Nesta dissertação estudamos a possibilidade de uso de implantação iônica de estanho para pré-amorfização do silício cristalino e sua aplicabilidade na tecnologia de fabricação de junções rasas. Foi estudada a amorfização de Si em doses altas (~ 1x1016 cm-2) de implantação de Sn. Nas pesquisas foram empregadas as técnicas de espectroscopia Mössbauer e de Retroespalhamento de Rutherford Canalizado (RBS/C). Mesmo para estas doses muito altas, foi observado 93% de substitucionalidade de Sn na rede cristalina de Si, após tratamento térmico, o que corresponde a duas ordens de grandeza a mais que a máxima solubilidade sólida. Doses médias (1x1012 – 3x1014 cm-2) de implantação de Sn foram usadas para encontrar a dose mínima de amorfização, que foi de 1x1014 cm-2, medida com RBS/C. Amostras pré-amorfizadas com implantação iônica de Sn e energias 120 keV e 240 keV foram posteriormente implantadas com BF2 + de 50 keV e dose 5x1014 cm-2 para obtenção de junção rasa tipo p+-n. Diferentes regimes de recozimento térmico rápido foram utilizados. Técnicas de espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e medidas elétricas foram usadas para caracterização destas junções. O melhor resultado foi com pré-amorfização de Sn de 240 keV e recozimento de 900 ºC, 30s. A profundidade de junção foi de 115 nm e a resistência de folha de ~ 175 / . / The possibility of using ion implantation of tin to preamorphizing crystalline silicon and its applicability in the fabrication of shallow junctions is studied in this work. Initially we performed the preamorphization with high dose of implanted tin (~1x1016 cm-2). In the analysis of the implanted samples we used the techniques of Mössbauer Spectroscopy and Aligned Rutherford Backscattering (Channeling). Even for those high doses of implantation we observed 93% of substitutionality of tin in the crystalline lattice of silicon, after thermal annealing. This substitutionality is two orders of magnitude higher than the maximum solid solubility. Medium value doses (1x1012 – 3x1014 cm-2) of implanted tin were used in order to find the minimum dose for amorphization, which we found to be 1x1014 cm-2, measured with channeled RBS. Samples preamorphized with tin implanted at different energies, 120 keV and 240 keV, have been afterwards implanted with BF2 + of 50 keV and dose 5x1014 cm-2 to obtain shallow junction of type p+-n. Different processes of rapid thermal annealing have been used. Secondary Ions Mass Spectroscopy (SIMS) and electric measurements were used to characterize these junctions. The best result was obtained with preamorphization by tin at 240 keV and annealing at 900 oC, 30 s. The depth of the junction was 115 nm and sheet resistance of ~175 / .

Nesta dissertação estudamos a possibilidade de uso de implantação iônica de estanho para pré-amorfização do silício cristalino e sua aplicabilidade na tecnologia de fabricação de junções rasas. Foi estudada a amorfização de Si em doses altas (~ 1x1016 cm-2) de implantação de Sn. Nas pesquisas foram empregadas as técnicas de espectroscopia Mössbauer e de Retroespalhamento de Rutherford Canalizado (RBS/C). Mesmo para estas doses muito altas, foi observado 93% de substitucionalidade de Sn na rede cristalina de Si, após tratamento térmico, o que corresponde a duas ordens de grandeza a mais que a máxima solubilidade sólida. Doses médias (1x1012 – 3x1014 cm-2) de implantação de Sn foram usadas para encontrar a dose mínima de amorfização, que foi de 1x1014 cm-2, medida com RBS/C. Amostras pré-amorfizadas com implantação iônica de Sn e energias 120 keV e 240 keV foram posteriormente implantadas com BF2 + de 50 keV e dose 5x1014 cm-2 para obtenção de junção rasa tipo p+-n. Diferentes regimes de recozimento térmico rápido foram utilizados. Técnicas de espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e medidas elétricas foram usadas para caracterização destas junções. O melhor resultado foi com pré-amorfização de Sn de 240 keV e recozimento de 900 ºC, 30s. A profundidade de junção foi de 115 nm e a resistência de folha de ~ 175 / . / The