Investigação das etapas iniciais do crescimento térmico de dióxido de silício sobre carbeto de silício

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo estudar as etapas iniciais da oxidação térmica seca do carbeto de silício (SiC). Para esse fim, amostras de SiC monocristalino do politipo 4H (4H-SiC), polidas em ambas faces C e Si, foram oxidadas em reator de atmosfera estática por diferentes durações, temperaturas e pressões de 18O2. A utilização de oxigênio enriquecido no isótopo 18 para realizar as oxidações permite utilizar técnicas de reação nuclear (NRA) para determinar a quantidade de átomos de 18O incorporados nos tratamentos térmicos. Os dados obtidos permitiram determinar a espessura do filme fino de dióxido de silício (SiO2) formado e a cinética da oxidação térmica seca do SiC. Além disso, foi verificado que a face C (0001) oxida cerca de 10 vezes mais rápido que a face Si (0001), e que a pressão influencia de modo a favorecer a oxidação da face (0001). As energias de ativação para os processos que ocorrem na interface durante as etapas iniciais da oxidação foram determinadas como sendo 1,4, 1,5 e 1,8 eV para as oxidações da face C feitas com pressões de 18O2 equivalentes a 100, 150 e 200 mbar, respectivamente. Tendo em mente o modelo “Emissão de Si e C”, proposto para descrever a cinética de oxidação do SiC, foi sugerido que os processos interfaciais de emissão de átomos de Si e C do substrato para região interfacial e também a reação de oxidação na interface contribuem para a etapa limitante do crescimento térmico de filmes óxidos com ~5 a ~25 nm de espessura.

The present work aims the study of silicon carbide's (SiC) thermal dry oxidation initial steps. In order to achieve this goal, single crystalline samples of the 4H polytipe (4H-SiC), polished on both carbon (0001) and silicon (0001) faces, were oxidized in a static atmosphere quartz-tube reactor for different times, temperatures and pressures in 18O2. Using 18O2 as the oxidant species allows us to use nuclear reaction techniques (NRA), to determine the amount of 18O atoms incorporated during the thermal oxidation. Collected data allowed us to determine silicon dioxide's (SiO2) thin film thickness and the oxidation kinetics of dry thermal SiC oxidation. Besides, it was found that the C-face's oxide growth rate is about 10 times larger than Si-face's oxide growth rate and that pressure enhances C-face oxidation rate. Activation energies were determined to be 1.4, 1.5 and 1.8 eV for the initial C-face oxidation processes, for samples oxidized under 100, 150 and 200 mbar, respectively. Based on the "Si and C Emission" model for SiC oxidation, it was suggested that the interfacial emission of Si and C atoms as well as the interfacial reaction contribute to the limiting step of thermal oxide growth of ~5 to ~25 nm thick SiO2 films.