces de silicium
Résumé
The goal of this project has been to investigate, at the atomic scale and from the very early stage, the growth of praseodymium oxide on silicon (111) and (001) oriented substrates. The study focuses on characterizing the structural, chemical, and electronic properties of Pr2O3 deposited on both Si(111) and Si(001) substrates, with emphasis on the latter, which is of more technological importance. This rare-earth oxide has been considered recently as a good "high-k'' candidate to substitute SiO2 as a gate oxide in CMOS transistors for further down scaling of devices. In this process, surfaces and interfaces begin to dominate the silicon device performances, due to the large surface to volume ratio. While the surfaces and interfaces are of increasing importance for electronic devices, such low-dimensional structures are difficult to study. In this context, brilliant synchrotron radiation is a valuable tool, which we employed here for X-ray diffraction and photoelectron spectroscopy analysis. The obtained results are complemented by other surface science techniques such as scanning tunneling microscopy, Auger electron spectroscopy, and low energy electron diffraction. It is found that an epitaxial hexagonal Pr2O3 layer can be grown on the (111) surface. On the (001) surface, an ultra thin layer of cubic Pr2O3 is covered by Pr-silicate upon further growth. Since the atomically clean surfaces are the starting point for the growth, they have been characterized as well. In particular, the atomic structure of the Si(001)-2x1 reconstructed surface has been analyzed.
L'objectif de ce travail a été d'étudier, à l'échelle atomique et depuis les tous premiers stades, la croissance de l'oxyde de praséodyme sur des substrats de silicium orientés (111) et (001). L'étude se focalise sur la caractérisation des propriétés structurales, chimiques, et électroniques de Pr2O3 déposé sur Si(111) et Si(001), avec un accent plus particulier sur cette dernière surface, importante sur le plan technologique. Cet oxyde de terre-rare a été considéré ces dernières années comme un bon candidat "high-k'' pour se substituer à SiO2 comme oxyde de grille dans les transistors CMOS, afin de "miniaturiser'' davantage les composants électroniques. Dans ce contexte, les propriétés des surfaces et des interfaces commencent à dominer sur les performances des dispositifs à base de silicium, puisque le rapport surface/volume augmente. Comme les basses dimensions de ces structures les rendent difficilement étudiables, la brillance de la radiation synchrotron a été employée pour des analyses de diffraction des rayons X et de spectroscopie de photoélectrons. Les résultats ont été complétés par d'autres techniques de science des surfaces, telles que la microscopie à effet tunnel, la spectroscopie Auger et la diffraction d'électrons à basse énergie. Une couche epitaxiale de Pr2O3 hexagonal a été trouvée sur Si(111). Sur la surface (001), une couche ordonnée de Pr2O3 cubique est recouverte par un silicate. Puisque les surfaces atomiquement propres sont le point de départ de la croissance, elles ont également été caractérisées. En particulier, la structure atomique de la surface reconstruite Si(001)-2x1 a été analysée.