possibility of using ion implantation of tin to preamorphizing crystalline silicon and its applicability in the fabrication of shallow junctions is studied in this work. Initially we performed the preamorphization with high dose of implanted tin (~1x1016 cm-2). In the analysis of the implanted samples we used the techniques of Mössbauer Spectroscopy and Aligned Rutherford Backscattering (Channeling). Even for those high doses of implantation we observed 93% of substitutionality of tin in the crystalline lattice of silicon, after thermal annealing. This substitutionality is two orders of magnitude higher than the maximum solid solubility. Medium value doses (1x1012 – 3x1014 cm-2) of implanted tin were used in order to find the minimum dose for amorphization, which we found to be 1x1014 cm-2, measured with channeled RBS. Samples preamorphized with tin implanted at different energies, 120 keV and 240 keV, have been afterwards implanted with BF2 + of 50 keV and dose 5x1014 cm-2 to obtain shallow junction of type p+-n. Different processes of rapid thermal annealing have been used. Secondary Ions Mass Spectroscopy (SIMS) and electric measurements were used to characterize these junctions. The best result was obtained with preamorphization by tin at 240 keV and annealing at 900 oC, 30 s. The depth of the junction was 115 nm and sheet resistance of ~175 / .

Nesta dissertação estudamos a possibilidade de uso de implantação iônica de estanho para pré-amorfização do silício cristalino e sua aplicabilidade na tecnologia de fabricação de junções rasas. Foi estudada a amorfização de Si em doses altas (~ 1x1016 cm-2) de implantação de Sn. Nas pesquisas foram empregadas as técnicas de espectroscopia Mössbauer e de Retroespalhamento de Rutherford Canalizado (RBS/C). Mesmo para estas doses muito altas, foi observado 93% de substitucionalidade de Sn na rede cristalina de Si, após tratamento térmico, o que corresponde a duas ordens de grandeza a mais que a máxima solubilidade sólida. Doses médias (1x1012 – 3x1014 cm-2) de implantação de Sn foram usadas para encontrar a dose mínima de amorfização, que foi de 1x1014 cm-2, medida com RBS/C. Amostras pré-amorfizadas com implantação iônica de Sn e energias 120 keV e 240 keV foram posteriormente implantadas com BF2 + de 50 keV e dose 5x1014 cm-2 para obtenção de junção rasa tipo p+-n. Diferentes regimes de recozimento térmico rápido foram utilizados. Técnicas de espectroscopia de massa de íons secundários (SIMS) e medidas elétricas foram usadas para caracterização destas junções. O melhor resultado foi com pré-amorfização de Sn de 240 keV e recozimento de 900 ºC, 30s. A profundidade de junção foi de 115 nm e a resistência de folha de ~ 175 / . / The possibility of using ion implantation of tin to preamorphizing crystalline silicon and its applicability in the fabrication of shallow junctions is studied in this work. Initially we performed the preamorphization with high dose of implanted tin (~1x1016 cm-2). In the analysis of the implanted samples we used the techniques of Mössbauer Spectroscopy and Aligned Rutherford Backscattering (Channeling). Even for those high doses of implantation we observed 93% of substitutionality of tin in the crystalline lattice of silicon, after thermal annealing. This substitutionality is two orders of magnitude higher than the maximum solid solubility. Medium value doses (1x1012 – 3x1014 cm-2) of implanted tin were used in order to find the minimum dose for amorphization, which we found to be 1x1014 cm-2, measured with channeled RBS. Samples preamorphized with tin implanted at different energies, 120 keV and 240 keV, have been afterwards implanted with BF2 + of 50 keV and dose 5x1014 cm-2 to obtain shallow junction of type p+-n. Different processes of rapid thermal annealing have been used. Secondary Ions Mass Spectroscopy (SIMS) and electric measurements were used to characterize these junctions. The best result was obtained with preamorphization by tin at 240 keV and annealing at 900 oC, 30 s. The depth of the junction was 115 nm and sheet resistance of ~175 / .

