A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.

A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

No presente trabalho, foram investigados os efeitos de tratamentos térmicos em vapor d’água, em óxido nítrico e em hidrogênio nas propriedades físico-químicas e elétricas de filmes dielétricos crescidos termicamente e/ou depositadas por sputtering sobre lâminas de carbeto de silício. A caracterização foi realizada antes e após tratamentos térmicos nesses ambientes através de técnicas que utilizam feixes de íons. Em alguns casos, a caracterização elétrica também foi realizada. A investigação da incorporação e distribuição em profundidade de hidrogênio e oxigênio após tratamentos de SiO2/SiC e SiO2/Si em vapor d’água mostrou que há diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Observou-se maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre o SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nos filmes sobre SiC. A incorporação de hidrogênio também foi maior nas estruturas SiO2/SiC, sendo observada em todas as regiões do filme de SiO2 crescido sobre SiC. Nos filmes crescidos sobre Si, no entanto, a incorporação deuse, principalmente, na região da superfície do filme de óxido. A interação do vapor d’água com estruturas SiO2/SiC e SiO2/Si com filmes depositados por sputtering também foi investigada. Foi constatada uma incorporação distinta da observada para essas estruturas quando seus óxidos foram crescidos termicamente. A incorporação de hidrogênio do vapor d’água em estruturas com filmes de SiO2 depositados por sputtering sobre SiC e sobre Si ocorre, principalmente, na interface SiO2/substrato. A distribuição em profundidade de oxigênio após a exposição a vapor d'água a 800°C revelou que ele é incorporado em toda a espessura dos óxidos depositados sobre ambos os substratos, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes de óxido. O crescimento térmico antes da deposição de SiO2 sobre o SiC levou à incorporação de menores quantidades de hidrogênio, quando comparadas com as estruturas relativas a filmes apenas depositados. No entanto, à medida que o tempo de oxidação térmica foi aumentado, observou-se maior incorporação de hidrogênio, o que foi atribuído à formação de defeitos no filme de óxido susceptíveis à interação com o mesmo. O crescimento térmico por um tempo curto seguido pela deposição de SiO2 e o crescimento térmico não seguido de outro tratamento levaram a menores incorporações de D do que a deposição não seguida de outro tratamento, o que pode ser correlacionado com as melhores características elétricas observadas nessas estruturas. Outro tema abordado foi a incorporação de hidrogênio através de tratamento térmico em 2H2, com e sem a presença de um eletrodo de platina, em filmes dielétricos crescidos em atmosfera de O2, NO e via tratamento térmico sequencial nesses dois gases. Quando o crescimento térmico em O2 foi seguido de tratamento em NO, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme de SiO2, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes. A incorporação de hidrogênio mostrou-se fortemente dependente da rota utilizada no crescimento do filme dielétrico. Sem a presença do eletrodo de platina, o crescimento do filme dielétrico direto em NO foi a rota que apresentou a maior incorporação de hidrogênio. A presença de platina, por sua vez, promoveu um aumento na incorporação de hidrogênio nos filmes dielétricos obtidos através das três rotas de crescimento. Em todos os casos, observou-se que a incorporação de hidrogênio ocorre, principalmente, na região da interface entre o filme dielétrico e o SiC. A incorporação de maiores quantidades de hidrogênio foi associada com a presença de N previamente incorporado. A atmosfera reativa utilizada no crescimento térmico dos filmes dielétricos também mostrou influência nas características elétricas das estruturas analisadas. A caracterização por curvas C-V mostrou um aumento no deslocamento da tensão de banda plana após tratamentos térmicos em 2H2, indicando o aumento e/ou formação de carga positiva. Por fim, a interação de vapor d'água em estruturas de SiO2/SiC e de SiO2/Si com filmes crescidos termicamente e tratadas em NO foi investigada. Observou-se que as estruturas SiO2/SiC que foram submetidas a tratamentos térmicos em NO apresentaram menor incorporação de hidrogênio, devido à exposição a vapor d'água. Esse efeito também foi observado em estruturas SiO2/SiC quando o pós-tratamento em NO foi substituído por um póstratamento em argônio na mesma temperatura e tempo, indicando que a temperatura de tratamento é a responsável pelas menores incorporações de hidrogênio, não a reatividade do gás empregado. / In the present work, effects of thermal treatments in water vapor, in nitric oxide, and in hydrogen in the physicochemical and in the electrical properties of dielectric films thermally grown and/or deposited by sputtering on silicon carbide were investigated. The characterization was performed using ion beam analyses before and after thermal treatments in these atmospheres. In some