1) O documento descreve estudos sobre a viabilidade de fabricação de dispositivos semicondutores baseados em filmes de carbeto de silício obtidos por PECVD. 2) Foram realizados experimentos de cristalização, corrosão e dopagem dos filmes de carbeto de silício amorfo, bem como a fabricação de estruturas básicas como capacitores e heterojunções. 3) Os resultados indicaram a formação de nanocristais de carbeto de silício cúbico após tratamento térmico e taxas de corrosão

1. ALESSANDRO RICARDO DE OLIVEIRA ESTUDO DA VIABILIDADE DE FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES BASEADOS EM FILMES DE CARBETO DE SILÍCIO CRESCIDOS POR PECVD Laboratório de Microeletrônica Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Grupo de Novos Materiais e Dispositivos Orientador: Prof. Dr. Marcelo N. P. Carreño

6. Objetivos Estudar a viabilidade de desenvolver dispositivos baseados em filmes de carbeto de silício estequiométrico (a-Si 0,5 C 0,5 :H) obtidos por PECVD Nesse sentido, a proposta do projeto envolve: Aprimoramento e desenvolvimento dos processos básicos para a fabricação de dispositivos (dopagem, corrosão, cristalização, oxidação... ) Desenvolvimento de estruturas básicas, como são as junções semicondutoras e os dispositivos por efeito de campo, e não o desenvolvimento e aperfeiçoamento de um tipo especifico de dispositivo

7. Carbeto de silício estequiométrico a-Si 0,5 C 0,5 :H com alta ordem estrutural: C3680 (sem hidrogênio na mistura gasosa) C3690H (com hidrogênio na mistura gasosa) Condições (pré-estabelecidas) para obter estes materiais: Material utilizado Maior ordem 0,52 540 320 100 200 32,4 3,6 C3690H Menor ordem 0,53 510 320 20 - 14 3,6 C3680 x Espessura (nm  10%) Temp. (ºC) rf (W) Fluxo H 2 (sccm) Fluxo CH 4 (sccm) Fluxo SiH 4 (sccm) Amostra Tipo

8. Material utilizado Espectroscopia de absorção na região de infravermelho (FTIR)

9. Metodologia PARTE I Aprimoramento das propriedades dos filmes de a-SiC:H Cristalização Corrosão PARTE II Aperfeiçoamento do Processo de dopagem In situ com N 2 I/I B + e BF 2 + Difusão Al PARTE III Fabricação dos Dispositivos Capacitores Heterojunções TFTs

10. Cristalização Experimental Tratamentos térmicos: Vácuo (p ~ 10 -5 torr): 550, 750 e 1000 ºC por 2 horas Análises: FTIR XRD Perfilometria Microscopia óptica

11. Cristalização Resultados: FTIR Pico das ligações Si-C se torna mais dominante e fino, além disso (centrado em ~760 cm -1 para filmes como depositados) muda para 800 cm -1 .

12. Cristalização Resultados: FTIR - ligação Si-H em 2100 cm -1

15. Cristalização Resultados: XRD

16. Cristalização Resultados: Perfilometria

17. Cristalização Resultados: Microscopia óptica

18. Cristalização Resultados: Microscopia óptica Possíveis problemas: Steckl et. al. diferença entre os coef. expansão térmica (8%) e diferença entre as cte de rede (20%). Obs.: Normalmente aparecem trincas

20. Corrosão Resultados: Concentração O 2 Em altas porcentagens de O 2 (> 60%) o nível de átomos livres de F chega a um ponto de saturação e então começa a diminuir 20 30 40 50 60 70 80 15 20 25 30 35 como depositado a-Si 0.5 C 0.5 :H rf = 100 W p = 100 mTorr T = 20 ºC Taxa de corrosão (nm / min) % Oxigênio

21. Corrosão Resultados: Potência Taxa de corrosão cresce linearmente com o aumento da potência de rf

22. Corrosão Resultados: Pressão Saturação: aumento da densidade de espécies de neutras

23. Corrosão Resultados: Tratadas termicamente Taxa de 40 nm/min, próximo dos 35 nm/min reportados pela literatura do 3C-SiC monocristalino usando condições similares (60% de O 2 na mistura de CHF 3 /O 2 )

25. Resultados e Discussão PARTE I Aprimoramento das propriedades dos filmes de a-SiC:H Cristalização Corrosão PARTE III Fabricação dos Dispositivos Capacitores Heterojunções TFTs PARTE II Aperfeiçoamento do Processo de dopagem In situ com N 2 I/I B + e BF 2 + Difusão Al

