Multi-scale modelling of atomic layer deposition

High-permittivity ("high-k") dielectric materials are used in the transistor gate stack in integrated circuits. As the thickness of silicon oxide dielectric reduces below 2 nm with continued downscaling, the leakage current because of tunnelling increases, leading to high power consumption and reduced device reliability. Hence, research concentrates on finding materials with high dielectric constant that can be easily integrated into a manufacturing process and show the desired properties as a thin film. Atomic layer deposition (ALD) is used practically to deposit high-k materials like HfO2, ZrO2, and Al2O3 as gate oxides. ALD is a technique for producing conformal layers of material with nanometer-scale thickness, used commercially in non-planar electronics and increasingly in other areas of science and technology. ALD is a type of chemical vapor deposition that depends on self-limiting surface chemistry. In ALD, gaseous precursors are allowed individually into the reactor chamber in alternating pulses. Between each pulse, inert gas is admitted to prevent gas phase reactions. This thesis provides a profound understanding of the ALD of oxides such as HfO2, showing how the chemistry affects the properties of the deposited film. Using multi-scale modelling of ALD, the kinetics of reactions at the growing surface is connected to experimental data. In this thesis, we use density functional theory (DFT) method to simulate more realistic models for the growth of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4/H2O and HfCl4/H2O and for Al2O3 from Al(CH3)3/H2O.Three major breakthroughs are discovered. First, a new reaction pathway, ’multiple proton diffusion’, is proposed for the growth of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4/H2O.1 As a second major breakthrough, a ’cooperative’ action between adsorbed precursors is shown to play an important role in ALD. By this we mean that previously-inert fragments can become reactive once sufficient molecules adsorb in their neighbourhood during either precursor pulse. As a third breakthrough, the ALD of HfO2 from Hf(N(CH3)2)4 and H2O is implemented for the first time into 3D on-lattice kinetic Monte-Carlo (KMC).2 In this integrated approach (DFT+KMC), retaining the accuracy of the atomistic model in the higher-scale model leads to remarkable breakthroughs in our understanding. The resulting atomistic model allows direct comparison with experimental techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy and quartz crystal microbalance.

Surface plasmon resonance in nanostructured metal films under the Kretschmann configuration

We systematically investigated the surface plasmon resonance in one-dimensional (1D) subwavelength nanostructured metal films under the Kretschmann configuration. We calculated the reflectance, transmittance, and absorption for varying the dielectric fill factor, the period of the 1D nanostructure, and the metal film thickness. We have found that the small dielectric slits in the metal films reduce the surface plasmon resonance angle and move it toward the critical angle for total internal reflection. The reduction in surface plasmon resonance angle in nanostructured metal films is due to the increased intrinsic free electron oscillation frequency in metal nanostructures. Also we have found that the increasing the spatial frequency of the 1D nanograting reduces the surface plasmon resonance angle, which indicates that less momentum is needed to match the momentum of the surface plasmon-polariton. The variation in the nanostructured metal film thickness changes the resonance angle slightly, but mainly remains as a mean to adjust the coupling between the incident optical wave and the surface plasmon-polariton wave. © 2009 American Institute of Physics.

Resonant transmission near nonrobust periodic slab modes.

We present a precise theoretical explanation and prediction of certain resonant peaks and dips in the electromagnetic transmission coefficient of periodically structured slabs in the presence of nonrobust guided slab modes. We also derive the leading asymptotic behavior of the related phenomenon of resonant enhancement near the guided mode. The theory applies to structures in which losses are negligible and to very general geometries of the unit cell. It is based on boundary-integral representations of the electromagnetic fields. These depend on the frequency and on the Bloch wave vector and provide a complex-analytic connection in these parameters between generalized scattering states and guided slab modes. The perturbation of three coincident zeros-those of the dispersion relation for slab modes, the reflection constant, and the transmission constant-is central to calculating transmission anomalies both for lossless dielectric materials and for perfect metals.

