CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
MEDIDAS
CAPACITÂNCIA-TENSÃO (C-V)
OU
CORRENTE-TENSÃO (I-V)
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CAPACITOR
MOS
METAL
ÓXIDO
SILÍCIO
cargas móveis no óxido (QM) - íons alcalinos
VFB
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CAPACITOR
MOS
METAL
ÓXIDO
cargas móveis no óxido (QM) - íons alcalinos
VFB
SILÍCIO
P/ óxido de 10nm e
QM=6.5x1011cm-2,
 VTH=0.1V
VTH  VFB 
TENSÃO DE LIMIAR
2 Si N A (2 f )
Cox
qQM

Cox
TENSÃO DE FLAT-BAND
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CAPACITOR
MOS
METAL
ÓXIDO
cargas móveis no óxido (QM) - íons alcalinos
VFB
SILÍCIO
P/ óxido de 10nm e
QM=6.5x1011cm-2,
 VTH=0.1V
VTH  VFB 
TENSÃO DE LIMIAR
2 Si N A (2 f )
Cox
qQM

Cox
TENSÃO DE FLAT-BAND
NÍVEIS ACEITÁVEIS - QM1010cm-2
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - CxV e IxV
Capacitor MOS
Estrutura Al/ SiOxNy/Si
Al
SiOxNy
Si
Al (150nm)
Sistema C-V: 1MHz
V: -/+5.0V a +/-5.0V
Etapas de Sinterização - a cada 5 min
Ambiente de Gás Verde (92%N2+8%H2)
T: 420°C, t:30 min
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - CxV
CDP (pF)
231.9
23.78
-5.000
0
Tempo de Sinterização:10 min
Q0/q: 8.8x1010cm-2; Vfb:-0.9V
5.000
tox = (o. ox.A)/Cmáx
Wd=[(Cmáx/Cmin)-1].(Si.o.A)/Cmáx
Qo/q = [ms - Vfb]. Cmáx/q.A
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - CxV
Variação de Densidade de Carga Efetiva p/ Estruturas Al/SiOxNy/Si
DENSIDADE DE CARGA (Qo/q)
Q0/q: 1.7x1010cm-2, 5.6x1010cm-2 e 2.3x1011cm-2
Literatura: Q0/q:8.5x1010cm-2 p/ 30min sinterização
1E12
1E11
RPO N2O (P:1Torr)
RPO N2O (P:3Torr)
RPO N2O+ N2 (P:1Torr)
1E10
5
10
15
20
25
30
TEMPO DE SINTERIZAÇÃO (min)
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - CxV
Cálculo de ox com tox dado pela análise
TEM
(ox = tox.Cmáx/ o.A)
ox: 3.88 - 4.02
nox/nSiO2 (ox/ SiO2)1/2
nSiO2= 1.46
nox = xSiO2+ ySi3N4
SiO2= 3.9
SilOmNp onde x+3y=l, 2x=m e 4y=p
ox > 3.9  CN<5%
CAPACITOR
MOS
METAL
ÓXIDO
CONTATO DE Al
Oxinitreto de Si
Curvas C-V (RTO960)
3.9
Equivalent Oxide Thickness C max 
1,60E-010
EOT
1,40E-010
1,20E-010
1,00E-010
8,00E-011
6,00E-011
1N15R9
tox=3.6nm
Vfb[V]=-0.77v
Qef/q[cm-2]=8.4e+11
RS=270 ohms
2,50E-010
C(F)
Y Axis Title
5N13R9
tox=6.2nm
Vfb[V]=-1.1v
Qef/q[cm-2]=5.6e11
RS=235 ohms
1,80E-010
C(F)
 oxide 0 
3,00E-010
2,00E-010
Y Axis Title
SILÍCIO
2,00E-010
1,50E-010
1,00E-010
5,00E-011
4,00E-011
0,00E+000
2,00E-011
0,00E+000
-2
-4
-2
0
2
X Axis Title
Bias (V)
EOT = 6.2 nm
4
-1
0
1
X Axis Title
Bias (V)
EOT = 3.6 nm
2
3.9
Equivalent Oxide Thickness
Cmax 
 oxide 0 
EOT
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
MEMÓRIAS DE DRAM (MEMÓRIAS DE ACESSO RANDÔMICO-DINÂMICAS)
BITS- GUARDADOS NA FORMA DE CARGA
ARMAZENADA EM UM CAPACITOR MOS
A informação
atualmente256MBits DRAMs
armazenada no
capacitor espera
Escreve ou acessa a informação
para ser lida
armazenada no capacitor
0 ou 1
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
MEMÓRIAS DE DRAM (MEMÓRIAS DE ACESSO RANDÔMICO-DINÂMICAS)
BITS- GUARDADOS NA FORMA DE CARGA
ARMAZENADA EM UM CAPACITOR MOS
