No presente trabalho estudamos de forma sistemática a difusão de impurezas em filmes poliméricos usando as técnicas de implantação iônica e análise por feixe de íons, retroespalhamento Rutherford e de perfil de profundidade por nêutrons. Com este propósito foram implantadas e realizadas medidas em diferentes intervalos de temperatura para diferentes sistemas como (Au, Ag) no fotoresiste AZ1350, (Bi, Eu, Er, B) no fotoresiste S1813 e (Xe, Kr) no termoplástico Poliestireno. Como resultado mostrou-se que para implantações em baixas energias e fluências Au, Ag seguem uma difusão regular. Os valores obtidos para os parâmetros de difusão são semelhantes indicando assim um mecanismo de difusão verdadeiramente atômico. É mostrado também que com o aumento da fluência, devido aos danos gerados pelo processo de implantação, átomos são aprisionados na região implantada levando a um mecanismo de difusão por aprisionamento e liberação. Contudo, mostrou-se que a energia de ativação indica que este processo de difusão ainda é de caráter atômico. Da análise dos valores de D observamos um efeito de massa associado onde D(T)Au < D(T)Ag, pois a massa de Ag é duas vezes menor que a de Au. Para os elementos como Bi, Eu e Er, considerados quimicamente mais ativos que Au, não foram observados efeitos de possíveis ligações químicas nestes sistemas. Valores de energia de ativação de Bi apresentaram-se próximos aos de Au para as fluências de implantação aplicadas, o mesmo ocorrendo para a difusão de Er e Eu. O B mostrou que depois de implantado difunde durante ou imediatamente após a implantação. Difusão esta dada na presença de armadilhas saturáveis induzidas por radiação, indo além da difusão térmica, por ordem de magnitude de ≈10-12, contra ≈10-13 cm2s-1, respectivamente. Quanto a Xe e Kr, observou-se que estes também difundem durante ou imediatamente após a implantação, e que a fração do gás retido no pico depende da fluência implantada. Implantações em baixa temperatura (80 K) e posteriores análises foram determinados in situ por RBS na faixa de 80 a 300 K. Verificou-se que a difusão segue um perfil regular. Em cada caso mostrou-se que a dependência dos valores de D como função da temperatura segue um comportamento tipo Arrhenius, com valores de energia de ativação para os metais (Au, Ag, Bi) entre 580 e 680 meV, para os lantanídeos (Er, Eu) valores entre 525 a 530 meV, para o semi-metal (B) 100 meV, e finalmente para os gases nobres Kr e Xe entre 40 e 67 meV.

Usando a técnica de Retroespalhamento Rutherford (RBS). no presente trabalho medimos a perda de energia e a flutuação estatística da perda de energia (straggling) como função da energia para íons de Li em alvos de silicio amorfo. Através do método dos marcadores. com amostras produzidas por implantação iônica e por epitaxia de feixe molecular,o poder de freamento foi medido em um intervalo de energia entre 250keV e 9MeV enquanto que o straggling foi determinado em um intervalo que foi de 450keV a 3MeV. Os resultados experimentais foram comparados com medidas prévias e com cálculos semi-empiricos realizados por Ziegler. Biersack e Littmark e por Konac et el., sendo encontrado um razoável acordo teórico-experimental. Foram também realizados cálculos baseados nos modelos teóricos de Aproximação por Convolução Perturbativa (PCA) e Aproximação por Convolução Unitária (UCA) propostos por Grande e Schiwielz O modelo PCA apresentou resultados aceitáveis para energias acima de 6MeV enquanto que os valores apresentados pelo divergem dos valores experimentais para energias abaixo de 2MeV. As medidas de straggling quando comparados com as predições da teoria de Bohr mostraram discrepâncias que foram entre 20% e 60%. Cálculos feitos com a aproximação para encontros binários (BEA) usando-se a secção de choque de Thompsom e a secção de choque proposta no trabalho de Vriens foram comparados com as medidas experimentais. Os resultados usando-se a secção de choque de Thompsom divergem por até 50%, enquanto que os valores calculados a secção de choque proposta por Vriens mostram uma concordância razoável para energias abaixo de 1MeV.

