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

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

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-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

4 Método de DeposiçãoMétodo de Deposição Deposição: 1) – 100% de SiH 4 e pressões totais de 0.2 a 1.0 Torr. 2) % SiH 4 diluída em nitrogênio nas mesmas pressões. 3) - 25% SiH 4 diluída em hidrogênio e pressões em torno de 1Torr. Reação: SiH 4 (vapor) Si (sólido) + 2H 2 (gás) Taxa de Deposição: 100 – 500 nm/min. Deposição de filmes de Si-poli

5 Taxa de Deposição X TemperaturaTaxa de Deposição X Temperatura Parâmetros Variáveis: T, P, concentração de SiH 4 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

6 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 C, 20 min. 1 m Influências de Concentração e TemperaturaInfluências de Concentração e Temperatura Deposição de filmes de Si-poli

7 Taxa x Concentração de Silana para T baixasTaxa x Concentração de Silana para T baixas Se reduzir a taxa de deposição si-poli mesmo para T < 575 C. Taxa é limitada por desorção de H 2. E a = 1.7 eV T : 575 a 650 C Taxa : 100 – 1000 Å/min. Deposição de filmes de Si-poli

8 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 SiH 4 = 200 sccm. b)P = 120 mtorr e SiH 4 = 50 sccm. E a = 1.36 a 1.7 eV depende da pressão da silana. T < 580 C, DR < 50 Å/min., muito baixo para uso prático. Deposição de filmes de Si-poli

9 (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-situDopagem: difusão, I/I e Dopagem in-situ Resistividade do Si-poli dopado com P. Deposição de filmes de Si-poli

10 Propriedades: 1) cm 2 /Vs difusão e I/I cm 2 /Vs in-situ. 2)Si-poli dopado aumenta: Taxa de corrosão Taxa de oxidação 3) Densidade: 2.3 g/cm 3 4) coef. expansão térmica: 2 x / C coef. da resistência c/T: 1 x / C Deposição de filmes de Si-poli

11 Influência do Dopante na Taxa de DeposiçãoInfluência do Dopante na Taxa de Deposição adição de B 2 H 6 a silana durante a deposição aumenta taxa de deposição. Adição de PH 3 ou AsH 3 a silana reduz taxa de deposição. Deposição de filmes de Si-poli

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

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

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

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

16 Influência do diluenteInfluência do diluente Espectros Raman de Filmes de Si-poli Obtidos em Atmosfera de 100% de SiH 4 (a) e SiH 4 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

17 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.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). Deposição de filmes de Si-poli

18 Estrutura cristalina – Medidas XRDEstrutura cristalina – Medidas XRD Os picos de difração correspondem à textura : ângulo (2 ) de 28,6°; e 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. Depende também da pressão parcial dos reagentes e da pressão total. Deposição de filmes de Si-poli

19 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. Deposição de filmes de Si-poli

20 Influência de H 2 (gás de arraste) sobre a Qualidade dos Filmes de Si-poliInfluência de H 2 (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. Deposição de filmes de Si-poli

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

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


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