capítulo 4 - deposição de filmes silício policristalino

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


•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


•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.


•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.


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


• 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.


• 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.


(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.


•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


• 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.


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.


•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


•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.


• 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).


•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.


• 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).


•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.


• 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

.)


• 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.


• 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.

)


• 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.


• 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.

)


• 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.


•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.


capítulo 4 - deposição de filmes silício policristalino

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