Estabilização de nanoestruturas dielétricas de alta permissividade por incorporação de nitrogênio

Abstract

Atualmente os candidatos mais prováveis para aplicação como dielétrico de porta nas próximas gerações de dispositivos MOSFET são os filmes de silicato e aluminato metálicos com nitrogênio em sua composição. Neste trabalho são investigados filmes de oxinitreto de háfnio e silício (HfSixOyNz), oxinitreto de alumínio (AlOxNy), e oxinitreto de lantânio e alumínio (LaAlxOyNz) depositados sobre Si utilizando diferentes técnicas de preparação. O objetivo deste estudo é avaliar a estabilidade térmica dessas estruturas e o efeito da presença do nitrogênio no que diz respeito ao transporte atômico e reações químicas durante tratamentos térmicos pós-deposição. Os tratamentos térmicos realizados buscam simular as etapas de processamento térmico inerentes do processo de fabricação de um MOSFET, como, por exemplo, a etapa de ativação de dopantes da fonte e do dreno do dispositivo. Esses tratamentos térmicos são realizados em temperaturas que variam de 600oC até 1000oC em atmosfera inerte ou oxidante. Foi observado que a presença de nitrogênio inibe o transporte atômico e, conseqüentemente, instabilidades composicionais quando comparado com filmes sem nitrogênio. Em particular, as espécies oxidantes desempenham um papel importante na compreensão da estabilidade físico-química dessas estruturas durante os tratamentos térmicos, uma vez que o nitrogênio modifica a difusão e a incorporação de oxigênio. Além disso, observa-se que parte do nitrogênio é removido dessas estruturas com o tratamento térmico em atmosfera oxidante. Essa perda acontece principalmente através de um processo de troca entre o nitrogênio do filme e o oxigênio da fase gasosa. Nesta tese foi realizado um estudo sistemático dessas estruturas e as possíveis causas das observações realizadas são discutidas, assim como alguns mecanismos são propostos para explicar os resultados experimentais. Esta tese aporta uma importante contribuição para essa área de pesquisa e para o avanço da tecnologia CMOS nos próximos anos.

High-k metal oxynitrides are currently the most promising candidates under consideration as novel gate dielectrics for MOSFET devices. In this work, hafnium-silicon oxynitride (HfSixOyNz), aluminum oxynitride (AlOxNy), and lanthanum-aluminum oxynitride (LaAlxOyNz) films on silicon prepared by different deposition techniques were experimentally investigated. The aim of this study was to evaluate the thermal stability of these structures and the effect of nitrogen concerning atomic transport and chemical reaction phenomena in view of metal-oxide-semiconductor transistor processing requirements. Such processing steps include post-deposition annealing and source/drain dopant activation annealing, performed at temperatures from around 600oC up to 1000oC, in inert or O2-containing atmospheres. It was observed that nitrogen inhibits atomic transport and compositional instabilities during thermal processing when compared to non-nitrided structures. In particular, oxidant species play an important role in understanding physicochemical stability during thermal processing, since nitrogen modifies the oxygen diffusion and incorporation into these structures. Besides, part of the nitrogen is removed from these structures during thermal annealing by an exchange process with oxygen. A systematic investigation of these structures was performed, the possible chemical/physical causes of these observations are discussed and some mechanisms are proposed to explain the experimental results. This thesis provides new understanding to this area with potential importance to the CMOS technology.