CARACTERIZACION ELECTRICA Y OPTICA DE PELICULAS DE SIO2 OBTENIDAS POR APCVD
←
→
Transcripción del contenido de la página
Si su navegador no muestra la página correctamente, lea el contenido de la página a continuación
CARACTERIZACION ELECTRICA Y OPTICA DE PELICULAS DE SIO2
OBTENIDAS POR APCVD
M. Pacio1, H. Juárez, T. Díaz, G. Romero, E. Rosendo, M. Rubin, A. García1, C. Morales2.
Universidad Autónoma de Puebla, CIDS-ICUAP, 14 Sur y Av. San Claudio, San Manuel, Puebla,
Puebla, CP 72000.
Av. Instituto Politécnico Nacional 2508 Col. San Pedro Zacatenco, 07360 México, D.F.
Apartado postal 14-740, 07000 México, D.F.
1
Estudiantes del Doctorado de Ingeniería Eléctrica del CINVESTAV-MEXICO, D. F. Email:
mauriciopcmx@yahoo.com.mx
2
Estudiantes de la maestría en Dispositivos Semiconductores CIDS-ICUAP
RESUMEN fuente de silicio, además de proporcionar una buena
Se obtuvieron películas de SiO2 por APCVD calidad de la película y un excelente cubrimiento de
(atmospheric pressure chemical vapor deposition) escalón que es comparado con los métodos
usando TEOS (tetraetoxisilano) como precursor y ozono convencionales donde no se utilizan órganosilicatos
como oxidante. Las temperaturas de deposito fuero 125, (oxidación térmica, etc.). TEOS como una fuente de
150, 175, 200, 225 y 250 °C para obtener espesores de silicio es seguro, fácil de manejar, y estable
10 a 200 nm. Las películas obtenidas se caracterizaron químicamente. Sin embargo, los procesos CVD
por espectroscoía infrarroja. Los espectros de usando TEOS requieren temperaturas relativamente
absorbancia que se obtuvieron muestran las bandas de altas (>600º C) por lo cual se excluye su aplicación
absorción correspondientes al SiO2 (rockin, bending, en la formación de películas dieléctricas en
streching). También se observaron en algunos casos, estructuras multicapas. Los recientes trabajos han
bandas de absorción correspondientes a grupos mostrado que la reacción química TEOS/Ozono (O3)
hidroxilos. Para la caracterización eléctrica, se para la obtención de las películas del óxido, pueden
fabricaron estructuras MOS. Se obtuvieron las curvas cumplir con los requerimientos térmicos en la
capacitancia-voltaje (C-V) de alta frecuencia y las fabricación de estructuras multicapas en circuitos
curvas corriente-voltaje (I-V). Se muestra que ULSI (Ultra-Large-Scale Integration). La reacción en
dependiendo de las condiciones de depósito de las CVD de TEOS con ozono produce películas delgadas
películas de SiO2, estas pueden presentar corriente a de dióxido de silicio con excelentes características
través de ellas. Un análisis sobre las curvas I-V muestra planares a temperaturas bajas (250 a 400º C) [1-4].
que los mecanismos de corriente son: emisión Schottky Estas temperaturas permiten el uso de los
y emisión Poole-Frenkel datos obtenidos en la caracterización del proceso de
fabricación de dispositivos sobre semiconductores
1. INTRODUCCION orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, para lograr
desarrollar dispositivos se requiere de un buen
CVD es un método en el cual, moléculas de algún conocimiento y control de las propiedades eléctricas
precursor en fase gaseosa, reaccionan químicamente de los dieléctricos y de su interfase con el
para transformarse en un material sólido en forma de semiconductor. Esto se logra mediante la medición
película o en polvos, sobre la superficie de un sustrato. de los parámetros eléctricos y ópticos que
Otras ventajas únicas de la técnica CVD sobre otros caracterizan a estos óxidos. Las técnicas de
métodos de obtención de películas son; la relativa caracterización nos permiten obtener los parámetros
facilidad para depositar materiales de una amplia gama, característicos del material, hacer la comparación o la
controlables en la composición estequiométrica y en la determinación en la calidad del material requerido y
estructura de la capa lo cual es difícil o imposible de en su caso nos permite hacer las modificaciones al
lograr por otras técnicas. proceso tecnológico, hasta lograr el producto
Los materiales órganosilicatos, como el requerido por la aplicación tecnológica.
tetraetoxisilano (TEOS) Si[OCH2CH3]4, se usan como
1En este trabajo se presenta la caracterización correspondientes a agua adsorbida y a SiOH. Las
eléctrica y óptica de películas de SiO2 obtenidas a bajas bandas en el intervalo de 2300 cm-1 son debidas al
temperaturas por APCVD producto CO2 [6, 7].
