ALESSANDRO RICARDO DE OLIVEIRA ´´Dopagem Elétrica de filmes finos de Carbeto de Silício Amorfo Hidrogenado (a-SiC:H) obtido por PECVD´´ ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO LABORATÓRIO DE MICROELETRÔNICA Orientador: Prof. Dr. Marcelo N. P. Carreño

´´Dopagem Elétrica de filmes finos de Carbeto de Silício Amorfo Hidrogenado (a-SiC:H) obtido por PECVD´´ ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

LABORATÓRIO DE MICROELETRÔNICA

Orientador: Prof. Dr. Marcelo N. P. Carreño

Introdução Novos materiais semicondutores para utilização em ambientes onde o Si possui aplicações limitadas: - altas temperaturas, potências, freqüências e ambientes corrosivos c-SiC possui propriedades pertinentes as tais aplicações: - alto gap - alta condutância térmica - alta dureza mecânica - resistência a corrosão Limitação: obtenção altas temperaturas (>1500ºC) - incompatibilidade com processos anteriores - incompatibilidade com substratos sensíveis a temperatura

Novos materiais semicondutores para utilização em ambientes onde o Si possui aplicações limitadas:

- altas temperaturas, potências, freqüências e ambientes corrosivos

c-SiC possui propriedades pertinentes as tais aplicações:

- alto gap

- alta condutância térmica

- alta dureza mecânica

- resistência a corrosão

Limitação: obtenção altas temperaturas (>1500ºC)

- incompatibilidade com processos anteriores

- incompatibilidade com substratos sensíveis a temperatura

Introdução Método alternativo: PECVD a-SiC:H - produzido entre 200 – 400ºC - composição variável (Si-C-H) e alta concentração de defeitos GNMD – bom entendimento sobre as propriedades do a-SiC:H - obtido em condições apropriadas: ordem química e estrutural semelhante ao c-SiC material estequiométrico ( a-Si 0,5 C 0,5 :H ) baixa concentração de poros baixa incorporação de hidrogênio átomos Si ligando-se preferencialmente com átomos de C Desenvolvimento de dispositivos a base de novos materiais - controle das principais etapas de processos - dopagem tipo P e tipo N

Método alternativo: PECVD a-SiC:H

- produzido entre 200 – 400ºC

- composição variável (Si-C-H) e alta concentração de defeitos

GNMD – bom entendimento sobre as propriedades do a-SiC:H

- obtido em condições apropriadas:

ordem química e estrutural semelhante ao c-SiC

material estequiométrico ( a-Si 0,5 C 0,5 :H ) baixa concentração de poros baixa incorporação de hidrogênio átomos Si ligando-se preferencialmente com átomos de C

Desenvolvimento de dispositivos a base de novos materiais

- controle das principais etapas de processos

- dopagem tipo P e tipo N

Antecedentes Dopagem em a-SiC:H em trabalhos anteriores - Nitrogênio, Fósforo e Boro Implantação iônica sem simulação do perfil de dopagem - Literatura do a-Si:H Difusão térmica em 350 e 450 ºC

Dopagem em a-SiC:H em trabalhos anteriores

- Nitrogênio, Fósforo e Boro

Implantação iônica sem simulação do perfil de dopagem

- Literatura do a-Si:H

Difusão térmica em 350 e 450 ºC

Objetivos do trabalho Estudo sistemático de dopagem com diferentes concentrações - I/I tipo N nitrogênio e fósforo, tipo P boro - difusão térmica tipo P alumínio Simulação dos perfis de I/I Otimização do tratamento térmico pós-implantação Difusão térmica em diferentes tempos e temperaturas

Estudo sistemático de dopagem com diferentes concentrações

- I/I tipo N nitrogênio e fósforo, tipo P boro

- difusão térmica tipo P alumínio

Simulação dos perfis de I/I

Otimização do tratamento térmico pós-implantação

Difusão térmica em diferentes tempos e temperaturas

Técnicas Experimentais Obtenção das películas – PECVD: baixas temperaturas - SiH 4 + CH 4 - condições de deposição pré-estabelecidas – estudos anteriores Dopagem - I/I – determinadas concentrações em regiões desejadas - difusão – método alternativo – Al - melhor dopante tipo P Espectroscopia de absorção na região de infravermelho – FTIR - Forma em que os elementos se incorporam no material Absorção óptica - gap óptico -

