Novos dielétricos de porta para eletrônica em escala nanométrica:

o papel do hidrogênio

Carlos DriemeierOrientador: 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

1970 1980 1990 2000 2010 20201k

10k

100k

1M

10M

100M

1G

canal: 65 nm

canal: 0.13m

canal: 0.5m

canal: 7 m

Dual-Core Itanium®

Núm

ero d

e transisto

res

Pentium® 4Pentium® III

Pentium® II

Pentium®486TM DX

386TM

286

8086

80808008

4004

Ano de fabricação

canal: 10m

1

10

100

Esp

essu

ra d

o d

ielé

tric

o d

e port

a(n

m d

e SiO

2)

Adaptado de http://www.intel.com/technology/mooreslaw/

Dielétricos de alto-k

Adaptado de APL, 81, 2091 (2002).

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

10-6

10-4

10-2

100

102

HfO2

Den

sida

de d

e co

rren

te d

e po

rta

(A/c

m2 )

Espessura equivalente (nm)

SiO2

Projeções para 2007 no ITRS 2001

maior espessura físicamesma capacitância

mesma espessura equivalente

Si

SiO2

metalmetal

Si

alto-k

MOSFET

kSiO2 = 3,9kHfO2 ~ 22

kaltokalto

SiOeq t

k

kt

2Óxidos e silicatos de háfnio são os principais candidatos a dielétricos de porta de alto-k.

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

Papel do H: passivação da interface

Si

Si

Si

Si

SiSiO

Si

Si

Si

Si

O

O

O

Si

SiO2 Si SiO2 Si

estados de interface

+/0

0/-gap do SiH

+/0

0/-

gap do Si

eletricamenteinativos

Outro papéis do H

H + H/defeito → H2 + defeitoinativo 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

HRTEMem 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

0 3 6 9 12

9 6 3 00

1

Den

sida

des

norm

aliz

adas

Espessura do HfO2 (nm)

D18O

remoção química passo-a-passo

sem remoção química

Den

s. d

e D

Profundidade (nm)

SiO

2

SiHfO

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).

Hf O

OHHHO

HadsorçãoO

HHdesorção

535 533 531 529

O-H

+ exposição a H

2O

+ ativação

Inte

nsi

dade d

os

foto

elé

trons

Energia de ligação (eV)

exposto ao ar,sem tratamento

sensível àsuperfície

O1s

O-Hf

Deficiência de O e incorporação de D em HfSixOy

4 6 8 100

5

10

Densi

dades

de D

(1014

cm

-2)

Espessura (nm)

HfSixO

y

30% SiO2

D2 somente

vácuo + D2

O2 + D

2

D bulk (inclinação)

em unidades de cm-3

105 103 101 99

Inte

nsi

dade d

os

foto

elé

trons

asdep vácuo O

2

Energia de ligação (eV)

Si2p

30% SiO2

0.3 eV deslocamentoapós O

2

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

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 DriemeierOrientador: Prof. Israel J. R. Baumvol

Grupo de físico-química de superfícies e interfaces sólidas

VI MostraPG (9/8/2007)