Cristalização de filmes finos de silício amorfo depositados por RF magnetron sputtering após difusão de dopantes

Luís da Silva Zambom

ORCID iD Faculdade de Tecnologia de São Paulo (FATECSP) Brasil

Igor Yamamoto Abe

ORCID iD Universidade de São Paulo (USP) Brasil

Nelson Ordonez

ORCID iD Universidade de São Paulo (USP) Brasil

Ricardo Cardoso Rangel

ORCID iD Faculdade de Tecnologia de São Paulo (FATECSP) Brasil

Ronaldo Domingues Mansano

ORCID iD Universidade de São Paulo (USP) Brasil

Resumo

Os filmes finos de silício foram depositados pela técnica de RF magnetron sputtering, em potência elétrica variando de 300 W a 400 W e tempos de processamento de 40 minutos a 90 minutos, para a temperatura intrínseca ao processo de 100 oC, para estudar a possível substituição do filme de silício policristalino depositado pela técnica de deposição química em baixa pressão por meio de vapor/gás utilizado na fabricação de transistor MOSFET. Os filmes de silício foram submetidos à etapa de difusão de dopantes tipo n (fósforo) na temperatura de 1150 oC e 60 minutos em ambiente de nitrogênio. A difração de raios X e espectroscopia Raman foram técnicas utilizadas para acompanhar as variações cristalográficas dos filmes de silício. Nas condições de deposição, todos os filmes apresentaram-se amorfos. Por meio dos difratogramas, pode-se calcular o tamanho médio dos grãos, cujos valores ficaram entre 13 nm e 25 nm e que esses grãos estão distribuídos em uma matriz amorfa. Microscopia de força atômica indicou que os filmes amorfos depositados e os filmes submetidos a etapa de difusão de dopantes apresentaram baixo nível de rugosidade. Para se determinar a resistência de folha dos filmes de silício, antes e após a difusão de dopantes, utilizou-se a técnica de Quatro Pontas, cujos valores mostraram uma dependência direta entre o aumento da condução elétrica com o aumento do tamanho médio dos grãos.

Palavras-chave


cristalização; difusão térmica; filmes finos; silício amorfo


Texto completo:

Referências


AIRGAS data sheet. Disponível em: https://www.airgas.com/msds/001073.pdf. Acesso em: 06 dez. 2023.

AN, G. H.; KIM, S. J.; KIM, S.; SHIN, S. J.; CHOI, M.; KIM, D.; RAHMAN, I. N.; BANG, J.; KIM, K.; KIM, D. H.; LEE, H. S. L. Growth mode control of CVD-grown WS2 monolayer flakes via O2 pre-annealing for organic surfactant oxidation. Applied Surface Science, v. 585, 152564, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152564.

BHOL, K.; JENA, B.; NANDA, U. Silicon nanowire GAA-MOSFET: a workhorse in nanotechnology for future semiconductor devices. Silicon, v. 14, p. 3163-3171, 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/s12633-021-01136-x.

BRANDÃO, L. E. V. S. Crescimento, dopagem e caracterização de filmes de nanodiamantes CVD. 2014. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2014. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/handle/10183/90316. Acesso em: 18 dez. 2023.

CAI, Z.; LIU, B.; ZOU, X.; CHENG, H.-M. Chemical vapor deposition growth and applications of two-dimensional materials and their heterostructures. Chemical Reviews, v. 118, n. 13, p. 6091-6133, 2018. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00536.

DAMINELLI, L. M. Obtenção e caracterização de heteroestruturas bidimensionais (2D/2D) construídas a partir de materiais dicalcogenetos de metais de transição. 2019. Dissertação (Mestrado em Física Aplicada) – Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza, Universidade Federal da Integração Latino-Americana, Foz do Iguaçu, 2019. Disponível em: http://dspace.unila.edu.br/123456789/5406. Acesso em: 17 dez. 2023.

