Produção e caracterização de silício policristalino e sua aplicação a TFTS

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia dos Materiais, especialidade Microelectrónica e Optoelectrónica, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Esta dissertação resume o trabalho de investigação científica efectuado ao longo de cerca de 5 anos, que abordou o estudo e optimização das condições de processamento de filmes finos de silício policristalino e de dieléctricos de elevada permitividade, e posterior integração destes materiais em transístores de filme fino (TFTs- thin film transistors). No que respeita ao silício policristalino, parâmetros como a temperatura e pressão de deposição determinam a estrutura do silício preparado por LPCVD, com filmes de qualidade electrónica (passíveis de ser aplicados em transístores) a serem obtidos acima de 625°C e preferencialmente a uma pressão menor que 40 Pa. Porém, além da dependência da estrutura das condições de processamento, a elevada temperatura de deposição, rugosidade e defeitos inter e intragunalres (que se traduz pela presença de regime de condução eléctrica por salto),limitam a sua aplicação a TFTs produzidos em substratos de baixo custo. Resolveu-se assim apostar na cristalização de silício amorfo, utilizando para isso a cristalização no estado sólido (SPC). Foi possível obter filmes policristalinos a temperaturas inferiores a 600°C, com menor rugosidade e melhor qualidade cristalina, tanto ao nível de defeitos como de tamanho de grão, que se reflecte na diminuição da influência do regime de condução eléctrica por salto. Um abaixamento mais significativo da temperatura de cristalização, na ordem de 100ºC, é conseguido na presença de uma fina camada níquel (Ni) depositada sobre o silício amorfo, processo conhecido por cristalização induzida por metal (MIC). A qualidade cristalina é ainda melhor quando compara com o processo de SPC convencional. Contudo a técnica de LPCVD continua a ser muito útil na deposição dos filmes amorfos, pois a baixa incorporação de hidrogénio permite evitar uma etapa de desidrogenação antes da cristalização. Outro tema abordado neste trabalho foi a deposição por pulverização catódica, à temperatura ambiente, de dieléctricos de elevada permitividade, nomeadamente o óxido de háfnio (HfO2). Os melhores resultados em termos de propriedades eléctricas, estudadas em estruturas MIS (metal-oxide semiconductor) de silício cristalino, são obtidos quando se adiciona oxigénio como gás de processo, mantendo a pressão de deposição em 2 Pa. Isto acontece por compensação de deficiência em oxigénio e por redução do bombardeamento do substrato a pressões mais elevadas, o que evita a degradação da interface dieléctrico/semicondutor. O tratamento térmico, mesmo a baixa temperatura, ajuda a melhorar a densidade e a reduzir o número de defeitos nos filmes. No que diz respeito aos TFTs produzidos neste trabalho, comparou-se o desempenho eléctrico de dispositivos com camada activa de silício policristalino obtido por LPCVD, SPC e MIC, utilizando ATO (multicamada de óxido de titânio e alumínio) como dieléctrico. A mobilidade de efeito de campo fica abaixo de 2 cm2.V-1.s-1 quando a camada activa é depositada por LPCVD, aumentado cerca de 5 vezes no caso de filmes cristalizados por SPC a 600°C. Uma melhoria ainda mais evidente acontece ao utilizar a técnica de MIC, sendo conseguidos valores acima de 40 cm2.V-1.s-1. Integrando óxido de háfnio depositado por pulverização catódica como dieléctrico, conseguem-se dispositivos com melhores características eléctricas, com a mobilidade de efeito de campo, tensão limiar de funcionamento e razão Ion/Ioff a apresentarem valores de 45 cm2.V-1.s-1, 4,84 V e 2,22×105, respectivamente. As propriedades de interface são também melhoradas comparativamente aos dispositivos produzidos com ATO, como é traduzido pela diminuição do parâmetro sub-limiar de funcionamento (S). Por outro lado, a não utilização de silício dopado nas regiões de fonte e dreno induz um pronunciado efeito da resistência de contacto para comprimentos de canal abaixo de 50 micrómetros. Isto compromete o valor da mobilidade de efeito de campo que, ao contrário do que seria de esperar, diminui para canais mais curtos. No entanto, a mobilidade intrínseca do canal estimada supera 70 cm2.V-1.s-1. O óxido de háfnio pode ser integrado também em TFTs de silício nanoestruturado. Este material caracteriza-se por possuir pequenas cristalites (zonas ordenadas) embutidas numa matriz amorfa, apresentando propriedades eléctricas superiores relativamente ao silício amorfo. Os dispositivos produzidos confirmam isso mesmo, sendo conseguida uma mobilidade de efeito de campo de 0,85 cm2.V-1.s-1, que aumenta para 1,14 cm2.V-1.s-1 quando se utiliza ATO como dieléctrico numa configuração bottom gate, devido à superfície menos rugosa deste. Estes valores são superiores aos normalmente conseguidos com silício amorfo.