Foi estudado o comportamento do As (dopante tipo n) em dois tipos diferentes de substratos de Si: bulk e SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Ambos os substratos receberam uma implantação de 5x1014 cm-2 de As+ com energia de 20 keV. Após as implantações, as amostras foram recozidas por um dos dois processos a seguir: recozimento rápido (RTA, Rapid Thermal Annealing) ou convencional (FA, Furnace Annealing). A caracterização física e elétrica foi feita através do uso de diversas técnicas: SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), medidas de resistência de folha, medidas Hall e medidas de perfil de portadores por oxidação anódica. Na comparação entre os substratos SIMOX e Si bulk, os resultados indicaram que o SIMOX se mostrou superior ao Si bulk em todos os aspectos, ou seja, menor concentração de defeitos e menor perda de dopantes para a atmosfera após os recozimentos, maior concentração de portadores e menor resistência de folha. A substitucionalidade do As foi maior no SIMOX após RTA, mas semelhante nos dois substratos após FA. Na comparação entre RTA e FA, o primeiro método se mostrou mais eficiente em todos os aspectos mencionados acima. As explicações para o comportamento observado foram atribuídas à presença de maior concentração de vacâncias no SIMOX do que no Si bulk e à interação destas vacâncias com os dopantes.

Foram estudadas a ativação elétrica e a redistribuição de As (dopante tipo n) implantado em SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Estruturas SIMOX com diferentes espessuras da camada superficial de Si e do óxido enterrado foram usadas. As implantações de As+ foram feitas com a energia de 20 keV e doses de 5x1014cm-2 ou 2x1015cm-2. Um perfil em forma de platô foi implantado em algumas amostras por implantação com tripla energia. Recozimentos térmicos rápidos e convencionais foram aplicados para a ativação dos dopantes e cobertura dos danos de implantação. A caracterização física e elétrica foi feita através de RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering) e medidas elétricas por efeito Hall. Os resultados são discutidos considerando a profundidade de amorfização alcançada pela implantação de dopantes e a cobertura dos danos após recozimentos e sua influência na ativação elétrica dos dopantes.As amostras completamente amorfizadas apresentaram maiores valores de resistência de folha e menor percentagem de ativação dos dopantes em comparação com as amostras que não tiveram a completa amorfização do filme de Si. Os resultados mostram claramente a necessidade de evitar a amorfização total do filme de Si em SIMOX durante a implantação iônica, possibilitando a formação de uma boa estrutura cristalina com boas características elétricas após o recozimento. / The re-crystallization and electrical activation of As (n-type dopant) implanted in SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) were studied. Two SIMOX structures with different Si overlayers and buried oxide thicknesses were used. The As+ implantations were performed with energy of 20 keV to doses of 5x1014cm-2 or 2x1015cm-2 in both substrates. A plateau-like profile was achieved in an additional set of SOI samples by triple energy implantation. Rapid thermal and conventional furnace annealing were applied for dopant activation and recovery of the implantation damage. The physical and electrical characterizations were done by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), sheet resistance measurements and Hall Effect measurements. The results are discussed considering the amorphization depth reached by dopant implantation and the crystal recovery process via thermal treatment and the influence in the electrical activation of the dopants. The completely amorphized samples presented higher values of sheet resistance and lower electrical activation percentage compared with the samples that did not have the complete top Si film amorphized. These results clearly show the need for avoiding total amorphization of the Si film during ion implantation in SIMOX, so that it is possible to achieve good crystal and electrical characteristics after thermal processing.

