Dopagem tipo-n em estruturas SIMOX

Resumo Foram estudadas a ativação elétrica e a redistribuição de As (dopante tipo n) implantado em SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Estruturas SIMOX com diferentes espessuras da camada superficial de Si e do óxido enterrado foram usadas. As implantações de As+ foram feitas com a energia de 20 keV e doses de 5x1014cm-2 ou 2x1015cm-2. Um perfil em forma de platô foi implantado em algumas amostras por implantação com tripla energia. Recozimentos térmicos rápidos e convencionais foram aplicados para a ativação dos dopantes e cobertura dos danos de implantação. A caracterização física e elétrica foi feita através de RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering) e medidas elétricas por efeito Hall. Os resultados são discutidos considerando a profundidade de amorfização alcançada pela implantação de dopantes e a cobertura dos danos após recozimentos e sua influência na ativação elétrica dos dopantes.As amostras completamente amorfizadas apresentaram maiores valores de resistência de folha e menor percentagem de ativação dos dopantes em comparação com as amostras que não tiveram a completa amorfização do filme de Si. Os resultados mostram claramente a necessidade de evitar a amorfização total do filme de Si em SIMOX durante a implantação iônica, possibilitando a formação de uma boa estrutura cristalina com boas características elétricas após o recozimento.

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Redistribuição e ativação de dopantes em Si com excesso de vacâncias

A redistribuição e ativação elétrica dos dopantes tipo n (As e Sb) e tipo p (Ga e In) em Si com excesso de vacâncias foram analisadas. As vacâncias foram geradas por implantação iônica de altas doses de oxigênio ou nitrogênio em alta temperatura, de acordo com procedimentos já estudados. Em seguida foram implantados os dopantes com dose de 5x1014 cm-2 a 20 keV na região rica em vacâncias. Dopagens idênticas foram realizadas em amostras de Si sem vacâncias e em SIMOX. Em seguida foram feitos recozimentos a 1000ºC por 10 s ou 15 min. Os perfis atômicos dos dopantes foram medidos com Medium Energy Ion Scattering e os perfis dos dopantes ativados, com Hall diferencial. A redistribuição e as propriedades elétricas de cada um dos dopantes no Si sem vacâncias foram bastante similares às observadas no SIMOX, porém várias diferenças foram observadas em relação às amostras com excesso de vacâncias. As vacâncias reduziram a ativação elétrica do As e do Sb, mas proporcionaram maior estabilidade da ativação após recozimentos longos. A redistribuição destes dopantes foi infuenciada pelo íon usado na geração das vacâncias, ou seja, nitrogênio ou oxigênio. O oxigênio proporcionou maior dose retida de As e o nitrogênio, maior dose retida de Sb. Já para o Ga e o In, as vacâncias tiveram papel fundamental na sua redistribuição, diminuindo a difusão para fora das amostras e garantindo maior dose retida. A ativação elétrica do Ga e especialmente a do In foram baixas, onde observamos forte influência do íon pré-implantado, principalmente o oxigênio.

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Propriedades físico-químicas e características elétricas de estruturas dielétrico/SiC

Na presente Tese, foi investigado o efeito de tratamentos térmicos reativos nas propriedades físico-químicas e, em alguns casos, nas propriedades elétricas de filmes de SiO2 crescidos termicamente sobre carbeto de silício. Foram abordados os principais processos que visam melhorar as propriedades elétricas da interface SiO2/SiC: reoxidação em O2 e H2O (vapor d’água) e tratamentos térmicos em H2 e NO. Na etapa em que foi investigado o efeito da temperatura de reoxidação em estruturas SiO2/SiC, foram utilizadas técnicas de microscopia de força atômica e análise por reação nuclear, que nos permitiram concluir que uma reoxidação em O2 realizada a baixa temperatura reduz a rugosidade da interface, enquanto que uma reoxidação em alta temperatura aumenta a sua rugosidade, provavelmente aumentando os defeitos eletricamente ativos dessa estrutura. Na segunda etapa, investigamos a incorporação, distribuição em profundidade e dessorção de hidrogênio no sistema SiO2/SiC utilizando análises por reações nucleares. Observamos uma ligação química do hidrogênio muito mais forte com a estrutura SiO2/SiC e com SiC do que no caso do SiO2/Si e do Si. O efeito de tratamentos térmicos em atmosfera de NO e O2 feitos em diferentes seqüências também foi investigado. Através de análises por Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por Raios-X, análises com feixes de íons e curvas Capacitância-Voltagem, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme dielétrico, além do benéfico efeito do nitrogênio nas propriedades elétricas da interface SiO2/SiC. As investigações da incorporação de vapor d’água nos filmes de SiO2 crescidos sobre SiC e sobre Si, feitas utilizando análises com feixes de íons, mostraram diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Houve maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nesses filmes sobre SiC. Hidrogênio também foi incorporado em maiores quantidades nas estruturas SiO2/SiC em regiões defeituosas do filme dielétrico e da interface SiO2/SiC. Esforços para relacionar as propriedades físico-químicas observadas com as propriedades elétricas das estruturas foram feitos ao longo de todo o trabalho.