En la figura 1, se muestran los espectros de
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. absorbancia de SiO2 obtenidos a las temperaturas y
condiciones indicadas. Se puede ver que en todos los
Las películas de SiO2 se depositaron en sustratos de Si casos se obtienen las bandas de absorción
tipo n. Para eliminar las impurezas orgánicas e correspondientes a los modos de vibración stretching,
inorgánicas de la superficie del Si, se usó el proceso bending y rocking, característicos de las películas de
estándar RCA. Las películas se depositaron a SiO2. También se observa que con el incremento de
temperaturas de 125 a 250 °C con tiempos de 15 la temperatura, se reduce la incorporación de los
minutos para obtener espesores de 6 a 150 nm. Se grupos residuales, se eliminan los enlaces –OH a
examinó la composición de las películas por partir de 175 ºC, la incorporación de H2O a partir de
espectroscopia infrarroja de transformada de fourier 200 ºC, se reduce la cantidad de ácido acético y
(FTIR Bruker vector 22). Para medir el espesor y el fórmico, sin embargo la incorporación de grupos
índice de refracción de las películas se usó un cíclicos no esta bien definida.
ellipsómetro Rudolph 439L633P.
Se obtuvieron películas de SiO2 a diferentes 0,40
250° C
temperaturas (125 a 250 °C) manteniendo los flujos de
N2 y O2 a 1.0 y 0.5 slm respectivamente. 0,35
Con la otra parte de la muestra, se fabricaron 0,30
capacitores MOS, mediante la evaporación de puntos de 225° C
Absorbancia (u. a.)
aluminio a través de una mascara de metal. Por la parte 0,25
trasera, también se deposito aluminio. El área final de 0,20
las estructuras MOS fue de 3.8 x10-3 cm2. 200° C
Las propiedades eléctricas de las películas 0,15
fueron medidas por el uso de las caracteristicas C-V del 0,10
175° C
alta frecuencia y cuasiestaticas obtenidas de los
capacitores MOS. La densidad de estados interfaciales 0,05
150° C
se determinó de esas curvas. Para tal efecto se usó un 0,00
125° C
sistema C-V MDC automatizado. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Las caracteristicas corriente-voltaje (I-V) de -1
Numero de Onda (cm )
las estructuras MOS fueron obtenidas por el método
TZBD (Time-Zero-Break- Down) o también conocida Figura 1. Espectros de absorbancia correspondiente a
como rampa de voltaje, que en este caso fue de 1 V/s. películas de SiO2 obtenidas por APCVD para diferentes
temperaturas de depósito, con TEOS/N2 de 1.0 slm, 0.5
3. RESULTADOS slm de O3/O2 y 15 min., de depósito.
3.1. Caracterización óptica. No fue posible obtener películas del
Para la caracterización óptica de las películas dieléctrico a temperaturas menores de 125 °C,
depositadas por APCVD se obtuvieron los espectros de probablemente porque el ozono no tiene la energía
absorbancia por espectroscopia infrarroja de necesaria para iniciar la reacción con el TEOS o bien
transformada de Fourier (FTIR). En un espectro de porque la reacción superficial es muy lenta y el
absorbancia de películas de SiO2 térmico, se observan tiempo de depósito muy corto (15 min.) para dar un
las tres bandas de absorción correspondientes a los espesor apreciable de dieléctrico.
modos de vibración transversal ópticos característicos En la tabla 1 se presentan la naturaleza de
[5]; stretching (1075 cm–1), bending (800 cm-1) y los modos de vibración y sus posiciones de los
rocking (460 cm-1). Además, en sistemas APCVD espectros presentados en la figura 1.
TEOS-Ozono y de acuerdo a las condiciones de Las razones de depósito y el índice de
depósito, se pueden observar otras bandas que refracción en función de la temperatura de depósito
corresponden a grupos residuales del TEOS, por se muestran en la tabla 2. Se observa que los valores
ejemplo, los grupos C-H que aparecen a 2980, 2905, de los índices de refracción están en el rango que
1380 y 1470 cm-1 estos picos resultan de los grupos corresponde a película de SiO2 obtenidas por
etoxidos (-OC2H5). Los picos de los grupos hidroxilos oxidación térmica. La razón de crecimiento se
se observan a una longitud de 980 y 3750 cm-1, debido a incrementa con el incremento de la temperatura,
Si-OH y SiO-H; a 3300 cm-1 se observan los picos
2hasta un valor máximo en 175°C, posteriormente relacionado con la existencia de grupos hidroxil
decrece. dentro de la película de SiO2. Para C-MOS con SiO2
obtenido a 200 °C, sus características son semejantes
Tabla 1. Enlaces encontrados en los espectros de a los CMOS con óxido térmico. (acumulación-
infrarrojos de la figura 1. agotamiento e inversión).
Modo de vibración Numero de onda (cm-1)
Si-O 1051-1074
Si-H 2000-2200
Si-OH 940-980
Especies cíclicas 640 –798
Ácido acético 1395-1837
Ácido fórmico 1186-1837
CO2 2355-2366
H2O 3500-3760
Acetaldehído 1335-1394
Este decremento de la razón de crecimiento de
acuerdo a trabajos reportados [8, 9] se debe al
incremento de las reacciones en fase gaseosa,
disminuyendo así, el los espesores de las películas
depositadas
Tabla 2. Parámetros obtenidos de las películas de SiO2
obtenidas por APCVD
Temperatura Razón de Índice
De Deposito Crecimiento De
[° C] [nm/min] Refracción
125 6 1.452
150 11 1.456
175 21 1.460
200 19 1.459
225 15 1.461
250 8 1.460
3.2. Caracterización eléctrica
Una vez formadas las estructuras MOS, se obtuvo el
comportamiento de la capacitancia de alta frecuencia en
función del voltaje [10]. En la figura 2 se presentan las Figura 2. Curvas experimentales C-V para C-MOS
con SiO2 obtenido por APCVD a 200 °C (a), 175 °C
características C-V para C-MOS con óxido obtenido por
(b) y 150 °C (c)
APCVD a 200°C (a), 175°C (b) y 150°C (c). Se observa
que en todos los casos las curvas van de acumulación a
Para C-MOS con SiO2 obtenida por arriba de 200 °C,
agotamiento, sin embargo para los C-MOS con SiO2
no se presenta conducción a través del óxido, es decir
obtenido a 150 y 175°C el capacitor no alcanza el
sus características son similares a los óxidos
equilibrio (región de inversión), es decir, la capacitancia
térmicos.
no alcanza un valor mínimo, con lo cual el ancho de la
Una curva típica I-V (Corriente-Voltaje) de
región de agotamiento se incrementa continuamente.
las estructuras MOS se muestra en la figura 3.
Este comportamiento, de acuerdo a algunos autores [9,
Podemos observar la característica rectificante y la
11] esta relacionado con algunos mecanismos de
dependencia exponencial de la corriente en función
corriente a través del óxido, cuya naturaleza de acuerdo
del voltaje, para voltajes negativos. Este
a los resultados de la caracterización óptica, puede estar
3comportamiento esta relacionado con el hecho de que En esta figura se observan dos pendientes,
en su correspondiente curva C-V no se observa la por lo que podemos decir que existen dos
condición de equilibrio (vista por un decremento mecanismos de corriente, los cuales pueden ser
continuo de la capacitancia en la región de voltajes emisión Schottky y emisión Poole-Frenkel. Los
negativos). El ancho de la RCE se incrementa, es decir, valores de las pendientes son 5.13 y 9.5. De acuerdo
se incrementa la región compuesta por impurezas a la teoría existente [9], El valor de la pendiente, β,
donadores ionizadas, y no se decrementa debido a la debe ser dos veces mayor para emisión P-F con
llegada de portadores a través del óxido (e emitidos por respecto a Schottky, lo cual se cumple en nuestro
los sitios de trampas cuya naturaleza puede ser debido a caso. Por lo que para nuestras muestras inicialmente
grupos hidroxil en la películas de SiO2) se tiene conducción pos emisión Schottky y
posteriormente en aproximadamente para
0,001
E=1MV/cm, se tendrá conducción por emisión P-F.