28. Dopagem: In situ com N 2 Introdução Facilidade do método: filme sai dopado do próprio reator Dificuldade: controlar a concentração de dopantes Uso do Nitrogênio: Gás não tóxico Baixo custo Pouco usado devido a dificuldade de quebra do N 2 Literatura: NH 3 (amônia) Corrosivo, necessita de controladores de gás especiais

29. Dopagem: In situ com N 2 Experimental Condições de dopagem in-situ com N 2 1,0 N1,0 0,5 N0,5 0,1 N0,1 C3690H 1,0 N1,0 0,5 N0,5 0,1 N0,1 C3680 Fluxo N 2 (sccm) Nome Amostra Tipo

30. Dopagem: In situ com N 2 Resultados: Condutividade C3680 Clara indicação do efeito da dopagem elétrica nestes filmes

31. Dopagem: In situ com N 2 Resultados : Condutividade C3690H Aumento da condutividade com o aumento do fluxo de N 2 A adição do nitrogênio causa uma variação no comportamento da condutividade Indica diferentes mecanismos de condução

32. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Introdução I/I B + - Vantagem: Devido sua pequena massa ele é interessante por causar menos danos a rede cristalina e pode formar junções profundas Dificuldade: obtenção de uma concentração alta na superfície Estudo prévios demonstraram resultados não satisfatórios com I/I B + Uso do BF 2 + na tecnologia do Si: maior massa maior facilidade para obter altas concentrações na superfície Tecnologia do SiC: não se usa o BF 2 porque o melhor dopante tipo-p é o Al

33. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Análises: FTIR Condutividade no escuro SIMS Experimental Condição de dopagem por I/I de B + e BF 2 + Tratamento térmico pós-implantação para ativar impurezas: 550 ºC D 3 = 1,49 10 15 65 D 2 = 9,96 10 14 30 D 1 = 4,98 10 14 10 C= 1.10 20 cm -3 Dose (átomos/cm 2 ) Energia (keV) Concentração

34. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Resultados: Condutividade no escuro Condutividade da ordem de 10 -1 (  .cm) -1

35. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Resultados : SIMS Amostra I/I com BF 2 + exibe concentração de boro maior que a amostra com B + Literatura reporta efusão induzida pelo processo de tratamento térmico

36. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Resultados: SIMS

37. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Resultados: FTIR Processo de implantação não introduz mudanças significativas no material .

38. Dopagem: Difusão Al Introdução Tecnologia do c-SiC: não se usa a difusão térmica devido alta dureza do SiC (Temperaturas maiores 2000 ºC para promover a difusão) I/I é o único método para a obtenção de uma dopagem seletiva em SiC Estudo prévio, temos demonstrado a possibilidade de dopagem do a-SiC:H. Difusão: vantagem de ser um método mais simples e com custo menor. Neste estudo: promovemos a dopagem a temperaturas um pouco mais elevadas, com o intuito de também cristalizar o material.

39. Dopagem: Difusão Al Experimental Substrato: ~500 nm de SiC sobre Si oxidado Deposição de ~ 50 Å de Al Tratamento térmico: 550, 750 e 1000 ºC por 2 horas (p = 10 -6 Torr) Análise: Condutividade no escuro

40. Dopagem: Difusão Al Resultados: Condutividade no escuro Efeito da dopagem – a condutividade cresce em torno de 11 ordens de grandeza. Aumento da condutividade em duas fases

41. Dopagem: Difusão Al Resultados: Condutividade no escuro

42. Dopagem: Difusão Al elevadas temperaturas para ativação das impurezas e reconstrução da estrutura cristalina elevado nível aceitador  200 meV modelos teóricos  2.10 20 cm -3  < 0,1 Ω.cm Obtenção carbeto de silício tipo-p com baixa resistividade  Outro problema - solubilidade do Al em c-SiC, em concentrações acima de 2.10 20 cm -3 tem havido problemas com a ativação das impurezas devido a precipitação de Al.  Problema

44. Dopagem: Difusão Al * Heera et. al. , Appl. Phys. Lett., 81 (2002) 70.

46. Resultados e Discussão PARTE I Aprimoramento das propriedades dos filmes de a-SiC:H Cristalização Corrosão PARTE II Aperfeiçoamento do Processo de dopagem In situ com N 2 I/I B + e BF 2 + Difusão Al PARTE III Fabricação dos Dispositivos Capacitores Heterojunções TFTs

48. Capacitores MOSiC Efusão hidrogênio Cristalização em 3C-SiC Cristalização SiC

50. Capacitores MOSiC Oxidação – Deposição por PECVD

51. Capacitores MOSiC Oxidação – FTIR

52. Capacitores MOSiC Estrutura Proposta: Capacitor: SiC Filme SiC Substrato Si Legenda : SiO 2 Alumínio Capacitor: Si referência Substrato Si