cases, the electrical characterization was also performed. The investigation of the incorporation and depth distribution of hydrogen and oxygen after annealing of SiO2/SiC and SiO2/Si in water vapor evidenced that there are striking differences regarding water interaction with these two structures. It was observed larger oxygen incorporation in the pre-existent SiO2 film on SiC than in the SiO2/Si, which evidences higher concentration of defects in oxide films on SiC. The incorporation of hydrogen was also larger in SiO2/SiC structures, being observed in all regions of the dielectric film. In oxide films grown on Si, however, the incorporation occurred mainly in the surface region of the oxide. The interaction of water vapor with SiO2/SiC and SiO2/Si structures, whose films were deposited by sputtering, was also investigated. A distinct incorporation was observed when comparing results from structures whose oxides were thermally grown. The incorporation of hydrogen from water vapor in structures in which SiO2 films were deposited by sputtering on SiC and on Si, occurred mainly in the SiO2/substrate interface. The oxygen depth distribution after exposure to water vapor at 800°C revealed that it was incorporated in all depths of the oxides that were deposited on both substrates, evidencing the high mobility of oxygen atoms in these oxide films. The thermal growth prior to SiO2 deposition on SiC led to the incorporation of smaller amounts of hydrogen, compared with structures with films that were only deposited. Nevertheless, as the thermal oxidation time increases, a larger incorporation of hydrogen was observed, which was attributed to the formation of defects in the oxide film that are more likely to interact with hydrogen. The thermal growth for short time followed by the deposition of SiO2 and the thermal growth not followed by any other treatment led to lower amounts of hydrogen, when compared with the deposition not followed by another treatment, which can be correlated with the improvement in the electrical characteristics observed in these structures. Another subject investigated was the incorporation of hydrogen by 2H2 anneal, with and without the presence of platinum, in dielectric films thermally grown in O2, NO, and in sequential thermal treatments in these two atmospheres. In the case of thermal growth in O2 followed by NO anneal, it was observed a notable isotopic exchange between oxygen from the gas phase and oxygen from the SiO2 film, evidencing that oxygen atoms are highly mobile in these films. The incorporation of hydrogen was showed to be highly dependent on the route employed in the dielectric film growth, being the direct growth of dielectric films in NO the one that presented larger incorporation without the presence of Pt electrode. The presence of this metal increases the incorporation of hydrogen in all dielectric films. In all cases, it was observed that the incorporation of hydrogen occurred mainly in the interface region between the dielectric film and the SiC. The incorporation of larger amounts of hydrogen was associated with the presence of N that was previously incorporated. The reactive atmosphere employed in the thermal growth of dielectric films also was observed to affect electrical characteristics in analyzed structures. The characterization by C-V measurements evidenced an increase in the flatband voltage shift after annealing in 2H2, indicating the increase and/or the formation of positive charge. Finally, the interaction of water vapor in SiO2/SiC and SiO2/Si structures with dielectric films thermally grown and annealed in NO was investigated. It was observed that SiO2/SiC structures that were submitted to NO anneal presented less hydrogen incorporation due to exposure to water vapor. This behavior was also observed in SiO2/SiC structures when the NO anneal was replaced by an annealing in Ar at the same temperature and time, indicating that the temperature of the annealing was responsible by the less incorporation of hydrogen instead of the reactivity of the gas employed.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

No presente trabalho, foram investigados os efeitos de tratamentos térmicos em vapor d’água, em óxido nítrico e em hidrogênio nas propriedades físico-químicas e elétricas de filmes dielétricos crescidos termicamente e/ou depositadas por sputtering sobre lâminas de carbeto de silício. A caracterização foi realizada antes e após tratamentos térmicos nesses ambientes através de técnicas que utilizam feixes de íons. Em alguns casos, a caracterização elétrica também foi realizada. A investigação da incorporação e distribuição em profundidade de hidrogênio e oxigênio após tratamentos de SiO2/SiC e SiO2/Si em vapor d’água mostrou que há diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Observou-se maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre o SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nos filmes sobre SiC. A incorporação de hidrogênio também foi maior nas estruturas SiO2/SiC, sendo observada em todas as