Study of ultrathin high-K oxide films grown on semiconductors

Orientadores: Richard Landers, Abner de SiervoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: O descobrimento de novos materiais com alta constante dielétrica e compatível com o atual processo de fabricação de dispositivos CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) tem sido uma grande barreira tecnológica que está impedindo as indústrias de semicondutores a manter o contínuo aumento de desempenho desses dispositivos. O principal limitante da atual tecnologia está sendo os efeitos indesejáveis de corrente de fuga através do dielétrico que ocorrem devido à contínua miniaturização dos transistores. Além de esse novo material possuir uma alta constante dielétrica também é fundamental que ele tenha uma estabilidade térmica sobre a superfície de Si ou Ge, uma vez que o processo de fabricação desses CMOS requererem tratamentos térmicos necessários para ativação dos dopantes que chegam a temperaturas da ordem de 900 oC para Si e 400 oC. O HfO2 é um excelente candidato devido a sua alta constante dielétrica mas tem apresentado problemas de estabilidade térmica sobre as superfícies de Si e Ge pois forma uma liga metálica de siliceto de háfnio em contato com o Si ou óxido de germânio em contato com o Ge. Essa tese descreve e discute os resultados de estudos sistemáticos de estabilidade térmica de filmes ultrafinos de HfO2 crescidos sobre as superfícies de Si3N4/Si nas direções cristalográficas (100) e (111) e variando as espessuras do filme de nitreto de silicio, o uso de nitreto de silício foi proposto para formar uma barreira física separando HfO2 do Si. Também foram realizados estudos de estabilidade térmica de filmes ultrafinos de HfO2 crescidos sobre as superfícies de Ge/Si(100) and Ge/Si(111), sendo que nesse caso o Ge foi crescido camada sobre camada usando o Sb como surfactante. As técnicas experimentais de XPS, ARPXS e LEED foram amplamente utilizadas e essenciais para a execução desse trabalho, especialmente em combinação com a fonte de radiação síncrotron do LNLS que permitiu a geração de espectros de alta resolução energética. Com os resultados desses trabalhos foi possível identificar uma espessura mínima do filme de Si3N4 de forma a possibilitar o seu uso como uma camada intermediária mantendo o sistema termicamente estável até 950 oC. As análises dos resultados de Ge também identificaram uma configuração termicamente estável, em especial o sistema HfO2/Ge/Si(111) não apresentou a formação da liga GeO2 durante o tratamento térmico, resultados estes atribuídos ao aumento na energia de formação do GeO2 causado pela diferença de empacotamento na direção (111) em relação a (100)Abstract: The development of alternative high-k gate dielectrics for future complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices is indispensable in achieving both low leakage current and small equivalent oxide thickness. The thermal stability of these dielectrics on Si or Ge is a crucial issue to integrate them into CMOS, because standard device fabrication requires high temperature annealing, i.e. a dopant activation process (> 900 oC for Si and > 400 oC for Ge). HfO2 is one of the best candidates because of its high dielectric constant and high conduction band offset. On the other hand the formation of metallic Hf-silicide or GeO2 during the annealing process for activation is one of the most serious problems for Si-CMOS or Ge-CMOS, respectively. This thesis reports the results of a systematic study on the thermal stability of the HfO2 ultrathin films grown on Si3N4/Si, (100) and (111) surfaces, for different silicon nitride film thickness deposited by low energy nitrogen ion implantation technique. Also the thermal stability of HfO2 ultrathin films grown on Ge/Si(100) and Ge/Si(111) surfaces were studied as a function of annealing temperature. From these studies it was possible (1) to determine the minimum thickness of Si3N4 buffer layer to stabilize the HfO2 film up to 950 oC on top of the silicon surfaces and (2) to avoid the formation of GeO2 interlayer in the HfO2/Ge/Si(111) system probably because the crystallographic orientation of Si surfaceDoutoradoFísicaDoutor em Ciência