A informação
atualmente256MBits DRAMs
armazenada no
capacitor espera
Escreve ou acessa a informação
para ser lida
armazenada no capacitor
IFUGA no capacitor
diminui
gradativamente a
carga armazenada
Devido à elementos metálicos: Cu, Fe, Au
0 ou 1
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
MEMÓRIAS DE DRAM (MEMÓRIAS DE ACESSO RANDÔMICO-DINÂMICAS)
BITS- GUARDADOS NA FORMA DE CARGA
ARMAZENADA EM UM CAPACITOR MOS
A informação
atualmente256MBits DRAMs
armazenada no
capacitor espera
Escreve ou acessa a informação
para ser lida
armazenada no capacitor
IFUGA no capacitor
diminui
gradativamente a
carga armazenada
 g r
1
NTRAPS
Devido à elementos metálicos: Cu, Fe, Au
0 ou 1
CENTROS DE
RECOMBINAÇÃO
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CENTROS DE RECOMBINAÇÃO
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
CORRENTE DE FUGA e RUPTURA DIELÉTRICA
DOS ÓXIDOS DE PORTA
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - IxV
Sistema I-V: Tensão de 20V
Corrente [A]
0.04
VBD: 7.7 V
EBD = VBD/tox
0.03
0.02
0.01
•
0.00
0
5
10
15
Ruptura Dielétrica VBD [V]
20
CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA - IxV
Análise de Falha
* Regiões de Ruptura Dielétrica
Vbd : 4.7 - 7.7V
* Campo de Ruptura Dielétrica
Ebd: 11.1 - 18.3MV/cm
Literatura: Q0/q: 8.5x1010/cm2
Ebd: 8.3MV/cm
CAPACITOR
MOS
METAL
ÓXIDO
CONTATO DE Al
SILÍCIO
Oxinitreto de Si
CORRENTE DE FUGA p/ Vg = -1V
1E-3
5N13R8
0,01
COR8
1E-4
1E-3
3.7nm
1E-5
I= 6e-5 A
p/ V= -1volt
1E-6
3.5nm
1E-5
Y Axis Title
Y Axis Title
1E-4
1E-6
1E-7
1E-7
I= 4e-5 A
1E-8
1E-8
1E-9
-2,0
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
X Axis Title
0,5
Vgate (V)
1,0
1,5
2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
X Axis Title
Vgate (V)
1,0
1,5
2,0
CORRENTE DE FUGA x Espessura do Óxido
I aumenta  1 ordem de grandeza para cada decréscimo de
0.2 nm de espessura do óxido de porta
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•PERFILOMETRIA
•MICROSCOPIA ELETRÔNICA
DE VARREDURA (SEM)
•MICROSCOPIA ELETRÔNICA
POR TRANSMISSÃO (TEM)
PADRÃO GRAVADO OU
ESTRUTURA FORMADO NO SUBSTRATO
CORROSÃO NA MICROELETRÔNICA
DEFINIÇÃO DE PADRÕES
CORROSÃO NA MICROELETRÔNICA
PERFIS DE ETCHINGS
CORROSÃO NA MICROELETRÔNICA
PERFIS DE ETCHINGS
CARACTERÍSTICA DA CORROSÃO ÚMIDA
CORROSÃO NA MICROELETRÔNICA
PERFIS DE ETCHINGS
CARACTERÍSTICA DA CORROSÃO ÚMIDA
CARACTERÍSTICA DA CORROSÃO SECA
CORROSÃO ÚMIDA NA MICROELETRÔNICA
PRINCIPAIS PRODUTOS P/ ETCHING ÚMIDA
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
Mede altura de degraus e/ou poços
SiO2
Perfilometria -
Si
tox:53.0nm - 182.0nm
Taxa de Ataque - remoção do SiO2 em BHF
:98nm/min - 110.2nm/min
(Óxido Térmico - 100nm/min)
MEDIDAS DE ALTURA DE DEGRAU POR PERFILOMETRIA
Taxa de deposição e taxa de corrosão em BHF (solução tampão de HF)
SiNx
Si
100
80
60
10,5
40
10,0
SiNx ECR-CVD
20Ar/200SiH4/5mTorr
20
0
1000WECR/1Wrf/20 C
9,5
0
0
5
10
15
N2 FLOWS (sccm)
20
BHF ETCH RATE (nm/min)
DEPOSITION RATE (nm/min)
11,0
SEM
feixe de elétrons de alta
energia varrendo a superfície
de um material em análise.
