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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.

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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

4 Dielétricos de alto-k Adaptado de APL, 81, 2091 (2002). maior espessura física mesma capacitância mesma espessura equivalente Si SiO 2 metal Si alto-k MOSFET k SiO2 = 3,9 k HfO2 ~ 22 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 átomos por cm 2. porém, deve ter menos de defeitos eletricamente ativos por cm 2, ou seja, menos de 1 defeito ativo para cada 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 Papel do H: passivação da interface Si O O O O SiO 2 SiSiO 2 Si estados de interface +/0 0/- gap do Si H +/0 0/- gap do Si eletricamente inativos

7 Outro papéis do H H + H/defeito H 2 + defeito inativo ativo H + intersticial é carga fixa (reduz mobilidade no canal)

8 Laboratório de Implantação Iônica

9 Laboratório de Superfícies e Interfaces Sólidas

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11 Preparação das amostras SiO 2 HfO 2 Si HRTEM em seção transversal p-Si(100) 1,5 nm SiO 2 térmico 2,5, 5 ou 9 nm HfO 2 por MOCVD Exposição à água Ativação (800 o C, 30 min, mbar) Exposição a D 2 18 O ( 25°C, 30 min, 10 mbar) 10 mbar equivale a 30% umidade relativa a 25°C e 10 7 monocamadas/s

12 Onde D e 18 O incorporam ? Densidades de D a 18 O não dependem do tempo de exposição nem da espessura do HfO 2. Remoção química a 210 o C em H 2 SO 4. Espessura medida por RBS. D em regiões da superfície e interface. Perfil diferente de 18 O Densidades normalizadoras: 1.0 x O cm -2 e 1.0 x D cm -2

13 Superfície do HfO 2 por XPS Exposição in situ a H 2 O forma hidroxilas na superfície. D na superfície atribuído às hidroxilas. Processos de adsorção/dessorção são cíclicos (reações reversíveis). Hf O O HH HO H adsorção O HH desorção

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15 Deficiência de O e incorporação de D em HfSi x O y

16 Cálculos de primeiros princípios: H em HfSi x O y deficiente em O Substitucional de Si em HfO 2 monoclínico Remoção de O em sítios próximos ao Si Interação de H com as vacâncias de O Cálculos usando Density Functional Theory HfSi x O y (V) + H(dist) HfSi x O y (V) + H(próx) HfSi x O y (V) + H(próx) + H(dist) HfSi x O y (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

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

18 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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