FABRIKASI DAN PENCIRlAN POLlHABLUR SILIKON UNTUK
PERANTI SEMIKONDUKTOR OKSIDA LOGAM (MOS)
oleh
SAAFIE BIN SALLEH
Tesis yang diserahkan untuk memenuhi keperluan bagi Ijazah Sarjana Sains
Jan uari 1 996
..
PENGHARGAAN
Bersyukur ke Hadrat Ilahi kerana dengan Izin dan limpah kurniaNya, saya dapat menjalankan kajian dengan jayanya. Seterusnya berjaya menyiapkan tesis seperti yang berada di tangan TuanIPuan ini.
Di kesempatan ini, saya merakamkan setinggi-tinggi penghargaan dan ucapan terimakasih kepada Prof. Madya Dr. Kamarulazizi bin Ibrahim diatas kesanggupan dan kesungguhan beliau menjadi penyelia. Beliau telah memberikan tunjuk ajar, bantuan, motivasi dan nasihat yang tidak terhingga dalam kerja penyelidikan ini.
Saya juga mengucapkan terimakasih kepada Prof. Madya Dr. Abdul Aziz bin
"
Tajuddin, Dekan Pusat Pengajian Sains Fizik, USM yang telah memberi' keizinan kepada saya untuk menggunakan kemudahan makmal dan peralatan tanpa had.
Ucapan yang sarna saya tujukan kepada Dr. Zul Azhar Zahid Jamal dari Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral, USM yang telah banyak membantu dan mendorong saya terutamanya dalam menjalankan pencirian fizikal.
Tidak lupa terimakasih kepada En. Mohd Jamil Kasim, En. Badhll Hisham, En. Shamsudin, En. Kahar Putih Mahadi dan Cik Haslinda Musa. Bantuan teknikal yang mereka berikan telah melicinkan lagi kerja-kerja penyelidikan ini. Saya juga ucapkan terimakasih kepada rakan-rakan pe\ajar ijazah tinggi iaitu En. Ramzan Mat Ayub, En. Ali Daskwi, En Radzi Zainon dan En. Low Ah Chuan. Perbincangan dengan mereka banyak membantu saya dalam kerja-kerja makmal dan pen:;~!1alisaan.
Akhir sekali saya mgm merakamkan ucapan terimakasih kepada isteri saya, Kartini binti Saibeh dan anak saya, Nabilah binti Saafie diatas kesabaran mereka sepanjang pengajian saya ml.
Saafie bin Slllleh Januari 1996
•
II
ABSTRAK
Dalam kajian ini, saput ntplS silikon telah disediakan dengan Teknik Penyejatan Vakum yang dilengkapi dengan Senapang Elektron untuk peleburan dan pengewapan silikon (ketulenan 99.9995%) pada suhu substrat 4000C Mikrostruktur silikon yang termendap di atas substrat silikon yang dilapisi silikon dioksida yang nipis adalah bergantung kepada kon.disi pemendapan terutamanya suhu substrat.
Pada suhu substrat yang cukup rendah, tidak ada sebarang struktur hablur yang terbentuk semasa pemendapan dan saput nipis adalah amorfus silikon. Pembentukan silikon polihablur dicapai melalui proses Penghabluran Fasa Pepejal (SPC) atau sepuhlindap. Saput nipis silikon polihablur tersebut dianalisakan dengan Kaedah
Pembe~an Sinar-X. Penghabluran amorfus silikon iaitu pertumbuhan butiran halus hablur silikon tersebut didapati berlaku setelah sampel disepuhlindapkan pada suhu tinggi iaitu melebihi 8000C dengan kemunculan satah <220>, <311> dan <620>.
Perubahan fasa amorfus kepada fasa polihablur dijelaskan Jagi melalui fotograf Mikroskop Pengimbasan Elektron (SEM). Melalui spektroskopi Sinar-X tenaga tersebar (EDX), didapati sampel-sampel yang disediakan adalah tulen dan tidak mengandungi bendasing. Pembentukan silikon polihablur disokong kuat oleh kejatuhan nilai rintangan keping yang berubah daripada 150.79 X 103 ke 313.85 kO 10 setelah melalui sepuhlindap selama 8 jam pada suhu 8000C
±
SoC Nilai rujukan yang biasa digunakan adalah antara 100 ke 200 kD/O. Fasa peralihan didapati berlaku dengan jelas dalam julat suhu sepuhlindap antara 7000C hingga 800oC.Pengukuran kapasitans-voltan (C-V) telah menunjukkan voltan ambang peranti get polihablur silikon (-0.82 V) adalah kurang berbanding dengan volt an allllH1ng peranti get aluminium
..
(-0.89 V)Fabrication and Characterisation of Polycrystalline Silicon for Metal Oxide Semiconductor Devices (MOS)
ABSTRACT
In this study, silicon thin film is prepared by the Vacuum Evaporation technique using an electron gun for melting and evaporating silicon (purity 99.9995%) at the substrate temperature about 400°C. The silicon microstructure deposited onto a layer of thin silicon dioxide coated silicon substrate depend on the deposition parameters especially substrate temperature. At lower substrate temperature, there is no crystal structure formed during deposition and the film is
"
amorphous. Polycrystalline silicon is formed by the Solid Phase Crystallisation (SPC) process or annealing. The polycrystalline silicon thin film is analysed by the X-Ray Diffraction (XRD}. The crystallisation of amorphous silicon is observed when the sample is annealed at high temperature over 8000C with the presence of the <220>,
<3 II> and <620> planes. The changes of the amorphous phase to the polycrystalline phase is also shown by the Scanning Electron Microscope (SEM) photograph. By the Energy Dispersive X-Ray (EDX) spectroscopy, the samples were pure without any contaminant. The formation of polycrystalline silicon is also proved with a decreased of the sheet resistance from 150.79 X 103 to 313.85 k,Q/C after annealed for 8 hours at temperature 8000C
±
Soc. The reference value is from 100 to 200 k,Q 10. The transition phase is from 7000C to 8000C of the annealing temperature.Capacitance-voltage (C- V) measurements mdicate that the threshold voltage of the polycrystalline silicon gate (.0.82 V) is less then the threshold voltage of aluminium
..
gate (-0.89 V) devices.
IV
KANDUNGAN
PENGHARGAAN ABSTRAK
ABSTRACT
BAB SATU PENGENALAN
1. 1 Perkembangan teknologi get silikon 1.2 Objektif dan kaedah penyelidikan 1.3 Susunan tesis
BAB~UA KAEDAH-KAEDAH PENYEDlAAN SAPUT NIPIS DAN PEl'vfENDAP AN SILIKON POLIHABLUR 2.1 Saput nipis
2.2 Penyediaan saput nipis
2.2.1 Sains dan Teknologi Vakum 2.2.2 Kaedah-kaedah Pemendapan
2.2.2.1 Penyejatan terma 2.2.2.2 Pemendapan wap kimia 2.2.2.3 Kaedah pemercikan
2.2.3 Mekanisma pembentukan saput nipis
2.3 Pemendapan Silikon Polihablur
Mukasurat
11
III
IV
3 6 7
10
10 12 12 18 18 20 22 23 . 26
BAB TIGA SIFAT ELEKTRlK SAPUT NIPIS SEMIKONDUKTOR DAN 33 STRUKTUR SEMIKO®UKTOR OKSIDA LOGAM (MOS)
3.1 Kerintangan elektrik saput nipis semikonduktor 33 ,.
3.2 Pengukuran kerintangan saput nipis 38
3.3 Peranti semikonduktor oksida logam (MaS) 41
3.3.1 Ciri-ciri Kapasitans-Voltan (C-V) Peranti MOS 46
I
r
BAB EMPAT EKSPERIMENTASI 4.1 Peralatan eksperimen
4.1.1 Sistem penyejatan vakum 4.1.1.1 Pam-pam vakum 4.1.1.2 Senapang elektron 4.1.1.3 Pemanas substrat 4.1.1.4 Pengawas ketebalan 4.1.2 Relau pemanasan
4.1.3 Pembelauan sinar-X (XRD)
4.1.4 Mikroskop pengimbasan elektron (SEM) 4.1.5 Spektroskopi Sinar-X tenaga tersebar (EDX) 4.1.6 Penduga empat titik susunan linear
4.1.6.1 Faktor pembetulan
4.1.7 Peralatan pengukuran kapasitans-voltan 4.2 Teknik eksperimen
4.2.1 Penyediaan sampel
... 4.2.1.1 Fabrikasi kapasitor MOS 4.2.2 Pencirian sampel
BAB LIMA KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 5. 1 Pencirian fizikal
5.1.1 Struktur hablur saput nipis silikon polihablur 5.1.2 Morfologi permukaan
5.1.3 Analisis sinar-X tenaga tersebar 5.2 Pencirian elektrik
5.2.1 Rintangan kepirtg silikon polihablur 5.2.2 Voltan ambang peranti-peranti MOS
BAB ENAM KESIl'vlPULAN 6.1 Cadangan kerja masa depan BIBLIOGRAFI
LAMP IRAN-LAMP IRAN
vi
49 49 49 50 53 57 59 61 64 66 66 67 69 74 79 79 83 83
87 87 88 91 96 100 100 104
109 110
1 1 1
117
1 PENGENALAN
Silikon hablur tunggal, silikon dioksida dan silikon polihablur adalah tiga bahan yang telah menyebabkan berJakunya revolusi semikonduktor dalam industri mikroelektronik. Kewujudan ketiga-tiga unsur ini daripada satu bahan as as yang sama iaitu silikon dengan sifat-sifat yang berIainan antara satu dengan lain telah memberikan satu pengaJir, penebat dan semikonduktor [I]. Silikon polihablur menjadi sang at berguna kerana ia boleh dimendapkan sebagai saput nipis di atas silikon atau bahan dielektrik berasaskan silikon dan juga disebabkan kestabilannya daJam pemprosesan suhu tinggi untuk penghasilan peranti-peranti.
