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: 10m canal: 7 m 100M Pentium® 4 Pentium® III 10M Pentium® II Pentium® 486 DX TM 10 1M canal: 0.5m TM 386 286 100k canal: 0.13m 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 altok t altok 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)
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