CARACTERIZACION ELECTRICA Y OPTICA DE PELICULAS DE SIO 2 OBTENIDAS POR APCVD

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1 CARACTERIZACION ELECTRICA Y OPTICA DE PELICULAS DE SIO 2 OBTENIDAS POR APCVD M. Pacio 1, H. Juárez, T. Díaz, G. Romero, E. Rosendo, M. Rubin, A. García 1, C. Morales 2. Universidad Autónoma de Puebla, CIDS-ICUAP, 14 Sur y Av. San Claudio, San Manuel, Puebla, Puebla, CP Av. Instituto Politécnico Nacional 2508 Col. San Pedro Zacatenco, México, D.F. Apartado postal , México, D.F. 1 Estudiantes del Doctorado de Ingeniería Eléctrica del CINVESTAV-MEXICO, D. F. mauriciopcmx@yahoo.com.mx 2 Estudiantes de la maestría en Dispositivos Semiconductores CIDS-ICUAP RESUMEN Se obtuvieron películas de SiO 2 por APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition) usando TEOS (tetraetoxisilano) como precursor y ozono como oxidante. Las temperaturas de deposito fuero 125, 150, 175, 200, 225 y 250 C para obtener espesores de 10 a 200 nm. Las películas obtenidas se caracterizaron por espectroscoía infrarroja. Los espectros de absorbancia que se obtuvieron muestran las bandas de absorción correspondientes al SiO 2 (rockin, bending, streching). También se observaron en algunos casos, bandas de absorción correspondientes a grupos hidroxilos. Para la caracterización eléctrica, se fabricaron estructuras MOS. Se obtuvieron las curvas capacitancia-voltaje (C-V) de alta frecuencia y las curvas corriente-voltaje (I-V). Se muestra que dependiendo de las condiciones de depósito de las películas de SiO 2, estas pueden presentar corriente a través de ellas. Un análisis sobre las curvas I-V muestra que los mecanismos de corriente son: emisión Schottky y emisión Poole-Frenkel 1. INTRODUCCION CVD es un método en el cual, moléculas de algún precursor en fase gaseosa, reaccionan químicamente para transformarse en un material sólido en forma de película o en polvos, sobre la superficie de un sustrato. Otras ventajas únicas de la técnica CVD sobre otros métodos de obtención de películas son; la relativa facilidad para depositar materiales de una amplia gama, controlables en la composición estequiométrica y en la estructura de la capa lo cual es difícil o imposible de lograr por otras técnicas. Los materiales órganosilicatos, como el tetraetoxisilano (TEOS) Si[OCH 2 CH 3 ] 4, se usan como fuente de silicio, además de proporcionar una buena calidad de la película y un excelente cubrimiento de escalón que es comparado con los métodos convencionales donde no se utilizan órganosilicatos (oxidación térmica, etc.). TEOS como una fuente de silicio es seguro, fácil de manejar, y estable químicamente. Sin embargo, los procesos CVD usando TEOS requieren temperaturas relativamente altas (>600º C) por lo cual se excluye su aplicación en la formación de películas dieléctricas en estructuras multicapas. Los recientes trabajos han mostrado que la reacción química TEOS/Ozono (O 3 ) para la obtención de las películas del óxido, pueden cumplir con los requerimientos térmicos en la fabricación de estructuras multicapas en circuitos ULSI (Ultra-Large-Scale Integration). La reacción en CVD de TEOS con ozono produce películas delgadas de dióxido de silicio con excelentes características planares a temperaturas bajas (250 a 400º C) [1-4]. Estas temperaturas permiten el uso de los datos obtenidos en la caracterización del proceso de fabricación de dispositivos sobre semiconductores orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, para lograr desarrollar dispositivos se requiere de un buen conocimiento y control de las propiedades eléctricas de los dieléctricos y de su interfase con el semiconductor. Esto se logra mediante la medición de los parámetros eléctricos y ópticos que caracterizan a estos óxidos. Las técnicas de caracterización nos permiten obtener los parámetros característicos del material, hacer la comparación o la determinación en la calidad del material requerido y en su caso nos permite hacer las modificaciones al proceso tecnológico, hasta lograr el producto requerido por la aplicación tecnológica. 1