Obtenção das películas – PECVD: baixas temperaturas

- SiH 4 + CH 4

- condições de deposição pré-estabelecidas – estudos anteriores

Dopagem

- I/I – determinadas concentrações em regiões desejadas

- difusão – método alternativo – Al - melhor dopante tipo P

Espectroscopia de absorção na região de infravermelho – FTIR

- Forma em que os elementos se incorporam no material

Absorção óptica

- gap óptico

-

Caracterização elétrica: medidas de condutividade elétrica

Caracterização elétrica: medidas de condutividade elétrica

Resultados e Discussão Amostras não - dopadas Tipo de Amostra Fluxo de SiH 4 (sccm) [CH 4 ] % Fluxo de H 2 (sccm) Potência r.f. (Watts) Tempo de Deposição (Horas) Espessura (Å) ± 10% Gap Óptico (eV) ± 5% C3680 3,6 80 - 20 2:00 5400 2,4 C3690H 3,6 90 200 100 2:30 6180 3,1

Amostras não - dopadas

Resultados e Discussão Medida de Condutividade somente em elevadas temperaturas Comportamento termicamente ativado Nível de Fermi próximo do meio do gap

Medida de Condutividade somente em elevadas temperaturas

Comportamento termicamente ativado

Nível de Fermi próximo do meio do gap

Amostras Dopadas por I/I: Simulações A dopagem por Implantação Iônica é a principal técnica de dopagem seletiva quando se trata de SiC, tanto para o amorfo como para o cristalino Simulação – Poderosa ferramenta para o processo de I/I - ajustar parâmetros – perfil de dopagem desejado Objetivos - estudo do perfil de dopagem - concentração constante ao longo da profundidade As simulações foram realizadas para o Boro, Nitrogênio e Fósforo

A dopagem por Implantação Iônica é a principal técnica de dopagem seletiva quando se trata de SiC, tanto para o amorfo como para o cristalino

Simulação – Poderosa ferramenta para o processo de I/I

- ajustar parâmetros – perfil de dopagem desejado

Objetivos - estudo do perfil de dopagem

- concentração constante ao longo da profundidade

As simulações foram realizadas para o Boro, Nitrogênio e Fósforo

Perfil de concentração obtido da simulação de implantações de nitrogênio em a-Si 0,5 C 0,5 :H estequiométrico para obter uma concentração constante de 10 20 impurezas/cm 3 até uma profundidade de ~300 nm. Os parâmetros das implantações (doses e energias) foram otimizados para o a-SiC:H Simulações

Perfil de concentração obtido da simulação de implantações de nitrogênio em a-Si 0,5 C 0,5 :H estequiométrico para obter uma concentração constante de 10 20 impurezas/cm 3 até uma profundidade de ~300 nm.

Os parâmetros das implantações (doses e energias) foram otimizados para o a-SiC:H

Simulações Fósforo Boro

Etapas de processos - Implantação

Dopagem por I/I de Boro Implantação teste, devido instabilidades apresentadas em trabalhos anteriores Durante a medida a condutividade decrescia com o aumento da temperatura Repetir implantação com perfil otimizado para o a-SiC:H e observar comportamento Concentração Energia (keV) Dose (átomos/cm 2 ) Amostra B20 10 D 1 = 4,98 10 14 C= 1.10 20 átomos/cm 3 30 D 2 = 9,96 10 14 65 D 3 = 1,49 10 15

Implantação teste, devido instabilidades apresentadas em trabalhos anteriores

Durante a medida a condutividade decrescia com o aumento da temperatura

Repetir implantação com perfil otimizado para o a-SiC:H e observar comportamento

Dopagem por I/I de Boro Tratamento térmico realizado durante a medida

Tratamento térmico realizado durante a medida

Dopagem por I/I de Boro Tipo de Amostra Gap Óptico (eV ± 5%) Energia de Ativação (eV ± 5%) C3680 2,20 0,24 C3690H 2,40 0,15

