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.

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.

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.

O presente trabalho estudou os efeitos das intera»c~oes hiper¯nas em dois sistemas de ¶oxidos: RCoO3 (R = Gd e Tb) com estrutura perovskita e ¯lmes ¯nos monocristalinos de HfO2 por meio da t¶ecnica de Correla»c~ao Angular Gama-Gama Perturbada (CAP), com o objetivo de fazer um estudo sistem¶atico do comportamento da varia»c~ao do gradiente de campo el¶etrico em fun»c~ao da temperatura. Para realiza»c~ao das medidas de intera»c~oes de quadrupolo el¶etrico utilizamos como de pontas de prova os n¶ucleos 111In ¡!111 Cd e o 181Hf ¡!181 Ta. As amostras de perovskitas foram confeccionadas por meio de um processo qu¶³mico denominado Sol-Gel e as an¶alises foram realizadas com aux¶³lio de difra»c~ao de raios-X. As pontas de prova foram inseridas nas solu»c~oes qu¶³micas durante o preparo das amostras. Os ¯lmes ¯nos foram fornecidos pelo Laborat¶orio de Intera»c~oes Hiper¯nas da Universidade de Lisboa e a ponta de prova de 181Hf foi ativada por meio da irradia»c~ao do ¯lme ¯no no reator IEA-R1 do IPEN no tempo adequado a espessura do ¯lme. As medidas foram realizadas na faixa de temperatura de 10 - 1560 K. Os resultados das medidas das amostras de perovskita indicam uma depend^encia do GCE com o s¶³tio de ocupa»c~ao dos ¶atomos da ponta de prova e uma varia»c~ao do GCE com a temperatura, que pode ser explicada por transi»c~oes de spins no ¶atomo de Co. As medidas do GCE dos ¯lmes ¯nos com mesma espessura apresentam uma segunda fra»c~ao, al¶em daquela correspondente a freqÄu^encia da HfO2 em amostras de bulk. / In the present work, the Perturbed Angular Gamma-Gamma Correlation technique (PAC) was used to measure the Electric Field Gradient (EFG) in two oxide systems: RCoO3 (R = Gd, Tb) perovskite oxide and HfO2 in order to study the behavior of the EFG as a function of temperature. Electric quadrupole hyper¯ne interaction measure- ments were carried out using 111In ¡!111 Cd and 181Hf ¡!181 Ta radioactive probe nuclei. The samples were prepared through a chemical route known as Sol-Gel technique and analyzed with x-ray di®raction. Both nuclei were introduced in to the perovskite samples during the chemical procedure. The thin ¯lms were provided by the Laboratory of Hyper¯ne Interactions at the University of 181Hf Lisbon and the probe nuclei was activated by the irradiation of the thin ¯lm in the reactor of IPEN IEA-R1 at an appropriate time regarding the thickness of the ¯lm. The measurements were taken in the temperature range from 4 K to 1560 K. The results for the perovskite oxides measurements show a site-dependence of the EFG with probe-nuclei occupation and a temperature dependence of EFG that can be explained if spins transitions in Co are considered. The results of EFG measurements in the 25 nm thin ¯lm of HfO2 show a second fraction besides that corresponding to bulk.

O presente trabalho estudou os efeitos das intera»c~oes hiper¯nas em dois sistemas de ¶oxidos: RCoO3 (R = Gd e Tb) com estrutura perovskita e ¯lmes ¯nos monocristalinos de HfO2 por meio da t¶ecnica de Correla»c~ao Angular Gama-Gama Perturbada (CAP), com o objetivo de fazer um estudo sistem¶atico do comportamento da varia»c~ao do gradiente de campo el¶etrico em fun»c~ao da temperatura. Para realiza»c~ao das medidas de intera»c~oes de quadrupolo el¶etrico utilizamos como de pontas de prova os n¶ucleos 111In ¡!111 Cd e o 181Hf ¡!181 Ta. As amostras de perovskitas foram confeccionadas por meio de um processo qu¶³mico denominado Sol-Gel e as an¶alises foram realizadas com aux¶³lio de difra»c~ao de raios-X. As pontas de prova foram inseridas nas solu»c~oes qu¶³micas durante o preparo das amostras. Os ¯lmes ¯nos foram fornecidos pelo Laborat¶orio de Intera»c~oes Hiper¯nas da Universidade de Lisboa e a ponta de prova de 181Hf foi ativada por meio da irradia»c~ao do ¯lme ¯no no reator IEA-R1 do IPEN no tempo adequado a espessura do ¯lme. As medidas foram realizadas na faixa de temperatura de 10 - 1560 K. Os resultados das medidas das amostras de perovskita indicam uma depend^encia do GCE com o s¶³tio de ocupa»c~ao dos ¶atomos da ponta de prova e uma varia»c~ao do GCE com a temperatura, que pode ser explicada por transi»c~oes de spins no ¶atomo de Co. As medidas do GCE dos ¯lmes ¯nos com mesma espessura apresentam uma segunda fra»c~ao, al¶em daquela correspondente a freqÄu^encia da HfO2 em amostras de bulk. / In the present work, the Perturbed Angular Gamma-Gamma Correlation technique (PAC) was used to measure the Electric Field Gradient (EFG) in two oxide systems: RCoO3 (R = Gd, Tb) perovskite oxide and HfO2 in order to study the behavior of the EFG as a function of temperature. Electric quadrupole hyper¯ne interaction measure- ments were carried out using 111In ¡!111 Cd and 181Hf ¡!181 Ta radioactive probe nuclei. The samples were prepared through a chemical route known as Sol-Gel technique and analyzed with x-ray di®raction. Both nuclei were introduced in to the perovskite samples during the chemical procedure. The thin ¯lms were provided by the Laboratory of Hyper¯ne Interactions at the University of 181Hf Lisbon and the probe nuclei was activated by the irradiation of the thin ¯lm in the reactor of IPEN IEA-R1 at an appropriate time regarding the thickness of the ¯lm. The measurements were taken in the temperature range from 4 K to 1560 K. The results for the perovskite oxides measurements show a site-dependence of the EFG with probe-nuclei occupation and a temperature dependence of EFG that can be explained if spins transitions in Co are considered. The results of EFG measurements in the 25 nm thin ¯lm of HfO2 show a second fraction besides that corresponding to bulk.

