Structural, optical and electrical study of silicon oxynitride thin films deposited by reactive radiofreqency sputtering

Etude structurale, optique et électrique de couches minces d'oxynitrure de silicium déposées par pulvérisation cathodique radiofréquence réactive

Farida Rebib (1)

1 ICCF - Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

The aim of this work is to study the structural, optical and electrical properties of silicon oxynitride deposited by reactive radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary compound by sputtering a silicon target in plasma containing at once argon, oxygen and nitrogen is complex because of the presence of an instability region of the reactive process. The analysis of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring of some characteristics (total pressure, bias voltage) as function of sputtering parameters (flow and composition of the gas mixture, discharge power) allowed us to determine the suitable conditions to deposit SiOxNy thin films. By only varying the reactive gas flow rates ratio, we have deposited silicon oxynitride layers with composition varying, quite linearly, between those of silicon nitride and silicon oxide. We obtained amorphous layers whose structure is described by a mixture of SiO2 and Si3N4 nanophases incorporated in an amorphous SiOxNy phase. Silicon dangling bonds were also detected. The films showed interesting optical properties (refractive index, optical gap) and dielectrical properties (permittivity, resistivity) which were found to vary with their composition and structure.

Cette étude concerne les propriétés structurales, optiques et électriques des couches minces d'oxynitrure de silicium ( SiOxNy) élaborées par pulvérisarion cathodique radiofréquence d'une cible de silicium dans un plasma argon-oxygène-azote. La zone d'instabilité de ce procédé réactif a été précisée par spectroscopie d'émission optique et par le suivi de la pression totale et du potentiel d'autopolarisation. Les conditions adéquates d'élaboration qui ont été définies, ont permis de déposer des films dont la composition varie presque linéairement, entre celles du nitrure et de l'oxyde de silicium. Ces couches sont formées par un mélange de nanophases de type SiO2 et Si3N4 incorporées dans une phase de SiOxNy amorphe. Des liaisons pendantes ont aussi été détectées sur les atomes de silicium. Les dépôts présentent des propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique) et des propriétés diélectriques très intéressantes et variables en fonction de leur composition et de leur structure

Mots clés: reactive r.f. sputtering; instability; OES; thin films; FTIR; EPR; ellipsometry; C-V and I-V measurements

Mots clés: pulvérisation r.f. réactive; instabilité; SEO; SiOxNy; couches minces; RBS; IRTF; XPS; RPE; ellipsomètrie; UV-visible; mesures C-V et I-V

Domaines: Chimie analytique; Matériaux

Farida Rebib. Etude structurale, optique et électrique de couches minces d'oxynitrure de silicium déposées par pulvérisation cathodique radiofréquence réactive. Chimie analytique. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2006. Français. ⟨NNT : 2006CLF21714⟩. ⟨tel-00717306⟩