O Nitreto de Gálio (GaN) é um semicondutor de gap direto, motivo de numerosas pesquisas científicas, principalmente devido a sua importância na fabricação de dispositivos de alta potência e optoeletrônicas. Ligas de GaN como InGaN e AlGaN, por exemplo, possibilitam a fabricação de LEDs e LASERs azuis. Neste nosso estudo selecionamos o Arseneto de Gálio (GaAs) como um substrato viável para síntese de GaN mediante a permuta de Arsênio (As) por Nitrogênio (N) fundamentada em três passos: a) incorporação de N por implantação iônica em GaAs (à 350, 450 ou 550 ºC) em elevadas fluências (1, 2, 3 ou 4 × 1017 N/cm2); b) maior estabilidade das ligações Ga-N frente às de Ga-As; e c) expurgo de As da região contendo N implantado mediante recozimentos (à 550, 650, 750, 850 ou 1000 ºC) sob fluxo de N2. Uma capa de ~ 125 nm de Nitreto de Silício (Si3N4) foi depositada por sputtering sobre o GaAs previamente a implantação à quente: camada de sacrifício que pode ser removida após a síntese. Análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia de Raios- X por Dispersão em Energia (EDS) demonstraram que, no estado como-implantado da fluência de 3 × 1017 N/cm2, formam-se bolhas de N para ambos os lados da interface Si3N4/GaAs e a região implantada do GaAs amorfiza. Após um recozimento à 850 ºC/5 min, observou-se uma elevada degradação da camada de Si3N4, fragilizada pela formação das bolhas de N. Formou-se uma camada contínua de GaN (GaN-layer) de ~ 70 nm na sua fase hexagonal, sustentada por “pilares” no substrato GaAs, entre os quais existem extensos vazios. Medidas TEM em alta resolução (HRTEM) e por Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) revelaram que a GaN-layer apresenta forte tendência à epitaxia com o substrato GaAs (relações de epitaxia são aqui apresentadas), e regiões estruturalmente espelhadas (i.e., twins). SAED sobre os pilares evidenciaram uma fase transicional cúbica, com um parâmetro de rede substancialmente menor (0,42 ± 0,01) nm que o reportado na literatura (0,45 nm). Estudos por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford e Canalização (RBS/C) mostraram que a GaN-layer é rica em N (Ga1,00N1,90, para 3 × 1017 N/cm2) e apresenta canalização (para implantações de 2 e 3 × 1017 N/cm2), confirmando o caráter monocristalino identificado por TEM. Medidas de Fotoluminescência (PL) confirmam emissão na região do gap de banda do α-GaN (~ 3,4 eV), bem como bandas associadas a defeitos estruturais do material. Também foi investigado o efeito de campos de tensão provenientes de bolhas de Hélio (He) mediante a realização da síntese a partir de substrato GaAs pré-implantado com He. Neste caso, as bolhas, que se formam no GaAs durante a implantação de N à quente e extinguem-se após recozimentos, limitam a difusão de N para o interior do substrato, conduzindo a formação de uma GaN-layer mais espessa (~ 120 nm) e com bem mais N (Ga1,00N2,80). Como consequência, a GaNlayer apresentou um caráter mais policristalino. / The Gallium Nitride (GaN) is a direct gap semiconductor, is issue of numerous scientific research, mainly due to its importance in the manufacture of high power devices and optoelectronic devices. GaN alloys, as InGaN and AlGaN, for example, enable the production of LEDs and blue LASERs. In this study, we have selected Gallium Arsenide (GaAs) as a suitable substrate for GaN synthesis through Arsenic (As) replacement by Nitrogen (N), based on three steps: a) incorporation of N by ion implantation into GaAs (at 350, 450 or 550 ºC) at high fluences (1, 2, 3 or 4 × 1017 N/cm2); b) higher stability of the Ga-N bonds compared to the Ga-As ones; and c) purge of As from the region containing implanted N by annealing (at 550, 650, 750, 850 or 1000 ºC) under N2 flow. A 125-nm cap-layer of Silicon Nitride (Si3N4) was deposited by sputtering on GaAs prior to the hot implantation: it is a sacrifice layer which can be removed after the synthesis. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analyzes demonstrated that, on the as-implanted state of the fluence of 3 × 1017 N/cm2, N bubbles are formed on both sides of the Si3N4/GaAs interface and the implanted region of GaAs amorphizes. After annealing at 850 °C/5min, a high degradation of the Si3N4 layer was observed, weakened by the formation of N bubbles. A continuous layer of GaN (GaN-layer) of ~ 70 nm was formed in its hexagonal phase, supported by “pillars” on the GaAs substrate, with extensive voids in between them. High-Resolution TEM (HRTEM) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) measurements revealed that the GaN-layer exhibits a strong tendency to epitaxy with the GaAs substrate (epitaxial relationships are here presented), and structurally mirrored regions (i.e., twins). SAED on the pillars showed a transitional cubic phase, with a lattice parameter substantially smaller (0.42 ± 0.01) nm than the one reported in the literature (0.45 nm). Rutherford Backscattering Spectrometry studies and Channeling (RBS/C) showed that the GaN-layer is rich in N (Ga1.00N1.90, for 3 × 1017 N/cm2) and presents channeling (for implantations of 2 and 3 × 1017 N/cm2), corroborating the monocrystalline nature identified by TEM. Photoluminescence (PL) measurements confirm emission in the band gap region of a- GaN (~ 3.4 eV), as well as bands associated to structural defects in the material. It was also investigated the effect of strain fields from Helium (He) bubbles through synthesis starting up from He pre-implanted GaAs substrate. In this case, the bubbles, which are formed in the GaAs during the hot N-implantation and are annihilated after annealing, limit the N diffusion into the substrate, leading to the formation of a thicker GaN-layer (~ 120 nm) and with much more N (Ga1.00N2.80). As a result, the GaN-layer presented an aspect more polycrystalline.