2 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 En este trabajo se presenta la caracterización eléctrica y óptica de películas de SiO 2 obtenidas a bajas temperaturas por APCVD 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Las películas de SiO 2 se depositaron en sustratos de Si tipo n. Para eliminar las impurezas orgánicas e inorgánicas de la superficie del Si, se usó el proceso estándar RCA. Las películas se depositaron a temperaturas de 125 a 250 C con tiempos de 15 minutos para obtener espesores de 6 a 150 nm. Se examinó la composición de las películas por espectroscopia infrarroja de transformada de fourier (FTIR Bruker vector 22). Para medir el espesor y el índice de refracción de las películas se usó un ellipsómetro Rudolph 439L633P. Se obtuvieron películas de SiO 2 a diferentes temperaturas (125 a 250 C) manteniendo los flujos de N 2 y O 2 a 1.0 y 0.5 slm respectivamente. Con la otra parte de la muestra, se fabricaron capacitores MOS, mediante la evaporación de puntos de aluminio a través de una mascara de metal. Por la parte trasera, también se deposito aluminio. El área final de las estructuras MOS fue de 3.8 x10-3 cm 2. Las propiedades eléctricas de las películas fueron medidas por el uso de las caracteristicas C-V del alta frecuencia y cuasiestaticas obtenidas de los capacitores MOS. La densidad de estados interfaciales se determinó de esas curvas. Para tal efecto se usó un sistema C-V MDC automatizado. Las caracteristicas corriente-voltaje (I-V) de las estructuras MOS fueron obtenidas por el método TZBD (Time-Zero-Break- Down) o también conocida como rampa de voltaje, que en este caso fue de 1 V/s. 3. RESULTADOS 3.1. Caracterización óptica. Para la caracterización óptica de las películas depositadas por APCVD se obtuvieron los espectros de absorbancia por espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier (FTIR). En un espectro de absorbancia de películas de SiO 2 térmico, se observan las tres bandas de absorción correspondientes a los modos de vibración transversal ópticos característicos [5]; stretching (1075 cm 1 ), bending (800 cm -1 ) y rocking (460 cm -1 ). Además, en sistemas APCVD TEOS-Ozono y de acuerdo a las condiciones de depósito, se pueden observar otras bandas que corresponden a grupos residuales del TEOS, por ejemplo, los grupos C-H que aparecen a 2980, 2905, 1380 y 1470 cm -1 estos picos resultan de los grupos etoxidos (-OC 2 H 5 ). Los picos de los grupos hidroxilos se observan a una longitud de 980 y 3750 cm -1, debido a Si-OH y SiO-H; a 3300 cm -1 se observan los picos correspondientes a agua adsorbida y a SiOH. Las bandas en el intervalo de 2300 cm -1 son debidas al producto CO 2 [6, 7]. En la figura 1, se muestran los espectros de absorbancia de SiO 2 obtenidos a las temperaturas y condiciones indicadas. Se puede ver que en todos los casos se obtienen las bandas de absorción correspondientes a los modos de vibración stretching, bending y rocking, característicos de las películas de SiO 2. También se observa que con el incremento de la temperatura, se reduce la incorporación de los grupos residuales, se eliminan los enlaces OH a partir de 175 ºC, la incorporación de H 2 O a partir de 200 ºC, se reduce la cantidad de ácido acético y fórmico, sin embargo la incorporación de grupos cíclicos no esta bien definida. Absorbancia (u. a.) 250 C 225 C 200 C 175 C 150 C 125 C Numero de Onda (cm -1 ) Figura 1. Espectros de absorbancia correspondiente a películas de SiO 2 obtenidas por APCVD para diferentes temperaturas de depósito, con TEOS/N 2 de 1.0 slm, 0.5 slm de O 3 /O 2 y 15 min., de depósito. No fue posible obtener películas del dieléctrico a temperaturas menores de 125 C, probablemente porque el ozono no tiene la energía necesaria para iniciar la reacción con el TEOS o bien porque la reacción superficial es muy lenta y el tiempo de depósito muy corto (15 min.) para dar un espesor apreciable de dieléctrico. En la tabla 1 se presentan la naturaleza de los modos de vibración y sus posiciones de los espectros presentados en la figura 1. Las razones de depósito y el índice de refracción en función de la temperatura de depósito se muestran en la tabla 2. Se observa que los valores de los índices de refracción están en el rango que corresponde a película de SiO 2 obtenidas por oxidación térmica. La razón de crecimiento se incrementa con el incremento de la temperatura, 2

