Ao longo das secções anteriores foi feita uma abordagem a algumas técnicas de cristalização de silício amorfo para obtenção de filmes policristalinos. A tabela seguinte mostra valores para a energia de activação das etapas de nucleação e crescimento dos grãos obtidos da literatura, para as diferentes técnicas de cristalização. Apesar de ser necessário algum cuidado ao compará-los, uma vez que as condições de preparação e processamento das amostras foram diferentes, é possível verificar o efeito da presença de metal.
Tabela 2.I – Comparação dos valores de energia de activação para a nucleação e crescimento dos grãos em diferentes técnicas de cristalização do silício amorfo.
Técnica Nucleação Crescimento Referência
SPC 5,1 eV 4,9 eV 3,3 eV 2,4-4,9 eV [60] [61] MIC (Al) (Ni) (Ni) 1,9eV 0,4-1,3 eVB 0,4-1,3 eVB 1,8 eV 0,9 eV 1,5 eV [88] [19] [113] MILC (Ni) 0,4-1,3 eVB 0,4-1,3 eVB 0,3-1,9 eV 2,0-2,3 eV 2,1 -2,7 eV [114] [111] [115] B
Valores minorados pela nucleação de silicetos Si-Ni[114] e majorados pelo coeficiente de difusão de níquel no silício amorfo [102].
Porém, além das técnicas descritas mais detalhadamente neste capítulo, existem outras como RTA, ELA ou cristalização lateral assistida por campo eléctrico (FELC – Field
Enhanced Lateral Crystallization), uma variante da MILC, que são também utilizadas na
cristalização do silício. A Tabela 2.II tenta resumir as vantagens e desvantagens das técnicas mais comuns, comparando também dois parâmetros importantes como o tempo e temperatura de processo.
Tabela 2.II – Análise comparativa das técnicas mais comuns de cristalização de silício amorfo [13-20, 24-26, 116-119].
Técnica Vantagens Desvantagens Temperatura (°C) Tempo (h) SPC Simplicidade Alto rendimento Uniformidade Elevado temperatura Tempos longos Pequeno tamanho de grão
>600°C 10 a 60 MIC Simplicidade Alto rendimento Uniformidade Tempo de processo
Contaminação por metal Presença de silicetos nas
fronteiras de grão e segregação de metal
450 a 550°C 1 a 20
MILC Elevado tamanho de grão
Uniformidade
Complexidade Tempo
Contaminação por metal
500 a 600°C ~1.5-2 μm/h a 500°C
FELC
Elevado tamanho de grão Uniformidade Tempo de processo
Complexidade
Contaminação por metal 380 a 500°C
~30-40 μm/h a 500°C entre 200-300 V.cm-1 RTA Simplicidade Uniformidade Alto rendimento Temperatura Controlo da nucleação/tamanho de grão 800 a 850°C (pulsos curtos) 500 a 550°C (estabilização) < 0,5 h ELA Elevada qualidade cristalina Elevado tamanho de grão
Complexidade Custo Uniformidade Aquecimento indirecto do substrato (<400°C) Depende da área do feixe e dimensão do substrato
Estas são as técnicas mais convencionais, prevendo-se que num futuro próximo a combinação de algumas destas, como já acontece, ou outras novas venham a ser frequentemente usadas na cristalização do silício. Uma técnica apontada como possível alternativa é a cristalização induzida por metal através de uma barreira (MICC – Metal
Induced Crystallization using a Cap), possibilitando a redução da nucleação e aumento do
Técnicas de produção de filmes finos de silício policristalino
lado, a combinação de ELA com MILC é já utilizada de modo a eliminar possíveis fracções amorfas remanescentes do processo de cristalização e/ou obter um tamanho de grão maior por recristalização [123]. Uma outra combinação, em estudo para aplicação em processos industriais, é a utilização de ELA para cristalizar zonas amorfas adjacentes a áreas cristalizadas por MIC num processo conhecido por Silício de Grão Continuo (CGS –
Continuos Grain Silicon) [124].
