Neste trabalho apresentamos os resultados da deposição e caracterização de filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD) à baixas temperaturas (320oC). O objetivo deste trabalho é obter filmes de ligas amorfas de silício, oxigênio e nitrogênio com composição química ajustável de forma contínua desde à do SiO2 até a do Si3N4 visando sua aplicação em dispositivos ópticos e eletrônicos. Os filmes foram crescidos a partir de duas misturas gasosas (silano, óxido nitroso e nitrogênio) e (silano, óxido nitroso e amônia) e a relação entre os fluxos dos gases foi variada de forma a obter as composições químicas desejadas na fase sólida. Foi procurado também obter filmes com alta e baixa taxa de deposição, para as diferentes aplicações. Os filmes foram caracterizados através da técnica de espectroscopia por retroespalhamento Rutherford (RBS) para a obtenção da composição química, espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR) para a determinação das ligações químicas, elipsometria para a determinação de propriedades ópticas como índice de refração e a técnica de X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) para o estudo de estrutura de ordem local e média em torno de uma determinada espécie atômica. Os resultados demonstraram que com as duas misturas gasosas é possível variar a composição dos filmes de forma contínua permitindo assim um controle preciso das concentrações atômicas e, portanto, um bom controle do índice de refração. Os filmes não apresentaram incorporação significativa de ligações Si-H, tornando-os bons candidatos para as aplicações em dispositivos optoeletrônicos. A incorporação de nitrogênio foi mais eficiente para as amostras crescidas com NH3 em comparação às crescidas com N2. As amostras de baixa taxa de deposição apresentaram densidades semelhantes, podendo ser utilizada qualquer uma das misturas gasosas na produção dos filmes. Para a obtenção de filmes espessos, as amostras crescidas com nitrogênio apresentaram melhores características quanto a densidade em comparação às crescidas com amônia. / In this work, we present results on the deposition and characterization of silicon oxynitride films (SiOxNy) deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at low temperatures (320ºC). Our goal is to obtain silicon, oxygen and nitrogen amorphous alloys with tunable chemical composition from silicon dioxide to stoichiometric silicon nitride, for optical and electronic applications. The films were grown from two different gaseous mixtures: (silane, nitrous oxide and nitrogen) and (silane, nitrous oxide and ammonia). The flow ratio among these precursor gases was varied in order to obtain the desired chemical composition in the solid phase. We also sought to obtain films with high and low deposition rate, for the different applications. The films were characterized by Rutherfor Backscatering spectroscopy (RBS) to obtain the chemical composition, by Fourier Transform Infrared (FTIR) to determine and chemical bonds, by elipsometry to determine the optical properties such as refractive index and by the X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) to study the local and medium order structure. The results demonstrated that with the two gaseous mixtures is possible to obtain films with chemical composition varying in a continuous way, thus allowing a precise control of the atomic concentration and, therefore, of the refractive index. The films do not show significant incorporation of Si-H bonds, making then good candidates for optoelectronic devices applications. The nitrogen incorporation was more efficient in samples grown with NH3 in comparison with those grown with N2. The low deposition rate samples presented similar density, so anyone of these gaseous mixtures can be utilized for film production. To obtain thick films nitrogen precursor mixtures lead to better material properties than ammonia mixtures.

Neste trabalho apresentamos os resultados da deposição e caracterização de filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD) à baixas temperaturas (320oC). O objetivo deste trabalho é obter filmes de ligas amorfas de silício, oxigênio e nitrogênio com composição química ajustável de forma contínua desde à do SiO2 até a do Si3N4 visando sua aplicação em dispositivos ópticos e eletrônicos. Os filmes foram crescidos a partir de duas misturas gasosas (silano, óxido nitroso e nitrogênio) e (silano, óxido nitroso e amônia) e a relação entre os fluxos dos gases foi variada de forma a obter as composições químicas desejadas na fase sólida. Foi procurado também obter filmes com alta e baixa taxa de deposição, para as diferentes aplicações. Os filmes foram caracterizados através da técnica de espectroscopia por retroespalhamento Rutherford (RBS) para a obtenção da composição química, espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR) para a determinação das ligações químicas, elipsometria para a determinação de propriedades ópticas como índice de refração e a técnica de X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) para o estudo de estrutura de ordem local e média em torno de uma determinada espécie atômica. Os resultados demonstraram que com as duas misturas gasosas é possível variar a composição dos filmes de forma contínua permitindo assim um controle preciso das concentrações atômicas e, portanto, um bom controle do índice de refração. Os filmes não apresentaram incorporação significativa de ligações Si-H, tornando-os bons candidatos para as aplicações em dispositivos optoeletrônicos. A incorporação de nitrogênio foi mais eficiente para as amostras crescidas com NH3 em comparação às crescidas com N2. As amostras de baixa taxa de deposição apresentaram