SEM
feixe de elétrons de alta
energia varrendo a superfície
de um material em análise.
TEM
feixe de elétrons de alta
energia incidindo e
atravessando um material em
análise.
SEM
feixe de elétrons de alta
energia varrendo a superfície
de um material em análise.
TEM
feixe de elétrons de alta
energia incidindo e
atravessando um material em
análise.
interação dessa radiação ionizante com a matéria resultam
sinais secundários com informações sobre a estrutura e a
composição química do material.
SEM
feixe de elétrons de alta
energia varrendo a superfície
de um material em análise.
TEM
feixe de elétrons de alta
energia incidindo e
atravessando um material em
análise.
interação dessa radiação ionizante com a matéria resultam
sinais secundários com informações sobre a estrutura e a
composição química do material.
SEM e TEM baseia-se no fato de que é possível focalizar elétrons.
SEM
feixe de elétrons de alta
energia varrendo a superfície
de um material em análise.
TEM
feixe de elétrons de alta
energia incidindo e
atravessando um material em
análise.
interação dessa radiação ionizante com a matéria resultam
sinais secundários com informações sobre a estrutura e a
composição química do material.
SEM e TEM baseia-se no fato de que é possível focalizar elétrons.
lentes eletrostáticas ou magnéticas, capazes de agrupar
os elétrons que saem em diferentes direções,
em um único ponto.
-300 kv
º
º
º
º
Filamento
Anodo
oooo
oooo
TEM
elétron transmitido
através da amostra
magnificação de
200K a 500K
ooo
ooo
ooo
oooo
oooo
Lentes
Condensadoras
Objeto
ooo
ooo
ooo
Lentes Objetivas
Imagem
Intermediária
oooo
oooo
oooo
oooo
oooo
oooo
Lentes
Projetoras
Imagem Final
Esquema simplificado de um microscopio eletrônico de transmissão – TEM.
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
Scanning Electron Microscopy
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
E-beam de 1-40keV
SEM
Focalizado por lentes eletrostáticas ou magnéticas
Varre em XY a superfície da amostra
Formação de resíduos
e alta rugosidade
PROCESSO HÍBRIDO:
CORROSÃO POR PLASMA
+ LIMPEZA EM REATOR
DE MICROONDAS
Após corrosão por plasma RIE:
Substrato de Si mono
Scanning Electron Microscopy
SF6/CF4/O2/Ar = 12.5/4/20/10 sccm,
150W, 60 mTorr, 660V, 30 min,
0.6 mm/min, A = 0.95
Formação de resíduos
e alta rugosidade
PROCESSO HÍBRIDO:
CORROSÃO POR PLASMA
+ LIMPEZA EM REATOR
DE MICROONDAS
Após corrosão por plasma RIE:
Substrato de Si mono
SF6/CF4/O2/Ar = 12.5/4/20/10 sccm,
150W, 60 mTorr, 660V, 30 min,
0.6 mm/min, A = 0.95
Scanning Electron Microscopy
Após processo de limpeza
em reator de microondas:
Melhora Morfologia
Água DI, 640W de potência de mW, 15min
Processo mecânico + contribuição
química  corrosão por radicais
OH produzidos por microondas
Substrato de Si mono
Formação de resíduos
e alta rugosidade
PROCESSO HÍBRIDO:
CORROSÃO POR PLASMA
+ LIMPEZA EM REATOR
DE MICROONDAS
Após corrosão por plasma RIE:
Substrato de Si mono
SF6/CF4/O2/Ar = 12.5/4/20/10 sccm,
150W, 60 mTorr, 660V, 30 min,
0.6 mm/min, A = 0.95
Scanning Electron Microscopy
Após processo de limpeza
em reator de microondas:
Melhora Morfologia
Água DI, 640W de potência de mW, 15min
Processo mecânico + contribuição
química  corrosão por radicais
OH produzidos por microondas
Substrato de Si mono
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