2.3. Referências
[1] T. Kamins, Journal of Applied Physics, 42 (1971) 4357-4365 [2] R. Rosler, Solid State Technology, 20 (1977) 63-70
[3] T. Kaminis, M. Mandurah, K. Saraswat, Journal of Electrochemical Society: Solid-State
Science and Technology, 125 (1978) 927-932
[4] D. Mui, S.Fang, H. Morkoç, Applied Physics Lettters, 59 (1991) 1887-1889
[5] R. Martins, A. Dias, L. Guimarães, Journal of Non-Crystalline Solids, 57 (1983) 9-22 [6] H. Kakinuma, M. Mohri, M. Sakamoto, T. Tsuruoka, Journal of Applied Physics, 70 (1991) 7374-7381
[7] H. Matsumura, Journal of Applied Physics, 65 (1989) 4396-4402
[8] A. Mahan, J. Carapella, B. Nelson, R. Crandall, I. Balberg, Journal of Applied Physics, 69 (1991) 6728-6730
[9] V. Subramanian, P. Dankoski, L. Degertekin, B. T. Khuri-Yakub, K. C. Saraswat, IEEE
Electron Device Letters, 18 (1997) 378-381
[10] S. Yoon, N. Young, P. van der Zaag, D. McCulloch, IEEE Electron Device Letters, 24 (2003) 22-24
[11] S. Muramatsu, Y. Minagawa, F. Oka, T. Sasaki, Y. Yazawa, Solar Energy Materials and
Solar Cells, 74 (2002) 275-281
[12] I. Gordon, D. Van Gestel, K. Van Nieuwenhuysen, L. Carnel, G. Beaucarne, J. Poortmans, Thin Solid Films, 487 (2005) 113-117
[13] Y. Masaki, P. LeComber, A. Fitzgerald, Journal of Applied Physics, 74 (1993) 129-134 [14] L. Haji, P. Joubert, J. Stoemenos, N.A. Economoou, Journal of Applied Physics, 75 (1994) 3944
[15] H. Kuriyama, S. Kiyama, S. Noguchi, H. Iwata, Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 30 (1991) 3700-3703
[16] M. Miyasaka, J. Stoemenos, Journal of Applied Physics, 86 (1999) 5556-5565 [17] Y. Kuo, P. Kozlowski, Applied Physics Lettters, 69 (1996) 1092-1094
[18] Y. Zhao, W. Wang, F. Yun, Y. Xu, X. Liao, Z. Ma, G. Yue, G. Kong, Solar Energy
Materials and Solar Cells, 62 (2000) 143-148
[19] C. Hayzelden, J. Batstone, Journal of Applied Physics, 73 (1993) 8279-8289 [20] S. Yoon, J. Oh, C. Kim, J. Jang, Solid State Communications, 106 (1998) 325-328
[21] L. Pereira, H. Águas, R.M.S. Martins, F.B. Fernandes, E. Fortunato, R. Martins, Thin
Solid Films, 451-452 (2004) 334-339.
[22] C. Manfredotti, G. Scarano, G. Mea, C. Alvarez, Journal of Non-Crystalline Solids, 77- 78 (1985) 575-578
[23] Y. Yogoro, A. Masuda, H. Matsumura, Thin Solid Films, 430 (2003) 296–299 [24] S. Lee, S. Joo, IEEE Electron Device Letters, 17 (1996) 160-162
[25] Z. Jin, G. Bhat, M. Yeung, H. Kwok, M. Wong, Journal of Applied Physics, 84 (1998) 194-200
[26] C. Yuen, M. Poon, W. Chan, Journal of Applied Physics, 92 (2002) 6291-6295
[27] B. Semmache, M. Lemiti, C. Chanelière, C. Dubois, A. Sibai, B. Canut, A. Laugier, Thin
Solid Films, 296 (1997) 32-36
[28] K. Watanabe, T. Tanigaki, S. Wakayama, Journal of Electrochemical Society, 128 (1981) 2630-2635
[29] C. Cobianu, C. Pavelescu, Journal of Electrochemical Society, 130 (1983) 1888-1893 [30] S. Kobayashi, M. Sakuraba, T. Matsuura, J. Murota, N. Mikoshiba, Journal of Crystal
Growth, 174 (1997) 686-690
[31] T. King, K. Saraswat, Journal of Electrochemical Society, 141 (1994) 2235-2241 [32] C. Hong, C. Park, H. Kim, Journal of Applied Physics, 71 (1992) 5427-5432 [33] K. Nakazawa, Journal of Applied Physics, 69 (1991) 1703-1706
[34] S. Sze, VLSI Technology, 2ªedição, McGaw-Hill, Singapura, 1988
[35] W. Knolle, H. Maxwell, Jr., R. Benenson, Journal of Applied Physics, 51 (1980) 4385- 4390
[36] P. Joubert, B. Loisel, Y. Chouan, L. Haji, Journal of Electrochemical Society, 134 (1987) 2541-2544