densidades semelhantes, podendo ser utilizada qualquer uma das misturas gasosas na produção dos filmes. Para a obtenção de filmes espessos, as amostras crescidas com nitrogênio apresentaram melhores características quanto a densidade em comparação às crescidas com amônia. / In this work, we present results on the deposition and characterization of silicon oxynitride films (SiOxNy) deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at low temperatures (320ºC). Our goal is to obtain silicon, oxygen and nitrogen amorphous alloys with tunable chemical composition from silicon dioxide to stoichiometric silicon nitride, for optical and electronic applications. The films were grown from two different gaseous mixtures: (silane, nitrous oxide and nitrogen) and (silane, nitrous oxide and ammonia). The flow ratio among these precursor gases was varied in order to obtain the desired chemical composition in the solid phase. We also sought to obtain films with high and low deposition rate, for the different applications. The films were characterized by Rutherfor Backscatering spectroscopy (RBS) to obtain the chemical composition, by Fourier Transform Infrared (FTIR) to determine and chemical bonds, by elipsometry to determine the optical properties such as refractive index and by the X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) to study the local and medium order structure. The results demonstrated that with the two gaseous mixtures is possible to obtain films with chemical composition varying in a continuous way, thus allowing a precise control of the atomic concentration and, therefore, of the refractive index. The films do not show significant incorporation of Si-H bonds, making then good candidates for optoelectronic devices applications. The nitrogen incorporation was more efficient in samples grown with NH3 in comparison with those grown with N2. The low deposition rate samples presented similar density, so anyone of these gaseous mixtures can be utilized for film production. To obtain thick films nitrogen precursor mixtures lead to better material properties than ammonia mixtures.

Orientador: Fernando Alvarez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T01:43:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Scoca_DiegoLeonardoSilva_M.pdf: 4961271 bytes, checksum: 2f6307ff4adda022c6df4b03d2014fdd (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho foi investigada a influência do ambiente químico na fotoluminescência de filmes finos de Oxi-nitreto de titânio dopados com érbio (TiNxOy : Er). Os filmes finos foram crescidos utilizando a técnica de Deposição por Feixe de Íons (IBD ¿ Ion Beam Deposition) e, a fim de modificar o ambiente químico ao qual os íons de Er3+ estão submetidos para controlar as características da fotoluminescência dos íons de érbio, foi realizado tratamento térmico sequencial sob atmosfera de oxigênio, durante 30 minutos em cada uma das seguintes temperaturas: 250°C, 500°C, 750°C e 1000°C. A investigação do estado atômico e da concentração relativa de cada elemento presente nos filmes foi analisada através da técnica de XPS, para as amostras antes (AD) de passarem pelo tratamento térmico e após todos os tratamentos serem realizados (TA). A estrutura cristalina dos filmes foi investigada por Difração de Raio-X à Baixo Ângulo (1°) antes (AD) e após (TA) o tratamento térmico, enquanto que, através de espectroscopia Raman, foi acompanhada cada etapa (temperatura) do tratamento térmico, possibilitando a identificação de duas fases distintas do TiO2, onde a 750°C foram detectados modos vibracionais referentes a fase anatásio e, a 1000°C, modos vibracionais relacionados a fase rutilo. Os resultados de XRD à Baixo Ângulo após o tratamento térmico corroboram com os resultados obtidos por espectroscopia Raman a mesma temperatura. As propriedades de fotoluminescência (PL) dos filmes estudados também foram investigadas em cada etapa do tratamento térmico, evidenciando a influência deste tratamento na fotoluminescência dos filmes. Vale ressaltar a influência do nitrogênio inicial, que por estar em diferentes concentrações em cada amostra, favoreceu diferentes ambientes químicos em função do tratamento térmico, que modificou notadamente as características de fotoluminescência das amostras. Também foi possível notar a influência das fases cristalinas do TiO2 na PL dos filmes, pois esta apresentou uma emissão estreita em ~ 550nm para os filmes estudados quando estes se cristalizaram na fase anatásio, comportamento inexistente quando os filmes se recristalizaram na fase rutilo do TiO2. Medidas de PL em função da temperatura também foram realizadas, de forma que o quenching das emissões na região verde do espectro eletromagnético pôde ser observado, fornecendo uma estimativa para a diferença entre os níveis 2H11/2 e 4S3/2 dê ~ 93 meV (750 cm-1), concordando bem com a separação teórica calculada entre esses níveis. Portanto, neste trabalho foram observadas cinco emissões dos íons trivalente de vi érbio, com comprimentos de onda ~525nm, ~ 550nm, ~ 680nm, ~ 980nm e ~ 1540nm referentes as respectivas transições 2H11/2 -> 4 I15/2, 4S3/2 -> 4 I15/2, 4F9/2 -> 4 I15/2, 4I11/2 -> 4 I15/2 e 4I13/2 -> 4 I15/2, sendo que a característica das emissões no visível foram controladas a partir da concentração inicial de nitrogênio e da temperatura do tratamento térmico / Abstract: In this work was investigated the influence of chemical environment on photoluminescence of Erbium doped Titanium Oxi-Nitride thin films (TiNxOy : Er). The thin films were grown by Ion Beam Deposition technique and, in order to study the influence of the chemical environment which Er3+ ions are subjected, was performed a sequential