O rápido avanço tecnológico coloca a tecnologia do Si diante de um
grande desafio: substituir o dielétrico de porta utilizado por mais de
40 anos em dispositivos MOSFET (transistor de efeito de campo
metal-óxido-semicondutor), o óxido de silício (SiO2), por um material
alternativo com maior constante dielétrica. Nesse contexto, vários
materiais têm sido investigados. Nesta tese concentramos nossa atenção
em três candidatos: o óxido de alumínio (Al2O3), o silicato de zircônio
(ZrSixOy) e o aluminato de zircônio (ZrAlxOy). Nossos resultados
experimentais baseiam-se em técnicas de análise com feixes de íons ou
raios-X e de microscopia de força atômica. No caso do Al2O3,
investigamos a difusão e reação de oxigênio através de filmes
relativamente espessos (35 nm) quando submetidos a tratamento térmico em
atmosfera oxidante, e os efeitos que esses processos provocam em filmes
finos (6,5 nm) de Al2O3 depositados sobre uma estrutura SiO2/Si.
Observamos que o processo de difusão-reação em filmes de Al2O3 é
diferente do observado em filmes de SiO2: no primeiro caso, oxigênio
difunde e incorpora-se em todo o volume do filme, enquanto que em filmes
de SiO2, oxigênio difunde através do filme, sem incorporar-se em seu
volume, em direção à interface SiO2/Si, onde reage. Além disso, quando
oxigênio atinge a interface Al2O3/Si e reage com o Si, além da formação
de SiO2, parte do Si migra em direção ao Al2O3, deslocando parte dos
átomos de Al e de O. Modelos baseados em difusão e reação foram capazes
de descrever qualitativamente os resultados experimentais em ambos os
casos. A deposição de filmes de Al2O3 sobre Si por deposição química de
camada atômica a partir de vapor também foi investigada, e uma nova
rotina de deposição baseada em préexposição dos substratos de Si ao
precursor de Al foi proposta. As estruturas ZrSixOy/Si e ZrAlxOy/Si
(ligas pseudobinárias (ZrO2)z(SiO2)1-z e (ZrO2)z(Al2O3)1-z depositadas
sobre Si) foram submetidas a tratamentos térmicos em oxigênio ou vácuo
com o objetivo de investigar possíveis instabilidades. Os tratamentos
térmicos não provocaram instabilidades na distribuição de Zr, mas
migração e incorporação de Si no filme dielétrico foram observadas
durante os dois tratamentos para ambos os materiais.
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