[37] E. Lee, H. Im, Journal of Electrochemical Society, 138 (1991) 3465-3469
[38] N. Lu, C. Lu, M. Lee, C. Shih, C. Wang, W. Reuter, T. Sheng, Journal of
Electrochemical Society: Solid-State Science and Technology, 131 (1984) 897-902
[39] D. Meakin, J. Stoemenos, P. Migliorato, N. Economou, Journal of Applied Physics, 61 (1987) 5031-5037
[40] A. Brokman, R. Gat, Y. Alpern, Applied Physics Lettters, 49 (1986) 382-384 [41] J. Kim, J. Lee, K. Nam, Journal of Applied Physics, 77 (1995) 95-102
Técnicas de produção de filmes finos de silício policristalino
[42] H. Lim, B. Ryu, J. Jang, Applied Physics Lettters, 66 (1995) 2888-2890
[43] T. Lei, J. Cheng, S.Shiau, T. Chao, C. Lai, IEEE Electron Device Letters, 18 (1997) 270- 271
[44] C. Dimitriadis, D. Tassis, N. Economou, G. Giakoumakis, Applied Physics Lettters, 64 (1995) 2709-2711
[45] C. Chen, T. Chang, P. Liu, H. Lu, K. Wang, C. Huang, C. Ling, T. Tseng, IEEE Electron
Device Letters, 26 (2005) 731-733
[46] N. Kono, T. Nagahara, K. Fujimoto, Y. Kakinoki, H. Kakinoki, Materials Research
Society Symposium Proceedings, 283 (1993) 629-634
[47] J. Rath, B. Stannowski, P. van Veenendaal, M. van Veen, R. Schropp, Thin Solid Films, 395 (2001) 320-329
[48] F. Becker, H. Oppolzer, I. Weitzel, H. Eichermulier, H. Schaber, Journal of Applied
Physics, 56 (1984) 1233-1236
[49] K. Kung, R. Reif, Journal of Applied Physics, 62 (1987) 1503-1509
[50] A. Chiang, T. Huang, I. Wu, M. Zarzycki, M. Fuse, Materials Research Society
Symposium Proceedings, 106 (1988) 305-310
[51] T. Katoh, IEEE Transactions on Electron Devices, ED-35 (1988) 923-926
[52] F. Emoto, K. Senda, E. Fujii, A. Nakamura, A. Yamamoto, Y. Uemoto, G. Kano, IEEE
Transactions on Electron Devices, ED-37 (1990) 1462-1464
[53] A. Nakamura, F. Emoto, E. Fujii, A. Yamamoto, Y. Uemoto, K. Senda, G. Kano,
Journal of Applied Physics, 66 (1989) 4248-4251
[54] M. Hatalis, D. Greve, Journal of Applied Physics, 63 (1988) 2260-2266
[55] R. Kakkad, J. Smith, W. Lau, S. Fonash, R. Kerns, Journal of Applied Physics, 69 (1989) 2069
[56] D. Porter, K. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, Van Nostrand Reinhold, Nova Iorque, 1981
[57] C. Spinella, S. Lombardo, F. Priolo, Journal of Applied Physics, 84 (1998) 5383-5414 [58] D. Kashchiev, Surface Science, 14 (1969) 209-220
[59] K. Kelton, A. Greer, C. Thompson, Journal of Chemical Physics, 79 (1983) 6261-6276 [60] R. Iverson, R. Reif, Journal of Applied Physics, 62 (1987) 1675-1881
[61] K. Zellama, P. Germain, S. Squelard, J. Bourgoin, Journal of Applied Physics, 50 (1979) 6995-7000
[62] U. Koster, Physica Status Solidi A, 48 (1978) 313-321 [63] M. Avrami, Journal of Chemical Physics, 9 (1941) 177-184
[64] G. Farhi, M. Aoucher, T. Mohammed-Brahim, Solar Energy Materials & Solar Cells, 72 (2002) 551–558
[65] S. Yokoyama H. Onizuka, Y. Yoshizawa, H. Kuwano, Journal of Applied Physics, 94 (2003) 770-773
[66] K. Nakazawa, K. Tanaka, Journal of Applied Physics, 68 (1990) 1029-1032
[67] Y.Wang, S.Fonash, O.Awadelkarim, T. Gu, Journal of Electrochemical Society, 146 (1999) 299-305
[68] S. Uchikoga, N. Ibaraki, Thin Solid Films, 383 (2001) 19-24
[69] A. Hara, F. Takeuchi, M. Takei, K. Suga, K. Yoshino, M. Chida, Y. Sano, N. Sasaki,
Japanese Journal of Applied Physics, 41 (2002) 311-313
[70] G. Liu, S. Fonash, Applied Physics Letters, 62 (1993) 2554-2556 [71] S. Lee, Y. Jeon, S. Joo, Applied Physics Letters, 66 (1995) 1671-1675