thermal annealing in an oxygen atmosphere, during 30 minutes in each of the following temperatures: 250°C, 500°C, 750°C e 1000°C. The investigation of binding state and the relative concentration of each element in the films was analyzed by XPS technique for samples "as deposited¿ (AD) and after the ¿thermal annealing¿ (TA). The crystalline structure of the films was investigated by X-Ray Diffraction at Small Angle before (AD) and after thermal annealing (TA), while using Raman spectroscopy, each step of the thermal annealing was monitored. With this procedure was possible to identify two distinct phases of TiO2, with vibrational modes emerging at the annealing temperature of 750°C referring to anatásio phase and, annealing temperature of 1000°C associated with rutile. The results of XRD at Small Angle after thermal annealing corroborate the Raman spectra obtained at the same temperature. The properties of photoluminescence (PL) of the studied films were investigated in each stage of thermal annealing, showing the influence of this treatment on photoluminescence of the films. It is worth mentioning the influence of initial nitrogen that, being in different concentrations in each sample, favored different chemical environments after the annealing procedure, which markedly changed the characteristics of photoluminescence of the samples. It was also noted the influence of the crystalline phases of TiO2 in the PL of the films, by displaying a narrow emission at ~ 550nm when the thin film crystallized into anatásio phase, behavior absent when the recrystallization of the films took place in the rutile phase TiO2. PL measurements as a function of temperature also were performed, so the quenching of emission in the green region of electromagnetic spectrum can be observed. These experiments provide an estimate of the difference between the levels 2H11=2 and 4S3/2 of ~ 93 meV (750 cm-1), results that agree fairly well with the calculated theoretical separation between these levels. Therefore, in this work were observed five emissions of trivalent erbium ions, with wavelenghts ~ 525nm, ~ 550nm, ~ 680nm, ~ 980nm and ~ 1540nm regarding their transitions 2H11/2 -> 4 I15/2, 4S3/2 -> 4 I15/2, 4F9/2 -> 4 I15/2, 4I11/2 -> 4 I15/2 e 4I13/2 -> 4 I15/2, with characteristic of the visible emissions were monitored from the initial concentration of nitrogen and the annealing temperature / Mestrado / Física / Mestre em Física

Zircônia 3YTZP apresenta propriedades excelentes à temperatura ambiente, mas estas propriedades são afetadas pelo aumento da temperatura pois esta age negativamente sobre o mecanismo de transformação de fase induzida por tensão, que fortalece a tenacidade da matriz. A adição de Si3N4 e SiC em uma matriz de 3YTZP é muito interessante porque conduz à formação de oxinitreto de silício, melhorando as propriedades mecânicas tais como dureza e tenacidade, mas esta adição está limitada por várias dificuldades que se apresentam durante o processamento e sinterização destes materiais. Neste trabalho foi estudada a obtenção, por sinterização sem pressão, do compósito Y-TZP/Si2N2O, partindo-se da adição de 20vol%Si3N4-SiC em uma matriz de zircônia dopada com 3mol% de Y2O3 - 3YTZP, utilizando-se Al2O3 e Y2O3 como aditivos de sinterização. A mistura foi moída e moldada por prensagem isostática a frio. Amostras foram sinterizadas a 1500º, 1600º e 1700ºC por 2h sem pressão e em atmosfera ambiente, utilizando-se um leito de nitreto de silício. Após sinterização, as amostras foram caracterizadas por difração de raios-X. Foram medidas a densidade, tenacidade, dureza e resistência mecânica à flexão em temperatura ambiente. A estrutura do material foi observada em microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, com mapeamento químico, para verificar a homogeneidade e morfologia das fases do compósito. A formação de Si2N2O foi observada no material sinterizado devido à reação entre os pós adicionados. O material obtido apresentou aumento de tenacidade e dureza com o aumento de temperatura de sinterização. As amostras apresentaram boa resistência à oxidação a 1000ºC. / Zirconia 3YTZP presents excellent properties at room temperature. These properties decrease as the temperature increases because high temperature acts negatively over the stress induced transformation toughening in the matrix. The addition of Si3N4 and SiC in a Y-TZP matrix is very interesting because leads to formation of silicon oxynitride and it increases the mechanical properties like toughness and hardness. Certainly the mechanical properties increment is limited by several difficulties which have appeared during processing and heating of these materials. This paper studies the Y-TZP/Si2N2O pressureless sintered composite, under different temperatures, showing the behavior of 20vol%Si3N4-SiC when added in YTZP matrix and heated under no pressure system. Al2O3 and Y2O3 were used as sintering aids. The mixture was milled and molded by cold isostatic pressure. Samples were heated at 1500º, 1600º and 1700ºC x 2h without pressure under atmospheric conditions using Si3N4 bed-powder. Samples were characterized by XRD and density, hardness, toughness, bending strength were measured. The structure of the material was observed in SEM/TEM/EPMA to verify the distribution and composition of the materials in the composite and the contact between filler surface and the matrix. The formation of SiON2 was observed in the sintered material due to reaction between both nitride and carbide with Y-TZP matrix. Furthermore the material showed an increment of both hardness and toughness as temperature increases. The samples presented considerable resistance to oxidation below 1000ºC.