SiO2  CAPA EM SISTEMAS DE LASER III-V
Scanning Electron Microscopy
InGaP
SiO2
Au/Zn
GaAs
InGaP
GaAs
GaAs (p++)
Corrente f(Portadores Presentes)
Scanning Electron Microscopy
Local Oxidation of Silicon (LOCOS) TECHNOLOGY
LOCOS
LOCOS
LOCOS
DRY OXIDATION
FOR PAD OXIDE
+
SiNx LPCVD
DEPOSITION
LOCOS TECHNOLOGY
NOCILIS
EDIRTIN
EDIXO DAP
SILICON
NITRIDE
WET OXIDATION
FOR ISOLATION
THICK OXIDE
BIRD’S BEAK
SILICON
NITRIDE
PAD OXIDE
PAD OXIDE
LOCAL OXIDATION
ETARTSBUS NOCILIS
SILICON SUBSTRATE
Bird’s beak
presence reduces
the active area
for
device fabrication
LITOGRAPHY
+
SiNx/PADSiO2
ETCHING FOR
ISOLATION
AREA DEFINITION
SILICON
NITRIDE
PAD OXIDE
SILICON
NITRIDE
LITOGRAPHY
+
SiNx/PADSiO2
ETCHING FOR
ACTIVE AREA
DEFINITION
ACTIVE
REGION
ACTIVE
REGION
PAD OXIDE
LOCAL OXIDATION
SILICON SUBSTRATE
SILICON SUBSTRATE
Scanning Electron Microscopy
INFLUÊNCIA DA EXPANSÃO DE VOLUME NA TECNOLOGIA DE
ISOLAÇÃO POR OXIDAÇÃO LOCAL (LOCOS)
Bird’s beak
FEEC/CCS-UNICAMP
Técnicas de Microfabricação
FONTE: Renato Ribas
FEEC/CCS-UNICAMP
Técnicas de Microfabricação
• Remoção do substrato pela face anterior ou
frontal ( front side micromachining);
• Remoção do substrato pela face posterior
(back-side micromachining);
• Remoção de camadas sacrificiais da
superficie do substrato (surface
micromaching).
FEEC/CCS-UNICAMP
Motivação:
• Crescente interesse em
microssistemas integrados.
• Redução do tamanho(peso),
melhor desempenho, menor
consumo, maior flexibilidade
de projeto, menores custos de
fabricação em grande escala.
Chemical Vapor Deposition
• Stress do Óxido, Oxinitreto ou Nitreto de Si
depositado por CVD
T baixo : tensivo
T alto : compressivo
 Th
T2
Ef

( s   f )dT

(1  f ) T 1
Ef - Módulo de Young do filme
f - razão de Poisson do filme
s - coef. de expansão térmica do substrato;
f - coef. de expansão térmica do filme;
FEEC/CCS-UNICAMP
Nitreto de Silício (SiNx) para
proteção da superfície de Si
• Estruturas SiNx/Si:
Alta seletividade na corrosão por KOH  107
• Filmes de nitreto de silício utilizados:
– RPCVD (remote plasma chemical vapor
deposition)
– ECR (electron cyclotron resonance)
• Filmes para comparação:
– Óxido de silício térmico
FEEC/CCS-UNICAMP
Fabricação/Estruturas Suspensas
Si
LIMPEZA RCA - Si <100>
FEEC/CCS-UNICAMP
Fabricação/Estruturas Suspensas
Si
Si
LIMPEZA RCA - Si <100>
DEPOSIÇÃO
(SiNxRPCVD, SiNxECR ou SiO2ECR)
ou OXIDAÇÃO TÉRMICA (SiO2)
FEEC/CCS-UNICAMP
Fabricação/Estruturas Suspensas
Si
Si
Si
LIMPEZA RCA - Si <100>
DEPOSIÇÃO
(SiNxRPCVD, SiNxECR ou SiO2ECR)
ou OXIDAÇÃO TÉRMICA (SiO2)
FOTOGRAVAÇÃO + DEPOSIÇÃO DE
CERA DE ABELHA NA FACE INFERIOR
FEEC/CCS-UNICAMP
Fabricação/Estruturas Suspensas
Si
Si
Si
Si
LIMPEZA RCA - Si <100>
DEPOSIÇÃO
(SiNxRPCVD, SiNxECR ou SiO2ECR)
ou OXIDAÇÃO TÉRMICA (SiO2)
FOTOGRAVAÇÃO + DEPOSIÇÃO DE
CERA DE ABELHA NA FACE INFERIOR
CORROSÃO BHF DOS FILMES
+ REMOÇÃO DO FR + CERA
FEEC/CCS-UNICAMP
Fabricação/Estruturas Suspensas
Si
Si
Si
LIMPEZA RCA - Si <100>
DEPOSIÇÃO
(SiNxRPCVD, SiNxECR ou SiO2ECR)
ou OXIDAÇÃO TÉRMICA (SiO2)
FOTOGRAVAÇÃO + DEPOSIÇÃO DE
CERA DE ABELHA NA FACE INFERIOR
Si
CORROSÃO BHF DOS FILMES
+ REMOÇÃO DO FR + CERA
Si
CORROSÃO SOLUÇÃO KOH
convencional ou em forno mW
FEEC/CCS-UNICAMP
Corrosão Úmida Convencional
condensador
• Temperatura: 85°C
• Concentrações: 1M,
3M, 5M e 10M
• Tempo (min): 10, 30,
40, 50, 60, 75 e 90.