Germanium MOS Capacitors with Hafnium Dioxide and Silicon Dioxide Dielectrics

Germanium (Ge) does not grow a suitable oxide for MOS devices. The Ge/dielectric interface is of prime importance to the operation of photo-detectors and scaled MOSTs. Therefore there is a requirement for deposited or bonded dielectric materials. MOS capacitors have been formed on germanium substrates with three different dielectric materials. Firstly, a thermally grown and bonded silicon dioxide (SiO2) layer, secondly, SiO2 deposited by atmospheric pressure CVD ‘silox’, and thirdly a hafnium oxide (HfO2) high-k dielectric deposited by atomic layer deposition (ALD). Ge wafers used were p-type 1 0 0 2 O cm. C–V measurements have been made on all three types of capacitors to assess the interface quality. ALD HfO2 and silox both display acceptable C–V characteristics. Threshold voltage and maximum and minimum capacitance values closely match expected values found through calculation. However, the bonded SiO2 has non-ideal C–V characteristics, revealing the presence of a high density of interface states. A H2/N2 post metal anneal has a detrimental effect on C–V characteristics of HfO2 and silox dielectrics, causing a shift in the threshold voltage and rise in the minimum capacitance value. In the case of hafnium dioxide, capacitor properties can be improved by performing a plasma nitridation of the Ge surface prior to dielectric deposition.

Conformal oxide coating of carbon nanotubes

The International Roadmap for Ferroelectric Memories requires three-dimensional integration of high-dielectric materials onto metal interconnects or bottom electrodes by 2010. Here, we demonstrate the possibility of conformally coating carbon nanotubes with high-dielectric oxide as a first step toward ultrahigh integration density of three-dimensional ferroelectric random access memories.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Compósitos CNTs/biocerâmico para a estimulação elétrica óssea in situ

The present thesis aims to develop a biocompatible and electroconductor bone graft containing carbon nanotubes (CNTs) that allows the in situ regeneration of bone cells by applying pulsed external electrical stimuli. The CNTs were produced by chemical vapor deposition (CVD) by a semi-continuous method with a yield of ~500 mg/day. The deposition parameters were optimised to obtain high pure CNTs ~99.96% with controlled morphologies, fundamental requisites for the biomedical application under study. The chemical functionalisation of CNTs was also optimised to maximise their processability and biocompatibility. The CNTs were functionalised by the Diels-Alder cycloaddition of 1,3-butadiene. The biological behaviour of the functionalised CNTs was evaluated in vitro with the osteoblastic cells line MG63 and in vivo, by subcutaneous implantation in rats. The materials did not induce an expressed inflammatory response, but the functionalised CNTs showed a superior in vitro and in vivo biocompatibility than the non-functionalised ones. Composites of ceramic matrix, of bioglass (Glass) and hydroxyapatite (HA), reinforced with carbon nanotubes (CNT/Glass/HA) were processed by a wet approach. The incorporation of just 4.4 vol% of CNTs allowed the increase of 10 orders of magnitude of the electrical conductivity of the matrix. In vitro studies with MG63 cells show that the CNT/Glass/HA composites guarantee the adhesion and proliferation of bone cells, and stimulate their phenotype expression, namely the alkaline phosphate (ALP). The interactions between the composite materials and the culture medium (α-MEM), under an applied electrical external field, were studied by scanning vibrating electrode technique. An increase of the culture medium electrical conductivity and the electrical field confinement in the presence of the conductive samples submerged in the medium was demonstrated. The in vitro electrical stimulation of MG63 cells on the conductive composites promotes the increase of the cell metabolic activity and DNA content by 130% and 60%, relatively to the non-stimulated condition, after only 3 days of daily stimulation of 15 μA for 15 min. Moreover, the osteoblastic gene expression for Runx2, osteocalcin (OC) and ALP was enhanced by 80%, 50% and 25%, after 5 days of stimulation. Instead, for dielectric materials, the stimulus delivering was less efficient, giving an equal or lower cellular response than the non-stimulated condition. The proposed electroconductive bone grafts offer exciting possibilities in bone regeneration strategies by delivering in situ electrical stimulus to cells and consequent control of the new bone tissue formation rate. It is expected that conductive smart biomaterials might turn the selective bone electrotherapy of clinical relevance by decreasing the postoperative healing times.

Competing tunneling and capacitive paths in Co-ZrO2 granular thin films

The ac electrical response is studied in thin films composed of well-defined nanometric Co particles embedded in an insulating ZrO2 matrix which tends to coat them, preventing the formation of aggregates. In the dielectric regime, ac transport originates from the competition between interparticle capacitive Cp and tunneling Rt channels, the latter being thermally assisted. This competition yields an absorption phenomenon at a characteristic frequency 1/(RtCp), which is observed in the range 1010 000 Hz. In this way, the effective ac properties mimic the universal response of disordered dielectric materials. Temperature and frequency determine the complexity and nature of the ac electrical paths, which have been successfully modeled by an Rt-Cp network.