Neste trabalho foram fabricados e caracterizados capacitores MOS com camada dielétrica de oxinitreto de silício de diferentes composição química, depositada pela técnica de PECVD a baixa temperatura, com o intuito de estudar suas propriedades dielétricas e de interface visando à aplicação deste material em dispositivos MOS e de filme fino. Os capacitores foram fabricados sobre lâminas de silício do tipo p que passaram pelo processo de limpeza química inicial, seguida da deposição da camada dielétrica, fotogravação, metalização e sinterização. Os filmes de SiOxNy, utilizados como camada dielétrica, foram depositados pela técnica de PECVD à temperatura de 320ºC variando os fluxos dos gases precursores de forma a obter filmes com diferentes composições químicas. Os capacitores MOS foram caracterizados por medidas de capacitância e corrente em função da tensão, de onde foram extraídas a densidade de estados de interface, a densidade de carga efetiva, constante dielétrica e campo elétrico de ruptura dos filmes. Os resultados mostraram uma variação linear da constante dielétrica do filme em função da concentração de nitrogênio, indo do valor de 3,9, correspondente ao dióxido de silício estequiométrico (SiO2) à 7,2 correspondente ao nitreto de silício estequiométrico (Si3N4). Também observamos que o nitrogênio é uma barreira eficiente à difusão de impurezas através do dielétrico. Porém, notamos uma grande dispersão de duas ordens de grandeza nos valores da carga efetiva (Nss) e de densidade de estados de interface (Dit). Por outro lado, controlando algumas variáveis de forma a manter constante o valor de Nss ( ~1012 cm-2), observamos uma variação de Dit em função da concentração de nitrogênio no filme, esta variação porém é pequena comparada com a dispersão de duas ordens de grandeza observada, que atribuímos assim a fatores externos. O menor valor obtido de Dit foi de 4,55.1010 eV-1.cm-2, que é ótimo para um filme obtido por PECVD, sem nenhum tratamento térmico e melhor que os reportados na literatura para dielétricos obtidos por técnicas que utilizam altas temperaturas (LPCVD-800ºC e oxinitretação térmica – 1100ºC). Assim, podemos concluir que a técnica de PECVD é promissora para a obtenção de dielétricos a baixas temperaturas. / In this work, MOS capacitors with different chemical composition silicon oxynitride insulating layer, deposited by PECVD technique at low temperature were fabricated and characterized, in order to study its dielectric and interface properties, seeking its aplication as insulating layer in MOS and thin films devices. The MOS capacitors were fabricated onto p-silicion wafers previously cleaned by a standard process, followed by the insulating layer deposition, photolitography, metalization and sinterization. The SiOxNy insulating layer was deposited by the PECVD technique at 320ºC changing the precursor gases flows to obtain films with different chemical compositions. The MOS capacitors were characterized by capacitance and current vs. voltage measurements, from where the interface state density (Dit), the effective charge density (Nss), the dielectric constant (k) and the film electrical breakdown field (Ebd) were extracted. The results showed a dielectric constant varying linearly as a function of the films nitrogen concentration, going from a value of 3.9, corresponding to stoichiometric silicon dioxide (SiO2) to a value of 7.2, corresponding to stoichiometric silicon nitride film (Si3N4). We also observed that nitrogen is an efficient diffusion barrier against contaminants. However, a large dispersion, about two orders of magnitude, in the effective charge and in the interface state density was observed. On the other hand, controlling some variables so as to keep the Nss value constant (~1012 cm-2) we observed a Dit variation as a function of the film nitrogen concentration, this variation is small when compared with the observed dispersion of two orders of magnitude, thus attributed to external factors. The smallest obtained Dit was 4.55.1010 eV-1.cm-2, which is unexpected for a PECVD film without any anealing process and is better than the values reported in the literature for dielectrics obtained at high temperatures techniques (as LPCVD – 800ºC and thermal oxynitridation – 1100ºC). Therefore, we can conclude that the PECVD technique is promising for obtaining low temperature dielectrics.