Silikon poJihablur digunakan dengan meJuasnya dalam pembuatan litar
"-
bersepadu sebagai bahan untuk get transistor semikonduktor oksida logam, bahan pengalir antara-sambungan, pengeluar dan tapak dalam Ii tar bersepadu dwikutub, elektrod-elektrod kapasitor, perintang, sumber pendopan dan juga sebagai lapisan simpanan cas dalam pelbagai jenis peranti ingatan. Ia juga banyak digunakan sebagai bahan semikonduktor dalam sel-sel suria dan juga sebagai lapisan aktif dalam transistor saput nipis bagi pelbagai jenis peranti-peranti paparan. Saput nipis silikon polihablur telah digunakan sebagai bahan paling utama dalam teknologi litar bersepadu silikon semenjak get silikon polihablur semikonduktor oksida logam (MOS) dibangunkan untuk teknologi litar bers~padu berskala tinggi (VLSI) dalam tahun 1970 [ 1]
Sifat-sifat silikon polihablur yang penting dalam kebanyakan penggunaannya adalah secara relatifnya sedikit. Silikon polihablur secara amnya adalah digunakan kerana sifat-sifat pengangkutan elektriknya walaupun ada juga penggunaannya adalah
..
kerana sifat-sifat optiknya dian1bil kira seperti dalam sel suria dan dalam peranti paparan. Oleh itu kerintangan adalah sifat yang paling penting dan merupakan parameter yang paling kerap diukur dalam kawalan proses Untuk mengawal kerintangan dalam hasil terakhir, parameter-parameter lain mestilah dikawal dengan jitu
dalam ali ran proses. Ini termasuklah parameter-parameter yang mudah seperti ketebalan, sehinggalah parameter-parameter yang lebih kompleks seperti kemasukan atom-atom pendop dan pengaktifan dalam kekisi silikon (2].
Silikon polihablur adalah biasanya dimendapkan tanpa bendasing. Unsur-unsur pendopan seperti arsenik, fosforus atau boron yang akan mengurangkan kerintangan silikon polihablur akan ditambahkan kemudian melalui proses peresapan atau penanaman ion [3]. Atom-atom pendop juga ditambahkan semasa proses pemendapan berlaku yang mana Iebih baik untuk beberapa stniktur peranti.
Pada peringkat permulaan penggunaannya, saput ntplS silikon polihablur dimendapkan pada tekanan atmosfera dengan menggunakan beberapa geometri reaktor
"
termasuklah reaktor mendatar dan reaktor menegak. Namun akhirnya ia digantikan dengan proses pemendapan tekanan rendah yang memberikan banyak kelebihan seperti (1) litupan langkah yang seragam (2) kawalan struktur dan komposisi yang jitu (3) pemprosesan suhu rendah (4) kadar pemendapan yang cepat (5) kadar pengeluaran yang tinggi dan (6) kos pemprosesan yang rendah [3]. Sehingga sekarang berbagai- bagai teknik pemendapan digunakan yang meliputi pemendapan wap kimia, penyejatan vakum dan pemercikan
Struktur saput nipis silikon polihablur dipengaruhi oleh kehadiran atom-atom bendasing, suhu pemendapan dan pemanasan selepas pemendapan atau dipanggil sebagai proses sepuhlindap (4]. Silikon polihablur yang dimendapkan melalui pemendapan wap kimia paQa suhu dibawah 5750C ~d~lah amorfus dengan tiada struktur yang dapat dikesan. Saput nipis silikon yang dimendapkan pada suhu yang
..
melebihi 6250C adalah polihablur dan mempunyai struktur teturus Suhu-suhu ini mungkin berbeza untuk teknik pemendapan yang lain. Penghabluran dan pertumbuhan butiran berlaku apabila amorfus atau polihablur teturus dipanaskan. Sepuhlindap pada
2
suhu tinggi, silikon polihablur tidak memberikan sebarang perbezaan struktur di antara saput yang dimendapkan sebagai silikon amorfus atau silikon polihablur teturus [5,6]
1.1 PERKEMBANGAN TEKNOLOGI GET SILIKON
Penggunaan silikon polihablur sebagai get di atas permukaan dielektrik silikon dioksida dalam transistor kesan medan telah dilaporkan oleh Sarace et. at [7] daripada Bell Telephone Laboratories. Mereka telah membuktikan buat kali pertama bahawa nilai ambang peranti litar bersepadu MOS dapat dikurangkan dengan menggantikan sistem Al-Si02-Si dengan sistem Si-Si02-Si melalui ciri-ciri perbezaan fungsi kerja kedua-dua sistem tersebut. Kemudian diikuti dengan pembangunan satu teknologi get
"
silikon yang lebih lengkap oleh Faggin dan Klein [8] yang mana juga telah menunjukkan kelebihan-kelebihannya berbanding dengan teknologi yang piawai sebelum itu.
Dalam pertengahan tahun 1960an, kebanyakan elekrod get (G) adalah terdiri daripada aluminium yang dimendapkan selepas rantau-rantau sumber (S) dan salir (D) didopkan seperti dalam Rajah 1.1 a. Get aluminium dibiarkan bertindih dengan rantau- rant au sumber dan salir untuk memastikan pembentukan saluran ('channel') yang berterusan daripada sumber ke salir apabila get dipincangkan untuk mengaktifkan peranti. Penjajaran sebegini telah menyebabkan wujudnya satu kesan yang sangat ketara iaitu yang dipanggil kapasitans suapbalik Miller di antara get dan salir yang mengurangkan kelajuan Iitar [1].
Perkembangan teknologi silikon telah merangsangkan penggunaan silikon
..
polihablur sebagai elekrod get untuk litar-litar bersepadu MOS menggantikan aluminium.
G
SilikOl1 /
Alllnlinillnl
// /1
hablur tunggal I\apasitans ~[iller
yang berkesan a: Transistor get Alurniniunl
Polihablur Silikon
Silikon
hablur t.unggal
b: Transistor o-et Polihablllr Silikon
""
Rajah 1.1 : Perbandingan teknologi get aluminium dengan get silikon. polihablur.
(Petikan daripada Ted Kamins [1])
Dengan menggunakan bahan ini, rantau-rantau sumber dan salir boleh dibentukkan dengan menggunakan elekrod get sebagai topeng pendopan iaitu yang dipanggil penjajaran sendiri (,self-aligned') seperti dalam Rajah I. I b. Get-get seperti ini bukan sahaja mengurangkan masalah kapasitans Miller tetapi juga menjadikan kapasitans ini sarna nilainya dalam setiap peranti yang mana persepadanan dalam peranti adalah penting untuk meningkatkan prestasi litar [1].
Satu parameter penting dalam menentukan voltan am bang suatu transistor MOS ialah perbezaan fungsi kerja di antara get dan silikon iaitu perbezaan fungsi kerja logam-semikonduktor (eD ms). Fungsi kerja untuk aluminium ialah 4.1 eV manakala untuk silikon adalah bergantung kepada kepekatan atom-atom pendop melalui perhubungan [1]:
"
{I. 1 }
dengan X ialah kecitaan elektron (tenaga antara paras vakum dengan pinggir jalur konduksi), Ec ialah tenaga pinggir jalur konduksi dan Ef ialah paras Fermi.
Apabila silikon polihablur digunakan sebagai elektrod get, perbezaan fungsi kerja logam-semikonduktor adalah bergantung kepada kepekatan atom-atom pendop da1am silikon polihablur dan juga dalam substrat silikon. Untuk kekonduksian yang maksimum, silikon polihablur dldopkan dengan kepekatan paling tinggi iaitu mencapai kepekatan sebanyak 10 19 atorrJcm3 yang mana paras Fermi dianggarkan sangat dekat dengan pinggir jalur konduksi atall jalur valens untuk silikon jenis-n at au jenis-p [9] .
