FABRICAÇÃO DE TFTS EM BAIXA TEMPERATURA UTILIZANDO SILÍCIO E CARBONO AMORFOS DEPOSITADO POR RF MAGNETRON SPUTTERING

Transcrição

1 FABRICAÇÃO DE TFTS EM BAIXA TEMPERATURA UTILIZANDO SILÍCIO E CARBONO AMORFOS DEPOSITADO POR RF MAGNETRON SPUTTERING Marciel Guerino*, Ronaldo D. Mansano*, Luís da lva Zambom * Introdução Nos últimos anos transistores de filmes finos (TFTs) fabricados a partir de filmes de silício amorfo hidrogenado sobre substratos com características isolantes, tem recebido grande atenção [1]. Normalmente TFTs são construídos sobre lâminas de silício possuindo uma camada de óxido de silício como camada isoladora do substrato e, também, utiliza-se o óxido de silício como filme dielétrico na construção do dispositivo. Atualmente existe grande interesse por dielétricos de baixa constante dielétrica devido ao tamanho submicrométrico dos dipositivos. Neste caso, o carbono amorfo surge como um desses possíveis dielétricos para substituir o óxido de silício. Os transistores TFTs são utilizados em muitas aplicações em circuitos integrados, como por exemplo, mostradores de cristal líquido e em células solares [2]. As propriedades dos TFTs usando filmes de silício amorfo hidrogenado são determinados por 3 fatores: 1) quantidade de átomos de hidrogênio para (equilibrar/completar) as ligações incompletas de silício no filme, 2) ligações químicas entre o hidrogênio e o silício para formar preferencialmente ligações -H do que H 3 e H 2, pois ligações -H contribuem mais para a condução do filme e 3) densidade de defeitos intrínsecos e na interface. Neste trabalho iremos construir TFTs sobre lâminas de silício previamente oxidadas e lâminas de utilizando-se como dielétrico filme de carbono amorfo depositado por RF magnetron sputtering. Parte Experimental Os TFTs foram fabricados sobre lâminas de de grau ótico do tipo Corning (VS-TFT) e lâminas de silício monocristalina (orientação <100>, tipo p, resistividade 1 10 Ω.cm) com 1µm de espessura de óxido de silício térmico (OS-TFT). As lâminas de foram limpas com solução 5H 2 O + 1H 2 O 2 + 1NH 4 OH durante cinco minutos e as lâminas de silício oxidadas foram limpas com as soluções 5H 2 O + 1H 2 O 2 + 1NH 4 OH e 4H 2 O + 1H 2 O 2 + 1HCl por dez minutos em cada solução. Sobre esses substratos foram depositados inicialmente filmes de silício amorfo hidrogenado (a- :H), utilizando-se a técnica de RF magnetron sputtering (freqüência de RF de MHz). Como fonte do silício amorfo utilizou-se um alvo de silício monocristalina, argônio como gás de processo, variouse a vazão de hidrogênio de 5 a 30% e o tempo de processo foi de 1 hora para as amostras VS-TFT e de 2 horas para as amostras OS-TFT. A pressão e a potência de RF foram 5 mtorr (0,66 Pa) e 200 W, respectivamente. Os filmes de carbono também foram obtidos pela técnica de RF magnetron sputtering. A fonte de carbono foi um alvo de carbono de grau de pureza 99,999%, metano puro como gás do processo. A pressão e a potência de RF foram 5 mtorr (0,66 Pa) e 150 W, respectivamente. Para as amostras VS-TFT, o carbono foi utilizado como dielétrico do dispositivo e o tempo de processo foi de 10 minutos. No caso das amostras OS-TFT, o carbono foi utilizado como dielétrico e como isolante elétrico entre os dispositivos, sendo depositado em 15 minutos e 2 horas, respectivamente. Todos os filmes, silício ou carbono, foram depositados em temperatura inferior a 100 C. Os filmes de alumínio de 500 nm foram depositados através de evaporação térmica e a definição de suas estruturas foram obtidas por litografia ótica seguida de corrosão do alumínio pela solução 80H 3 PO 4 + 5HNO H 2 O, na temperatura de C. No lado não polido da lâmina foi evaporado um filme de alumínio de 500 nm. As estruturas de carbono foram definidas por litografia ótica seguida de corrosão por plasma em ambiente de O 2, pressão de 50 mtorr (6,6 Pa), potência de 100 W e tempo de 2min40 e 4min. As figuras 1 e 2 mostram as seqüências das etapas de processo de fabricação do transistores a-:h VS-TFT e a-:h OS-TFT, respectivamente. *Faculdade de Tecnologia de São Paulo, zambom@lsi.usp.br