regiões do filme de SiO2 crescido sobre SiC. Nos filmes crescidos sobre Si, no entanto, a incorporação deuse, principalmente, na região da superfície do filme de óxido. A interação do vapor d’água com estruturas SiO2/SiC e SiO2/Si com filmes depositados por sputtering também foi investigada. Foi constatada uma incorporação distinta da observada para essas estruturas quando seus óxidos foram crescidos termicamente. A incorporação de hidrogênio do vapor d’água em estruturas com filmes de SiO2 depositados por sputtering sobre SiC e sobre Si ocorre, principalmente, na interface SiO2/substrato. A distribuição em profundidade de oxigênio após a exposição a vapor d'água a 800°C revelou que ele é incorporado em toda a espessura dos óxidos depositados sobre ambos os substratos, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes de óxido. O crescimento térmico antes da deposição de SiO2 sobre o SiC levou à incorporação de menores quantidades de hidrogênio, quando comparadas com as estruturas relativas a filmes apenas depositados. No entanto, à medida que o tempo de oxidação térmica foi aumentado, observou-se maior incorporação de hidrogênio, o que foi atribuído à formação de defeitos no filme de óxido susceptíveis à interação com o mesmo. O crescimento térmico por um tempo curto seguido pela deposição de SiO2 e o crescimento térmico não seguido de outro tratamento levaram a menores incorporações de D do que a deposição não seguida de outro tratamento, o que pode ser correlacionado com as melhores características elétricas observadas nessas estruturas. Outro tema abordado foi a incorporação de hidrogênio através de tratamento térmico em 2H2, com e sem a presença de um eletrodo de platina, em filmes dielétricos crescidos em atmosfera de O2, NO e via tratamento térmico sequencial nesses dois gases. Quando o crescimento térmico em O2 foi seguido de tratamento em NO, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme de SiO2, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes. A incorporação de hidrogênio mostrou-se fortemente dependente da rota utilizada no crescimento do filme dielétrico. Sem a presença do eletrodo de platina, o crescimento do filme dielétrico direto em NO foi a rota que apresentou a maior incorporação de hidrogênio. A presença de platina, por sua vez, promoveu um aumento na incorporação de hidrogênio nos filmes dielétricos obtidos através das três rotas de crescimento. Em todos os casos, observou-se que a incorporação de hidrogênio ocorre, principalmente, na região da interface entre o filme dielétrico e o SiC. A incorporação de maiores quantidades de hidrogênio foi associada com a presença de N previamente incorporado. A atmosfera reativa utilizada no crescimento térmico dos filmes dielétricos também mostrou influência nas características elétricas das estruturas analisadas. A caracterização por curvas C-V mostrou um aumento no deslocamento da tensão de banda plana após tratamentos térmicos em 2H2, indicando o aumento e/ou formação de carga positiva. Por fim, a interação de vapor d'água em estruturas de SiO2/SiC e de SiO2/Si com filmes crescidos termicamente e tratadas em NO foi investigada. Observou-se que as estruturas SiO2/SiC que foram submetidas a tratamentos térmicos em NO apresentaram menor incorporação de hidrogênio, devido à exposição a vapor d'água. Esse efeito também foi observado em estruturas SiO2/SiC quando o pós-tratamento em NO foi substituído por um póstratamento em argônio na mesma temperatura e tempo, indicando que a temperatura de tratamento é a responsável pelas menores incorporações de hidrogênio, não a reatividade do gás empregado. / In the present work, effects of thermal treatments in water vapor, in nitric oxide, and in hydrogen in the physicochemical and in the electrical properties of dielectric films thermally grown and/or deposited by sputtering on silicon carbide were investigated. The characterization was performed using ion beam analyses before and after thermal treatments in these atmospheres. In some cases, the electrical characterization was also performed. The investigation of the incorporation and depth distribution of hydrogen and oxygen after annealing of SiO2/SiC and SiO2/Si in water vapor evidenced that there are striking differences regarding water interaction with these two structures. It was observed larger oxygen incorporation in the pre-existent SiO2 film on SiC than in the SiO2/Si, which evidences higher concentration of defects in oxide films on SiC. The incorporation of hydrogen was also larger in SiO2/SiC structures, being observed in all regions of the dielectric film. In oxide films grown on Si, however, the incorporation occurred mainly in the surface region of the oxide. The interaction of water vapor with SiO2/SiC and SiO2/Si structures, whose films were deposited by sputtering, was also investigated. A distinct incorporation was observed when comparing results from structures whose oxides were thermally grown. The incorporation of hydrogen from water vapor in structures in which SiO2 films were deposited by