•
Dalam litar get-silikon, silikon polihablur juga digunakan sebagai bahan antara
·penyambungan. Silikon polihablllr yang diletakkan di atas lapisan oksida medan yang tebal akan mengurangkan kapasitans penyambungan. Apabila Iitar-litar bersepadu
menjadi lebih kompleks, maka penyambungan akan menjadi lebih genting. Oleh itu dengan adanya silikon polihablur yang boleh diubahsuai menjadikannya satu bahan yang sang at penting.
Sebagai tambahan kepada rekabentuk dan fabrikasi, penggunaan elektrod get
,
silikon polihablur juga menambahkan keboleharapan peranti untuk jangka hayat yang lebih lama. Tempoh untuk keruntuhan voltan (,breakdown voltage') bagi get oksida adalah lebih tinggi untuk struktur yang menggunakan silikon polihablur sebagai elektrod get berbanding dengan penggunaan aluminium seperti yang telah ditunjukkan oleh Yu et. al [10]. Untuk get yang dipincang positif, mereka telah membuktikan bahawa masa untuk keruntuhan voltan pada suhu 3000
e
adalah berkadar 3 ke 4 kali lebih besar dengan get silikon polihablur untuk ketebalan get oksida lebih kurang 25"
nm.
1.2 OBJEKTIF DAN KAEDAH PENYELIDlKAN
Sains dan teknologi saput nipis silikon polihablur merupakan kunci kepada perkembangan dalam bidang mikroelektronik dan asas kepada kemajuan teknologi VLSI. Teknik-teknik penyediaan saput nipis ini ada dibincangkan dengan lengkap dalam bahagian 2.2.2 yang merangkumi tiga kaedah utama iaitu penyejatan terma atau juga dipanggil penyejatan vfikum, pemendapan wap kimia dan pemercikan. Daripada perbincangan itu, penyejatan vakum merupakan kaedah digunakan dengan meluas kerana peralatannya adalah ringkas, murah dan lebih selamat berbanding dengan kaedah-kaedah lain. Ketulenan sampel dan tahap kebersihannya adalah sangat tinggi
..
dan mudah dicapai dalam kaedah ini melalui pengawalan tahap vakum yang lebih tinggi.
Penyelidik-penyelidik saput nipis silikon polihablur yang dihasilkan melalui kaedah penyejatan vakum seperti Tsu el. al [11] dan Chao el. al [12] masih lagi
6
menumpu kepada sifat-sifat fizikal sahaja. Sifat-sifat elektrik adalah perlu dikaji secara mendalam untuk menyesuaikan penggunaannya dalam peranti-peranti MOS.
Matlamat kajian ini adalah untuk menunjukkan satu proses fabrikasi saput nipis silikon polihablur melalui penyejatan terma (vakum) yang menghasilkan sampel yang berkualiti dan mencirikan sifat-sifatnya dari segi fizikal dan elektrik. Penghabluran fasa pepejal pada pelbagai suhu dijalankan ke atas sampel-sampel untuk memerhatikan mekanisma penghabluran. Seterusnya' sampel-sampel melalui beberapa pencirian untuk menganalisa kualiti dan sifat-sifatnya. Pencirian fizikal terdiri daripada pembelauan sinar-X, mikroskop pengimbasan elektron dan spektroskopi sinar-X tenaga tersebar.
Sifat-sifat elektrik adalah dianalisa melalui dua teknik iaitu kaedah penduga empat titik dan pengukuran kapasitans-voltan. Tesis yang terhasil daripada penyelidikan ini akan
"
memerihalkan secara lengkap proses fabrikasi silikon polihablur silikon melalui teknik penyejatan vakum iaitu satu kaedah pilihan. Pencirian yang dibentangkan akan meliputi sifat-sifat fizikal dan juga sifat-sifat elektrik bagi satu saput nipis silikon polihablur yang berketulenan tinggi.
1.3 SUSUNAN TESIS
Tesis ini dibahagikan kepada beberapa bab yang utama. Bab dua membincangkan fenomena saput nipis dan saput nipis silikon polihablur. Bab tiga meninjau secara ringkas teori pengangkutan dalam saput nipis semikonduktor dan penguk'uran kerintanganyang biasa dijalankan ke atas saput OlplS. l3ab empat memerihalkan eksperimentasi dalam makmal yang terlibat dengan kajian. Peralatan-
..
peralatan yang digunakan diperkenal satu persatu sebelum teknik-teknik eksperimen dipersembahkan. Bab lima membincangkan hasil kajian yang mana dipecahkan kepada dua bahagian iaitu hasil pencirian fizikal dan pencirian elektrik. Akhir sekali hasil penyelidikan ini disimpulkan dalam bab enam.
RUJUKAN BAB 1
Kamins T., Polycrystalline silicon for integrated circuit alwlications., Kluwer Academic Publishers, Boston, 1988.
Kamins T., Raicu B. and Thompson C. V., Polysilicon thin films and interfaces., Proceedings Vol. 182, Materials Research Society Symposium, Materials Research Society, Pittsburgh, 1990.
Adams A
c.,
Dielectric and polysilicon film deposition, dalam edisi kedua Sze S.M., VLSI technology, McGraw Hill, USA, 1988.Harbeke G., Krausbauer L., Steigmeier E. F., Widmer A E., Kappert H. F., and Neugebauer G., Growth and Physical Properties of LPCVD Polycrystalline Silicon Films, 1. Electrochem. Soc., Vl3l, 675,1984.
'"
Kinsbron E., Sternheim M., and Knoell R., Crystallization of Amorphous Silicon Films During Low Pressure Chemical Vapor Deposition, Appl. Phys. Lett., 42, 835,1983.
Kamins T. 1., Structure and Properties of LPCVD Silicon Films, 1. Electrochem.
Soc., Vl27, 686, 1979.
Sarace 1. C., Kerwin R. E., Klein D. L. dan Edwards R., Solid-st. Electron., vII, 1968, ms 653.
] Faggin F. dan Klein T., Silicort gate technology, Solid-st. Electron., vl3, 1970, ms 1 125 - 1 144.
I] Kamins T., Preparation and properties of of polycrystalline silicon films, dalam edisi Q'Mara W.
c.,
Herring R. B. dan Hunt L. P., Handbook of semiconductor silicon technology, Noyes Publications, New Jersey, 1990, Bab 9.10] .. YuH. N., Reisman A., Osburn C. M. dan Critchlow o. L., I urn MOSFET VLSI technology: Part 1- An OverView, IEEE Trans. Electron Devices, EO-26, 318- 324, April 1979
[II] Tsu R., Hernandez lG., Chao S.S. dan Martin D., Dependence of grain size on the substrate temperature of Si and Ge films prepared by evaporation under ultrahigh vacuum, Appl Phys. Lett. V48 (10), ms 647-649, March 1986.
[12] Chao S.S., Hernandez lG., Martin D. dan Tsu R., Effects of substrate temperature on the orientation of ultrahigh vacuum evaporate Si and Ge films, Appl. Phys. Lett. V46 (II), ms 1089-1091, June 1985.
~ KAEDAH-KAEDAH PENYEDJAAN SAPUT NIPIS DAN PEMENDAPAN SILIKON POLIHABLUR
Pelbagai jenis saput nipis telah digunakan dalam fabrikasi peranti-peranti VLSl.
;aput nipis ini boleh jadi logam, semikonduktor atau penebat yang terdiri daripada )erbagai-bagai bahan atau campurart bahan-bahan tertentu. Bab ini membincangkan caedah-kaedah yang biasa digunakan dalam penyediaan saput nipis. Seterusnya teknik )emendapan saput nipis silikon polihablur dan kaedah-kaedah penghabluran silikon lmorfus dibincangkan khusus untuk penggunaannya dalam litar bersepadu.
:.1 SA~T NIPIS
Suatu bah an pepejal dikatakan berada dalam bentuk saput nipis apabila ia erbina sebagai satu lapisan nipis di atas satu sokongan pepejal yang dipanggil substrat ang biasanya dihasilkan melalui pengawalan proses kondensasi [1
J.
Saput nipis iasanya terdiri daripada lapisan bahan yang mana ketebalannya kurang daripada satu 1ikrometer (1 X 10-6 m) dan kadang-kadang sehingga hanya satu nanometer 1 X 10-9 m) [2J. Jika kita menganggap satLi atom tunggal hanya berdiameter lebih urang setengah nanometer (0.5 X 10-9 m), jadi jelas bahawa saput nipis hanyalah 1erujuk kepada lapisan yang terdiri daripada beberapa atom.Penyimpangan sifat-sifat saput nipis daripada sifat-sifat bahan pukalnya berlaku ,kibat ketebalannya yang nipis, nisbah permukaan dengan isipadu yang besar dan ,truktur fizikal yang unik yang mana berakibat langsung daripada proses pertumbuhan .aput [1].
