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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2012.tde-06062013-144815
Document
Author
Full name
Verônica Christiano
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Santos Filho, Sebastião Gomes dos (President)
Diniz, José Alexandre
Pereyra, Ines
Title in Portuguese
Caracterização física e elétrica de filmes dielétricos de Al2O3 e AlxHf1-xOy para estruturas high-k MOS.
Keywords in Portuguese
Admitância à corrente de fuga
Alumina
Aluminato de háfnio
Caracterização física e elétrica
Abstract in Portuguese
Neste trabalho, foram caracterizados eletricamente capacitores MOS com alumina (Al2O3) e aluminato de háfnio (AlxHf1-xOy) como dielétricos de porta, além disso, estes filmes dielétricos foram caracterizados fisicamente. A alumina foi obtida da oxidação anódica de filmes de alumínio evaporados sobre p-Si (100) através de imersão em ácido nítrico por 4 ou 6 min, para diferentes etapas de limpeza finais do substrato: solução diluída de ácido fluorídrico (DHF) ou solução de peróxido sulfúrico (SPM). Análises de retroespalhamento de Rutherford (RBS), espectroscopia por dispersão em energia (EDS) e espectroscopia por dispersão de comprimento de onda (WDS) indicam a formação da alumina estequiométrica, sendo que a difração de raios-X (XRD), mostrou o caráter amorfo do dielétrico. Por intermédio de curvas capacitância x tensão (CV) foram obtidas a espessura equivalente ao óxido de silício (EOT2,8nm), a densidade de estados de interface (Dit1,4x1011ev-1cm-2) e a permissividade elétrica da alumina (high-k10,6). A admitância associada à corrente de fuga em capacitores MOS foi modelada através de emissão por Frenkel-Poole, tunelamento por Fowler-Nordheim e/ou corrente de fuga constante. Os aluminatos de háfnio (AlxHf1-xOy) foram obtidos sobre p-Si (100), através de deposição atômica por camadas (ALD) para diferentes proporções molares de háfnio (25, 50 ou 75%) e para diferentes tratamentos posteriores (1000ºC, 60s em N2 ou N2+O2 ou laser). A espessura e a rugosidade foram obtidas com a ajuda da técnica de reflectometria de raios-X (XRR). A proporção molar de háfnio adotada no processo de obtenção dos filmes foi confirmada através de análises RBS e WDS. Por XRD, foi verificado o caráter amorfo e a separação de fases nos aluminatos e, por espalhamento de raios-X em ângulo-rasante e pequena abertura (GISAXS), foram analisadas as novas fases formadas. Por fim, da análise CV, foram obtidos EOT9,54nm, resistência série (Rs68,3) e a permissividade elétrica para o aluminato de háfnio (high-k15,2). Finalmente, uma modelagem da admitância associada à corrente de fuga em função da frequência foi proposta para as estruturas MOS.
Title in English
Physical and electrical characterization of dielectric films of Al2O3 and AlxHf1-xOy to high-k MOS structures.
Keywords in English
Alumina
Hafnium aluminate
Leakage admittance
Physical and electrical characterization
Abstract in English
In this work, MOS capacitors were electrically characterized using alumina (Al2O3) and hafnium aluminate (AlxHf1-xOy) as gate dielectrics; also, the same dielectrics films were physically characterized. Anodic alumina was obtained from oxidation of evaporated aluminum films immersed in nitric acid for 4 or 6 min for different last step cleanings of the p-Si (100) substrates: diluted hydrofluoric acid (DHF) or sulfur peroxide mixture (SPM). Rutherford Backscattering (RBS), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Wavelength Dispersive Spectroscopy (WDS) have shown the formation of stoichiometric alumina and the dielectric amorphous structure was revealed by X-Ray Diffraction (XRD). From Capacitance x Voltage curves (CV), it was obtained the equivalent oxide thickness (EOT2.8nm), interface trap density (Dit1.4x1011ev-1cm-2) and Al2O3 dielectric constant (high-k10.6). The admittance that represents the leakage process was modeled according to Frenkel-Poole emission, Fowler-Nordheim tunneling and/or constant leakage admittance. Hafnium aluminates (AlxHf1-xOy) were obtained on (100) silicon wafer surfaces by Atomic Layer Deposition (ALD) for different hafnium molar ratios (25, 50 or 75%) and for different treatments (1000ºC, 60s in N2 or N2+O2 or laser). Thickness and roughness were extracted from X-Ray Reflectometry (XRR) spectra. The hafnium molar ratios used in ALD process were confirmed by RBS and WDS. XRD analysis was used to establish the amorphous structure and phase separation in the aluminates after thermal treatments and Grazing-Incidence Small-Angle X-Ray Scattering (GISAXS) was used to analyze the new phases formed. From CV analysis, it was extracted EOT9.54nm, series resistance (Rs68.3) and dielectric constant from hafnium aluminate (high-k15.2). Finally, the admittance that represents the leakage was modeled in function of the frequency for the MOS structures.
 
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Publishing Date
2013-06-12
 
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