2 a-:h a-:h Deposição de a-:h e Fotolitografia e Corrosão do Deposição de Deposição, Fotolitografia e Corrosão do a-:h Fotolitografia e Corrosão do Figura 1 - Seqüência das etapas de processo de fabricação do transistor a-:h VS-TFT. Capacitores Metal-Isloante-Semicondutor, no nosso caso alumíno/carbono/silício (monocristalino), de 700 µm x 700 µm de dimensão, foram definidos por litografia ótica para se obter a constante dielétrica do carbono amorfo. Para caracterização dos filmes depositados, utilizou-se: a) espectroscopia de infravermelho (FTIR), para determinação de ligações químicas, b) difração de raios-x para se verificar a amorfização do silício, c) elipsômetria (λ = nm), para medida de índice de refração e espessura, d) perfilômetria, para medida de espessura de filmes de silício e e) medidas de capacitância-voltage (C-V) em 1 MHz para determinar a constante dielétrica do filme de carbono através de capacitores MIS e corrente-voltage (I-V) para determinação da condução elétrica dos filmes de silício amorfo e qualidade elétrica dos transistores construídos. O 2 O 2 O 2 a-c;h Deposição de, e Fotolitografia e Corrosão do Deposição do O 2

3 Fotolitografia e Corrosão do Deposição, Fotolitografia e Corrosão do Figura 2 - Seqüência das etapas de processo de fabricação dos transistores OS-TFT a-:h. Resultados e Discussão 1 Capacitores MIS O filme de carbono depositado para se avaliar a sua constante dielétrica apresentou índice de refração de 1,6 e espessura de 160 nm. A figura 3 mostra uma curva histerese de capacitância-voltage (C-V) extraída dos capacitores construídos. Figura 3 Curva de capacitância-voltagem (C-V) para capacitores de área de 700 µm x 700 µm com carbono amorfo como dielétrico. Obteve-se para a constante dielétrica do carbono o valor de 5,0, sendo este valor muito superior ao encontrado na literatura de 1,8 [3]. A curva C-V revela a presença de cargas positivas no carbono, pois a curva está deslocada à esquerda de zero volts. A presença destas cargas é ruim pois podem contribuir para a condução do dielétrico. A voltage de banda.plana foi de 1,6 V e a histerese de < 2,0 V. 2 Transistores VS-TFTs Inicialmente foram depositados 6 filmes de silício amorfo hidrogenado (a-:h). A tabela 1 mostra as diferentes porcentagens de hidrogênio utilizadas nos processos e as respectivas espessuras dos filmes obtidos. Para todos os filmes o índice de refração foi de 2,6. Tabela 1 Porcentagem de hidrogênio utilizada no processo e a espessura os filmes de a-:h. Amostra % H no processo Espessura (nm) Filme Filme Filme Filme Filme Filme Tentou-se através da técnica de FTIR a determinação de bandas referentes às ligações -H n presentes nos filmes de silício amorfo, em particular, a banda correspondente à ligação -H, pois poder-se-ia relacionar a sua concentração com a respectiva condução elétrica. Entretanto, os espectros não nos possibilitaram tal identificação e, por conseqüência, sua concentração. Os resultados de difração de raios-x indicaram que os filmes de silício eram realmente amorfos. Para se determinar a condução elétrica dos filmes de silício amorfo hidrogenado, fez-se medidas de corrente-voltagem (I-V) logo após a primeira

4 litografia do alumínio (figura 1). A figura 4 a estrutura utilizada para essa medição. Figura 4 - Estrutura utilizada para a medida de corrente-voltagem (I-V) na primeira parte deste trabalho. A figura 5 mostra as curvas de corrente-voltagem para os quatro filmes mais condutores de silício amorfo. a-:h 1E-4 Corrente (A) 1E-5 1E-6 FILME 3 FILME 1 FILME 4 FILME Voltagem (V) Figura 5 - Curvas corrente-voltagem (I-V) para os quatro filmes mais condutores de silício amorfo. Observa-se pela figura 5 que esses filmes apresentaram corrente entre 10-4 e 10-5 A e o filme 3 (com 20 % de hidrogênio) é o mais condutor destes, sendo que as condições de deposição deste filme será utilizada para as deposições dos transistores OS-TFT. Os dois filmes, cujas curvas não estão na figura, apresentaram valores de corrente entre 10-8 e A e tendem para filmes isolantes. A figura 6 mostra, para o filme 3, a curva de corrente de dreno (I DS ) versus a tensão de porta (V GS ) dos transistores VS-TFTs, para comprimento de canal L = 50 µm e largura de canal W = 10 µm e V D = 0.1 V fixo e V GS variou de - 15 para 30 V.