Rintangan elektrik suatu bahan adalah berkadar song sang kepada luas keratan rentas yang dilintasi oleh arus elektrik yang mana dalam peranti saput nipis ia
10
merupakan ketebalan saput. Oleh itu adalah sangat menguntungkan apabila perintang disediakan dalam bentuk saput nipis kerana perintang yang bersaiz kecil dapat memberikan nilai rintangan yang besar. Sebagai contoh, satu perintang yang terdiri daripada 500 sentimeter panjang dan berdiameter 0.01 sentimeter boleh digantikan dengan perintang saput nipis yang sarna bahannya dengan lebar yang sarna iaitu 0.01 sentimeter, berukuran 0.5 senti meter panjang dan 100 nanometer tebal [2].
Begitu juga bagi kapasitans suatu kapasitor plat selari juga berkadar songsang dengan tebalnya. Semakin nipis bahan yang disediakan maka nilai kapasitans adalah makin besar dan ini membolehkan saput nipis bahan dielektrik memainkan peranan yang berkesan dalam mikroelektronik.
"-
Teknologi dan kefahaman saput nipis telah mencapai kemajuan yang pesat akibat dari kejayaan mencipta peranti-peranti mikroelektronik saput nipis yang boleh dipercayai untuk memenuhi keperluan industri yang mendesak. Kejayaan-kejayaan dalam penggunaan saput nipis dalam sains, kejuruteraan dan tujuan industri adalah kerana meningkatnya kefahaman saintifik bagi proses pemendapan yang digunakan untuk menyediakan saput nipis. Pengetahuan yang mendalam tentang proses yang lama telah digunakan untuk menghasitkan proses yang baru yang lebih lengkap dan lebih kompleks [3].
Empat perkara penting yang bertanggungjawab terhadap kemajuan yang mendadak dalam bidang saput nipis ialah permintaan yang berterusan dan segera daripada sektor industri. Kedua adalah kerana kemajuan yang dicapai dalam teknik- t~knik pencirian yang membolehkan ahli sains saput nipis mengetahui apa yang mereka hasilkan secara kimia. struktur, elektronik. optik. mekanikal dan lain-lain Kemudian kemajuan dalam kawalan proses dan pengawasan 'in-sllu' yang canggih. Akhir sekali, ketiga-tiga perkara di atas telah dapat dimodelkan secara Icr:gkap untuk menambahkan kefahaman asas dalam penyediaan saput nipis [3].
.2 PENYEOIAAN SAPUT NIPIS
Saput nIplS yang disediakan perlu memenuhi syarat-syarat tertentu untuk
~suatu penggunaannya, baik dalam penyelidikan mahupun industri. Penyediaan saput ipis yang mana sifat-sifatnya bolch dikawal memerlukan suatu persekitaran operasi ang akan mengurangkan gangguan paling minima yang mungkin akan memberi kesan e atas proses pembentukan saput. Sains dan teknologi vakum adalah sangat iperlukan dalam penghasilan saput nipis. Sifat-sifat saput nipis juga berkait rapat
~ngan kaedah pemendapan yang digunakan. Oleh itu kefahaman yang mendalam ilam bidang ini adalah penting dalam proses penyediaan saput nipis silikon polihablur
rutamanya untuk kegunaan dalam litar bersepadu.
2.1 SAINS DAN TEKNOLOGI VAKUM
Kefahaman berkenaan konsep asas gas serta interaksi dengan bahan dan konsep knologi v.akum akan membawa kepada kefahaman yang menyeluruh tentang'
mendapan saput nipis. Dalam bahagian ini, teori kinetik gas, aspek-aspek vakum -masuk beberapa definasi yang berkaitan dan teknologi pam vakum akan )incangkan.
Berdasarkan kepada perkataan latin vakum bermakna kosong, akan tetapi
~lalui teknologi vakum tidak ada kebuk vakum yang betul-betul bebas daripada barang molekul gas dapat disediakan. Oleh itu, kesemua teknik fabrikasi dan mpfosesan VLSI termasuklah pemendapan saput nipis hanyalah melalui kaedah- eah vakum yang berdasarkan ke atas kelakuan gas pada tekanan rendah [4].
Pada tekanan rendah dan sl1hu yang agak tinggi (jauh daripada takat didih), :lakuan gas adalah dianggap mematuhi teori kinetik gas. Dalam teori ini, molekul-
12
olekul gas yang dianggap sebagai satu sfera bulat yang keras akan bergerak dalam trislurus dengan halaju tcrap sehingga berlanggar secara elastik sesama sendiri atau mgan dinding bekas. Setiap molekul adalah tidak bergantung antara satu dengan mg lain· kecuali semasa perlanggaran, tenaga kinetik perlanggaran akan diserap penuhnya secara rambang. Modcl ini memberikan hukum gas unggul seperti berikut:
PV = nRT {2. I }
dengan P, V dan T adalah tekanan. isipadu dan suhu gas, n ialah bilangan mol s yang hadir dan R ialah pemalar gas universal. Walaupun molekul-molekul gas rgerak dengan halaju yang berbeza-beza yang mana berubah secara tetap melalui rlanggar,' teori kinetik gas ini juga dapat menganggarkan bahawa halaju purata )lekul adalah tetap pada [4]:
{2.2}
dengan M adalah berat molekul gas, dan purata tempoh an tara perlanggaran lh [4]:
{2.3 }
dengan d ialah diameter molekul dan N ialah bilangan ketumpatan molekul- lekul. Di antara dua perlanggaran, molekul-molekul hanya boleh bergerak pada ik purata yang boleh diperolehi daripada 2.3. Jarak ini dinamakan lintasan b.cbas
"ata (MFP) iaitu:
'P I Ivll· = -J2=2-rr.-N,-d-2
{2.4 }
Konsep MFP ini adalah sangat berguna untuk menggambarkan julat-julat vakum. MFP adalah sangat pendek pada tekanan atmosfera kerana ketumpatan molekul yang besar. Oleh itu perlanggaran di antara molekul adalah lebih kerap daripada perlangaran dengan dinding bekas. Pada tekanan rendah pula MFP adalah besar dan ini memberikan ruang yang sempurna untuk laluan wap bahan semasa penyejatan berlaku. ladual 2.1 menunjukkan perkaitan tekanan rendah dengan MFP dan beberapa fakta gas baki pada suhu 250C dalam vakum tipikal yang digunakan untuk pemendapan saput [5]
Jadual 2.1: Menunjukkan tekanan, MFP dan beberapa fakta gas baki dalam vakum yang tj~kal pada suhu 250C [5].
Tekanan ( torr)
10-2 10-4 10-5 10-7 10-9
0.5 51
MFP (em)
510 5.1X104 5.1 X 106
Perlanggaran setiap saat
9 X 104 900 90 0.9 9 X 10-"> ..,
MOlekul/(s-em
2)
Satu lapisan (hentam atom setiappermukaan) saat
3.8 X lOIS 44 X 102
3.SXIOI6 44
3.8 X 10 15 4.4
3.8 X 1013 4.4 X 10-2 3.SXlO 11 4.4 X 10-4
Seeara amnya, vakum seperti mana yang digambarkan di atas boleh dikatakan adalah persekilanill yang bertekanan rendah daripada tekanan atmosfera. Adalah perlu un.tuk menerangkan terminologi penting untuk pelbagai darjah atau peringkat vakum yang dapat dibezakan mengikut julat tekanan seperti dalam jadual 2.2 [6].
14
Jadual 2.2: Menunjukkan peringkat-peringkat vakum [6].
Bilangan Darjah Vakum lulat Tekanan (torr)
Vakum rendah 760 - 25
2 Vakum pertengahan 25 - 10-3
3 Vakum tinggi 10-3 - 10-6
4 Vakum sangat tinggi 10-6 - 10-9
5 Vakum ultra tinggi Di bawah 10-9
Untuk mencapai sebarang peringkat vakum dalam suatu ruang tertutup, sebilartgqn molekul-molekul di dalamnya mesti dikeluarkan daripada kebuk.· Lebih sedikit molekul yang tertinggal maka lebih rendah tekanan dapat dicapai. Molekul- molekul dalam fasa gas adalah dalam pergerakan yang tetap, iaitu ber/anggar antara sesama sendiri dan juga ber/anggar dengan dinding bekas. lumlah molekul gas yang akan melanggar satu luas tertentu dinding bekas dalam satu unit masa adalah bergantung kepada tekanan dan suhu yang mana boleh diwakili oleh [2]:
dengan:
C=3.5IXI022~
MT molekulls-cm2.
