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This diploma thesis presents experimental evidence of a theoretical concept which predicts the self-organization of delta-layers of silicon nanoclusters in the buried oxide of a MOS-like structure. This approach of "bottom-up" structuring might be of eminent importance in view of future semiconductor memory devices. Unconventionally, a 15nm thin SiO2 layer, which is enclosed by a 50nm poly-Si capping layer and the Si substrate, is irradiated with Si+ ions. Ion impact drives the system to a state far from thermodynamic equilibrium, i.e. the local composition of the target is modified to a degree unattainable in common processes. A region of SiOx (x<2) - where x is a function of depth - is formed which is not stable. During annealing, the system relaxes towards equilibrium, i.e. phase separation (via spinodal decomposition and nucleation) sets in. Within a certain time window of annealing, the structure of the system matches with a structure similar to the multidot non-volatile memory device, the principal character of which is a 2D layer of Si nanoclusters of ~3nm in diameter which is embedded in a 3D SiO2 matrix at a distance of ~3nm from the Si substrate. The physical mechanisms of ion mixing of the two Si-SiOx interfaces and subsequent phase separation, which result in the desired sample structure, are elucidated from the viewpoint of computer simulation. In addition, experimental evidence is presented based on various methods, including TEM, RBS, and SIMS. Of particular importance is a novel method of Si nanocluster decoration which applies Ge as contrast enhancing element in TEM studies of tiny Si nanoclusters.

This diploma thesis presents experimental evidence of a theoretical concept which predicts the self-organization of delta-layers of silicon nanoclusters in the buried oxide of a MOS-like structure. This approach of "bottom-up" structuring might be of eminent importance in view of future semiconductor memory devices. Unconventionally, a 15nm thin SiO2 layer, which is enclosed by a 50nm poly-Si capping layer and the Si substrate, is irradiated with Si+ ions. Ion impact drives the system to a state far from thermodynamic equilibrium, i.e. the local composition of the target is modified to a degree unattainable in common processes. A region of SiOx (x<2) - where x is a function of depth - is formed which is not stable. During annealing, the system relaxes towards equilibrium, i.e. phase separation (via spinodal decomposition and nucleation) sets in. Within a certain time window of annealing, the structure of the system matches with a structure similar to the multidot non-volatile memory device, the principal character of which is a 2D layer of Si nanoclusters of ~3nm in diameter which is embedded in a 3D SiO2 matrix at a distance of ~3nm from the Si substrate. The physical mechanisms of ion mixing of the two Si-SiOx interfaces and subsequent phase separation, which result in the desired sample structure, are elucidated from the viewpoint of computer simulation. In addition, experimental evidence is presented based on various methods, including TEM, RBS, and SIMS. Of particular importance is a novel method of Si nanocluster decoration which applies Ge as contrast enhancing element in TEM studies of tiny Si nanoclusters.

