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Novos dielétricos de porta para eletrônica em
escala nanométrica o papel do hidrogênio

• Carlos Driemeier
• Orientador Prof. Israel J. R. Baumvol
• Grupo de físico-química de superfícies e
  interfaces sólidas
• VI MostraPG (9/8/2007)

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Qual o tamanho de um MOSFET?
MRSBulletin, 31, 906 (2006)
3
Evolução da tecnologia do silício
Adaptado de http//www.intel.com/technology/moores
law/
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Dielétricos de alto-k
kSiO2 3,9 kHfO2 22
Adaptado de APL, 81, 2091 (2002).
Óxidos e silicatos de háfnio são os principais
candidatos a dielétricos de porta de alto-k.
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Os defeitos
O dielétrico de porta tem cerca de 1016 átomos
por cm2. porém, deve ter menos de 1011 defeitos
eletricamente ativos por cm2, ou seja, menos de
1 defeito ativo para cada 100.000 átomos. H é um
elemento químico onipresente e é um defeito
potencialmente ativo nos dielétricos de porta. É
preciso compreender o papel do H
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Papel do H passivação da interface
H
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Outro papéis do H
H H/defeito ? H2 defeito
ativo
inativo
H intersticial é carga fixa (reduz mobilidade
no canal)
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Laboratório de Implantação Iônica
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Laboratório de Superfícies e Interfaces Sólidas
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(No Transcript)
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Preparação das amostras

• p-Si(100)
• 1,5 nm SiO2 térmico
• 2,5, 5 ou 9 nm HfO2 por MOCVD

Exposição à água

• Ativação (800 oC, 30 min, 10-7 mbar)
• Exposição a D218O (25C, 30 min, 10 mbar)
• 10 mbar equivale a 30 umidade relativa a 25C e
  107 monocamadas/s

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Onde D e 18O incorporam ?

• Densidades de D a 18O não dependem do tempo de
  exposição nem da espessura do HfO2.
• Remoção química a 210 oC em H2SO4. Espessura
  medida por RBS.
• D em regiões da superfície e interface.
• Perfil diferente de 18O

Densidades normalizadoras 1.0 x 1015 18O cm-2 e
1.0 x 1014 D cm-2
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Superfície do HfO2 por XPS

• Exposição in situ a H2O forma hidroxilas na
  superfície.
• D na superfície atribuído às hidroxilas.
• Processos de adsorção/dessorção são cíclicos
  (reações reversíveis).

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(No Transcript)
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Deficiência de O e incorporação de D em HfSixOy
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Cálculos de primeiros princípiosH em HfSixOy
deficiente em O

• Substitucional de Si em HfO2 monoclínico
• Remoção de O em sítios próximos ao Si
• Interação de H com as vacâncias de O
• Cálculos usando Density Functional Theory

HfSixOy(V) H(dist) ?
HfSixOy(V) H(próx) HfSixOy(V) H(próx)
H(dist) ? HfSixOy(V) 2H(próx)
?E -1,6 eV ?E -2,1 eV
A captura de 2Hs na vacância é energeticamente
favorável.
Colaboração com L. C. Fonseca
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Passivação dos estados no gap
A presença de 2Hs na vacância remove da banda
proibida os estados eletrônicos do defeito.
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Novos dielétricos de porta para eletrônica em
escala nanométrica o papel do hidrogênio

• Carlos Driemeier
• Orientador Prof. Israel J. R. Baumvol
• Grupo de físico-química de superfícies e
  interfaces sólidas
• VI MostraPG (9/8/2007)