C = kadar hentaman molekul P = tekanan (torr) M = berat molekul T = suhu mutlak (K)
{2.5 }
Sebagai contoh, untuk gas nitrogen (M
=
28) pada suhu bilik (T = 298 K) pada tekanan atmosfera memberikan 3 x 1023 molekul menghentam setiap sentimeter kuasadua setiap saat Sekiranya terdapat satu lubang bersaiz satu sentimeter kuasadua, maka sebanyak 3 x 1023 molekul nitrogen akan terkeluar melalui lubang tersebutdalam bekas dan juga tidak ada molekul lain yang dapat masuk, maka jumlah molekul di dalam akan berkurang dan menyebabkan tekanannya berkurang.
·Inilah konsep sebenar pengepaman vakum iaitu membekalkan satu laluan keluar molekul-molekul gas dan memencilkan mereka supaya tidak ada yang masuk ke dalam kebuk. Pengeluaran zarah-zarah gas daripada kebuk vakum dijalankan dengan pam- pam vakum yang secara asasnya dibahagikan kepada dua kelas iaitu pam kasar ('roughing') yang berkesan sekitar tekanan atmosfera dan pam vakum tinggi yang beroperasi hanya pada tekanan rendah. Dalam satu sistem vakum, kedua-dua pam ini dipasang supaya satu kebuk dapat dipamkan secara bergilir-gilir dan pam kasar akan bertindak sebagai pam sokongan ('backing') setelah pam vakum tinggi mengambilalih
pengep~~n.
Pam kasar biasanya beroperasi secara mekanik. Pam putaran ram, yang menggunakan ram-ram berputar untuk memampatkan dan menolak keluar gas adalah pam yang paling popular dan sangat murah Pam ini boleh mengepam suatu isipadu sederhana sehingga lebih kurang 0.01 torr. Satu lagi pam kasar yang biasa digunakan ialah 'roots blower' yang memetlukan satu pam putaran sebagai sokvngan bole~
mencapai tekanan sehingga 10-4 torr. Prestasi pam-pam ini adalah bergantung kepada tekanan wap minyak yang digunakan untuk pengedapan dan juga kecenderungan wap minyak untuk masuk semula ke dalam kebuk yang dipamkan
Berbeza pula dengan pam-pam vakum tinggi yang kebanyakannya tidak menggunakan prinsip mekanik untuk membuang gas daripaua kebuk. Pengepaman va\s.um tinggi yang terawal dan hingga kini ialah pam resapan. Pada bahagian paling bawah pam mempunyai minyak yang akan dipanaskan supaya menjadi wap dan akan naik serta melalui muncung jet yang menghalakan mereka ke bawah dengan kelajuan yang tinggi. Molekul-molekul minyak ini berlanggar dengan molekul-molekul gas dan menyebabkan momentumnya ke bawah dan seterusnya mengarahkan keluar daripada
16
pam. Penyejuk berair di sekeliling pam akan mengkondensasikan semula wap-wap minyak apabila mereka menghentam dinding. Di bahagian atas pam pula terdapat satu sesekat dan perangkap sejuk yang disejukkan ke suhu nitrogen cair (77 K) untuk menghalang minyak keluar daripada pam dan memasuki kebuk. Pam ini akan diterangkan dengan lebih jelas dalam bahagian 4.1.1.1.
Satu lagi jenis pam vakum tinggi yang senng digunakan dalam industri mikroelektronik ialah pam krio ('cryopumps'). Dalam pam ini, gas dikumpul melalui proses kondensasi di atas permukaan sejuk [7]. Biasanya satu pam mengandungi beberapa zon suhu sejuk. Satu zon 77 K akan mengkondensasi wap air supaya tidak memenuhi zon-zon lain manakala zon 15 K akan mengkondensasikan nitrogen, oksigen dan argon. Hidrogen dan helium yang tidak boleh dikondensasikan pada suhu ini akan
'-.
dikumpulkan melalui penyerapan oleh arang yang juga disejukkan pada 15 K. Gas-gas yang dikumpulkan ini dipanaskan semula dalam ruang khas dan dipamkan keluar. Pam ini adalah bebas daripada minyak dan sangat diperlukan untuk penggunaan ketulenan tinggi.
Pam vakum tinggi yang menggunakan prinsip secara mekanik ialah pam turbomolekular yang mana putaran bilah-bilah turbinnya sangat laju sehingga membolehkan molekul-molekul gas mengalir. Pam ini memerlukan satu perangkap sejuk dan tidak mengandungi minyak. la sangat berguna apabila sesuatu proses memerlukan pengepaman gas lengai yang berterusan [8].
Dalam penghasilan persekitafan vakum, pengukuran tekanan adalah sangat penting. Pengukuran tekanan secara mekanikal boleh mengukur tekanan sehingga 0.01
..
torr mengunakan gegendang yang sensitif. Pada tekanan yang lebih rendah, tolok termogandingan (Pi rani) atau tolok ion digunakan
dibincangkan dengan lengkap dalam bahagian 4 1 . 1 I.
Kesesuaian pengukuran ini
Masalah semulajadi dalam sistem vakum adalah kebocoran. Untuk mendapat vakum yang baik masalah ini mesti diatasi. Satu alat yang mampu untuk mencari kebocoran kecil adalah pengesan kebocoran helium iaitu satu spektrometer jisim yang boleh alih yang dibina untuk mengesan kehadiran helium. Pengesan ini disambung kepada sistem vakum dan gas helium disen:burkan ke tempat yang mungkin bocor.
Atom helium yang kecil, lengai dan ringan akan masuk dengan mudah ke dalam sistem vakum dan terus meresap hingga ke pengesan. Oleh kerana helium adalah jarang dijumpai dalam keadaan semulajadi, maka sebarang isyarat positif daripada pengesan menunjukkan adanya kebocoran.
2.2.2 .~EDAH-KAEDAH PEMENDAPAN
Bahagian ini akan menerangkan kaedah dan teknologi yang digunakan untuk menyediakan saput nipis dalam industri mikroelektronik. Teknik-teknik asas dalam pemendapan saput nipis boleh dikategorikan kepada tiga kumpulan besar iaitu penyejatan terma at au vakum, pemendapan wap kimia dan pemercikan. Setiap teknik ini mempunyai keistimewaaan dan kelebihan tersendiri, dan masing-masing menjadi sebahagian penting dalam penyelidikan dan pembangunan sains dan teknologi saput
ntplS.
2.2.2.1 Penyejatan terma (vakum)
Pemendapan melalui penyejatan vakum adalah ringkas, senang dikendalikan dan ia paling banyak digunakan. Pemendapan ini juga dikenali sebagai pemendapan wap fizikal (PVD). Dalam proses ini, bahan yang hendak dimendapkan dipanaskan dalam kebuk vakum ~upaya ia bertukar menjadi wap atau gas. Wap-wap bahan ini akan naik
18
melalui ruang vakum dari sumber ke substrat. Wap tersebut' akan menghentam permukaan substrat lalu terkondensasi dan akhirnya berlaku pemendapan.
Kadar penyejatan bebas bagi wap atom-atom daripada satu unit kawasan permukaan bersih dalam vakum diberikan oleh sebutan Langmuir [5]:
m. = 5.38XIO-2
P JM
• T
{2.6 }dengan P e
«
1 0-2 torr) adalah tekanan wap keseimbangan bahan tersejat di bawah ~daan wap tepu pad a suhu, T dan M ialah berat molekul spesis wap. Dengan cara lain, kadar penyejatan boleh ditulis sebagai:N
=
3.513 X 10" PJ
I molekull(cm2-s), • MT {2.7}
Dengan itu jelas bahawa tiga komponen penting yang menentukan kadar penyejatan ialah tekanan, berat molekul dan suhu. Kadar pemendapan wap di atas substrat pula bergantung kepada geometri sumber, kedudukannya relatif kepada substrat dan pekali kondensasi bahan [5].
Berbagai-bagai sumber pemanasan dalam penyejatan terma telah digunakan termasuklah filamen rintangan terpanas ('resistance-heated'), peletupan wayar, pemanas secara radiasi, alur elektron dan laser. . Pilihan sumber yang banyak ini membolehkan sebarang bahan dimendapkan melalui peyejatan terma dan sesetengahnya dapat
menghasilkan saput yang berketulenan cukup tinggi tanpa sebarang cemaran pada vakum yang praktikal.
Teknik termoden dalam perkembangan penyejatan vakum ialah epitaksi alur molekul (MBE) [9], Ia digunakan untuk pertumbuhan saput epitaksi melalui kadar penyejatan yang perlahan dan pemendapan pada suhu yang sangat tinggi, Dengan mengawal atom-atom yang tersejat, struktur superkekisi yang berketebalan dan antaramuka yang jitu boleh disediakan, Melalui struktur ini banyak sistem bahan baru dapat dikaji termasuklah kelakuan pengangkutan pengayunan, pembangunan peranti semikonduktor gelombang mikro dan laser keadaan pepejal [10).