Foram estudadas a ativação elétrica e a redistribuição de As (dopante tipo n) implantado em SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Estruturas SIMOX com diferentes espessuras da camada superficial de Si e do óxido enterrado foram usadas. As implantações de As+ foram feitas com a energia de 20 keV e doses de 5x1014cm-2 ou 2x1015cm-2. Um perfil em forma de platô foi implantado em algumas amostras por implantação com tripla energia. Recozimentos térmicos rápidos e convencionais foram aplicados para a ativação dos dopantes e cobertura dos danos de implantação. A caracterização física e elétrica foi feita através de RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering) e medidas elétricas por efeito Hall. Os resultados são discutidos considerando a profundidade de amorfização alcançada pela implantação de dopantes e a cobertura dos danos após recozimentos e sua influência na ativação elétrica dos dopantes.As amostras completamente amorfizadas apresentaram maiores valores de resistência de folha e menor percentagem de ativação dos dopantes em comparação com as amostras que não tiveram a completa amorfização do filme de Si. Os resultados mostram claramente a necessidade de evitar a amorfização total do filme de Si em SIMOX durante a implantação iônica, possibilitando a formação de uma boa estrutura cristalina com boas características elétricas após o recozimento. / The re-crystallization and electrical activation of As (n-type dopant) implanted in SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) were studied. Two SIMOX structures with different Si overlayers and buried oxide thicknesses were used. The As+ implantations were performed with energy of 20 keV to doses of 5x1014cm-2 or 2x1015cm-2 in both substrates. A plateau-like profile was achieved in an additional set of SOI samples by triple energy implantation. Rapid thermal and conventional furnace annealing were applied for dopant activation and recovery of the implantation damage. The physical and electrical characterizations were done by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), sheet resistance measurements and Hall Effect measurements. The results are discussed considering the amorphization depth reached by dopant implantation and the crystal recovery process via thermal treatment and the influence in the electrical activation of the dopants. The completely amorphized samples presented higher values of sheet resistance and lower electrical activation percentage compared with the samples that did not have the complete top Si film amorphized. These results clearly show the need for avoiding total amorphization of the Si film during ion implantation in SIMOX, so that it is possible to achieve good crystal and electrical characteristics after thermal processing.

Foi estudado o comportamento do As (dopante tipo n) em dois tipos diferentes de substratos de Si: bulk e SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Ambos os substratos receberam uma implantação de 5x1014 cm-2 de As+ com energia de 20 keV. Após as implantações, as amostras foram recozidas por um dos dois processos a seguir: recozimento rápido (RTA, Rapid Thermal Annealing) ou convencional (FA, Furnace Annealing). A caracterização física e elétrica foi feita através do uso de diversas técnicas: SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), medidas de resistência de folha, medidas Hall e medidas de perfil de portadores por oxidação anódica. Na comparação entre os substratos SIMOX e Si bulk, os resultados indicaram que o SIMOX se mostrou superior ao Si bulk em todos os aspectos, ou seja, menor concentração de defeitos e menor perda de dopantes para a atmosfera após os recozimentos, maior concentração de portadores e menor resistência de folha. A substitucionalidade do As foi maior no SIMOX após RTA, mas semelhante nos dois substratos após FA. Na comparação entre RTA e FA, o primeiro método se mostrou mais eficiente em todos os aspectos mencionados acima. As explicações para o comportamento observado foram atribuídas à presença de maior concentração de vacâncias no SIMOX do que no Si bulk e à interação destas vacâncias com os dopantes.