0,000
4. CONCLUSIONES
-0,001
-0,002 Se obtuvieron películas de SiO2 por APCVD usando
-0,003
TEOS como precursor y O3 como oxidante. Las
temperaturas de depósito fueron de 125 a 250 °C para
obtener espesores de 10 a 200nm. Resultados de
I(A)
-0,004
-0,005
espectroscopia infrarroja muestran que las películas
corresponden a SiO2, además se observan grupos
-0,006
residuales los cuales se decrementan con el
-0,007 incremento de la temperatura. La razón de
crecimiento muestra un máximo para 175 °C, esto se
-0,008
debe al incremento de las reacciones en fase gaseosa.
-6 -4 -2 0 2 4 6 Los valores del los índices de refracción están dentro
V(volts) del intervalo del SiO2. Para la caracterización
Figura 3. Características I-V para C-MOS con SiO2 eléctrica se fabricaron estructuras MOS. De las
obtenido a 175°C
curvas C-V, se observó que para temperaturas
mayores de 175 °C estas presentan características
La dependencia tipo exponencial de la
semejantes a MOS con SiO2 térmico. Sin embargo
corriente con el voltaje sugiere que los mecanismos de
para menores temperaturas de depósito, la curva C-V
conducción son de tipo Schottky, aunque el fenómeno
no alcanza su valor de equilibrio, lo cual nos indica
Poole-Frenkel puede tener su contribución.Para conocer
que existe transporte de corriente a través del óxido.
la naturaleza de los mecanismos de conducción a través
Los mecanismos de corriente se obtuvieron de la
del SiO2, se obtuvieron las características corriente
curva I-V y se deben a emisión Sottky y emisión
contra la raiz del voltaje (figura 4).
Poole Frenkel.
REFERENCIAS
[1] E. Jung, W.N. Gill Journal of Cristal Growth 140
(1994) 308-314
[2] T.Whidden, Saraha Doiron and Sun Young Lee
Proceeding Proceedings 198rd Meeting of the
Electrochemical Society (1998)
[3] T. Homma, R. Yamaguchi, Y. Murao, J.
Electrochem. Soc. Vol. 140 (1993) 687-692
[4] S. Romet, M.F.Couturier and T.K.Whidden,
Journal of the Electrochemical Society, 148(2)G82-
G90(2001).
[5] M. G. M. Van der Vis, R. J. M. Konings, A.
Oskam and T. L. Snoeck, J. Mol. Struct., 47 (1992)
274
Figura 4. Características I-V1/2 para un C-MOS con [6] N. Primeau, C. Vautey, M. Langlet, Thin soild
película de SiO2 obtenida por APCVD y 175°C Films 310 (1997) 47
4[7] T. K. Whidden, S. Doiron and S. Young Lee,
Proceedings of the First International Symposium on
Dielectric Materials for Advanced Electronic
Packaging, Held at the 193er Meeting of the
Electrochemical Society, San Diego, California, May 3-
8, (1998).
[8] Tesis de licenciatura Mauricio Pacio, Facultad de
Ciencias Químicas de la BUAP, México 2003.
[9] H. Juárez, T. Díaz, M. Cuamatzi, E. Rosendo, J.
Martínez, M. Pacio, J. A. García, J. C. Pacheco, X
Workshop IBERCHIP, Cartagena de Indias, Colombia,
Marzo 10-12 (2004).
[10] Nicollian and Brews, MOS Physics and
Technology, Wiley Inter-Science. 156 (2003)
[11] h. Juarez, T. Díaz, M. Cuamatzi Latin American
Congress of Surface Science and its Applications, PE-I-
37 (2003).
[12] Wright P J and Saraswat K.C. IEEE Trans.
Electrón Devices 36 (1989) 879.
5También puede leer