'"
2.2.2.2 Pemendapan wap kimia (CVD)
Kaedah pemendapan ini juga telah lama diperkenalkan dalam pemprosesan saput nipis. Kaedah ini berasaskan tindakbalas kimia yang mana wap sebatian bahan yang hendak dimendapkan terurai secara terma atau bertindakbalas dengan bahan lain.
Hasil daripada tindakbalas ini ialah bahan yang tidak akan terwap termendap di at as substrat [11], Proses ini dibiarkan berlaku di dalam reaktor khas yang bertujuan untuk membekalkan wap tindakbalas secara sekata dan kedua menyediakan tenaga, yang ::ukup untuk pengaktifan tindakbalas, Proses ini boleh dijalankan dalam reaktor berdinding panas at au sejuk dan samada pada tekanan atmosfera (APCVD) atau tekanan rendah (LPCVD) mengikut keperluan saput nipis yang diperlukan,
" Secara amnya, bahan tindakbalas adalah sebatian yang terdiri daripada unsur bahan saput dengan hidrogen atau klorin Kebanyakan sebatian ini adalah gas. Oleh itu, pemendapan wap kimia adalah meliputi penguraian terma (pirolisis), pengoksidaan hidj-ida dan penurunan klorida dengan hidrogen [12],
20
Prinsip operasi dalam kaedah ini adalah sarna dengan kaedah epitaksi fasa wap (VPE), kecuali penekanan terhadap pertumbuhan saput berhablur tunggal berkualiti tinggi diperlukan dalam epitaksi fasa wap. Dalam pemendapan wap kimia ini, saput nipis biasanya dalam bentuk amorfus atau silikon polihablur.
Kadar pertumbuhan saput nipis boleh diberikan sebagai [13]:
dx_ Ng
(~)
dt n h+k {2.8 }
{2.8a} {2.8b}
dengan N g adalah kepekatan gas tindakbalas dalam fasa gas, n ialah bilangan atom (atau molekul) di dalam unit isipadu, k ialah pemalar kadar tindakbalas, h ialah pekali kehantaran jisim yang berkadar terus dengan kemeresapan, D. Manakala Ea adalah tenaga pengaktifan tindakbalas pada permukaan substrat dan 00 adalah ketebalan lapisan sempadan peresapan.
Daripada persamaan-persatnaan 2.8 di atas, ada dua kesan penting yang dapat disimpulkan. Pertama, kadar pertllmbuhan adalah hanya berfungsikan kepada suhu dan tidak bergantung kepada keadaan pengaliran dalam reaktor. Oleh itu saput boleh dimendapkan dalam jumlah yang banyak secara serentak melalui pengawalan suhu yang
..
jitu.
Pemprosesan pada tekanan rendah akan mengurangkan atau menghindarkan penggunaan gas lengai sebagai gas pembawa yang digunakan dalam proses tekanan
atmosfera. Sistem LPCVD yang tipikal adalah beroperasi pada julat tekanan 0.25 hingga I torr dan reaktor adalah dari jenis dinding panas untuk pengawalan suhu supaya pengeluaran adalah optimum. Satu lagi proses dalam pemendapan wap kimia adalah menggunakan prinsip plasma untuk pemendapan yang dipanggil PECVD.
2.2.2.3 Kaedah pemercikan
Kaedah pemercikan dicapai melalui suatu mekanisma yang mana atom-atom bahan terkeluar daripada permukaan suatu bahan akibat dihentam oleh zarah-zarah
bert~~ga tinggi. Kaedah ini paling banyak digunakan untuk pemendapan saput logam termasuklah aluminium, aloi aluminium, platinum, emas, titanium dan tungsten dan ada juga digunakan untuk pemendapan molibdenum, silikon dan Si02 [14].
Dengan membekalkan satu medan elektrik di antara dua elektrod, satu pengaliran elektron berlaku dalatn satu ruang berisi gas. Elektron-elektron berlanggar dengan molekul gas lengai seperti argon akan menyebabkan ia terion. Pada voltan yang cukup tinggi, ion-ion posit if ini akan terpecut ke katod dan akan menghentamnya, mengakibatkan bahan pada permukaannya terpercik melalui perpindahan momentum [11]. Oleh itu, proses pemercikan boleh diringkaskan kepada empat langkah penting seperti berikut: (1) ion-ion dijanakan dan ditujukan kepada sasaran, (2) ion-ion memercikkan atom-atom sasaran, (3) atom-atom yang terpercik dibawa ke substrat dan (4) atom-atom ini terlekat di permukaan substrat dan llicmbentuk saput [15].
Sistem pemercikan biasanya beroperasi pada tekanan sekitar 10-2 . torr, yang mana adalah agak tinggi berbanding dengan kaedah penyejatan vakum. Operasi pada tekanan tinggi diperlukan untuk mengekalkan argon di dalam kebuk dan kerana itu, ia dianggap kurang bersih kecuali langkah-Iangkah tertentu diambil untuk menyediakan
22
satu sistem pengepaman yang bersih. Kebuk pemercikan biasanya terlebih dahulu dipamkan hingga ke julat vakum sangat tinggi untuk menghilangkan bendasing dalam gas sebelum proses dijalankan.
Hasil pemercikan atau 'sputtering yields' adalah sang at penting kerana ia berkait rapat dengan kadar·pemendapan. Disamping bergantung kepada arah perlanggaran ion, hasil pemercikan juga' banyak dipengaruhi oleh bahan sasaran, jisim ion yang menghentam dan tenaga hen taman [IS]. Secara amnya, lebih tinggi arus di katod lebih tinggi kadar pemendapannya kerana lebih banyak ion-ion menghentam katod. Kuasa input bagi proses pemercikan adalah diberikan oleh arus katod dan voltan antara elekrod. Nilai tipikal dalam pemercikan magnetron, ketumpatan arus katod adalah antara.~ hingga 100 mAJcm2 pada beberapa ratus volt [14].
2.2.3 MEKANISMA PEMBENTUKAN SAPUT NIPIS
Saput nip is, sepertimana yang dibincangkan di atas terbentuk melalui proses kondensasi atom-atom atau molekul-molekul daripada fasa wap atau gas. Ini menunjukkan semasa pertumbuhan saput berlaku perubahan fasa daripada wap kepada pepejal. Kondensasi adalah bermula dengan pembentukan kumpulan-kumpulan kecil atau dipanggil nukleus melalui pengelompokan beberapa atom terserap ke permukaan substrat secara rambang. Pembesaran nukleus-nukleus ini untuk membentuk suatu saput yang koheren dipanggil proses pertumbuhan Kebiasaannya pengnukleusan dan pertumbuhan boleh berlaku ::.erentak scmasa pembentukan saputo [\4 J.
Pembentukan saput mpls telah dikaji secara lengkap dengan bantuan mikroskop elektron dan beber'apa peringkat pertumbuhan telah diperhatikan.
Sebahagian daripada peringkat tersebut ditunjukkan secara skematik dalarrl rajah 2. I
I
• •
·1 ••••
• • • • • • I • • • • •
I • • • 1 • • • • •
• • • I • • •
• • ••
• • • • • 1--'- • • • •
4. ! • •
• • • • I • • • •
• • • • • ••
• • • • • • • •• • •••• ••• ••
---I
I. • •
• •
'I, ~'
•
I . I
• •••
• •
Pembentukan Tumbesaran Tuutan PUlUII-Pulau
•
Nukleus Nukleus
"
"
)
P e In ben t u k a n Salurun
Lubang-lubullg
Raj ah 2.1: Peringkat-peringkat perribentukan saput nipis (Petikan daripada Neugebauer [16])
24
Neugebauer [16] telah mebincaI1gkan dengan mendalam tentang mekanisma tumbuhan saput nipis dan telah memberikan empat peringkat penting dalam proses tumbuhan iaitu: pengnukleusan dan struktur pulau, taut an pulau-pulau, nbentukan saluran dan pembentukan saput selanjar.
Saput nipis secara amnya mempunyai saiz butiran yang lebih kecil daripada han pukalnya. Saiz butiran sangat bergantung kepada kondisi pemendapan dan suhu :)Uhlindap. Saiz butiran adalah dijangka akan bertambah besar dengan ningkatan suhu substrat dan suhu sepuhlindap akibat daripada pertambahan :lincahan atom permukaan Saput nipis yang disepuhlindap pada suhu yang sarna :ngan suhu substrat tidak memberikan kesan. Suhu permulaan pemendapan emainka:~peranan yang lebih penting dalam menentukan saiz butiran akhir.
ebersandaran ke atas kadar pemendapan pula bergantung kepada atom-atom atau lmpulan atom yang mempunyai kelincahan yang tinggi, pada kadar pemendapan yang nggi mereka tertanam dengan cepat di bawah lapisan yang seterusnya [14].