Tratamento térmico pós-implantação Ativar impurezas implantadas e reestruturação da rede Duas temperaturas: 350 e 550ºC, por 1 e 3 Horas Amostras implantadas com Nitrogênio e Fósforo Concentração Energia (keV) Doses (átomos/cm 2 ) Amostra N21 C= 1.10 21 átomos/cm 3 10 D 1 - 3,06 10 15 30 D 2 - 5,28 10 15 63 D 3 - 8,98 10 15 100 D 4 - 1,27 10 16 Concentração Energia (keV) Doses (átomos/cm 2 ) Amostra P21 C= 1.10 21 átomos/cm 3 15 D 1 = 2,18 10 15 40 D 2 = 4,69 10 15 75 D 3 = 8,13 10 15 130 D 4 = 1,50 10 16

Ativar impurezas implantadas e reestruturação da rede

Duas temperaturas: 350 e 550ºC, por 1 e 3 Horas

Amostras implantadas com Nitrogênio e Fósforo

Tratamento térmico pós-implantação Valores de condutividade referentes a diferentes tempos de recozimento pós-implantação de nitrogênio, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 350 ºC por 3 horas.

Valores de condutividade referentes a diferentes tempos de recozimento pós-implantação de nitrogênio, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 350 ºC por 3 horas.

Tratamento térmico pós-implantação Valores de condutividade referentes a diferentes temperaturas de recozimento pós-implantação de nitrogênio, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 550 ºC por 1 hora

Valores de condutividade referentes a diferentes temperaturas de recozimento pós-implantação de nitrogênio, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 550 ºC por 1 hora

Tratamento térmico pós-implantação Valores de condutividade referentes a diferentes temperaturas de recozimento pós-implantação de fósforo, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 550 ºC por 1 hora

Valores de condutividade referentes a diferentes temperaturas de recozimento pós-implantação de fósforo, sendo (O) sem tratamento térmico, (  ) 350 ºC por 1 hora e (  ) 550 ºC por 1 hora

Dopagem por I/I de Nitrogênio Amostra Concentração Energias (keV) Doses (átomos/cm 2 ) N21 C = 10 21 átomos/cm 3 10 D 1 = 3,06 10 15 30 D 2 = 5,28 10 15 63 D 3 = 8,98 10 15 100 D 4 = 1,27 10 16 N20 C = 10 20 átomos/cm 3 10 D 1 = 3,06 10 14 30 D 2 = 5,28 10 14 63 D 3 = 8,98 10 14 100 D 4 = 1,27 10 15 N19 C = 10 19 átomos/cm 3 10 D 1 = 3,06 10 13 30 D 2 = 5,28 10 13 63 D 3 = 8,98 10 13 100 D 4 = 1,27 10 14 N18 C = 10 18 átomos/cm 3 10 D 1 = 3,06 10 12 30 D 2 = 5,28 10 12 63 D 3 = 8,98 10 12 100 D 4 = 1,27 10 13

Dopagem por I/I de Nitrogênio Cada amostra apresenta um patamar de  bem definido Amostras do tipo C3690H apresentam melhores resultados

Cada amostra apresenta um patamar de  bem definido

Amostras do tipo C3690H apresentam melhores resultados

Dopagem por I/I de Nitrogênio Baixos valores de E A para elevadas concentrações de dopantes Melhor resultado ~ 0,2 eV

Baixos valores de E A para elevadas concentrações de dopantes

Melhor resultado ~ 0,2 eV

Dopagem por I/I de Nitrogênio Baixos valores de condutividade

Baixos valores de condutividade

Dopagem por I/I de Nitrogênio Diminuição do gap com o aumento da concentração de dopantes Mais acentuado para amostra tipo C3690H

Diminuição do gap com o aumento da concentração de dopantes

Mais acentuado para amostra tipo C3690H

Dopagem por I/I de Fósforo Amostra Concentração Energias (keV) Doses (átomos/cm 2 ) P21 C = 10 21 átomos/cm 3 15 D 1 = 2,18 10 15 40 D 2 = 4,69 10 15 75 D 3 = 8,13 10 15 130 D 4 = 1,50 10 16 P20 C = 10 20 átomos/cm 3 15 D 1 = 2,18 10 14 40 D 2 = 4,69 10 14 75 D 3 = 8,13 10 14 130 D 4 = 1,50 10 15 P19 C = 10 19 átomos/cm 3 15 D 1 = 2,18 10 13 40 D 2 = 4,69 10 13 75 D 3 = 8,13 10 13 130 D 4 = 1,50 10 14 P18 C = 10 18 átomos/cm 3 15 D 1 = 2,18 10 12 40 D 2 = 4,69 10 12 75 D 3 = 8,13 10 12 130 D 4 = 1,50 10 13