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Caracterização de Fe granular em matriz de Al/sub 2/O/sub 3/

Neste trabalho é apresentada a caracterização de amostras de filmes finos granulares de Fe- Al2O3, obtidas por evaporação em ultra alto vácuo. Duas amostras com composições diferentes foram obtidas. A espectroscopia de Espalhamento de Rutherford (Rutherford Backscattering Spectroscopy - RBS) foi utilizada para determinar a fração volumétrica de metal e a espessura das amostras, cujos valores obtidos foram 43% e 34% respectivamente. A morfologia das amostras foi investigada por difração de raios-x a qual mostrou a existência de grãos de ferro com 30Å de diâmetro e orientação cristalina preferencial (110) embebidos em uma matriz amorfa de Al2O3. As medidas de magnetização também mostraram que as duas amostras apresentavam uma distribuição de tamanhos de grão de ferro com valor médio de 24Å, estando de acordo com os resultados obtidos por difração de raios-x. A magneto-resistência observada em temperatura ambiente pode ser explicada pelo tunelamento dependente de spin dos elétrons de condução entre os grãos de ferro. Os resultados das medidas de RxT e IxV mostraram que o principal mecanismo de transporte foi o tunelamento termicamente ativado, o que está de acordo com a teoria apresentada por Abeles.

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Transporte atômico e estabilidade em dielétricos alternativos para a tecnologia do Si

Esta tese trata do estudo experimental de fenômenos de transporte atômico e reação química em filmes ultra-finos dielétricos sobre Si. Esses dielétricos são materiais alternativos ao óxido de silício utilizado em dispositivos basedos na estrutura metal-óxido-semicondutor. Foram investigados os seguintes materiais: silicato e aluminato de háfnio, aluminato de lantânio e bicamada óxido de alumínio/ óxido de háfnio. O tema principal da investigação aqui descrita é a estabilidade destas estruturas frente à duas etapas críticas do processo de fabricação. A primeira é o tratamento térmico após deposição do filme, usualmente realizada à temperaturas entre 600 e 800 C. A segunda é a ativação de dopantes de fonte e dreno dos transistores à efeito de campo do tipo metal-óxido-semicondutor. Esta etapa é realizada a temperaturas ao redor de 1000 C, durante intervalos de tempo ao redor de 10 s. Para a produção destas estruturas foram utilizados diversos métodos, entre eles pulverização catódica reativa e deposição por camada atômica. Para a observação dos fenômenos induzidos por tratamentos térmico, foram usados diferentes métodos de caracterização, entre eles os de análises por espalhamento de íons de altas, médias e baixas energias, análise por reações nucleares ressonantes ou não ressonantes, espectroscopia de fotoelétrons, microscopia eletrônica de transmissão, determinação de características I×V e C×V e outras. Os resultados mostram que estas etapas críticas do processo de fabricação de dispositivos microeletrônicos avançados com dimensões nanoscópicas induzem transporte atômico de várias espécies e reações químicas nas interfaces dos dielétricos investigados e o substrato de Si. Muitas vezes isto acontece contrariando as expectativas formadas quando se considera apenas as energias de formação dos diferentes compostos. Esta tendência é fortemente modificada de acordo com a atmosfera em que é realizado o tratamento térmico (nitrogênio, oxigênio e suas misturas), bem como pela introdução de nitrogênio nos filmes.

