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)

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

Dielétricos de alto-k MOSFET kSiO2 = 3,9 metal kHfO2 ~ 22 alto-k SiO2 maior espessura física mesma capacitância mesma espessura equivalente Si SiO2 metal 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.

Os defeitos É preciso compreender o papel do H 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

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

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

Laboratório de Implantação Iônica

Laboratório de Superfícies e Interfaces Sólidas

Preparação das amostras SiO2 HfO2 Si HRTEM em seção transversal 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

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

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). H O adsorção O H desorção O H Hf O

Deficiência de O e incorporação de D em HfSixOy

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

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

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)