ETONA, K. E.; ARAÚJO, V. M.; ZAMBOM, L. S. Obtenção de filmes finos de SnO2 por evaporação reativa e tratados termicamente em ambiente de O2. Boletim Técnico da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, v. 41, p. 35-41, 2016. Disponível em: http://bt.fatecsp.br/media/bulletins/bt41v1.pdf. Acesso em: 18 dez. 2023.

FEIJÓ, T. O. Crescimento de grafeno por CVD e sua interação físico-química com hidrogênio. Dissertação (Mestrado em Microeletrônica) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2017. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/handle/10183/159139. Acesso em: 18 dez. 2023.

GWYDDION. Disponível em: http://gwyddion.net. Acesso em: 10 dez. 2022.

GRÜBEL, B.; NAGEL, H.; STEINHAUSER, B.; FELDMANN, R.; KLUSKA, S.; HERMLE, M. Influence of plasma-enhanced chemical vapor deposition poly-Si layer thickness on the wrap-around and the quantum efficiency of bifacial n-TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) solar cells. Physica Status Solidi A, 2100156, 2021. DOI: https://doi.org/10.1002/pssa.202100156.

HALOVA, E.; ALEXANDROVA, S.; SZEKERES, A.; MODREANU. M. LPCVD-silicon oxynitride films: interface properties. Microelectronics Reliability, v. 45, n. 5-6, p. 982-985, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2004.11.011.

ISOLDI, M.; OZONO, E. M.; MANSANO, R. D. Síntese de nanomaterias estruturados de carbono via cavidade ressonante cilíndrica. Revista Foco, v. 16, n. 6, p. 1-7, 2023. DOI: https://doi.org/10.54751/revistafoco.v16n6-113.

IVANDA, M.; GEBAVI, H.; RISTIC, D.; FURIC, K.; MUSIC, S.; RISTIC, M.; ZONJA, S.; BILJANOVIC, P.; GAMULIN, O.; BALARIN, M.; MONTAGNA, M.; FERARRI, M.; RIGHINI, G. C. Silicon nanocrystals by thermal annealing of Si-rich silicon oxide prepared by the LPCVD method. Journal of Molecular Structure, v. 834-836, p. 461-464, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2006.09.036.

KAWAGUTI, A. K. Preparação de fonte dopante líquida de fósforo para dopagem de silício. 2015. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia em Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos) – Faculdade de Tecnologia de São Paulo, São Paulo, 2015. Disponível em: http://biblioteca.fatecsp.br/monografias/repositorio/Anderson_Kenji_Kawaguti.zip. Acesso em: 18 dez. 2023.

KERN, W.; BAN V. S. Chemical vapor deposition of inorganic thin films. In: VOSSEN, J. L; KERN, W (eds.). Thin film processes. New York: Academic Press, 1978. p. 257-329.

LI, Q. Investigation on solid-phase crystallization techniques for low temperature polysilicon thin-film transistors. 2013. Master Thesis (Master of Science in Microelectronic Engineering) – Rochester Institute of Technology, Rochester, 2013. Disponível em: https://scholarworks.rit.edu/theses/7217/. Acesso em: 18 dez. 2023.

LÓPEZ, S; BERGUEIRO, J.; FIDALGO, J. Silane. In: WEXLER, P. (ed.). Encyclopedia of Toxicology. 3. ed. Academic Press, p. 261-263, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386454-3.01180-5.

MARCINS, G.; BUTIKOVA, J.; TALE, I.; POLYAKOV, B.; KALENDARJOV, R.; MUHIN, A. Crystallization processes of amorphous Si by thermal annealing and pulsed laser processing. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, v. 23, Annual Conference on Functional Materials and Nanotechnologies, 012035, 2011. DOI: https://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/23/1/012035.

MARTINO, J. A.; PAVANELLO, M. A.; VERDONCK, P. B. Caracterização elétrica de tecnologia e dispositivos MOS. São Paulo: Pioneira Thomson Learning. 2003.