O presente trabalho realiza a investigação dos parâmetros hiperfinos, incluindo a sua natureza dinâmica, em compostos ligantes em solução a temperatura ambiente (295 K) e resfriada (77K) através da espectroscopia de Correlação Angular γγ Perturbada (CAP). Para a realização das medidas experimentais, utilizou-se núcleos de prova radioativos de 111In111Cd, 181Hf181Ta e 111mCd111Cd, que decaem através de cascata gama. As amostras foram preparadas diluindo-se soluções com os núcleos radioativos em água, quando se investigou a interação do núcleo de prova com o ligante água; adicionando-se soluções com os núcleos radioativos em solução tampão, quando se investigou a interação do núcleo de prova com os íons ligantes provenientes do próprio tampão (CO32- e HCO31-) e com o OH1-; e adicionando-se soluções com os núcleos radioativos em soluções do ligante ácido etilenodiaminotetracético (EDTA), este em pH entre 4,0 e 5,0, (que corresponde ao pH da própria solução saturada do EDTA) e em solução tampão de pH entre 9 e 10. Assim foi possível investigar os efeitos gerados por cada um desses métodos de preparação de amostras nas medidas CAP. Finalmente foi feita uma análise comparativa para os vários métodos de inserção dos núcleos de prova na amostra, considerando-se aspectos químicos e nucleares. A inexistência de medidas para esse tipo de amostra, justifica a importância dos resultados obtidos. / In this study the hyperfine parameters, including the dynamical nature, Perturbed Angular Correlation (PAC) spectroscopy was used to measure the hyperfine parameters in molecules of ligand compounds in solutions. The measurements were carried out at 295 K and 77 K using 111In111Cd, 181Hf181Ta and 111mCd111Cd, as probe nuclei. Samples were prepared by adding a small volume of radioactive solution containing the probe nuclei in aqueous solution, buffer solution and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) used as a ligand with pH 4.3 which correspond to the pH of the saturated EDTA solution and in buffer solution with pH between 9 and 10. The results made possible to understand the impact of each method for PAC measurements. Finally a comparative analysis for the several methods of inserting of the probe nuclei in the sample was made, considering chemical and nuclear aspects. The lack of measurements in this kind of samples justifies the importance of the obtained results.

O presente trabalho realiza a investigação dos parâmetros hiperfinos, incluindo a sua natureza dinâmica, em compostos ligantes em solução a temperatura ambiente (295 K) e resfriada (77K) através da espectroscopia de Correlação Angular γγ Perturbada (CAP). Para a realização das medidas experimentais, utilizou-se núcleos de prova radioativos de 111In111Cd, 181Hf181Ta e 111mCd111Cd, que decaem através de cascata gama. As amostras foram preparadas diluindo-se soluções com os núcleos radioativos em água, quando se investigou a interação do núcleo de prova com o ligante água; adicionando-se soluções com os núcleos radioativos em solução tampão, quando se investigou a interação do núcleo de prova com os íons ligantes provenientes do próprio tampão (CO32- e HCO31-) e com o OH1-; e adicionando-se soluções com os núcleos radioativos em soluções do ligante ácido etilenodiaminotetracético (EDTA), este em pH entre 4,0 e 5,0, (que corresponde ao pH da própria solução saturada do EDTA) e em solução tampão de pH entre 9 e 10. Assim foi possível investigar os efeitos gerados por cada um desses métodos de preparação de amostras nas medidas CAP. Finalmente foi feita uma análise comparativa para os vários métodos de inserção dos núcleos de prova na amostra, considerando-se aspectos químicos e nucleares. A inexistência de medidas para esse tipo de amostra, justifica a importância dos resultados obtidos. / In this study the hyperfine parameters, including the dynamical nature, Perturbed Angular Correlation (PAC) spectroscopy was used to measure the hyperfine parameters in molecules of ligand compounds in solutions. The measurements were carried out at 295 K and 77 K using 111In111Cd, 181Hf181Ta and 111mCd111Cd, as probe nuclei. Samples were prepared by adding a small volume of radioactive solution containing the probe nuclei in aqueous solution, buffer solution and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) used as a ligand with pH 4.3 which correspond to the pH of the saturated EDTA solution and in buffer solution with pH between 9 and 10. The results made possible to understand the impact of each method for PAC measurements. Finally a comparative analysis for the several methods of inserting of the probe nuclei in the sample was made, considering chemical and nuclear aspects. The lack of measurements in this kind of samples justifies the importance of the obtained results.