Foi estudado o comportamento do As (dopante tipo n) em dois tipos diferentes de substratos de Si: bulk e SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Ambos os substratos receberam uma implantação de 5x1014 cm-2 de As+ com energia de 20 keV. Após as implantações, as amostras foram recozidas por um dos dois processos a seguir: recozimento rápido (RTA, Rapid Thermal Annealing) ou convencional (FA, Furnace Annealing). A caracterização física e elétrica foi feita através do uso de diversas técnicas: SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), medidas de resistência de folha, medidas Hall e medidas de perfil de portadores por oxidação anódica. Na comparação entre os substratos SIMOX e Si bulk, os resultados indicaram que o SIMOX se mostrou superior ao Si bulk em todos os aspectos, ou seja, menor concentração de defeitos e menor perda de dopantes para a atmosfera após os recozimentos, maior concentração de portadores e menor resistência de folha. A substitucionalidade do As foi maior no SIMOX após RTA, mas semelhante nos dois substratos após FA. Na comparação entre RTA e FA, o primeiro método se mostrou mais eficiente em todos os aspectos mencionados acima. As explicações para o comportamento observado foram atribuídas à presença de maior concentração de vacâncias no SIMOX do que no Si bulk e à interação destas vacâncias com os dopantes.

Foram estudadas a ativação elétrica e a redistribuição de As (dopante tipo n) implantado em SIMOX (Separation by IMplanted OXygen). Estruturas SIMOX com diferentes espessuras da camada superficial de Si e do óxido enterrado foram usadas. As implantações de As+ foram feitas com a energia de 20 keV e doses de 5x1014cm-2 ou 2x1015cm-2. Um perfil em forma de platô foi implantado em algumas amostras por implantação com tripla energia. Recozimentos térmicos rápidos e convencionais foram aplicados para a ativação dos dopantes e cobertura dos danos de implantação. A caracterização física e elétrica foi feita através de RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering) e medidas elétricas por efeito Hall. Os resultados são discutidos considerando a profundidade de amorfização alcançada pela implantação de dopantes e a cobertura dos danos após recozimentos e sua influência na ativação elétrica dos dopantes.As amostras completamente amorfizadas apresentaram maiores valores de resistência de folha e menor percentagem de ativação dos dopantes em comparação com as amostras que não tiveram a completa amorfização do filme de Si. Os resultados mostram claramente a necessidade de evitar a amorfização total do filme de Si em SIMOX durante a implantação iônica, possibilitando a formação de uma boa estrutura cristalina com boas características elétricas após o recozimento. / The re-crystallization and electrical activation of As (n-type dopant) implanted in SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) were studied. Two SIMOX structures with different Si overlayers and buried oxide thicknesses were used. The As+ implantations were performed with energy of 20 keV to doses of 5x1014cm-2 or 2x1015cm-2 in both substrates. A plateau-like profile was achieved in an additional set of SOI samples by triple energy implantation. Rapid thermal and conventional furnace annealing were applied for dopant activation and recovery of the implantation damage. The physical and electrical characterizations were done by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), TEM (Transmission Electron Microscopy), MEIS (Medium Energy Ion Scattering), sheet resistance measurements and Hall Effect measurements. The results are discussed considering the amorphization depth reached by dopant implantation and the crystal recovery process via thermal treatment and the influence in the electrical activation of the dopants. The completely amorphized samples presented higher values of sheet resistance and lower electrical activation percentage compared with the samples that did not have the complete top Si film amorphized. These results clearly show the need for avoiding total amorphization of the Si film during ion implantation in SIMOX, so that it is possible to achieve good crystal and electrical characteristics after thermal processing.