Taxa/Corrosão Si vertical
(10M)
1.1mm/min
FEEC/CCS-UNICAMP
Corrosão Úmida em Forno mW
Forno mW (leitura: T e P; controle: Pot mW e t)
• Temperatura:
ambiente até 180°C
• Concentrações: 1M,
Porta
3M e 5M
amostras
• Tempo (min): 15 e
teflon
30.
• Pot mW: 80 até
640W
Taxa/Corrosão Si vertical
Solução
lâminas
(5M/30min/640W/150°C/80atm)
KOH
13mm/min
FEEC/CCS-UNICAMP
Corrosão Úmida em Forno mW
Forno mW (leitura: T e P; controle: Pot mW e t)
Corrosão
processo natural
Porta
amostras
teflon
Solução
KOH
Si + 2OH-  Si(OH)22+ + 2eSi(OH)22+ + 2OH-  Si(OH)4 + 2eSi(OH)4 + 2e-  Si(OH)4 + 2e-
lâminas
+
vibração dos íons OHdevido ao mW

taxa/corrosão 
FEEC/CCS-UNICAMP
Máscara com Estruturas Suspensas
FEEC/CCS-UNICAMP
Resultados/membranas de
SiNxRPCVD/corrosão conv.
Ponte Suspensa Menor
FEEC/CCS-UNICAMP
Resultados/membranas de
SiNxRPCVD/corrosão conv.
Ponte
Ponte
Suspensa
Suspensa
Menor
FEEC/CCS-UNICAMP
Resultados/membranas de
SiNxRPCVD/corrosão conv.
Membrana Suspensa Menor
FEEC/CCS-UNICAMP
Resultados/membranas de
SiNxRPCVD/corrosão conv.
Membrana Suspensa Menor
TEM
Resina
Si
SiOx
SiOx
Si
•Clivagem e Encapsulamento
•Polimento Manual - e: 80-100mm
•Polimento Mecânico/Esférico - e:10-15mm
•Ion-Milling - perfuração da amostra
tox:3.3nm - 5.5nm
Cápsula
Cilíndrica
MONOLAYER INCORPORATION OF NITROGEN DURING REMOTE PLASMA
OXYNITRIDATION OF Si in N2O AND N2O/N2.
A.P. SOTERO, J.A. DINIZ, P.J.TATSCH, M.A.A.PUDENZI, R. LANDERS and J.W. SWART.