5 Figura 6 Curva de corrente de dreno (I DS ) versus tensão de porta (V GS ) para os transistores a-:h para os transistores VS-TFT, para o filme 3. Tem-se para tensões de porta, 25 < V GS < 30, a região I, caracterizada como sendo a região de uma corrente resistiva [ref. 4]. Está corrente resistiva aumenta o seu valor quando o V GS aplicado não é suficientemente para formar uma camada de inversão na região de canal [ref. 4]. Neste caso a corrente de fuga pode ser assumida como sendo uma corrente ôhmica fluindo através dos filmes amorfos de silício, quando V GS é maior do que a tensão de banda plana (V FB ), mas menor do que o valor positivo da tensão de limiar. 3 Transistores OS-TFTs Para esses transistores depositou-se uma camada de 160 nm de carbono amorfo, como dielétrico do dispositivo, sobre o filme de silício amorfo hidrogenado de 450 nm (20 % de hidrogênio), conforme pode-se observar pela figura 2. A figura 7 mostra a curva de corrente de dreno (I DS ) versus a tensão de porta (V GS ) dos transistores OS- TFTs, para comprimento de canal L = 50 µm e largura de canal W = 10 µm e V D = 0.1 V fixo e V GS variou de - 15 para 30 V. Figura 7 Curva de corrente de dreno I DS versus V GS para os transistores a-:h para os transistores OS-TFT.

6 Observa-se que para baixas tensões de porta a região I, - 15 V < V GS < 0 V, caracterizada como sendo a região de uma corrente resistiva [ref. 4]. Quando a polarização na porta (V GS ) torna-se positiva verifica-se que ainda há corrente resistiva. Está corrente resistiva tem o seu valor aumentado quando o V GS aplicado não é suficientemente para formar uma camada de inversão na região de canal [ref. 4]. Neste caso a corrente de fuga pode ser assumida como sendo uma corrente ôhmica fluindo através dos filmes amorfos de silício, quando V GS é maior do que a tensão de banda plana (V FB ), mas menor do que o valor positivo da tensão de limiar. A figura 8 mostra as curvas de corrente de dreno (I DS ) versus a tensão de dreno (V DS ) extraída dos transistores fabricados. Houve pouca variação de comportamento entre os transistores OS-TFT e VS- TFT, por isso apenas uma curva de transistores OS- TFT é mostrada. 9, , , , , , I DS (na) 3, , , , , , V G = 0 V V G = 2.5 V 1, , , V DS (V) Figura 8 Curvas de corrente de dreno I DS versus tensão de dreno V DS para transistores OS-TFT. Observa-se pela figura 8 que os transistores OS-TFT e VS-TFT apresentaram um comportamento similar ao de um transistor MOS, mas foram observadas algumas anomalias para tensão de porta (V G = 0). Conclusão Construímos TFTs sobre silício amorfo, depositado por RF magnetron sputtering, utilizando-se como substrato lâminas de silício previamente oxidadas (OS-TFT) e lâminas de (VS-TFT). O filme dielétrico foi carbono amorfo depositado por RF magnetron sputtering. Ambos os transistores apresentaram um comportamento similar ao de um transistor MOS, mas foram observadas algumas anomalias para tensão de porta (V G = 0). Agradecimentos Agradecemos ao Msc. Ronaldo Ruas pelas corrosões por plasma, ao Msc. Marcelo Bellodi pela demonstração do que ipamento HP4145B, utilizado nas medidas dos transistores e ao Laboratório de stemas Integráveis LSI / PSI / EPUSP por ter dado toda a infra-estrutura necessária para a realização deste trabalho. Bibliografia [1] Kwyro Lee, Michael Shur, Tor A. Fiedly and Trond Ytterdal, Semiconductor Device Modeling for VLSI, pp ; , [2] C. S. McCornick, C. E. Weber, and J. R. Abelson, J. Vacuum Sci. Technol., pp , [3] R. D. Mansano, M. Massi, L. S. Zambom, P. Verdonck, P. M. Nogueira, H. S. Maciel e C. Otani, Thin Solid Films, pp , [4] Ching-Fa Yeh, Shyue-Shyh Lin, Tzung-Zu Yang, Chun-Lin Chen and Yu-Chi Yang, IEEE Transactions on Eletron Devices, Vol. 41, no. 2, pp , 1994.