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If the fabrication of NAA is done in two steps, it is possible to obtain reflectance spectra and luminescence fringed with better amplitudes, areas and heights. Regarding the anodizing mode, both the NAA anodized in galvanostatic how potentiostatic showed similar morphologies and spectra with fringes, but the interferences were better defined when the galvanostatic mode was performed. Regarding the temperature, it was noticeable that the change of this parameter leads influences the porous oxide thickness. The spectrum of the luminescence and reflectance increasing the electrolyte temperature caused an increase in interference. However, the range and resolution of interference decreased with increasing temperature. The oxide thicknesses were estimated by energy variation (?E), graph slope between order and 1/? and fast Fourier transform (FFT) techniques. The ratio of film thickness and pore diameter (L/dp) was performed to validate the NAA films with better waveguides property. Moreover, the surface composition analysis of NAA films anodized in phosphoric acid, oxalic acid and mixtures thereof by backscattering spectroscopy Rutherford (RBS) was performed. From simulations it was possible to note that the amount of carbon in the porous oxide structure is practically zero, which may indicate that the origin of the luminescence is related to the presence of more centers F. / Filmes de alumina anódica porosa (AAP) podem apresentar, espectros de reflectância e luminescência com interferências de Fabry-Pérot e propriedades de guias de onda. Esse fenômeno possibilita que a AAP possa ser utilizada como plataforma em sensores ópticos. Neste trabalho, foi investigado como o pré-tratamento, o número de etapas de anodização, o modo de anodização e a temperatura do eletrólito afetam características eletroquímicas, morfológicas e principalmente ópticas da AAP. Como resultado, foi possível notar que a realização do eletropolimento é necessário para obter tanto a AAP com boa regularidade como para que seja possível obter um espectro com as interferências Fabry-Pérot. Se a fabricação da AAP for feita em duas etapas, é possível obter espectros de reflectância e luminescência com franjas com melhores amplitudes, áreas e alturas. Com relação ao modo de anodização, tanto as AAPs anodizadas em modo galvanostático como potenciostático apresentaram morfologias semelhantes e espectros com franjas, mas as interferências foram melhor definidas quando o modo galvanostático foi realizado. Com relação à temperatura, foi possível notar que a mudança desse parâmetro ocasiona influencia na espessura do óxido poroso. Quanto aos espectros de luminescência e reflectância, o aumento da temperatura do eletrólito ocasionou um aumento no número de interferências. Entretanto, a amplitude e a resolução das interferências diminuíram com o aumento da temperatura. A espessura do filme poroso foi estimada pelas técnicas de variação de energia (?E), coeficiente angular do gráfico entre ordem da interferência e 1/? e através da transformada rápida de Fourier (FFT). E foi utilizada a razão entre a espessura do filme e diâmetro do poro (Esp/Dp) para averiguar os filmes de AAP com guias de onda que pudessem ser utilizadas como substratos para sensores ópticos. Além disso, foi realizada a análise de composição superficial dos filmes de AAP anodizados em ácido fosfórico, oxálico e mistura destes ácidos pela técnica de espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS). A partir das simulações realizadas foi possível notar que a quantidade que carbono na estrutura do oxido poroso é praticamente nula, o que pode indicar que a origem da luminescência está relacionada à presença dos centros F.

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.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.

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.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.

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.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.