CCS/UNICAMP
Transmission Electron Microscopy
SiOx
5.5nm
SiOxNy
Image of SiOx/SiOxNy/Si structure of ON1P1 samples
with a mgnification of 200Kx
Plasma N2O
RESINA
e: 5.5nm
SiOx
SiOxNy
Si
500Kx
Secção em corte TEM
Secção em corte TEM
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•AES
•EMP
•XPS
•XRF
•RBS
•SIMS
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•AES
•EMP
•XPS
•XRF
•RBS
•SIMS
feixe de elétrons
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•AES
feixe de elétrons
•EMP
•XPS
feixe de R-X
•XRF
•RBS
•SIMS
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•AES
feixe de elétrons
•EMP
•XPS
feixe de R-X
•XRF
•RBS
feixe de íons
•SIMS
Estrutura filme/substrato
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
SEM
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
SEM
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
Energia de
dezenas de keV
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
SEM
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
•XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - XPS
Energia de Excitação - 1486.6eV  K Al
7
Si(2p) -102.5ev
SiO2(2p) – 106.3ev
4.25
Intensidade
Intensidade
6
5
4
3
4.20
4.15
4.10
2
4.05
1
0
98
N(1s) - 400.8ev
4.30
100 102 104 106 108 110 112
Energia (ev)
394
396 398
400 402 404 406 408
Energia(ev)
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - XPS
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
SEM
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
•XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)
•XRF(X-ray Fluorescence)
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
SEM
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
•XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)
•XRF(X-ray Fluorescence)
•RBS(Rutherford Backscaterring Spectroscopy)
RBS(Rutherford Backscaterring Spectroscopy)
He+
1MeV
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
ANÁLISES DE SUPERFÍCIE OU DE PEQUENA PROFUNDIDADE
composição
Colisões
inelásticas
Colisões
elásticas
10-100keV
5eV
10keV
SEM
•AES (Auger Electron Spectrocopy)
•XES (X-ray Electron Spectroscopy) ou EMP (Electron Microprobe)
•XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)
•XRF(X-ray Fluorescence)
•RBS(Rutherford Backscaterring Spectroscopy)
•SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
SIMS
[O] p/ B e In
[Cs] p/ As, P e Sb
-melhora ionização
E = 1 a 15 keV
– Resulta num perfil químico ( perfil elétrico)
– Sensibilidade ~ ppm, ou seja, 1016 a 1017 cm-3.
– [O] apresenta menos “knock on” (= perda de resolução
em profundidade), comparado ao [Cs] (mais pesado)
– Difícil medir próximo à superfície (junção rasa) 
reduzir energia p/ 200 eV a 5 keV.
SiO-
ON14RT9
ON15RT9
5.3nm
6.3nm
SiOSiN-
interface
interface
ON14CT10
ON15CT10
7nm
11.5nm
interface
interface
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - SIMS
Feixe O2+: E = 3keV, I = 50nA e  = 45°
6
Plasma N2O
Plasma N2O+N2
5
L C4
OP
GS
interface
interface
3
NSi
2
NSi
1
0
1000
2000
Tempo (s)
3000
4000
0
2000
Tempo (s)
4000
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
•FTIR
•elipsometria
laser de He-Ne
Estrutura filme/substrato
medidas não-destrutivas
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
molécula absorverá energia
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
molécula absorverá energia
sempre que a freqüência da radiação incidente - IR (2-100mm)
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
molécula absorverá energia
sempre que a freqüência da radiação incidente - IR (2-100mm)
se igualar a freqüência de vibração natural
da sua ligação química.
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
molécula absorverá energia
sempre que a freqüência da radiação incidente - IR (2-100mm)
se igualar a freqüência de vibração natural
da sua ligação química.
movimento vibracional ou rotacional desta ligação
causa uma variação do momento dipolar da molécula.
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
Estrutura, composição e modo de vibração.
molécula absorverá energia
sempre que a freqüência da radiação incidente - IR (2-100mm)
se igualar a freqüência de vibração natural
da sua ligação química.
movimento vibracional ou rotacional desta ligação
causa uma variação do momento dipolar da molécula.
Se não ocorrer variação do momento de dipolo não há absorção de IR
Ex: Vibrações simétricas de ligações O-Si-O ou O-C-O
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - FTIR
– – – Si
––O––
Si – – –
– – – Si
ou
– – – Si
––O––
– – O – – – Si
––
ou
Si – – –
(a)
––
Si – – – O – –
Si – – –
(b)
Não há variação do
momento de dipolo
“Stretching” (TO3) 1075cm-1
– – – Si – – – O – – – Si – – –
– – – Si – – – O – – – Si – – –
(c)
(d)
“bending” (TO2) 800cm-1
“rocking” (TO1) 450cm-1
Representação dos modos de vibração de ligações Si-O-Si (a) vibração de estiramento simétrico, (b)
vibração de estiramento assimétrico, (c) vibração de deformação e (d) vibração da flexão do plano.
CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS
FTIR - Fourier Transform Infra-Red
Ligações Químicas - Frequência de Vibração dos Átomos
A
B
S
O
R
B
Â
N
C
I
A
“Stretching”
TO3
1075 cm-1
LO3
1254 cm-1
“Bending”
TO2
800 cm-1
“Rocking”
TO1
450 cm-1
Número de Onda (cm-1)
Espectro FTIR do SiO2 térmico - referência
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - FTIR
•Ligações Si-O
“Rocking” TO1 - 450cm-1
“Bending” TO2 - 800cm-1
“Stretching” TO3 - 1075cm-1
 mais forte absorção de IR
LO3 -1254cm-1
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - FTIR
•Ligações Si-O
“Rocking” TO1 - 450cm-1
“Bending” TO2 - 800cm-1
“Stretching” TO3 - 1075cm-1
 mais forte absorção de IR
LO3 -1254cm-1
SiOx, x<2  TO3 < 1075cm-1
SiOx, x>2  TO3 > 1075cm-1
“Stretching” TO4 - 11701200cm-1
(Movimento de O fora de fase)
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - FTIR
•Ligações Si-O
“Rocking” TO1 - 450cm-1
“Bending” TO2 - 800cm-1
“Stretching” TO3 - 1075cm-1
 mais forte absorção de IR
LO3 -1254cm-1
SiOx, x<2  TO3 < 1075cm-1
SiOx, x>2  TO3 > 1075cm-1
“Stretching” TO4 - 11701200cm-1
(Movimento de O fora de fase)
•Ligações Si-N-O
800 -1000cm-1
•Ligações Si-N
815cm-1
CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL - FTIR
OXINITRETO DE Si
Si-O 1063.1
A
B
S
O
R
B
Â
N
C
I
A
Presença de
pico Si-N
DESLOCOU O PICO DE Si-O
de 1075 cm-1 para 1063 cm-1
Si-N
812.3
1240.5
804.3
Número de Onda (cm-1)
452.1
Óxido de Si depositado rico em H
Óxido de Si depositado rico em H
Densificação com recozimento
FTIR
ABSORBANCE [A.U.]
0,2
0,1
0,0
SiNx ECR
20sccmAr/200sccmSiH4
Si-N bonds
0
1000WECR/1Wrf/5mTorr/20 C
N2 FLOWS
N-H bonds
20sccm
10sccm
5sccm
2.5sccm
Si-H bonds
4000
3000
2000
1000
-1
WAVENUMBER [cm ]
FTIR
ANÁLISE DE SiNx
(LIGAÇÕES Si-N, N-H e Si-H)
ABSORBANCE [A.U.]
0,2
0,1
0,0
SiNx ECR
20sccmAr/200sccmSiH4
Si-N bonds
0
1000WECR/1Wrf/5mTorr/20 C
N2 FLOWS
N-H bonds
20sccm
10sccm
5sccm
2.5sccm
Si-H bonds
4000
3000
2000
1000
-1
WAVENUMBER [cm ]
0,2
ABSORBANCE [A.U.]
FTIR
ANÁLISE DE SiNx
0,1
(LIGAÇÕES Si-N, N-H e Si-H)
0,0
SiNx ECR
20sccmAr/200sccmSiH4
Si-N bonds
0
1000WECR/1Wrf/5mTorr/20 C
N2 FLOWS
N-H bonds
20sccm
10sccm
5sccm
2.5sccm
Si-H bonds
4000
3000
2000
1000
-1
-1
WAVENUMBER [cm ]
WAVENUMBER [cm ]
SiNx ECR
20sccmAr/200sccmSiH4
860
0
1000WECR/1Wrf/5mTorr/20 C
850
840
830
1,8
2,0
2,2
REFRACTIVE INDEX
2,4
FTIR (posição do pico principal)
versus
elipsometria
(índice de refração e espessura)
FTIR
VERSUS
ESPESSURA DO FILME
INTENSIDADE  ESPESSURA
Elipsometria (índice de refração, coeficiente de absorção e espessura)
•Filme transparente de uma ou mais camadas e de um ou mais materiais
sobre um substrato a partir da mudança das características de
polarização da luz refletida por sua superfície e da interface com o
substrato
Elipsometria (índice de refração, coeficiente de absorção e espessura)
•Filme transparente de uma ou mais camadas e de um ou mais materiais
sobre um substrato a partir da mudança das características de
polarização da luz refletida por sua superfície e da interface com o
substrato
•A mudança de estado da polarização da luz depois da reflexão pode ser
expressa em função da razão  entre os coeficientes de reflexão Rp e Rs
para a luz paralela e perpendicular ao plano de incidência,
respectivamente. A expressão complexa:
 = Rp/Rs = tg.ei
Elipsometria (índice de refração, coeficiente de absorção e espessura)
•Filme transparente de uma ou mais camadas e de um ou mais materiais
sobre um substrato a partir da mudança das características de
polarização da luz refletida por sua superfície e da interface com o
substrato
•A mudança de estado da polarização da luz depois da reflexão pode ser
expressa em função da razão  entre os coeficientes de reflexão Rp e Rs
para a luz paralela e perpendicular ao plano de incidência,
respectivamente. A expressão complexa:
 = Rp/Rs = tg.ei
define os dois ângulos elipsométricos  e , que são denominados
ângulo azimutal e de diferença de fase, respectivamente.