Thesis (PhD (Physics))--Stellenbosch University, 2008. / The advent of high intensity short pulse lasers has opened the door to investigating buried solid-solid interfaces through the technique of optical second harmonic generation (SHG). This has led to extensive study of technologically important systems such as the Si/SiO2 interface. In this study, SHG is employed to study the interface between highly boron doped p+-type Si and its native oxide layer (SiO2). Previous studies from this laboratory have extensively investigated the photo-induced charge transfer process across the Si/SiO2 interface in the case of undoped natively oxidized Si by means of SHG, with initial SHG measurements being performed on boron doped p+-type Si. The natively oxidized p+-type Si/SiO2 sample was placed on a computer controlled positioning system which allowed for translation of the sample and rotation around the azimuth. The laser system employed was characterized in terms of spectral composition, pulse duration, pulse repetition rate, spatial pro le and pulse energy in order to ensure quantitative measurements. The SHG signal generated from the sample interface was recorded in re ection. Under the applied irradiation conditions, defects are created at the interface by the near infra red (NIR) femtosecond radiation from the laser. These defects are then populated via multi-photon processes by electrons and to a lesser extent holes. The charge transfer across the interface induces an interfacial electric eld. This photo-induced electric eld is in addition to the built-in interfacial electric eld caused by positive ionization of naturally occurring interfacial defects due to the strong doping of the bulk Si. It is this interfacial electric eld, consisting of the built-in doping induced eld and the photo-induced electron and hole elds, that is probed by SHG. The SHG signal is strongly dependent on the magnitude of this interfacial electric eld as the electric eld induced second harmonic (EFISH) signal dominates all other contributions to the observed SHG signal in the case of the Si/SiO2 system. The temporal evolution of the SHG signal is recorded for di erent intensities from virgin as well as the pre-irradiated samples. This yields information about the time scales on which the charge separation occurs as well as the in- uence of existing photo-induced trap sites on the charge separation process, since the strength of the SHG signal is an indirect measure of the interfacial electric eld strength. The angular dependence of the SHG signal (SH rotational anisotropy measurements) for both the initial signal (when the doping induced electric eld dominates) and the saturated signal (when the electron induced electric eld dominates) is measured. Both these measurements show a four fold symmetry but with a relative 45 phase shift between them. This iii is taken as con rmation of the reversal of the interfacial electric eld direction. The initial SHG signal as a function of intensity is also recorded for di erent incident wavelengths. The variation in the non-quadratic dependence of the initial SHG signal on the incident intensity is attributed to a resonant enhancement of two-photon absorption and subsequent screening of the interfacial electric eld by charge carriers. The measurement performed and the results obtained contribute to the understanding of the photo-induced charge separation process across buried solid-solid interfaces, speci cally as it applies to the important Si/SiO2 interface.

La tendance permanente à la réduction des dimensions des composants de la microélectronique mène à la fabrication de couches d'oxydes de plus en plus fines. Afin de poursuivre cette miniaturisation, le recours à la caractérisation de ces couches, impliquant la connaissance parfaite de l'interface Si/SiO2, devient incontournable. Des simulations précises et prédictives des procédés aux échelles atomiques et microscopiques peuvent aider à cette caractérisation. Notre étude consiste en la détermination des premiers stades de l'oxydation thermique d'un substrat de silicium grâce à la mise en oeuvre d'une approche multi échelles. L'utilisation des calculs ab initio permet l'identification des propriétés locales des mécanismes élémentaires de l'oxydation à l'échelle atomique en termes de structures atomiques et électroniques, d'énergies d'activation de diffusions& La croissance d'oxyde selon les procédés de fabrication peut être reproduite par le développement d'un simulateur Monte Carlo cinétique à partir des mécanismes réactionnels identifiés. Le recours au Monte Carlo cinétique est nécessaire pour atteindre des échelles de temps et d'espace suffisantes pour simuler les procédés de fabrication. Nous avons réalisé des calculs ab initio à l'échelle atomique et développé un code Monte Carlo cinétique nommé Oxcad afin d'appréhender, de caractériser et de simuler les premières étapes de l'oxydation thermique d'une surface de silicium.