Kekasaran permukaan saput terjadi hasil daripada proses pemendapan yang ambang. Pemendapan pada suhu tinggi akan memberikan saput nipis yang lebih baik aitu kekasaran permukaannya kurang berbanding dengan pemendapan suhu rendah.
ni berkemungkinan ada peningkatan kelincahan permukaan pada suhu substrat tinggi rang membolehkan pengisian pada puncak dan lembah permukaan substrat.
Dalam julat ketebalan sehingga beberapa ribu angstrom, struktur hablur suatu pemendapan bergantung kepada suhu substrat. Apabila suhu :iub:itrat adalah lebihkurang 10% daripada takat lebur mutlak bahan sumber. bahan yang terkondensasi secara amnya adalah berbentuk debu halus Dengan peningkatan suhu substrat, pemendapan bahan akan bersaiz lebih besar iaitu butiran-butiran hablur serta berliang.
Sehingga mencapai 30%, pemendapan biasanya adalah hablur teturus tetapi masih \agi
berliang. Pada 60%, struktur hablur adalah berkemungkinan dalam julat hablur teturus hingga hablur sarna dimensi, bergantung kepada bahan yang dimendapkan [17].
Pemendapan epitaksi mungkin boleh dicapai dengan kombinasi beberapa parameter pemendapan (substrat dan kadar) dan pemendapan pada suhu hampir 80%
takat lebur mutlak bahan sumber [17]. Struktur hablur saput nipis bergantung kepada kelincahan atom-atom yang diserap oleh substrat dan boleh berubah daripada keadaan tak tersusun (amorfus) hingga ke keadaan tersusun rapi (epitaksi). Saput nipis silikon boleh menjadi suatu amorfus, polihablur atau epitaksi bergantung kepada parameter pemendapan dan bahan substrat.
"
2.3 PEMENDAPAN SILIKON POLIHABLUR
Pemendapan saput mpls silikon polihablur adalah kebiasaannya dijalankan melalui kaedah pemendapan wap kimia (CVD) yang menggunakan silane, disilane atau diklorosilane sebagai gas sumber silikon. Pemendapan silikon polihablur juga senng dijalankan dengan kaedah penyejatan vakum dan pemercikan terutamanya untuk menghasilkan silikon polihablur yang berketulenan tinggi [13].
Silikon polihablur yang digunakan sebagai elektrod get bagi suatu transistor MOS adalah dimendapkan di atas permukaan amorfus iaitu di atas silikon dioksida (Si02) atau kadang-kadang di atas silikon nitrida (Si3N4). Pengnukleusan di at as permukaan ini berbeza dengan permukaan hablur tunggal yang mempunyai kesan Slolsunan rantau bertenaga rendah yang bersepadan dengan susunan kekisi substrat.
Oleh kerana ketiadaan rantau bertenaga rendah tersebut, atom-atom silikon yang sampai di permukaan amorfus akan mengalami peresapa.n yang rawak pada kadar yang dipengaruhi oleh tenaga terma yang dibekalkan olth permukaan substrat [1).
26
Atom:-atom silikon tersebut kemudiannya bercantum sesama sendiri mengikut prinsip pembentukan saput yang telah dibincangkan dalam bahagian 2.2.3.
Bagaimanapun, disebabkan ikatan silikon kepada substrat sangat lemah, pembesaran nukleus-'nukleus adalah berterusan dan ia boleh dianggap masih berada dalam keadaan cecalr. Bilangan nukleus di at as permukaan dan saiznya bergantung kepada suhu substrat. Oalam keadaan mantap, bilangan nukleus yang stabil, ns boleh diwakilkan oleh [18]:
{2.9}
dengan i ialah bilangan atom dalam gugus (,cluster') genting, n I ialah kepekatan atom terserap, no ialah jumlah tapak permukaan per unit luas, Ei ialah tenaga pembentukan gugusan yang mempunyai i atom, Em ialah tenaga pengaktifan peresapan permukaan untuk pergerakan atom dan Ed ialah tenaga pengaktifan peresapan untuk penyerapan atom tunggal. Oi atas satu substrat Si02, nilai-nilai yang telah didapati untuk i di antara I dan 4, Ei antara 2 dan 8 eV, Em adalah 0.8 eV dan Ed adalah 0.4 eV [18].
Bilangan nukleus secara amnya mengurang dengan peningkatan suhu substrat [19]. Oleh kerana tenaga termanya lebih besar, atom-atom yang terserap boleh mere sap lebih jauh di permukaan dan bercantum dengan nukleus yang ada. Jadi nukleus yang terbentuk adalah sedikit tetapi saiznya lebih besar. Tambahan pula, nukleus yang kecil kurang stabil pada suhu lebih tinggi dan akan bercantum sesama sendiri.
Sifat-sifat silikon polihablur terutamanya sifat elektrik sangat bergantung kepada mikrostruktur seperti ketebalan. saiz butiran serta orientasi dan juga komposisinya. Mikrostruktur tersebut bergantung kepada teknik pemendapan yang digunakan dan parameter-parameter pemendapan serta pemprosesan se\epas
pemendapan. Struktur silikon polihablur dipengaruhi oleh atom-atom pendop, suhu pemendapan dan pemanasan selepas pemendapan [20,21]' Bergantung kepada tekanan, kadar pemendapan dan paling penting suhu substrat, saput nipis mungkin termeildap sebagai silikon amorfus at au silikon polihablur. Jika saput nipis silikon dimendapkan dalam bentuk amorfus, pemprosesan terma at au sepuhlindap akan membawa kepada penghabluran [22]. Proses ini dipanggil penghabluran fasa pepejal (SPC) yang mana telah lama digunakan dalam penyediaan saput nipis silikon polihablur.
Hatalis dan Greeve [23] telah menerangkan mekanisma penghabluran fasa pepejal saput nipis silikon amorfus dengan melihat perubahan saiz butirannya. Butiran- butiran halus yang ada dalam saput amorfus bercantum menjadi butiran· hablur yang
lebih.~esar sehingga keseluruhan saput bertukar menjadi silikon polihablur.
Penghabluran ini biasanya dijalankan pad a suhu tinggi melebihi 6000C dan kadangkala mencapai 10000C dan dalam tempoh yang agak lama. Kajian oleh R. M. Anderson [24] telah menunjukkan bahawa saput nipis silikon amorfus yang dimendapkan melalui penyejatan vakum mengalami peralihan fasa polihablur pada suhu sepuhlindap 8500C dengan kemunculan orientasi hablur secara rawak. Beliau juga mendapati nilai kerintangan mengurang dengan kenaikan suhu sepuhlindap yang mana berkait rapat dengan penghabluran tersebut. Kamins [25] telah menunjukkan bahawa orientasi- orientasi hablur yang dapat dikes an dalam saput nipis silikon polihablur adalah < 11 0>,
< 1 00>, < 1 1 1>, <311> dan <322> Salah satu orientasi hablur ini akan paling kerap dikesan iaitu orientasi dominan yang mana bergantung kepada pendop, bendasing dan suhu.
• Ketidakstabilan struktur saput nipis silikon polihablur terhadap suhu tinggi seperti yang dibincangkan di atas merupakan satu fenomena yang menguntungkan kerana kekonduksian elektriknya akan bertambah melalui pembesaran butiran hablur.
Perubahan struktur saput nip is silikon polihablur dalam proses-proses fabrikasi peranti yang melibatkan suhu tinggi telah dibincangkan oleh Adam [26] dan dapat diringkaskan
28
;eperti berikut Silikon polihablur yang dimendapkan melalui CYD pada suhu antara 5000C sehingga 6500C adalah berstruktur teturus dengan saiz butiran antara 0.03 1m hingga 0.30 11m Semasa peresapan fosforus pada suhu 9500C, silikon polihablur nengalami penghabluran semula membentuk saiz purata antara 0.5jlm hingga 1.0 jlm.
3utiran hablur ini terus membesar semasa pengoksidaan pada 10SOoC ke saiz akhir aitu 1 jlm ke 3 jlrh. Silikon polihablur yang dimendapkan di bawah suhu 6000C iiperhatikan mengalami penghabluran semula yang sarna seperti di atas kecuali saput )ermulaan adalah amorfus.
Suhu yang tinggi juga akan menyebabkan kesan sampingan seperti atom-atom erdop akan mengalami peresapan yang tidak dikehendaki. Oleh itu adalah tidak sesuai eknik p~habluran SPC di atas digunakan untuk saput nipis yang terdop. Satu cara mtuk meminimakan peresapan ini ialah melalui pemprosesan suhu tinggi dalam masa lang singkat iaitu melalui sepuhlindap terma cepat (R T A) yang didapati sangat berguna lalam fabrikasi VLSI. Sistem ini biasanya mempunyai julat suhu yang luas iaitu 4S00C lingga 11500C dan diletakkan dalam persekitaran yang boleh dikawal. Berbagai-bagai umber pemanasan RTA telah digunakan termasuklah lampu ark a dan lampu tungsten- lalogen [13].