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Estudos da formação, estabilidade e ordenamento da fase gamma FeSi 2 produzida pela técnica de implantação iônica

No presente trabalho implantamos íons de Fe em amostras de Si que são subseqüentemente recristalizadas pela técnica Cristalização Epitaxial Induzida por Feixe de íons (IBIEC). Quatro técnicas de análise (RBS, Canalização, Mõssbauer e TEM) foram utilizadas a fim de estudar os seguintes aspectos: a) fases formadas pela técnica IBIEC em função da concentração de Fe implantado; b) estabilidade térmica dos precipitados -y-FeSi2; c) caracterização da fase -y-FeSi2 pela técnica Mõssbauer e a existência ou não de um carácter magnético para esta fase. Nossos experimentos mostraram os seguintes resultados. Em baixa concentração de Fe (C<llat.%) somente a fase -y-FeSi2 é formada. No entanto, quando uma concentração crítica é atingida (llat.%), então a fase a também é verificada. Finalmente, uma coexistência de três fases (fases -y, a e ,3-FeSi2) é observada se a concentração de Fe é maior que 2lat.%. Este é um fenômeno singular uma vez que a fase -y é metaestável e a fase a é estável somente em temperaturas mais elevadas que ,950°C (o processo IBIEC é realizado em 320°C). Os experimentos de estabilidade térmica mostraram que a fase 7-FeSi2 é estável entre 600°C e 730°C, sendo a temperatura exata uma função da concentração de Fe implantado. Concluiu-se que a estabilidade da fase y é sustentada pelo pequeno tamanho dos precipitados de FeSi2 (< 10 nm). Além disso, a transformação y --+ /3 é devida ao aumento de tamanho dos precipitados baseado no mecanismo de crescimento de Ostwald. Os experimentos Mõssbauer mostraram que a fase fase -y-FeSi2 não é magnética. Esta característica foi deduzida de medidas realizadas em 4 K, que não mostram qualquer evidência de desdobramento magnético no espectro Mõssbauer. Medidas em temperatura ambiente indicam que a fase -y-FeSi2 é desordenada. No entanto, após recozimentos adicionais, observou-se pela primeira vez um singleto no espectro, além do dubleto original. Mostrou-se que o singleto caracteriza a fase -y ordenada (condizente com a sua estrutura cúbica) enquanto que o dubleto corresponde àquela com defeitos (a interface FeSi2 /Si provavelmente também deve ser considerada como "defeito"). Nós gostaríamos de enfatizar que medidas prévias, onde o processo de recristalização era unicamente térmico (SPE e RTA), falharam na obtenção da fase -y-FeSi2. Nós então tentamos justificar porque a técnica IBIEC é tão especial para produzir, de uma maneira seletiva, a fase -y-FeSi2. Por último, propõe-se um modelo microscópico para a precipitação -y-FeSi2 por IBIEC.

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Pré-amorfização de silício por implantação iônica de estanho para formação de junções rasas tipo-p

Nesta dissertação estudamos a possibilidade de uso de implantação iônica de estanho para pré-amorfização do silício cristalino e sua aplicabilidade na tecnologia de fabricação de junções rasas. Foi estudada a amorfização de Si em doses altas (~ 1x1016 cm-2) de implantação de Sn. Nas pesquisas foram empregadas as técnicas de espectroscopia Mössbauer e de Retroespalhamento de Rutherford Canalizado (RBS/C). Mesmo para estas doses muito altas, foi observado 93% de substitucionalidade de Sn na rede cristalina de Si, após tratamento térmico, o que corresponde a duas ordens de grandeza a mais que a máxima solubilidade sólida. Doses médias (1x1012 – 3x1014 cm-2) de implantação de Sn foram usadas para encontrar a dose mínima de amorfização, que foi de 1x1014 cm-2, medida com RBS/C. Amostras pré-amorfizadas com implantação iônica de Sn e energias 120 keV e 240 keV foram posteriormente implantadas com BF2 + de 50 keV e dose 5x1014 cm-2 para obtenção de junção rasa tipo p+-n. Diferentes regimes de recozimento térmico rápido foram utilizados. Técnicas de espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e medidas elétricas foram usadas para caracterização destas junções. O melhor resultado foi com pré-amorfização de Sn de 240 keV e recozimento de 900 ºC, 30s. A profundidade de junção foi de 115 nm e a resistência de folha de ~ 175 /

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Electrical and optical properties of defects formed by ion implantation

Uma apresentação entitulada "Electrical and optical properties of defects formed by ion implantation" proferida por Brett C. Johnson da School of Physics da University of Melbourne, Australia.