Elipsometria (índice de refração, coeficiente de absorção e espessura)
•Filme transparente de uma ou mais camadas e de um ou mais materiais
sobre um substrato a partir da mudança das características de
polarização da luz refletida por sua superfície e da interface com o
substrato
•A mudança de estado da polarização da luz depois da reflexão pode ser
expressa em função da razão  entre os coeficientes de reflexão Rp e Rs
para a luz paralela e perpendicular ao plano de incidência,
respectivamente. A expressão complexa:
 = Rp/Rs = tg.ei
define os dois ângulos elipsométricos  e , que são denominados
ângulo azimutal e de diferença de fase, respectivamente.
•Estes dois ângulos determinam completamente as duas constantes
ópticas n (índice de reflexão) e k (coeficiente de absorção) num meio
refletor.
Elipsometria (índice de refração, coeficiente de absorção e espessura)
•Filme transparente de uma ou mais camadas e de um ou mais materiais
sobre um substrato a partir da mudança das características de
polarização da luz refletida por sua superfície
•A mudança de estado da polarização da luz depois da reflexão pode ser
expressa em função da razão  entre os coeficientes de reflexão Rp e Rs
para a luz paralela e perpendicular ao plano de incidência,
respectivamente. A expressão complexa:
 = Rp/Rs = tg.ei
define os dois ângulos elipsométricos  e , que são denominados
ângulo azimutal e de diferença de fase, respectivamente.
•Estes dois ângulos determinam completamente as duas constantes
ópticas n (índice de reflexão) e k (coeficiente de absorção) num meio
refletor.
ELIPSOMETRIA
ELIPSOMETRIA
Amostra
ELIPSÔMETRO
S
A
(C)
P
D
L
F
Onda incidente
p
onda refletida
onda incidente
linealmente polarizada
rp
=45
rs
Onda refletida
elipticamente
polarizada
s
Meio 0
n=1 k=0
Meio 1
N = n + jK
Substrato
O
O
O
ELIPSOMETRIA  ESPESSURA E ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE SiO2
ELIPSOMETRIA  ESPESSURA E ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE SiO2
• Diferença de ângulo de polarização = n.360° + 
• Diferença de fase = n.360° + 
ELIPSOMETRIA  TAXA DE OXIDAÇÃO
ELIPSOMETRIA  COMPOSIÇÃO DE FILMES DE SiOxNy
Espessuras medidas por outras técnicas
ELIPSOMETRIA  ESPESSURA E ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE Si -POLI
ELIPSOMETRIA  ESPESSURA E ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE Si -POLI
Microscopia de Força Atômica
LPCVD Vertical para Si-poli
Microscopia de Força Atômica
1. Laser
2. Espelho
3. Fotodetector
4. Amplificador
5. Registrador
6. Amostra
7. Ponteira (tip)
Mede forças menores que 10-9 N entre a ponteira e a superfície
Pode sentir deflexões de até 0,01Å
Análise em modo de contato; não contato e por diferença de fase
LPCVD Vertical para Si-poli
Microscopia de Força Atômica
1. Laser
2. Espelho
3. Fotodetector
4. Amplificador
5. Registrador
6. Amostra
7. Ponteira (tip)
Medida do E da interação superfície e TIP
Mede forças menores que 10-9 N entre a ponteira e a superfície
Pode sentir deflexões de até 0,01Å
Análise em modo de contato; não contato e por diferença de fase
LPCVD Vertical para Si-poli
Microscopia de Força Atômica
Deflexão do Laser sobre cantilever
1. Laser
2. Espelho
3. Fotodetector
4. Amplificador
5. Registrador
6. Amostra
7. Ponteira (tip)
Medida do E da interação superfície e TIP
Mede forças menores que 10-9 N entre a ponteira e a superfície
Pode sentir deflexões de até 0,01Å
Análise em modo de contato; não contato e por diferença de fase
Imagem SCM de amostra de
Si c/ I/I de 31P+ 50keV, 1013
cm-2 e RTA de 1050C, 30s.
Alternativa: usar AFM para
medir função trabalho, que
depende da dopagem.