Laser juga telah digunakan dalam pengh~bluran silikon amorfus kerana ia nampu memberikan pemanasan tinggi dalam masa lebih singkat tanpa berlakunya leresapan. Sumber laser yang biasa digunakan ke atas silikon amorfus di atas kaca ldalah laser gas halogen excimer [27,28,29]. Campuran-campuran gas yang piawai nemberikan jarak gelombang output adalah ArF (193 nm), KrF (248 nm) dan XeCI 30&' nm). Ini adalah laser-laser yang mempunyai masa sambutan yang singkat (,short juration pulsed') (10-30 ns) yang beroperasi dalam rant au gelombang ultraviolet. Ia
;angat sesuai untuk penghabluran silikon amorfus yang dimendapkan di atas substrat yang tidak tahan suhu tinggi seperti kaca.
RUJUKAN BAB 2
[1] Chopra K, Thin film device applications, Plenum Press, New York, 1983.
[2] Leaver K D. dan Chapman B. N., Thin films, Wykeham Publications LTD, London, 1971.
[3] Vossen 1. L dan Kern 'N., Thin film formation, Physics Today, V33, 26-33, May 1980.
[4] Roth A, Vacuum technology, North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1976.
[5] Chopra K L., Thin film phenomena, McGraw-Hill Book Company, New York, 1969.
[6] Giang
.,
R., Holmwood R. A dan Kurtz 1. A., High vacuum technology, dalam edisi Maissel L. 1. dan Giang R., Handbook of thin film technology, McGraw-HilI Book Company, New York, 1970.[7] Peterson 1. F. danSteinherz H. A, Solid state techno!., v25, 104, Jan 1982.
['8] Krieger D., Solid state techno!., v22, 62, Dis 1979.
:9] Joyce B. A, Molecular beam epitaxy: Recents trends and future development, 1.
Phys. Chern. Solids, v49, 237-242, 1988.
)0] Joyce B. A, Molecular beamepitxiy, Surf. Sc. v86, 92, 1979.
:r
1] Powell C. F., Oxley J. H. dan Blocher J. M., Vapor deposition, John Wiley &Sons, New York, 1966.
[12] Kern W. dan Ban V. S., Chemical vapor deposition of inorganic thin films, dalam edisi Vossen 1. L dan Kern W., Thin films processes, Academic, New York,
1978.
[13] Gandhi S. K, VLSI fabrication principles: Silicon and gallium arsenide, edisi
..
kedua, John Wiley & Sons, New York, 1994.
[14] Wolf S. dan Tauber R. N., Silicon processing for the VLSI era (Vol I): Process Technology, Lattice press, California, 1986.
30
[15] Wehner G. K dan Anderson G. S., The nature of physical sputtering, dalam edisi MaisselL.I. dan Giang R., Handbook of thin tllms, McGraw Hill, New York, 1970. Bab 3.
[16] Neugebaur C. A., Condensation, nucleation and growth of thin tllms, dalam edisi Maissel L.I. dan Giang R., Handbook of thin films, McGraw Hill, New York, 1970. Bab 8.
[17] Russel 1. H., Physical vapor deposition, Edisi Kedua, Temescal, California, 1986.
[18] Bloem 1., Nucleation of silicon on amorfus and crystalline substrates, Proc.
Seventh International on CVD, Edisi T. O. Sedgwick dan H. Lydtin, The Electrochemical Society, Proc., v79(3), 1979.
[ 19] Kamins T. 1., Chemically vapor deposited polycrystalline silicon tllms, IEEE
~ns. Parts, Hybrids and Packaging, PHP-lO, Dis 1974.
[20] Harbeke H., Krausbauer L., Steigmeier E. F., Widmer A. E., Kappert H. F. dan Neugebauer G., Growth and physical properties of LPCVD polycrystalline tllms, 1. Electrochem. Soc., v131, 675, 1984.
[21] Kinsbron E., Sternheim M. dan Knoell R., Crystallization of amorfus silicon during LPCVD, Appl. Phys. Lett., v42, 835,1983.
[22] Drynan J. M. dan Kikkawa T. , Appl. Phys. Lett. v58, 610, 1991.
[23] Hatalis M. K. dan Greeve D. W., Large grain polycrystalline silicon by low temperature annealing of LPCVD amorphous silicon films, 1. App. Phys., 1987.
[24] Anderson R. M., Microstructural analysis of evaporated and pyrolytic silicon thin 'films, J. Electrochem. Soc, v 120, 11, Nov 1973, ms 1541- 1546.
[25] Kamins T. 1., Structure and properties of LPCVD silicon films, J. Electrochem.
Soc., v127, 686, 1980.
[46] Adams A. C., Dielectric and polysilicon film deposition, dalam edisi kedua Sze S. M., VLSI technology, McGraw Hill Book Company, New York, 1988 [27] Sera K, Okumura F, Uchida H, Itoh S, Kaneko S dan Hotta K, IEEE Trans.
Electron Devices, v36, 2868, 1989
(28] Brotherton S D, McCulloch D. 1., Clegg 1. B. dan Gowers 1. P., IEEE Trans.
Electron Devices, v40, 407, 1993.
[29] Mei P., Boyce 1. B., Hack M., Lujan R. A.; Johnson R. 1., Anderson G. B., Fork D. K. dan Ready S. E., Appl. Phys. Lett., v64, 1132, 1994 .
..
32
3 SIFAT ELEKTRIK SAPUT NIPIS SEMIKONDUKTOR DAN STRUKTUR SEMIKONDUKTOR OKSIDA LOGAM (MOS) .
. Dalam bab ini mekanisma-mekanisma penyerakan yang wujud dalam saput nipis dibineangkan dengan mengaitkannya dengan sifat-sifat elektrik. Ia diikuti dengan penerangan sepintas lalu mengenai pengukuran rintangan ke atas saput nipis.
Seterusnya perbineangan ke atas fenomena struktur MOS dan eiri-eiri kapasitans voltan.
3.1 KERINTANGAN ELEKTRIK SAPUT NIPIS SEMIKONDUKTOR
.,
Kehadiran kecacatan dan ketidaksempurnaan dalam saput nipis semikonduktor dengan jumlah yang besar akan mengurangkan kelineahan pembawa-pembawa cas (elektron dan lohong) yang mana akan memberi kesan seeara tangsung ke at as pengaliran elektrik. Oleh itu, bagi saput nipis semikonduktor yang mempunyai kepekatan pembawa-pembawa cas yang sarna nilainya dengan semikonduktor pukal akan mempunyai kerintangan elektrik yang lebih tinggi [1]. Oleh kerana kecacatan dan ketidaksempurnaan tersebut boleh dikawal dengan lebih mudah dalam saput nipis, maka sifat-sifat elektrik saput nipis sernikonduktor boleh dikawal dengan mudah. Untuk itu, kefahaman dalam asas-asas mekanisma pengangkutan elektrik dalam saput nipis yang berkaitan dengan penyerakan-penyerakan pembawa adalah sangat penting.
Secara umumnya, dalam sesuatu bahan samada bahan pukal atau saput nipis, satu ketumpatan arus elektrik, J (amp/cm2) dikatakan mengalir apabila satu kepekatan
•
pembawa-pembawa cas dengan suatu cas elektron, q bergerak dengan kelajuan, v (em/saat) melepasi satu satah dalam tindakbalas kepada satu medan elektrik, ~ (V/cm).
yang dibekalkan. Bagi kebanyakan bahan, terutamanya pada medan elektrik yang kecil, kelajuan pembawa-pembawa cas berkadar kepada medan elektrik dengan satu pemalar
yang dipanggil kelincahan, ~t. Magnitud aliran arus elektrik tersebut dapat diwakilkan dengan persamaan berikut [ I ,2]:
{3. 1 }
dengan ~n dan ~p masing-masing adalah kelincahan elektron dan lohong manakala no dan Po adalah kepekatan elektron dan lohong. masing-masing pada keseimbangan. Daripada hukum Ohm (J = O'~), kerintangan elektrik, p iaitu songsangan kepada kekonduksian elektrik (0') diberikan oleh:
p = - - - -
q(j..Lnno + j..L PpJ {3.2 }
Kerintangan elektrik dalam bahan ditentukan oleh kesan penyerakan pembawa- pembawa cas yang bergerak di bawah pengaruh medan elektrik. Penyerakan- penyerakan akan mengurangkan kelincahan pembawa dan secara langsung akan meningkatkan kerintangan bahan. Dalam saput tipis semikonduktor polihablur.
kerintangan elektrik ditentukan daripada pelbagai mekanisma penyerakan yang mungkin