3 hasta un valor máximo en 175 C, posteriormente decrece. Tabla 1. Enlaces encontrados en los espectros de infrarrojos de la figura 1. relacionado con la existencia de grupos hidroxil dentro de la película de SiO 2. Para C-MOS con SiO 2 obtenido a 200 C, sus características son semejantes a los CMOS con óxido térmico. (acumulaciónagotamiento e inversión). Modo de vibración Numero de onda (cm -1 ) Si-O Si-H Si-OH Especies cíclicas Ácido acético Ácido fórmico CO H 2 O Acetaldehído 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 SiO 2 obtenidas por APCVD Temperatura De Deposito [ C] Razón de Crecimiento [nm/min] Índice De Refracción 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 características C-V para C-MOS con óxido obtenido por 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 agotamiento, sin embargo para los C-MOS con SiO 2 obtenido a 150 y 175 C el capacitor no alcanza el equilibrio (región de inversión), es decir, la capacitancia no alcanza un valor mínimo, con lo cual el ancho de la región de agotamiento se incrementa continuamente. Este comportamiento, de acuerdo a algunos autores [9, 11] esta relacionado con algunos mecanismos de corriente a través del óxido, cuya naturaleza de acuerdo a los resultados de la caracterización óptica, puede estar Figura 2. Curvas experimentales C-V para C-MOS con SiO 2 obtenido por APCVD a 200 C (a), 175 C (b) y 150 C (c) Para C-MOS con SiO 2 obtenida por arriba de 200 C, no se presenta conducción a través del óxido, es decir sus características son similares a los óxidos térmicos. Una curva típica I-V (Corriente-Voltaje) de las estructuras MOS se muestra en la figura 3. Podemos observar la característica rectificante y la dependencia exponencial de la corriente en función del voltaje, para voltajes negativos. Este 3

4 comportamiento esta relacionado con el hecho de que en su correspondiente curva C-V no se observa la condición de equilibrio (vista por un decremento continuo de la capacitancia en la región de voltajes negativos). El ancho de la RCE se incrementa, es decir, se incrementa la región compuesta por impurezas donadores ionizadas, y no se decrementa debido a la llegada de portadores a través del óxido (e emitidos por los sitios de trampas cuya naturaleza puede ser debido a grupos hidroxil en la películas de SiO 2 ) I(A) 0,001 0,000-0,001-0,002-0,003-0,004-0,005-0,006-0,007-0, V(volts) Figura 3. Características I-V para C-MOS con SiO 2 obtenido a 175 C La dependencia tipo exponencial de la corriente con el voltaje sugiere que los mecanismos de conducción son de tipo Schottky, aunque el fenómeno Poole-Frenkel puede tener su contribución.para conocer la naturaleza de los mecanismos de conducción a través del SiO 2, se obtuvieron las características corriente contra la raiz del voltaje (figura 4). En esta figura se observan dos pendientes, por lo que podemos decir que existen dos mecanismos de corriente, los cuales pueden ser emisión Schottky y emisión Poole-Frenkel. Los valores de las pendientes son 5.13 y 9.5. De acuerdo a la teoría existente [9], El valor de la pendiente, β, debe ser dos veces mayor para emisión P-F con respecto a Schottky, lo cual se cumple en nuestro caso. Por lo que para nuestras muestras inicialmente se tiene conducción pos emisión Schottky y posteriormente en aproximadamente para E=1MV/cm, se tendrá conducción por emisión P-F. 4. CONCLUSIONES Se obtuvieron películas de SiO 2 por APCVD usando TEOS como precursor y O 3 como oxidante. Las temperaturas de depósito fueron de 125 a 250 C para obtener espesores de 10 a 200nm. Resultados de espectroscopia infrarroja muestran que las películas corresponden a SiO 2, además se observan grupos residuales los cuales se decrementan con el incremento de la temperatura. La razón de crecimiento muestra un máximo para 175 C, esto se debe al incremento de las reacciones en fase gaseosa. Los valores del los índices de refracción están dentro del intervalo del SiO 2. Para la caracterización eléctrica se fabricaron estructuras MOS. De las curvas C-V, se observó que para temperaturas mayores de 175 C estas presentan características semejantes a MOS con SiO 2 térmico. Sin embargo para menores temperaturas de depósito, la curva C-V no alcanza su valor de equilibrio, lo cual nos indica que existe transporte de corriente a través del óxido. Los mecanismos de corriente se obtuvieron de la curva I-V y se deben a emisión Sottky y emisión Poole Frenkel. REFERENCIAS Figura 4. Características I-V 1/2 para un C-MOS con película de SiO2 obtenida por APCVD y 175 C [1] E. Jung, W.N. Gill Journal of Cristal Growth 140 (1994) [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) [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 [6] N. Primeau, C. Vautey, M. Langlet, Thin soild Films 310 (1997) 47 4

5 [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 [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 (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)