MEIER, J.; DUBAIL, S.; GOLAY, S.; KROLL, U.; FAY, S.; VALLAT-SAUVAIN, E.; FEITKNECHT, L.; DUBAIL1, J.; SHAH, A. Microcrystalline silicon and the impact on micromorph tandem solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 74, n. 1-4, p. 457-467, 2002. DOI: https://doi.org/10.1016/S0927-0248(02)00111-3.

MIMURA, A.; SHINAGAWA, Y.; KAWACHI, G.; ONISAWA, K.; MINEMURA, T.; HARA, M.; ISHIDA, T.; TAKEDA, T. Flat and large poly-Si grains by a continuous process of plasma-enhanced chemical vapor deposition of a-Si and its direct laser crystallization. Japanese Journal of Applied Physics, v. 39, n. 8A, p. L779-L781, 2000. DOI: https://dx.doi.org/10.1143/JJAP.39.L779.

MODREANUA, M.; TOMOZEIU, N.; COSMIN, P.; GARTNER, M. Optical properties of LPCVD silicon oxynitride. Thin Solid Films, v. 337, n. 1-2, p. 82-84, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01189-4.

MORALES, A.; BARRETO, J.; DOMÍNGUEZ, C.; RIERA, M.; ACEVES, M.; CARRILLO, J. Comparative study between silicon-rich oxide films obtained by LPCVD and PECVD. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, v. 38, n. 1-2, p. 54-58, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physe.2006.12.056.

MOUSUMI, J. F.; ALI, H.; GREGORY, G.; NUNEZ, C.; PROVANCHA, K.; SEREN, S.; ZUNFT, H.; DAVIS, K. O. Phosphorus-doped polysilicon passivating contacts deposited by atmospheric pressure chemical vapor deposition. Journal of Physics D: Applied Physics, v. 54, n. 38, 384003, 2021. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac0e5c.

NASUNO, Y.; KONDO, M.; MATSUDA, A. Microcrystalline silicon thin-film solar cells prepared at low temperature using PECVD. Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 74, n. 1-2, p. 497-503, 2002. DOI: https://doi.org/10.1016/S0927-0248(02)00065-X.

PANGAL, K. Hydrogen-plasma-enhanced crystallization of hydrogenated amorphous silicon films: fundamental mechanisms and applications. 1999. Doctoral Thesis (Doctorate in Electrical Engineering) – Princeton University, Princeton, 1999. Disponível em: https://sturm.scholar.princeton.edu/phd-theses. Acesso em: 18 dez. 2023.

PENG, D. Z.; ZAN, H. W.; SHIH, P. S.; CHANG, T. C.; LIN, C. W.; CHANG, C. Y. Comparison of poly-Si films deposited by UHVCVD and LPCVD and its application for thin film transistors. Vacuum, v. 67, n. 3-4, p. 641-645, 2002. DOI: https://doi.org/10.1016/S0042-207X(02)00255-5.

PENTEADO, S. Crise de escassez de semicondutores prejudica desde setor automotivo até programas de aceleradores de partículas, e tem disputa econômica entre EUA e China como complicador. Jornal da UNESP. 2023. Disponível em: https://jornal.unesp.br/2023/01/20/crise-de-escassez-de-semicondutores-prejudica-desde-setor-automotivo-ate-programas-de-aceleradores-de-particulas-e-tem-disputa-economica-entre-eua-e-china-como-complicador. Acesso em: 18 dez. 2023.

PEREIRA, L. M. N. Produção e caracterização de silício policristalino e sua aplicação em TFTs. 2008. Tese (Doutorado em Engenharia dos Materiais) – Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2008. Disponível em: https://run.unl.pt/handle/10362/1942. Acesso em 18 dez. 2023.

ROSLER, R. S. Low pressure CVD production processes for poly, nitride, and oxide. Solid State Technology, v. 20, n. 4, p .63-70, 1977.

RRUFF data base. Disponível em: https://rruff.info/Silicon. Acesso em: 10 fev. 2023.