Foram estudadas as propriedades elétricas de estruturas MOS envolvendo materiais com Zr e Hf: Al/HfO2/Si, Al/HfAlO/Si, Al/ZrO2/Si e Al/ZrAlO/Si depositadas por JVD (Jet Vapor Deposition) submetidas a diferentes doses de implantação de nitrogênio e tratamentos térmicos; Au/HfO2/Si e Au/HfxSiyOz/Si preparadas por MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) e Au/HfxSiyOz/SiO2/Si preparadas por sputtering reativo em O2 submetidas a tratamentos térmicos distintos. Para isso, além das medidas de C-V e I-V padrão, foi desenvolvido o método da condutância para estudo da densidade de estados na interface dielétrico/Si, o qual mostrou-se mais viável para as estruturas com dielétricos alternativos. A inclusão de Al na camada de dielétrico, bombardeamento por íons de nitrogênio, e tratamentos térmicos rápidos em atmosferas de O2 e N2 foram responsáveis por mudanças nas propriedades das amostras. Diversos mecanismos físicos que influenciam as propriedades elétricas dessas estruturas foram identificados e discutidos. Foi constatado que as interfaces com menores densidades de estados foram as das amostras preparadas por MOCVD e sputtering reativo.

Foram estudadas as propriedades elétricas de estruturas MOS envolvendo materiais com Zr e Hf: Al/HfO2/Si, Al/HfAlO/Si, Al/ZrO2/Si e Al/ZrAlO/Si depositadas por JVD (Jet Vapor Deposition) submetidas a diferentes doses de implantação de nitrogênio e tratamentos térmicos; Au/HfO2/Si e Au/HfxSiyOz/Si preparadas por MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) e Au/HfxSiyOz/SiO2/Si preparadas por sputtering reativo em O2 submetidas a tratamentos térmicos distintos. Para isso, além das medidas de C-V e I-V padrão, foi desenvolvido o método da condutância para estudo da densidade de estados na interface dielétrico/Si, o qual mostrou-se mais viável para as estruturas com dielétricos alternativos. A inclusão de Al na camada de dielétrico, bombardeamento por íons de nitrogênio, e tratamentos térmicos rápidos em atmosferas de O2 e N2 foram responsáveis por mudanças nas propriedades das amostras. Diversos mecanismos físicos que influenciam as propriedades elétricas dessas estruturas foram identificados e discutidos. Foi constatado que as interfaces com menores densidades de estados foram as das amostras preparadas por MOCVD e sputtering reativo.

Foram estudadas as propriedades elétricas de estruturas MOS envolvendo materiais com Zr e Hf: Al/HfO2/Si, Al/HfAlO/Si, Al/ZrO2/Si e Al/ZrAlO/Si depositadas por JVD (Jet Vapor Deposition) submetidas a diferentes doses de implantação de nitrogênio e tratamentos térmicos; Au/HfO2/Si e Au/HfxSiyOz/Si preparadas por MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) e Au/HfxSiyOz/SiO2/Si preparadas por sputtering reativo em O2 submetidas a tratamentos térmicos distintos. Para isso, além das medidas de C-V e I-V padrão, foi desenvolvido o método da condutância para estudo da densidade de estados na interface dielétrico/Si, o qual mostrou-se mais viável para as estruturas com dielétricos alternativos. A inclusão de Al na camada de dielétrico, bombardeamento por íons de nitrogênio, e tratamentos térmicos rápidos em atmosferas de O2 e N2 foram responsáveis por mudanças nas propriedades das amostras. Diversos mecanismos físicos que influenciam as propriedades elétricas dessas estruturas foram identificados e discutidos. Foi constatado que as interfaces com menores densidades de estados foram as das amostras preparadas por MOCVD e sputtering reativo.