Dopagem por I/I de Fósforo Cada amostra apresenta um patamar de  bem definido Amostras do tipo C3690H apresentam melhores resultados

Cada amostra apresenta um patamar de  bem definido

Amostras do tipo C3690H apresentam melhores resultados

Dopagem por I/I de Fósforo Baixos valores de E A para elevadas concentrações de dopantes Melhor resultado ~ 100 meV, comparável ao c-SiC

Baixos valores de E A para elevadas concentrações de dopantes

Melhor resultado ~ 100 meV, comparável ao c-SiC

Dopagem por I/I de Fósforo Elevados valores de condutividade Melhores resultados com altas concentrações (P21)

Elevados valores de condutividade

Melhores resultados com altas concentrações (P21)

Dopagem por I/I de Fósforo Diminuição do gap com o aumento da concentração de dopantes Mais acentuado para amostra tipo C3690H

Diminuição do gap com o aumento da concentração de dopantes

Mais acentuado para amostra tipo C3690H

Dopagem por Difusão Térmica de Al Processo muito conhecido na tecnologia do Silício Não é aplicado em c-SiC - baixo coef. de difusão, necessita de altas temperaturas ( > 1800ºC) 550, 750 e 1000 ºC por 2 e 4 horas

Processo muito conhecido na tecnologia do Silício

Não é aplicado em c-SiC - baixo coef. de difusão,

necessita de altas temperaturas ( > 1800ºC)

550, 750 e 1000 ºC por 2 e 4 horas

Dopagem por Difusão Térmica de Al

Dopagem por Difusão Térmica de Al Experimentos não foram bem sucedidos Amostras de a-SiC:H crescidas sobre SiO 2 trincaram Problemas com SiO 2 - sobre Si não trincaram Amostras Tipo C3680 – DIFUSÃO AL 550 ºC e 750 ºC por 2 Horas Amostra Tipo C3690H - DIFUSÃO AL 550 ºC e 750 ºC por 2 Horas 550 ºC – 2 Hs 550 ºC – 2 Hs 750 ºC 2 Hs 750 ºC 2Hs

Experimentos não foram bem sucedidos

Amostras de a-SiC:H crescidas sobre SiO 2 trincaram

Problemas com SiO 2 - sobre Si não trincaram

Dopagem por Difusão Térmica de Al Medidas elétricas 2 amostras: 550 ºC por 2 horas Tipo de Amostra Gap Óptico (eV ± 5%) Energia de Ativação (eV ± 5%) C3680 2,20 0,37 C3690H 2,40 0,24

Medidas elétricas 2 amostras: 550 ºC por 2 horas

Dopagem por Difusão Térmica de Al Sem alumínio por 4 horas C3680 C3690H

Sem alumínio por 4 horas

Dopagem por Difusão Térmica de Al Com alumínio por 4 horas C3680 C3690H

Com alumínio por 4 horas

Conclusões Viabilidade de dopar eficientemente filmes de a-SiC:H I/I com boro não apresentaram instabilidades Melhor temperatura de recozimento: 550 ºC Melhores resultados em altas concentrações Dopagem tipo N – melhores resultados em I/I com fósforo Difusão com alumínio: resultados promissores Amostras C3690H se comportaram melhores que C3680 Análise FTIR: C3680 comportamento diferente da C3690H: amorficidade e incorporação de hidrogênio tem papel importante sobre as propriedades

Viabilidade de dopar eficientemente filmes de a-SiC:H

I/I com boro não apresentaram instabilidades

Melhor temperatura de recozimento: 550 ºC

Melhores resultados em altas concentrações

Dopagem tipo N – melhores resultados em I/I com fósforo

Difusão com alumínio: resultados promissores

Amostras C3690H se comportaram melhores que C3680

Análise FTIR: C3680 comportamento diferente da C3690H: amorficidade e

incorporação de hidrogênio tem papel importante sobre as propriedades

I/I com Boro