53. Capacitores MOSiC Estrutura Proposta: Máscaras de Processo Dimensões: 25, 16 e 9x10 -4 cm 2 Comparar: convencional (vertical) com proposta SiC (horizontal) 300  m 300  m 50  m 50  m 20  m 250  m M1 – corrosão óxido (acesso semicondutor) M2 - Metalização

54. Capacitores MOSiC Substrato Si SiO 2 Fotorresiste Alumínio Legenda : Vista Superior Vista Superior: Fabricação do Capacitor Oxidação Térmica Deposição Fotorresiste Fotogravação máscara M1 Corrosão úmida do SiO 2 Remoção Fotorresiste Deposição Fotorresiste Fotogravação máscara M2 Deposição de alumínio Remoção do Fotorresiste Estrutura Final Corte Transversal Estrutura Final: 2 Máscaras de Fabricação e 10 Etapas da Processo

55. Capacitores MOSiC Caracterização elétrica: CxV em 1 MHz CONTATO DE BULK (estrutura proposta) CONTATO DE PORTA (comum para as duas estruturas) CONTATO DE BULK (estrutura convencional) + - ~ Metal – Alumínio Óxido (~ 0,1  m) Lâmina de Silício ~ + -

56. Capacitores MOSiC Medidas elétricas: CxV em 1 MHz - Si referência

57. Capacitores MOSiC Medidas elétricas: CxV em 1 MHz - Térmico

58. Capacitores MOSiC Medidas elétricas: CxV em 1 MHz - PECVD

59. Capacitores MOSiC Campo elétrico de ruptura Baixos valores: - Literatura: Si ~ 13 (MV.cm -1 ) SiC térmico ~ 11 (MV.cm -1 ) c-SiC/SiO 2 PECVD ~ 10 (MV.cm -1 ) Relacionado a qualidade do dielétrico e da interface

61. Heterojunções SiC/c-Si Filmes de a-SiC:H (500 nm) depositados sobre lâminas Si (100) Amostras: como depositada e recozidas a 550, 750 e 1000 ºC por 2 h Metalização com Alumínio em ambos os lados Caracterização elétrica: curvas características corrente-voltagem (IxV). Experimental SiC PECVD A substrato Si

62. Heterojunções SiC/c-Si

63. Transistores de Filme Fino – TFT Processos de Fabricação: SiC PECVD Substrato: Vidro Corning 7059 Deposição SiC por PECVD Deposição Fotorresiste Fotolitografia – Máscara M1 Implantação Iônica de F (F e D) Corning 7059 Remoção fotorresiste e limpeza Deposição SiO 2 por PECVD Deposição Fotoresiste Fotolitografia M2 (contatos) Corrosão SiO 2 Remoção fotorresiste e limpeza Deposição fotorresiste Fotolitografia Máscara M3 lift-off Metalização com alumínio Remoção fotoresiste Estrutura Final: 3 Máscaras de processo 15 Etapas de fabricação Porta Fonte Dreno Corning SiC PECVD SiC tipo-n SiO 2 PECVD Alumínio

64. Transistores de Filme Fino – TFT Comportamento da corrente I ds em função de V ds é muito similar para os diferentes valores de V g Diferentemente do que se deve esperar de uma curva típica de um transistor, na qual a variação de corrente é abrupta com V ds Indicativo de que o aumento de corrente seja dado pela fuga no filme isolante Curvas de saída do TFT: V DS V G

65. Transistores de Filme Fino – TFT Corrente de fuga: fixando V ds = 0V, variando o valor de V g e medindo I ds Vemos que por está passando muita corrente Comportamento típico de um filme isolante com fuga Curvas de transferência do TFT: V DS V G

71. Dopagem: In situ com N 2 Resultados : FTIR C3680 Aumento da vibração da ligação Si-H Aparecimento de uma pequena banda em aproximadamente 1000 cm -1 , alguns autores sugerem que pode ser atribuída a vibração da ligação Si-N

72. Dopagem: In situ com N 2 Resultados : FTIR C3690H Não introduz mudanças significativas no material

73. Dopagem: In situ com N 2 Resultados : Gap óptico Não são apreciadas mudanças significativas em seus valores.

74. Dopagem: I/I B + e BF 2 + Resultados: Condutividade no escuro Energia de ativação ( E A ) e gap óptico ( E G ) da amostras tipo C3680 e C3690H 2,5 0,15 BF 2 + 2,9 0,20 B + 3,0 1,40 intrínseco C3690H 2,1 0,25 BF 2 + 2,3 0,20 B + 2,4 1,20 intrínseco C3680 Gap óptico (eV) Energia de ativação (eV) Íon Amostra Tipo