Processamento físico-químico de semicondutores com alta-mobilidade de portadores : germânio e grafeno

Abstract

A evolução da microeletrônica ocorrida nas últimas cinco décadas levou a tecnologia do Silício (Si) aos seus limites. A busca por novos materiais semicondutores se faz necessária, tendo em vista a continuidade de Lei de Moore para as proximas gerações de dispositivos. Neste contexto, o presente trabalho estuda o processamento de dois semicondutores de alta-mobilidade de portadores alternativos ao Si: germânio (Ge) e grafeno. No primeiro estudo, foi investigada a incorporação do deutério (D) em estruturas GeO2/Ge submetidas a tratamentos térmicos em atmosfera de D2. Tal processamento é usualmente utilizado na passivação de ligações pendentes na interface SiO2/Si. Concentrações mais altas de D foram verificadas para amostras GeO2/Ge, em comparação a estruturas SiO2/Si tratadas nas mesmas condições. Foi também observada a volatilização da camada de GeO2 para tratamentos em temperaturas > 450°C. Concomitantemente a este processo, a estequiometria do óxido remanescente é modificada em função de reações químicas entre o D2 e o GeO2. Como resultado desta interação, são formados compostos voláteis que contribuem para a dessorção do óxido. Estes resultados evidenciam o amplo impacto dos parâmetros de processamento de estruturas GeO2/Ge neste tipo de atmosfera. Em relação ao grafeno, foi investigada a incorporação de H e O em grafeno monocamada (GMC) depositado sobre substratos SiO2/Si. Dados obtidos por reações nucleares (NRA) e espectroscopia Raman (ER) mostraram que a incorporação destas espécies ocorre por meio de mecanismos distintos, dependendo do intervalo de temparaturas considerado. Além disso, verificou-se que tratamentos térmicos em temperaturas a partir de 600°C provocam a remoção da camada de grafeno, introduzindo defeitos na estrutura remanescente. Ademais, foi possível estabelecer uma associação direta entre a adsorção de contaminantes presentes no ar, como o H2O, e as desordens estruturais identificadas por ER (extensamente abordadas na literatura). Por fim, também foi investigada a formação de grafeno bicamada (GBC) sobre SiC(0001) por meio de intercalação de O via tratamentos térmicos em fluxos gasosos de O2 e/ou H2O. Os experimentos evidenciaram um efeito sinérgico desses agentes oxidantes, promovendo o desacoplamento total da camada de transição (CT) do substrato de SiC. Esse efeito também foi verificado para tratamentos em fluxo de H2O em tempos maiores. Nesse caso, porém, provavelmente há incorporação de H na amostra e degradação do GBC. O desacoplamento do grafeno está relacionado à formação de uma camada de óxido na superfície do SiC. Estes resultados abrem perspectivas animadoras para a produção de estruturas GBC/SiC em larga escala usando a técnica de oxidação úmida padrão.

The development of microelectronics in the last five decades pushed the silicon (Si) technology to its limits. New semiconductor materials are mandatory in order to keep device evolution following Moore’s Law. In this context, we studied the processing steps of two emerging high-mobility semicondutors for future nanoelectronics: germanium (Ge) and graphene. In a first study, deuterium (D) incorporation in GeO2/Ge structures following D2 annealing was investigated. Higher D concentrations were obtained for GeO2/Ge samples, in comparison to their SiO2/Si counterparts annealed in the same conditions. Besides, volatilization of the oxide layer is also observed as consequence of the annealings, especially for temperatures > 450°C. Parallel to this volatilization, the stoichiometry of remnant oxide is modified due chemical reactions between D2 and GeO2. As result of this interaction, volatile compounds are formed, contributing to oxide desorption. These findings evidence the broader impact of processing parameters in the physico-chemical properties of GeO2/Ge strucutures. Concerning graphene, we investigated the incorporation of H and O within monolayer graphene deposited on SiO2/Si substrates. Nuclear reaction analysis (NRA) and Raman spectroscopy (RS) showed that the adsorbed species are incorporated following two distinct mechanisms, depending on the temperature range considered. Besides, the results revealed that treatments at temperatures  600°C promote etching of the graphene layer, introducing defects in the structure. Moreover, it was possible to stablish a direct relation between the adsorption of contaminants from atmosphere, such as H2O, and the structural disorder measured by RS – which is extensely reported in literature. Finally, the formation of bilayer graphene (BLG) on SiC(0001) by means of O intercalation was investigated upon annealings in O2 and/or H2O ambients. The RS and XPS results evidenced a sinergystic effect of these oxidant agents, promoting a complete decoupling of the buffer layer from the SiC substrate. This effect was also observed for treatments in H2O flux for longer times. However, in this case H is probably incorporated within the sample, and the BLG is degraded. Graphene decoupling is related to the formation of a thin oxide layer on SiC. These results open compelling perspectives on the production of BLG/SiC structures in wafer scales using a standard wet oxidation technique.