Capítulo 4 - Deposição de Filmes Silício Policristalino

1. Deposição de filmes de Si-poli Capítulo 4 - Deposição de Filmes Silício Policristalino IE726 – Processos de Filmes Finos Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP

2. 4. Deposição de Filmes de 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

3. Características do Si-poli Deposição de filmes de Si-poli • boa estabilidade térmica; • boa interface com dióxido de silício; • boa conformalidade; • facilidade de deposição e processamento

4. Deposição de filmes de Si-poli Método de Deposição • Deposição: • Reação: 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. SiH4 (vapor)  Si (sólido) + 2H2 (gás) Taxa de Deposição: 100 – 500 nm/min.

5. Deposição de filmes de Si-poli Taxa 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.

6. Influências de Concentração e Temperatura Deposição de filmes 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 Efeitos da Concentração de Silana e de Temperatura na Taxa de Deposição de Si-poli.

7. Taxa x Concentração de Silana para T baixas Deposição de filmes de Si-poli • Se reduzir a taxa de deposição  si-poli mesmo para T < 575C. • Taxa é limitada por desorção de H2. • Ea = 1.7 eV • T : 575 a 650C • Taxa : 100 – 1000 Å/min.

8. Deposição de filmes de Si-poli Taxa de Deposição x Temperatura 2 diferentes condições de deposição: • P = 350 mtorr e SiH4 = 200 sccm. • P = 120 mtorr e SiH4 = 50 sccm. • 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. • Ea = 1.36 a 1.7 eV  depende da pressão da silana. • T < 580C, DR < 50 Å/min., muito baixo para uso prático.

9. Dopagem: difusão, I/I e Dopagem in-situ Deposição de filmes de Si-poli • Resistividade do Si-poli dopado com P. • Difusão. 1 h na temperatura indicada. • Implantação. 1h de recozimento a 1100 C. • In-situ. Depositado a 600 C e depois recozimento de 30 min. na temperatura indicada.

10. Deposição de filmes de Si-poli Propriedades: •  - 30-40 cm2/Vs  difusão e I/I.  - 10-30 cm2/Vs  in-situ. • 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

11. Deposição de filmes de Si-poli Influência do Dopante na Taxa de Deposição • adição de B2H6 a silana durante a deposição aumenta taxa de deposição. • Adição de PH3 ou AsH3 a silana  reduz taxa de deposição.

12. Deposição de filmes de Si-poli Efeitos da Temperatura e do Dopante no Tamanho Médio dos Grãos. • Filme dopado com P e não dopado (tracejado). Filme as-grown:  - interface e  - superfície recozido a 1000C:  - interface e ∇ - superfície.

13. Deposição de filmes de Si-poli Estrutura do Si-Poli • Espectro Raman amorfo Estrutura colunar amorfo recozido a 700C Si cristalino pico em 522 cm-1

14. Deposição de filmes de Si-poli Influência 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 = 580C. Se P = 2 torr, si-poli pode ser depositada a T = 600C.

15. Deposição de filmes de Si-poli Estrutura do Si-Poli dopado e não dopado • – não dopado – graõs estrutura colunar; • - dopado com P in-situ – graõs maiores; • - não dopado c/tratamento térmico a 1000C – graõs similares a a); • - dopado com P e recozido a 1000C – crescimento dos graõs similares a b). • Micrografias TEM do Si-poli depositado a 625C

16. Deposição de filmes de Si-poli Influência do diluente (a) (b) • Todos os filmes, si-poli. • Presença de pouco amorfo. • Aumentando T, melhora qualidade cristalina. • 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.

17. Deposição de filmes de Si-poli Baixa intensidade de sinal amorfo indica um filme quase completamente cristalizado, com poucas regiões amorfas, provavelmente presentes nas áreas de contorno dos grãos e que estas áreas diminuem com o aumento da 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).

18. Deposição de filmes de Si-poli Estrutura cristalina – Medidas XRD 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.

19. Deposição de filmes de Si-poli Medidas Raman de Si-poli: Silana Diluída em H2. • 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.

20. Deposição de filmes de Si-poli Influência de H2 (gás de arraste) sobre a Qualidade dos Filmes de Si-poli • 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.

21. Deposição de filmes de Si-poli Influência de SiH4 sobre a deposição de Si-poli • 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.

22. Deposição de filmes de Si-poli Referências: • S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1, Process Technology, Lattice Press, 1986. • S. A. Campbel; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996. • J. D. Plummer, M. D. Deal and P.B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.