SERAVALLI, L., BOSI, M. A review on chemical vapour deposition of two-dimensional MoS flakes. Materials, v. 14, n. 24, 7590, 2021. DOI: https://doi.org/10.3390/ma14247590.

SHARMA, N.; HOODA, M.; SHARMA, K. Synthesis and characterization of LPCVD polysilicon and silicon nitride thin films for MEMS applications. Journal of Materials, v. 2014, 954618, 2014. DOI: https://doi.org/10.1155/2014/954618.

SMILGIES, D. Scherrer grain-size analysis adapted to grazing-incidence scattering with area detectors. Journal of Applied Crystallography, v. 42, p. 1030-1034, 2009. DOI: https://doi.org/10.1107/S0021889809040126.

SMIT, C.; VAN SWAAIJ, R. A. C. M. M.; DONKER, H.; PETIT, A. M. H. N.; KESSELS, W. M. M.; VAN DE SANDEN, M. C. M. Determining the material structure of microcrystalline silicon from Raman spectra. Journal of Applied Physics, v. 94, n. 5, p. 3582-3588, 2003. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1596364.

SOUZA, D. C. P. Estudo e produção de filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) pela técnica de PECVD. 2003. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2003. DOI: https://doi.org/10.11606/D.3.2003.tde-09062003-113450.

STEWART, M.; HOWELL, R. S.; PIRES, L; HATALIS, M. K. Polysilicon TFT Technology for active matrix OLED displays. IEEE Transactions on Electron Devices, v. 48, n. 5, p. 845-851, 2001. DOI: https://doi.org/10.1109/16.918227.

SUBRAMANIAN, V.; DANKOSKI, P.; DEGERTEKIN, L.; KHURI-YAKUB, B. T.; SARASWAT, K. C. Controlled two-step solid-phase crystallization for high-performance polysilicon TFT’s. IEEE Electron Device Letters, v. 18, n. 8, p. 378-381, 1997. DOI: https://doi.org/10.1109/55.605445.

SUN, L.; YUAN, G.; GAO, L.; YANG, J.; CHHOWALLA, M.; GHARAHCHESHMEH, M. H.; GLEASON, K. K.; CHOI, Y. S.; HONG, B. H.; LIU, Z. Chemical vapour deposition. Nature Reviews Methods Primers, v. 1, 5, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s43586-020-00005-y.

SWART, J. W. Semicondutores: fundamentos, técnicas e aplicações. Campinas: Editora da Unicamp. Capítulo 9. 2008.

ZAMBOM, L. S. Deposição de nitreto de silício por LPCVD. 1994. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1994.

ZAMBOM, L. S.; LANTIN, D. G.; ONODA, E.; VERDONCK, P. B. Non-stoichiometric silicon oxide deposited at low gaseous N2O/SiH4 ratios. Thin Solid Films, v. 459, n. 1-2, p. 220-223, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2003.12.087.

YANG, J.; GASPAR, J.; PAUL, O. Fracture properties of LPCVD silicon nitride and thermally grown silicon oxide thin films from the load-deflection of long Si3N4 and SiO2/Si3N4 diaphragms. Journal of Microelectromechanical Systems, v. 17, n. 5, p. 1120-1134, 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/JMEMS.2008.928706.


DOI: http://dx.doi.org/10.18265/2447-9187a2022id8062

O arquivo PDF selecionado deve ser carregado no navegador caso tenha instalado um plugin de leitura de arquivos PDF (por exemplo, uma versão atual do Adobe Acrobat Reader).

Como alternativa, pode-se baixar o arquivo PDF para o computador, de onde poderá abrí-lo com o leitor PDF de sua preferência. Para baixar o PDF, clique no link abaixo.

Caso deseje mais informações sobre como imprimir, salvar e trabalhar com PDFs, a Highwire Press oferece uma página de Perguntas Frequentes sobre PDFs bastante útil.

Download do PDF
Imprimir artigo
Exibir metadados
Como citar este documento

Visitas a este artigo: 171

Total de downloads do artigo: 73