Ce mémoire a pour but d'apporter une contribution dans le domaine de la caractérisation électrique de l'interface Silicium-Oxyde.<br /> Les deux premiers chapitres sont consacrés à des rappels sur le système Si-SiO2 et à la présentation des principales méthodes de caractérisation électriques qui ont permis d'apporter des informations sur les états dits « lents », états situés dans l'oxyde au voisinage de l'interface et communiquant avec le semiconducteur par effet tunnel. Dans le troisième chapitre un modèle ayant pour but d'extraire à partir de mesures de pompage de charges, le profil en profondeur des défauts de l'interface Si-SiO2 est proposé. Ce modèle, qui prend en compte à la fois les états rapides et les états lents, est basé sur la statistique de Shockley-Read-Hall et sur un modèle de capture des porteurs par effet tunnel (modèle d'Heiman et Warfield). La validité de ce modèle est d'abord discutée. Il est ensuite montré que les liens faits dans certaines publications entre les courbes de pompage de charges et la présence d'un dopage non uniforme au voisinage des régions de source et de drain des transistors sont à reconsidérer. Les profils en profondeur de défauts extraits pour la première fois et pour un grand nombre de dispositifs de différentes technologies, depuis l'interface jusqu'à environ une quinzaine d'angströms dans l'oxyde, sont de la forme Nt(x) = Ntsexp(-x/d) + Nt0. Le premier terme de cette relation correspond aux défauts d'interface à proprement parler, le deuxième correspond aux défauts de la couche dite « contrainte » de l'oxyde. Ces résultats, confortés de différentes manières, sont corrélés avec les résultats de la littérature obtenus par les méthodes physiques de caractérisation de l'interface. Deux applications de la technique sont présentées. La première porte sur l'évolution des paramètres de l'interface en fonction de la concentration en azote d'oxynitrures obtenus par RTCVD. La seconde consiste en l'étude de la dégradation de l'interface Si-SiO2 sous injection Fowler-Nordheim et permet de connaître l'évolution avec la contrainte de la densité des états lents par rapport à celle des états rapides. Finalement, la comparaison avec la spectroscopie de bruit permet une corrélation claire entre l'évolution avec la dose injectée des caractéristiques des profils de pièges et la pente des spectres du bruit en 1/f.

Ce travail contribue à l’évaluation de la technique de génération de seconde harmonique induite par un champ électrique quasi statique, ou technique EFISHG, appliquée au domaine de la microélectronique. Une description du principe de la technique EFISHG, basé sur l’optique non linéaire, permet d’appréhender l’origine physique de cette méthode. Un état de l’art a permis d’identifier deux champs d’applications liés à la microélectronique : l’analyse de défaillance, via la mesure en temps de réelle des variations de champs électriques internes dans les circuits intégrés, et la fiabilité par l’étude du piégeage de charges à l’interface Si/SiO2 et de la dégradation dite de « Negative Bias Temperature Instability » ou NBTI. Ce manuscrit présente les différentes étapes qui ont permis l’élaboration d’un banc de test en vue de l’évaluation de l’applicabilité de la technique EFISHG à ces problématiques. Les résultats expérimentaux obtenus avec ce montage ont permis de mettre en avant les possibilités qu’offre la technique EFISHG à caractériser et à accélérer le vieillissement NBTI. / This work concerns the elaboration of an industrial method for Single Event Effect (SEE) sensitivity testing on integrated circuits. The concerned SEEs are those produced by heavy ions and are mainly Single Event Upset (SEU) and Single Event Latchup (SEL). The original test approach chosen in this study relies on the use of infrared laser pulses striking the backside of the tested device. Laser pulse and heavy ion interaction with semiconductor materials are described and a presentation of the particle accelerator test and some former laser test methods is also given. Advantages and drawbacks of those two techniques are discussed. The developed experimental setup uses a near infrared fiber coupled Neodyme/YAG pulsed laser. Its different elements are described. Using this tool to characterise the SEU sensitivity of several modern SRAMs has allowed to define a test methodology. Its efficiency is discussed and illustrated by different experimental results.

Ce travail contribue à l'évaluation de la technique de génération de seconde harmonique induite par un champ électrique quasi statique, ou technique EFISHG, appliquée au domaine de la microélectronique. Une description du principe de la technique EFISHG, basé sur l'optique non linéaire, permet d'appréhender l'origine physique de cette méthode. Un état de l'art a permis d'identifier deux champs d'applications liés à la microélectronique : l'analyse de défaillance, via la mesure en temps réelle des variations de champs électriques internes dans les circuits intégrés, et la fiabilité par l'étude du piégeage de charges à l'interface Si/SiO2 et de la dégradation dite de " Negative Bias Temperature Instability " ou NBTI. Ce manuscrit présente les différentes étapes qui ont permis l'élaboration d'un banc de test en vue de l'évaluation de l'applicabilité de la technique EFISHG à ces problématiques. Les résultats expérimentaux obtenus avec ce montage ont permis de mettre en avant les possibilités qu'offre la technique EFISHG à caractériser et à accélérer le vieillissement NBTI.