Zircônia 3YTZP apresenta propriedades excelentes à temperatura ambiente, mas estas propriedades são afetadas pelo aumento da temperatura pois esta age negativamente sobre o mecanismo de transformação de fase induzida por tensão, que fortalece a tenacidade da matriz. A adição de Si3N4 e SiC em uma matriz de 3YTZP é muito interessante porque conduz à formação de oxinitreto de silício, melhorando as propriedades mecânicas tais como dureza e tenacidade, mas esta adição está limitada por várias dificuldades que se apresentam durante o processamento e sinterização destes materiais. Neste trabalho foi estudada a obtenção, por sinterização sem pressão, do compósito Y-TZP/Si2N2O, partindo-se da adição de 20vol%Si3N4-SiC em uma matriz de zircônia dopada com 3mol% de Y2O3 - 3YTZP, utilizando-se Al2O3 e Y2O3 como aditivos de sinterização. A mistura foi moída e moldada por prensagem isostática a frio. Amostras foram sinterizadas a 1500º, 1600º e 1700ºC por 2h sem pressão e em atmosfera ambiente, utilizando-se um leito de nitreto de silício. Após sinterização, as amostras foram caracterizadas por difração de raios-X. Foram medidas a densidade, tenacidade, dureza e resistência mecânica à flexão em temperatura ambiente. A estrutura do material foi observada em microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, com mapeamento químico, para verificar a homogeneidade e morfologia das fases do compósito. A formação de Si2N2O foi observada no material sinterizado devido à reação entre os pós adicionados. O material obtido apresentou aumento de tenacidade e dureza com o aumento de temperatura de sinterização. As amostras apresentaram boa resistência à oxidação a 1000ºC. / Zirconia 3YTZP presents excellent properties at room temperature. These properties decrease as the temperature increases because high temperature acts negatively over the stress induced transformation toughening in the matrix. The addition of Si3N4 and SiC in a Y-TZP matrix is very interesting because leads to formation of silicon oxynitride and it increases the mechanical properties like toughness and hardness. Certainly the mechanical properties increment is limited by several difficulties which have appeared during processing and heating of these materials. This paper studies the Y-TZP/Si2N2O pressureless sintered composite, under different temperatures, showing the behavior of 20vol%Si3N4-SiC when added in YTZP matrix and heated under no pressure system. Al2O3 and Y2O3 were used as sintering aids. The mixture was milled and molded by cold isostatic pressure. Samples were heated at 1500º, 1600º and 1700ºC x 2h without pressure under atmospheric conditions using Si3N4 bed-powder. Samples were characterized by XRD and density, hardness, toughness, bending strength were measured. The structure of the material was observed in SEM/TEM/EPMA to verify the distribution and composition of the materials in the composite and the contact between filler surface and the matrix. The formation of SiON2 was observed in the sintered material due to reaction between both nitride and carbide with Y-TZP matrix. Furthermore the material showed an increment of both hardness and toughness as temperature increases. The samples presented considerable resistance to oxidation below 1000ºC.