sputtering on SiC and on Si, occurred mainly in the SiO2/substrate interface. The oxygen depth distribution after exposure to water vapor at 800°C revealed that it was incorporated in all depths of the oxides that were deposited on both substrates, evidencing the high mobility of oxygen atoms in these oxide films. The thermal growth prior to SiO2 deposition on SiC led to the incorporation of smaller amounts of hydrogen, compared with structures with films that were only deposited. Nevertheless, as the thermal oxidation time increases, a larger incorporation of hydrogen was observed, which was attributed to the formation of defects in the oxide film that are more likely to interact with hydrogen. The thermal growth for short time followed by the deposition of SiO2 and the thermal growth not followed by any other treatment led to lower amounts of hydrogen, when compared with the deposition not followed by another treatment, which can be correlated with the improvement in the electrical characteristics observed in these structures. Another subject investigated was the incorporation of hydrogen by 2H2 anneal, with and without the presence of platinum, in dielectric films thermally grown in O2, NO, and in sequential thermal treatments in these two atmospheres. In the case of thermal growth in O2 followed by NO anneal, it was observed a notable isotopic exchange between oxygen from the gas phase and oxygen from the SiO2 film, evidencing that oxygen atoms are highly mobile in these films. The incorporation of hydrogen was showed to be highly dependent on the route employed in the dielectric film growth, being the direct growth of dielectric films in NO the one that presented larger incorporation without the presence of Pt electrode. The presence of this metal increases the incorporation of hydrogen in all dielectric films. In all cases, it was observed that the incorporation of hydrogen occurred mainly in the interface region between the dielectric film and the SiC. The incorporation of larger amounts of hydrogen was associated with the presence of N that was previously incorporated. The reactive atmosphere employed in the thermal growth of dielectric films also was observed to affect electrical characteristics in analyzed structures. The characterization by C-V measurements evidenced an increase in the flatband voltage shift after annealing in 2H2, indicating the increase and/or the formation of positive charge. Finally, the interaction of water vapor in SiO2/SiC and SiO2/Si structures with dielectric films thermally grown and annealed in NO was investigated. It was observed that SiO2/SiC structures that were submitted to NO anneal presented less hydrogen incorporation due to exposure to water vapor. This behavior was also observed in SiO2/SiC structures when the NO anneal was replaced by an annealing in Ar at the same temperature and time, indicating that the temperature of the annealing was responsible by the less incorporation of hydrogen instead of the reactivity of the gas employed.

Este trabalho tem por objetivo a caracterização de filmes finos de óxido de alumínio produzidos por deposição assistida por feixe de íons Ar+. Tal caracterização consiste em estabelecer a relação entre os parâmetros de produção (energia do feixe e uxo relativo de Ar), a composição e a estrutura dos lmes. Para tanto, utiliza-se técnicas de microscopia de força atômica, difração de raios-x, reetividade de raios-x e análise por feixe iônico. Resultados mostram que amostras produzidas à temperatura ambiente e à 450 oC são amorfas independentemente da energia do feixe iônico. Filmes formados com assistência de feixe possuem qualidade superior àqueles formados por deposição física de vapor. O bombardeamento de íons Ar+ mostra-se capaz de controlar a concentração de hidrogênio, a estequiometria, a rugosidade, o tamanho dos grãos e a densidade dos lmes nos. Amostras com excelente qualidade baixa rugosidade, estequiometria próxima da ideal e boa densidade foram produzidas utilizando íons com energia dentre 300 eV e 600 eV. / The scope of this work is the characterization of aluminum oxide thin films produced by Ar+ ion beam assisted deposition. This characterization consists in establishing the relationship between production parameters (ion beam energy and argon relative ux), structure and composition of these lms. In order to undertake this task, the following techniques were used: atomic force microscopy, x-ray diraction, x-ray reectivity and ion beam analysis. Results show that samples produced at room temperature and at 450 oC are amorphous regardless the ion beam energy. Films grown under ion assistance have better characteristics than the ones deposited by physical vapor deposition. The ion beam bombardment is capable of controlling hydrogen concentration, stoichiometry, roughness, grain size and density of alumina samples. High quality lms at surface and increased density lms with near ideal stoichiometry were produced with 300 eV and 600 eV ion beam energy.

A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.