Converting the nanodomains of a diblock-copolymer thin film from spheres to cylinders with an external electric field

We investigate the ability of an applied electric field to convert the morphology of a diblock-copolymer thin film from a monolayer of spherical domains embedded in the matrix to cylindrical domains that penetrate through the matrix. As expected, the applied field increases the relative stability of cylindrical domains, while simultaneously reducing the energy barrier that impedes the transition to cylinders. The effectiveness of the field is enhanced by a large dielectric contrast between the two block-copolymer components, particularly when the low-dielectric contrast component forms the matrix. Furthermore, the energy barrier is minimized by selecting sphere-forming diblock copolymers that are as compositionally symmetric as possible. Our calculations, which are the most quantitatively reliable to date, are performed using a numerically precise spectral algorithm based on self-consistent-field theory supplemented with an exact treatment for linear dielectric materials.

Electric field alignment in thin films of cylinder-forming diblock copolymer

We investigate thin films of cylinder-forming diblock copolymer confined between electrically charged parallel plates, using self-consistent-field theory ( SCFT) combined with an exact treatment for linear dielectric materials. Our study focuses on the competition between the surface interactions, which tend to orient cylinder domains parallel to the plates, and the electric field, which favors a perpendicular orientation. The effect of the electric field on the relative stability of the competing morphologies is demonstrated with equilibrium phase diagrams, calculated with the aid of a weak-field approximation. As hoped, modest electric fields are shown to have a significant stabilizing effect on perpendicular cylinders, particularly for thicker films. Our improved SCFT-based treatment removes most of the approximations implemented by previous approaches, thereby managing to resolve outstanding qualitative inconsistencies among different approximation schemes.

Undulation instability in block-copolymer lamellae subjected to a perpendicular electric field

We examine the stability of lamellar stacks in the presence of an electric field, E-0, applied normal to the lamellae. Calculations are performed with self-consistent field theory (SCFT) supplemented by an exact treatment of the electrostatic energy for linear dielectric materials. The calculations identify a critical electric field, E-0*, beyond which the lamellar stack becomes unstable with respect to undulations. This E-0* rapidly decreases towards zero as the number of lamellae in the stack diverges. Our quantitative predictions for E-0* are consistent with previous experimental measurements by Xu and co-workers.

Spectral design of temperature-invariant narrow bandpass filters for the mid-infrared

The ability of narrow bandpass filters to discriminate wavelengths between closely-separated gas absorption lines is crucial in many areas of infrared spectroscopy. As improvements to the sensitivity of infrared detectors enables operation in uncontrolled high-temperature environments, this imposes demands on the explicit bandpass design to provide temperature-invariant behavior. The unique negative temperature coefficient (dn/dT<0) of Lead-based (Pb) salts, in combination with dielectric materials enable bandpass filters with exclusive immunity to shifts in wavelength with temperature. This paper presents the results of an investigation into the interdependence between multilayer bandpass design and optical materials together with a review on invariance at elevated temperatures.

Theoretical investigation of Hf and Zr defects in c-Ge

The introduction of high-permittivity gate dielectric materials into complementary metal oxide semiconductor technology has reopened the interest in Ge as a channel material mainly due to its high hole mobility. Since HfO(2) and ZrO(2) are two of the most promising dielectric candidates, it is important to investigate if Hf and Zr may diffuse into the Ge channel. Therefore, using ab initio density functional theory calculations, we have studied substitutional and interstitial Hf and Zr impurities in c-Ge, looking for neutral defects. We find that (i) substitutional Zr and Hf defects are energetically more favorable than interstitial defects; (ii) under oxygen-rich conditions, neither Zr nor Hf migration towards the channel is likely to occur; (iii) either under Hf- or Zr-rich conditions it is very likely, particularly for Zr, that defects will be incorporated in the channel.

Electromechanical properties of 0-3 vegetable based polyurethane and lead zirconate titanate composite.

Composite made of Lead Zirconate Titranate (PZT) ceramic powder and castor oil based polyurethane (PU) were prepared in the thin film form with 0-3 connectivity by spin coating. The composite films were obtained in the thickness range of 100 mum to 300 mum using 33-vol.% of ceramic. The samples mechanical resistance. The material was characterised by dielectric spectroscopy, thermally stimulated discharge current (TSDC), hysteresis measurements and laser-intensity-modulation method (LIMM). The pyroelectric coefficient at 343 K was 7x10(-5) C.m(-2) K-1 for the sample poled with 10 MV/m at 373 K for Ih. The results show that this new composite can be used as suitable piezo and pyroelectric sensors.

Upconversion luminescence in Er3+ doped and Er3+/Yb3+ codoped zirconia and hafnia nanocrystals excited at 980 nm

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)