Neste trabalho foram fabricados e caracterizados capacitores MOS com camada dielétrica de oxinitreto de silício de diferentes composição química, depositada pela técnica de PECVD a baixa temperatura, com o intuito de estudar suas propriedades dielétricas e de interface visando à aplicação deste material em dispositivos MOS e de filme fino. Os capacitores foram fabricados sobre lâminas de silício do tipo p que passaram pelo processo de limpeza química inicial, seguida da deposição da camada dielétrica, fotogravação, metalização e sinterização. Os filmes de SiOxNy, utilizados como camada dielétrica, foram depositados pela técnica de PECVD à temperatura de 320ºC variando os fluxos dos gases precursores de forma a obter filmes com diferentes composições químicas. Os capacitores MOS foram caracterizados por medidas de capacitância e corrente em função da tensão, de onde foram extraídas a densidade de estados de interface, a densidade de carga efetiva, constante dielétrica e campo elétrico de ruptura dos filmes. Os resultados mostraram uma variação linear da constante dielétrica do filme em função da concentração de nitrogênio, indo do valor de 3,9, correspondente ao dióxido de silício estequiométrico (SiO2) à 7,2 correspondente ao nitreto de silício estequiométrico (Si3N4). Também observamos que o nitrogênio é uma barreira eficiente à difusão de impurezas através do dielétrico. Porém, notamos uma grande dispersão de duas ordens de grandeza nos valores da carga efetiva (Nss) e de densidade de estados de interface (Dit). Por outro lado, controlando algumas variáveis de forma a manter constante o valor de Nss ( ~1012 cm-2), observamos uma variação de Dit em função da concentração de nitrogênio no filme, esta variação porém é pequena comparada com a dispersão de duas ordens de grandeza observada, que atribuímos assim a fatores externos. O menor valor obtido de Dit foi de 4,55.1010 eV-1.cm-2, que é ótimo para um filme obtido por PECVD, sem nenhum tratamento térmico e melhor que os reportados na literatura para dielétricos obtidos por técnicas que utilizam altas temperaturas (LPCVD-800ºC e oxinitretação térmica – 1100ºC). Assim, podemos concluir que a técnica de PECVD é promissora para a obtenção de dielétricos a baixas temperaturas. / In this work, MOS capacitors with different chemical composition silicon oxynitride insulating layer, deposited by PECVD technique at low temperature were fabricated and characterized, in order to study its dielectric and interface properties, seeking its aplication as insulating layer in MOS and thin films devices. The MOS capacitors were fabricated onto p-silicion wafers previously cleaned by a standard process, followed by the insulating layer deposition, photolitography, metalization and sinterization. The SiOxNy insulating layer was deposited by the PECVD technique at 320ºC changing the precursor gases flows to obtain films with different chemical compositions. The MOS capacitors were characterized by capacitance and current vs. voltage measurements, from where the interface state density (Dit), the effective charge density (Nss), the dielectric constant (k) and the film electrical breakdown field (Ebd) were extracted. The results showed a dielectric constant varying linearly as a function of the films nitrogen concentration, going from a value of 3.9, corresponding to stoichiometric silicon dioxide (SiO2) to a value of 7.2, corresponding to stoichiometric silicon nitride film (Si3N4). We also observed that nitrogen is an efficient diffusion barrier against contaminants. However, a large dispersion, about two orders of magnitude, in the effective charge and in the interface state density was observed. On the other hand, controlling some variables so as to keep the Nss value constant (~1012 cm-2) we observed a Dit variation as a function of the film nitrogen concentration, this variation is small when compared with the observed dispersion of two orders of magnitude, thus attributed to external factors. The smallest obtained Dit was 4.55.1010 eV-1.cm-2, which is unexpected for a PECVD film without any anealing process and is better than the values reported in the literature for dielectrics obtained at high temperatures techniques (as LPCVD – 800ºC and thermal oxynitridation – 1100ºC). Therefore, we can conclude that the PECVD technique is promising for obtaining low temperature dielectrics.

Neste trabalho, filmes amorfos de oxinitreto de silício (alfa-SiO IND.XN IND.Y:H) foram crescidos pelo processo de Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) a temperatura da 320ºC. No processo de deposição foi utilizada a mistura dos gases óxido nitroso (N IND.2O) e silano (SiH IND.4), variando-se a razão entre os seus fluxos (Re= N2O/SiH4) num intervalo de 0,25 Re 5,00. Foram obtidos filmes com diferentes composições químicas, sendo ricos em O (65 at.%) para Re 2,00 e ricos em Si (44 at. %) para Re 1,50. A técnica de Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) foi utilizada para determinar a composição química dos filmes. Os dados de RBS mostram um decréscimo da quantidade de O, enquanto que as quantidades de Si e N aumentam com o decréscimo de Re. A morfologia dos filmes foi estudada por Small Angell X-ray scattering (SAXS), Transmissio Electron Microscopy (TEM) e medida de densidade pelo método de flutuação. Os dados de SAXS revelam a presença de centros espalhadores com raio médio que varia de 10 Ã a 100 Ã. Os resultados de TEM mostram a presença de aglomerados esféricos dispersos numa matriz de mesmas espécies atômicas. A concentração de poros nos filmes é inferior a 10% e diminui com o aumento do conteúdo de oxigênio. Tanto a estrutura de ordem local quanto as ligações químicas foram investigadas pelas técnicas de X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), Extented X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) e Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). foi desenvolvido um potencial modelo de interação para simular a estrutura atômica do oxinitreto de silício amorfo e compará-la com os dados experimentais. As simulações computacionais foram realizadas utilizando o método de Monte Carlo (MC)-Metropolis. A análise estrutural das amostras ricas em O, tanto do ponto de vista experimental quanto teórico (obtidos por MC), mostram que a estrutura básica da rede é um tetraedro, onde o átomo central é o Si conectado por O e N. Os resultados experimentais das amostras ricas em si, apontam para a formação de agregados de Si, embebidos dentro de uma matriz de Si-O-N. Tratamentos térmicos a vácuo em temperaturas entre 550 e 1000 ºC promovem a efusão de hidrogênio e segregação de diferentes fases. / In this work, thin films of amorphous silicon oxynitride(alfa-SiOxNy:H) were deposited by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) at 320 ºC. In the deposition process a mixture of nitrous oxide (N2O) and silane (SiH4) was used, varying their flow ratio (Re= N2O/SiH4) in an interval of 0,25 Re 5,00. Films with different chemical composition were obtained, being O-rich (65 at.