Orientador: Jose Alexandre Diniz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T20:16:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Biasotto_Cleber_D.pdf: 3795677 bytes, checksum: e4e2355f73ec8fb2ad7677cdf17f5daf (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Atualmente para atender à necessidade de fabricação dos sensores, dispositivos eletrônicos e circuitos integrados com dimensões micro e nanométricas, novos processo de custos e de thermal budgets reduzidos são necessários. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de alguns destes novos processos alternativos para aplicação nesta fabricação. O trabalho está dividido em quatro partes: a primeira parte apresenta a obtenção e a caracterização de filmes isolantes de nitreto de silício para aplicação em microsensores, tais como o sensor de pressão. Estes filmes foram obtidos sobre substratos de Si em baixa temperatura (20°C) utilizando-se um reator de plasma do tipo ECRCVD (Electron Cyclotron Resonance - Chemical Vapor Deposition). Normalmente reatores do tipo Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) ou Plasma Enhanced - CVD (PECVD) em temperaturas maiores que 600ºC e 250ºC, respectivamente, são utilizados para essa aplicação. A caracterização dos plasmas ECR, que foram usados para as deposições dos nitretos, e a fabricação de membranas suspensas com estes filmes são apresentadas. A segunda parte apresenta a fabricação e a caracterização de diodos p+-n fabricados em camada de SiGe crescida por LPCVD sobre substrato de Si. Processo este alternativo em substituição aos executados em reatores epitaxiais de alto custo. Na terceira parte deste trabalho, é apresentado o desenvolvimento de processos em baixa temperatura para aplicação em diodos e tecnologia MOS (Metal-Oxide-Semiconductor). São apresentadas a fabricação e a caracterização elétrica dos capacitores MOS, utilizando as tecnologias ALD (Atomic Layer Deposition) e ICP (Inductively Coupled Plasma) para a obtenção em baixa temperatura dos dielétricos high-k de Al2O3 e SiON de porta MOS, respectivamente. Na quarta parte, são apresentadas também, a fabricação e a caracterização elétrica de diodos n+p utilizando a tecnologia de recozimento a laser. O desenvolvimento de capacitores MOS e diodos possibilitou a fabricação (usando processos em baixa temperatura (?400oC)) de n- e p-MISFETs (Metal- Insulator-Semiconductor Field Effect Transistors), como também a fabricação de um protótipo de transistor MOS de alta velocidade baseado em silício germânio chamado D-DotFET (Disposable Dot Field Effect Transistor). Os processos alternativos desenvolvidos nesta tese apresentam um enorme potencial para aplicação nas próximas gerações de dispositivos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) de dimensões sub-22 nm / Abstract: Nowadays, to attend the needs of the fabrication of sensors, electronic devices and integrated circuits with dimensions of micro and nanometrics, new processes of reduced costs and thermal budgets are needed. This work presents the development of some of these alternative processes for this fabrication. This work is divided in four parts: the first part presents the synthesis and characterization of insulating films of silicon nitride for application in microsensors, such as pressure sensors. These films were deposited on Si substrates at low temperature (20°C) using an ECR-CVD (Electron Cyclotron Resonance - Chemical Vapor Deposition) plasma reactor. Normally, Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) or Plasma Enhanced CVD - (PECVD) reactors are used for this application with high temperature process higher than 600oC and 250oC, respectively. The characterization of ECR plasmas, which were used to get the silicon nitrides, and the fabrication of suspended membranes based on these nitrides are presented. The second part presents the fabrication and the characterization of p+-n silicon germanium (SiGe) diodes fabricated on SiGe layers, which were grown by LPCVD on Si substrate. The grown of SiGe layers by LPCVD is an alternative process to replace the high cost of epitaxial reactors. In the third part of this work is presented the development of low-temperature processes for application in diodes and MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) technology. The fabrication at low temperature and electrical characterization of MOS capacitors, using technologies as: ALD (Atomic Layer Deposition) and ICP (Inductively Coupled Plasma) to get the Al2O3 and SiON high-k gate dielectrics of MOS capacitors are presented, respectively. In the four part, the fabrication and electrical characterization of n+-p diodes using the process of laser annealing are presented as well. The development of MOS capacitors and diodes have become feasible the fabrication (using processes at low temperature (? 400oC)) of n- and p-MISFETs (Metal- Insulator -Semiconductor Field Effect Transistors) and also the fabrication of a high speed MOS transistor prototype based on silicon germanium named D-DotFET (Disposable Dot Field Effect Transistor). In conclusion, the alternative processes developed in this thesis have shown to be a huge potential for application in next generations of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) devices with sub- 22 nm dimensions / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica