Capítulo 11 – Deposição de Filmes Finos por CVD – Pt II Ioshiaki Doi FEEC - UNICAMP.
Capítulo 4 - Deposição de Filmes Silício Policristalino Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Deposição de...
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Capítulo 4 - Deposição de Filmes Silício Policristalino
Ioshiaki DoiFEEC/UNICAMP
Deposição de filmes de Si-poli
IE726 – Processos de Filmes Finos
4. Deposição de Filmes de 4. Deposição de Filmes de Silício Policristalino (Si-poli)Silício Policristalino (Si-poli)
•Aplicações:
•Eletrodos de porta em CMOS
•Emissores em tecnologia bipolar
•Interconexão local
•Resistores
•Fontes de difusão para formação de junções rasas
Deposição de filmes de Si-poli
•Características do Si-poliCaracterísticas do Si-poli
•boa estabilidade térmica; boa estabilidade térmica; •boa interface com dióxido de silício;boa interface com dióxido de silício;•boa conformalidade;boa conformalidade;•facilidade de deposição e processamentofacilidade de deposição e processamento
Deposição de filmes de Si-poli
•Método de DeposiçãoMétodo de Deposição
•Deposição:
1) – 100% de SiH4 e pressões totais de 0.2 a 1.0 Torr.
2) - 20-30% SiH4 diluída em nitrogênio nas mesmas pressões.
3) - 25% SiH4 diluída em hidrogênio e pressões em torno de 1Torr.
•Reação:
SiH4 (vapor) Si (sólido) +
2H2 (gás)
Taxa de Deposição: 100 – 500 nm/min.
Deposição de filmes de Si-poli
•Taxa de Deposição X TemperaturaTaxa de Deposição X Temperatura
• Parâmetros Variáveis: T, P, concentração de SiH4 e diluentes.
• LPCVD horizontal, necessita rampa de T de 5 a 15 C.
• Estrutura depende de: dopantes ou impurezas, temperatura de deposição e de ciclos térmicos pós-deposição.
Deposição de filmes de Si-poli
Efeitos da Concentração de Silana e de Temperatura na Taxa de Deposição de Si-poli.
T depos. < 575 C Si amorfo
T depos. > 625 C Si-poli com estrutura colunar
Tamanho do grão:
- inicial: 0.03 – 0.3 m
- após dopagem c/P, recozimento de 900-1000 C, 20 min. 1 m
•Influências de Concentração e TemperaturaInfluências de Concentração e Temperatura
Deposição de filmes de Si-poli
• Taxa x Concentração de Silana Taxa x Concentração de Silana para T baixaspara T baixas
• Se reduzir a taxa de deposição si-poli mesmo para T < 575C.
• Taxa é limitada por desorção de H2.
• Ea = 1.7 eV
• T : 575 a 650C
• Taxa : 100 – 1000 Å/min.
Deposição de filmes de Si-poli
• Taxa de Deposição: A taxa de deposição do filme é um parâmetro não diretamente controlado. É resultado da interação da temperatura, pressão, composição e fluxo dos gases reagentes e diluente empregado.
•Taxa de Deposição x TemperaturaTaxa de Deposição x Temperatura
2 diferentes condições de deposição:
a) P = 350 mtorr e SiH4 = 200 sccm.
b) P = 120 mtorr e SiH4 = 50 sccm.
• Ea = 1.36 a 1.7 eV depende da pressão da silana.
• T < 580C, DR < 50 Å/min., muito baixo para uso prático.
Deposição de filmes de Si-poli
(a) Difusão. 1 h na temperatura indicada.
(b) Implantação. 1h de recozimento a 1100 C.
(c) In-situ. Depositado a 600 C e depois recozimento de 30 min. na temperatura indicada.
•Dopagem: difusão, I/I e Dopagem in-Dopagem: difusão, I/I e Dopagem in-situsitu
• Resistividade do Si-poli dopado com P.
Deposição de filmes de Si-poli
•Propriedades:
1) - 30-40 cm2/Vs difusão e I/I.
- 10-30 cm2/Vs in-situ.
2) Si-poli dopado aumenta:
Taxa de corrosão
Taxa de oxidação
3) Densidade: 2.3 g/cm3
4) coef. expansão térmica: 2 x 10-6/C
coef. da resistência c/T: 1 x 10-3/ C
Deposição de filmes de Si-poli
• Influência do Influência do Dopante na Taxa Dopante na Taxa de Deposiçãode Deposição
adição de B2H6 a silana durante a deposição aumenta taxa de deposição.
Adição de PH3 ou AsH3 a silana reduz taxa de deposição.
Deposição de filmes de Si-poli
Filme dopado com P e não dopado (tracejado).
Filme as-grown: - interface e
- superfície recozido a 1000C: - interface e �
- superfície.∇
• Efeitos da Temperatura e do Efeitos da Temperatura e do Dopante no Tamanho Médio Dopante no Tamanho Médio dos Grãos.dos Grãos.
Deposição de filmes de Si-poli
•Estrutura do Si-PoliEstrutura do Si-Poli
300 400 500 600 700
20 SCCM
10 SCCM
Si mono
Análise Raman - Variação de SiH4Pressão: 10 TorrTemp: 700°CH2: 8600 SCCM
Inte
nsid
ade
Ram
an (
u.a.
)
Deslocamento Raman (cm-1)
•Espectro Raman
amorfo
Estrutura colunar
amorfo recozido a 700C Si cristalino pico em 522 cm-1
Deposição de filmes de Si-poli
•Influência de P e T na Textura do FilmeInfluência de P e T na Textura do Filme
A textura dominante do filme de si-poli depositado por LPCVD é dependente da pressão (P) e da temperatura (T). Deposição típica: P = 350 mtorr e T = 580C. Se P = 2 torr, si-poli pode ser depositada a T = 600C.
Deposição de filmes de Si-poli
• Estrutura do Si-Poli Estrutura do Si-Poli dopado e não dopadodopado e não dopado
• Micrografias TEM do Si-poli depositado a 625C
a) – não dopado – graõs estrutura colunar;
b) - dopado com P in-situ – graõs maiores;
c) - não dopado c/tratamento térmico a 1000C – graõs similares a a);
d) - dopado com P e recozido a 1000C – crescimento dos graõs similares a b).
Deposição de filmes de Si-poli
•Influência do Influência do diluentediluente
300 400 500 600 700
770 °C
Si mono
710 °C
Análise Raman - Variação de TemperaturaPressão: 2,5 TorrQSiH
4: 60 SCCM
QH2: 0 SCCM
Inte
nsid
ade
Ram
an (
u.a.
)
Deslocamento Raman (cm-1
)
300 400 500 600 700 1000 °C
900 °C
740 °C
Si mono
Análise Raman - Variação de Temperatura Pressão: 100 Torr QSiH 4 : 40 SCCM QH 2 : 36100 SCCM
Inte
nsid
ade
Ra
ma
n (u
.a.)
Deslocamento Raman (cm -1 )
• Espectros Raman de Filmes de Si-poli Obtidos em Atmosfera de 100% de SiH4 (a) e SiH4 Diluída (b) em
Função da Temperatura de Deposição.
(a) (b)
• Todos os filmes, si-poli.
• Presença de pouco amorfo.
• Aumentando T, melhora qualidade cristalina.
Deposição de filmes de Si-poli
• Baixa intensidade de sinal amorfoBaixa intensidade de sinal amorfo indica um indica um filme quase completamente cristalizado, com filme quase completamente cristalizado, com poucas regiões amorfas, provavelmente poucas regiões amorfas, provavelmente presentes nas áreas de contorno dos grãos e presentes nas áreas de contorno dos grãos e que estas áreas diminuem com o aumento da que estas áreas diminuem com o aumento da temperatura.temperatura.
• Filmes de melhor qualidade cristalina com o aumento de temperatura:
• Os cristais apresentam menor quantidade de defeitos (deslocamentos e ou grãos germinados);
• Pouca perturbação na rede (stress, defeitos pontuais e impurezas).
Deposição de filmes de Si-poli
•Estrutura cristalina – Medidas Estrutura cristalina – Medidas XRDXRD
30 35 40 45 50 55
(393Å)
(45 4Å)(631Å)
(212Å)(216Å)(290Å)
850°C
47,4°<220>
28,6°<111>
56,2°<311>
substrato(silíc io)
800°C
Análise Raios X - Variação de TP = 5 TorrQSiH4 = 40 SCCMQH
2 = 4800 SCCM
(tamanho de grão medidopela Fórmu la de Scherrer)
Inte
nsi
dad
e (u
.a.)
2 Theta
Os picos de difração correspondem à textura <111> : ângulo (2) de 28,6°; <220> e <311> em torno de 47,4° e 57,3° respectivamente.
• Aumento de T, altera a constituição do filme. Neste exemplo, nota-se aumento na formação de textura <220>. Depende também da pressão parcial dos
reagentes e da pressão total.
Deposição de filmes de Si-poli
• Medidas Raman de Si-poli: Silana Diluída em H2.
300 400 500 600 700
75 Torr
100 Torr
Si mono
Anál ise Raman - Variação de PTemp: 900°CQSiH4: 40 SCCMQH
2: 36000 SCCM
Inte
nsid
ade
Ram
an
(u.a
.)
Deslocamento Raman (cm-1)
• Filmes depositados a pressões muito baixas ou muito altas perdem a qualidade Raman.
• Aumento da pressão para 100 torr leva a perda de qualidade do filme. Aumenta a quantidade de material na câmara que pode tanto favorecer a reação em fase gasosa quanto diminuir excessivamente a distância de difusão de superfície, impedindo a formação de filme policristalino.
Deposição de filmes de Si-poli
• Influência de HInfluência de H22 (gás de arraste) sobre a (gás de arraste) sobre a
Qualidade dos Filmes de Si-poli Qualidade dos Filmes de Si-poli
300 400 500 600 700
Si mono
980 SCCM 4800 SCCM 8600 SCCM
Análise Raman - Variação de H2 Pressão: 10 Torr Temp: 740°C QSiH 4 : 20 SCCM
Inte
nsid
ade
Ra
ma
n (u
.a.)
Deslocamento Raman (cm -1 ) 300 400 500 600 700
36100 SCCM
22500 SCCM
Si mono
Análise Raman - Variação de H2Pressão: 100 TorrTemp: 900°CQSiH4: 40 SCCM
Inte
nsid
ade
Ram
an (
u.a.
)
Deslocamento Raman (cm-1)
• H2 é um dos produtos da reação de Silana.
• O Hidrogênio adsorvido compete com o Silício na ocupação dos sites livres na superfície do substrato, dificultando a fixação dos átomos de Si na rede cristalina.
Deposição de filmes de Si-poli
• Influência de SiH4 sobre Influência de SiH4 sobre
a deposição de Si-polia deposição de Si-poli
300 400 500 600 700
100
200
300
400
500
20 SCCM (PSI = 15 mTorr)
10 SCCM (PSI = 7 mTorr)
Si mono
Análise Raman - Variação de SiH4
Pressão: 10 TorrTemp: 700 °CQH
2: 8600 SCCM
Inte
nsid
ade
Ram
an (
u.a.
)
Deslocamento Raman (cm-1)
• Aumento de reagente, aumenta quantidade de material adsorvido na superfície e a velocidade de crescimento se torna superior à velocidade de cristalização. na deposição de filmes na fase amorfa.
Deposição de filmes de Si-poli
•Referências: Referências:
1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1, Process Technology, Lattice Press, 1986.
2. S. A. Campbel; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996.
3. J. D. Plummer, M. D. Deal and P.B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.
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