%) for Re 2,00 and Si-rich (44 at.%) for Re 1,50. The Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) was used to determine the atomic content of the films. The RBS data showed a decrease of the oxygen content while the Si and N contents increase with the decrease of Re. The films morphology was studied by Small Angle X-ray scattering (SAXS), Transmission Electron Microscopy (TEM) and density measurements by the flotation method. The SAXS data revealed the presence of scattering centers with mean radius from 10 Ã to 100 Ã. The TEM data showed the presence of spherical clusters dispersed in a matrix of the same atomic species. The concentration of pores in the material is less than 10% and decreases with the increase of oxygen content. The local atomic structure and chemical bonds were investigated by X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). A model of interatomic potential was developed to simulate the atomic structure of the amorphous silicon oxynitride in order to be compared with the experimental data. The computer simulations were performed by the Monte Carlo (MC) Metropolis method. The structural analysis of the O-rich samples, obtained by both experimental and theoretical simulations (obtained by MC), showed that the basic structure of the network is tetrahedral, being Si the central atom connected by O and N. The experimental results of the Si-rich samples indicate the formation of Si aggregates, embedded in a Si-O-N matrix. Annealing in vacuum, at temperatures between 550 e 1000 ºC, promoted hydrogen effusion and segregation of different phases.

Neste trabalho, filmes amorfos de oxinitreto de silício (alfa-SiO IND.XN IND.Y:H) foram crescidos pelo processo de Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) a temperatura da 320ºC. No processo de deposição foi utilizada a mistura dos gases óxido nitroso (N IND.2O) e silano (SiH IND.4), variando-se a razão entre os seus fluxos (Re= N2O/SiH4) num intervalo de 0,25 Re 5,00. Foram obtidos filmes com diferentes composições químicas, sendo ricos em O (65 at.%) para Re 2,00 e ricos em Si (44 at. %) para Re 1,50. A técnica de Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) foi utilizada para determinar a composição química dos filmes. Os dados de RBS mostram um decréscimo da quantidade de O, enquanto que as quantidades de Si e N aumentam com o decréscimo de Re. A morfologia dos filmes foi estudada por Small Angell X-ray scattering (SAXS), Transmissio Electron Microscopy (TEM) e medida de densidade pelo método de flutuação. Os dados de SAXS revelam a presença de centros espalhadores com raio médio que varia de 10 Ã a 100 Ã. Os resultados de TEM mostram a presença de aglomerados esféricos dispersos numa matriz de mesmas espécies atômicas. A concentração de poros nos filmes é inferior a 10% e diminui com o aumento do conteúdo de oxigênio. Tanto a estrutura de ordem local quanto as ligações químicas foram investigadas pelas técnicas de X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), Extented X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) e Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). foi desenvolvido um potencial modelo de interação para simular a estrutura atômica do oxinitreto de silício amorfo e compará-la com os dados experimentais. As simulações computacionais foram realizadas utilizando o método de Monte Carlo (MC)-Metropolis. A análise estrutural das amostras ricas em O, tanto do ponto de vista experimental quanto teórico (obtidos por MC), mostram que a estrutura básica da rede é um tetraedro, onde o átomo central é o Si conectado por O e N. Os resultados experimentais das amostras ricas em si, apontam para a formação de agregados de Si, embebidos dentro de uma matriz de Si-O-N. Tratamentos térmicos a vácuo em temperaturas entre 550 e 1000 ºC promovem a efusão de hidrogênio e segregação de diferentes fases. / In this work, thin films of amorphous silicon oxynitride(alfa-SiOxNy:H) were deposited by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) at 320 ºC. In the deposition process a mixture of nitrous oxide (N2O) and silane (SiH4) was used, varying their flow ratio (Re= N2O/SiH4) in an interval of 0,25 Re 5,00. Films with different chemical composition were obtained, being O-rich (65 at.%) for Re 2,00 and Si-rich (44 at.%) for Re 1,50. The Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) was used to determine the atomic content of the films. The RBS data showed a decrease of the oxygen content while the Si and N contents increase with the decrease of Re. The films morphology was studied by Small Angle X-ray scattering (SAXS), Transmission Electron Microscopy (TEM) and density measurements by the flotation method. The SAXS data revealed the presence of scattering centers with mean radius from 10 Ã to 100 Ã. The TEM data showed the presence of spherical clusters dispersed in a matrix of the same atomic species. The concentration of pores in the material is less than 10% and decreases with the increase of oxygen content. The local atomic structure and chemical bonds were investigated by X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES), Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). A model of interatomic potential was developed to simulate the atomic structure of the amorphous silicon oxynitride in order to be compared with the experimental data. The computer simulations were performed by the Monte Carlo (MC) Metropolis method. The structural analysis of the O-rich samples, obtained by both experimental and theoretical simulations (obtained by MC), showed that the basic structure of the network is tetrahedral, being Si the central atom connected by O and N. The experimental results of the Si-rich samples indicate the formation of Si aggregates, embedded in a Si-O-N matrix. Annealing in vacuum, at temperatures between 550 e 1000 ºC, promoted hydrogen effusion and segregation of different phases.

