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

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). Qual o tamanho de um MOSFET?. MRSBulletin, 31 , 906 (2006).

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

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  1. 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)

  2. Qual o tamanho de um MOSFET? MRSBulletin, 31, 906 (2006)

  3. Evolução da tecnologia do silício Adaptado de http://www.intel.com/technology/mooreslaw/

  4. MOSFET metal metal alto-k SiO2 Si Si maior espessura física mesma capacitância mesma espessura equivalente 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.

  5. Os defeitos O dielétrico de porta tem cerca de 1016átomos por cm2. porém, deve ter menos de 1011defeitos 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

  6. Si Si O estados de interface Si Si O 0/- Si Si Si gap do Si +/0 O Si Si eletricamente inativos O Si Si 0/- gap do Si +/0 SiO2 SiO2 Si Si Papel do H: passivação da interface H

  7. Outro papéis do H H + H/defeito → H2 + defeito ativo inativo H+ intersticial é carga fixa (reduz mobilidade no canal)

  8. Laboratório de Implantação Iônica

  9. Laboratório de Superfícies e Interfaces Sólidas

  10. HfO2 SiO2 Si HRTEM em seção transversal 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 (25°C, 30 min, 10 mbar) • 10 mbar equivale a 30% umidade relativa a 25°C e 107 monocamadas/s

  11. 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 101518O cm-2 e 1.0 x 1014 D cm-2

  12. H H H H O O desorção adsorção H Hf O H O 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).

  13. Deficiência de O e incorporação de D em HfSixOy

  14. Cálculos de primeiros princípios:H 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

  15. gap Passivação dos estados no gap A presença de 2Hs na vacância remove da banda proibida os estados eletrônicos do defeito.

  16. 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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