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
Dual-Core Itanium® 1G
canal: 10m
canal: 7 m
100M
Pentium® 4
Pentium® III
10M
Pentium® II
Pentium®
486 DX
TM
10
1M
canal: 0.5m
TM
386
286
100k
canal: 0.13m
8086
10k
canal: 65 nm
8080
8008
4004
1
1970
1980
Número de transistores
Espessura do dielétrico de porta
(nm de SiO 2 )
100
1k
1990
2000
2010
2020
Ano de fabricação
Adaptado de http://www.intel.com/technology/mooreslaw/
Dielétricos de alto-k
MOSFET
metal
metal
SiO2
alto-k
Si
Si
Densidade de corrente de porta (A/cm
2
)
Projeções para 2007 no ITRS 2001
10
10
10
10
10
2
0
t eq 
k SiO2
k altok
t altok
kSiO2 = 3,9
kHfO2 ~ 22
HfO2
-4
-6
0.5
maior espessura física
mesma capacitância
mesma espessura equivalente
SiO2
-2
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Espessura equivalente (nm)
Adaptado de APL, 81, 2091 (2002).
Óxidos 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
O
Si
O
Si
Si
Si H
O
Si
Si
O
Si
0/-
estados de
eletricamente
interface
inativos
0/gap do Si
+/0
Si
Si
Si
Si
SiO2 Si
+/0
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
• p-Si(100)
• 1,5 nm SiO2 térmico
• 2,5, 5 ou 9 nm HfO2 por MOCVD
HfO2
SiO2
Si
HRTEM
em seção transversal
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.
sem remoção
O
D
2
HfO2
0
3
6
Si
SiO
18
Dens. de D
Densidades normalizadas
química
1
9
12
Profundidade (nm)
remoção química
passo-a-passo
• Remoção química a 210 oC em
H2SO4. Espessura medida por RBS.
• D em regiões da superfície e
interface.
• Perfil diferente de 18O
0
9
6
3
0
Espessura do HfO2 (nm)
Densidades normalizadoras: 1.0 x 1015 18O cm-2 e 1.0 x 1014 D cm-2
Superfície do HfO2 por XPS
O1s
exposto ao ar,
sem tratamento
• Exposição in situ a H2O forma hidroxilas na
superfície.
Intensidade dos fotoelétrons
• D na superfície atribuído às hidroxilas.
• Processos de adsorção/dessorção são cíclicos
(reações reversíveis).
+ ativação
+ exposição
a H2O
HHH HH
O OO H
Hf O
sensível à
superfície
O-Hf
O-H
535
533
531
529
Energia de ligação (eV)
adsorção
desorção
cm )
Deficiência de O e incorporação de
D em HfSixOy
2
10
vácuo + D
Densidades de D (10
O +D
2
Si2p
após O2
2
2
HfSi O
x
y
30% SiO
5
2
D bulk (inclinação)
-3
em unidades de cm
Intensidade dos fotoelétrons
14
-2
0.3 eV deslocamento
D somente
30% SiO
2
asdep
vácuo
O
2
0
4
6
8
Espessura (nm)
10
105
103
101
Energia de ligação (eV)
99
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
E = -1,6 eV
HfSixOy(V) + H(dist) → HfSixOy(V) + H(próx)
E = -2,1 eV
HfSixOy(V) + H(próx) + H(dist) → HfSixOy(V) + 2H(próx)
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 Driemeier
Orientador: Prof. Israel J. R. Baumvol
Grupo de físico-química de superfícies e interfaces sólidas
VI MostraPG (9/8/2007)