No presente trabalho foi realizado um estudo da viabilidade de integrar dois dispositivos ópticos: micro-lâmpadas incandescentes e filtros interferenciais com o objetivo de construir um dispositivo único com características próprias. A fabricação destes dispositivos ópticos foi feita utilizando materiais dielétricos, obtidos por deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), e usando técnicas convencionais de microeletrônica desenvolvidas neste laboratório. São apresentadas simulações numéricas, processo de fabricação e caracterização de cada um dos dois dispositivos ópticos assim como a caracterização do dispositivo óptico integrado obtido. As micro-lâmpadas incandescentes foram fabricadas a partir de um filamento de cromo, isolado do meio ambiente por duas camadas dielétricas de oxinitreto de silício, sendo alimentado eletricamente com uma tensão contínua com a finalidade de aumentar a temperatura do filamento até atingir a incandescência. Com a finalidade de reduzir a dissipação térmica nessa região, o filamento foi projetado e construído para ficar suspenso através de uma corrosão anisotrópica parcial do substrato de silício. Por outro lado, os filtros interferenciais foram fabricados sobre substratos de vidro a partir de uma série de camadas depositadas por PECVD alternadas de Si3N4 e SiO2, com espessuras de 240 e 340 nm e índices de refração de 1.91 e 1.46 respectivamente, com a finalidade de produzir picos de atenuação na transmitância da luz na região do visível do espectro eletromagnético. Foram construídos filtros com 9, 11 e 13 camadas. Os resultados deste trabalho mostraram que é possível realizar a integração eficiente destes dois dispositivos ópticos para produzir uma fonte luminosa que permite a filtragem de uma determinada faixa de comprimentos de onda. Foi demonstrado também que tanto a largura da faixa, como a região de filtragem, podem ser controladas através do índice de refração, espessuras e número de camadas constituintes do filtro interferencial. Os resultados das simulações numéricas mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos. / In the present work was realized a study of the viability of integrating two optical devices: incandescent micro-lamps and interferometric filters with the intention of obtaining a single device with specific characteristics. The fabrication of these optical devices was made using dielectric materials, obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and using conventional microelectronics techniques developed at this laboratory. Numeric simulations, fabrication process and characterization of each one of the two optical devices as well as the characterization of the obtained integrated optical device are presented. The incandescent microlamps were fabricated from a chromium filament, isolated from the environment by two dielectric silicon oxynitride layers, which is powered electrically with a continuous voltage with the purpose of increasing the temperature of the filament to reach the incandescence. With the purpose of reducing the thermal dissipation in that area, the filament was designed and fabricated to be suspended through a partial anisotropic etch of the silicon substrate. On the other hand, the interferometric filters were fabricated on glass substrates starting from a series of alternate Si3N4 and SiO2 layers deposited by PECVD, with thickness of 240 and 340 nm and refraction indexes of 1.91 and 1.46 respectively, with the purpose of producing light transmittance attenuation peaks in the visible region of the electromagnetic spectrum. Filters were fabricated with 9, 11 and 13 layers. The results of this work showed that it is possible to develop the efficient integration of these two optical devices to produce a luminous source that it allows the filtering of a certain range of wavelengths. It was also demonstrated that, the bandwidth as well as the filtering area, can be controlled through the refraction index, thickness and number of constituent layers of the interferometric filter. The results of the numeric simulations showed to be quite coherent with the obtained experimental results.