[72] S.Yoon, K.Kim, C. Kim, J. Oh, J. Jang, Journal of Applied Physics, 82 (1997) 5865-5867 [73] F. Oki, Y. Ogawa, Y. Fujiki, Japanese Journal of Applied Physics, 8 (1969) 1056-1057 [74] J. Bosnell, U. Voisey, Thin Solid Films, 6 (1970) 161–166
[75] J. Greene, L. Mei, Thin Solid Films, 34 (1976) 27–30 [76] J. Greene, L. Mei, Thin Solid Films, 37 (1976) 429–440
[77] E. Nygren, A. Pogany, K. Short, J. Williams, R. Elliman, J. Poate, Applied Physics
Letters, 52 (1988) 439–441
[78] K. Nakamura, J. Olowolafe, S. Lau, M. Nicolet, J. Mayer, R. Shima, Journal of Applied
Physics, 47 (1976) 1278-1283
[79] G. Ottaviani, D. Sigurd, V. Marrello, J. Mayer, J. McCaldin, Journal of Applied Physics, 45 (1974) 1730-1739
[80] L. Hultman, A. Robertson, H. Hentzell, I. Engstrom, P. Psaras, Journal of Applied
Physics, 62 (1987) 3647-3655
[81] K. Tu, Applied Physics Letters, 27 (1975) 221-224
[82] K. Nakamura, M. Nicolet, J. Mayer, R. Blattner, C. Evans Jr., Journal of Applied
Physics, 46 (1975) 4678-4684
[83] A. Hiraki, K. Shuto, S. Kim, W. Kammura, M. Iwami, Applied Physics Letters, 31 (1977) 611-612
[84] M. Haque, H. Naseem, W. Brown, Journal of Applied Physics, 75 (1994) 3928-3935 [85] F. Spaepen, E. Nygren, A. Wagner NATO ASI Series E: Applied Science, 222 (1992) 483–499
[86] F. Quli, J. Singh, Materials Science and Engineering B, 67 (1999) 139-144 [87] O. Nast, S. R. Wenham, Journal of Applied Physics, 88 (2000) 124-132
Técnicas de produção de filmes finos de silício policristalino
[88] J. Schneider, J. Klein, M. Muske, S. Gall, W. Fuhs, Journal of Non-Crystalline Solids, 338–340 (2004) 127–130
[89] S. Gall, M. Muske, I. Sieber, O. Nast, W. Fuhs, Journal of Non-Crystalline Solids, 299– 302 (2002) 741–745
[90] J. Klein, J. Schneider, M. Muske, S. Gall, W. Fuhs, Thin Solid Films, 451–452 (2004) 481–484
[91] D. Kim, M. Gowtham, M. Shim, J. Yi, Materials Science in Semiconductor Processing, 7 (2004) 433–437
[92] O. Nast, S. Brehme, S. Pritchard, A. Aberle, S. Wenham, Solar Energy Materials &
Solar Cells, 65 (2001) 385-392
[93] I. Gordon, D. Van Gestel, K. Van Nieuwenhuysen, L. Carnel, G. Beaucarne, J. Poortmans, Thin Solid Films, 487 (2005) 113-117
[94] J. Ahn, J. Eom, K. Yoon, B. Ahn, Solar Energy Materials & Solar Cells, 74 (2002) 315- 321
[95] D. Malinovska, O. Angelov, M. Vassileva, M. Kamenova, J. Pivin, Thin Solid Films, 451–452 (2004) 303-307
[96] P. Gas, F. Heurle, Applied Surface Science, 73 (1993) 153-161
[97] J. Batstone, C. Hayzelden, Solid State Phenomena, 37-38 (1994) 257-268
[98] J. Jang em “Thin Film Transistors - Materials and Processes, vol. 2” editado por Yue Kuo, Kluwer Academic Publishers, 2004
[99] Y. Wang, O. Awadelkarim, Applied Physics A, 70 (2000) 587–590 [100] S. Yoon, S. Park, K. Kim, J. Jang, Thin Solid Films, 383 (2001) 34-38
[101] R. Cammarata, C. Thompson, K. Tu, Applied Physics Letters, 51 (1987) 1106-1108 [102] Y. Kuznetsov, B. Svensson, Applied Physics Letters, 66 (1995) 2229-2231
[103] J. Li, X. Sun, M. Yu, G. Qi, X. Zeng, Applied Surface Science, 240 (2005) 155–160 [104] R. Jaccodine, Journal of Electrochemical Society, 110 (1963) 524-527
[105] S. Yoon, S. Park, K. Kim, J. Jang, C. Kim, Journal of Applied Physics, 87, 1 (2000) 609-611,
[106] J. Jang, S. Park, K. Kim, B. Cho, W. Kwak, S. Yoon, Journal of Applied Physics, 88 (2000) 3099-3101
[107] M. Wong, Z. Jin, G. Bhat, P. Wong, H. Kwok, IEEE Transactions on Electron Devices, 47 (2000) 1061-1067
[108] M. Wang, M. Wong, IEEE Transactions on Electron Devices, 48 (2001) 1655-1660 [109] C. Cheng, V. Poon, C. Kok, M. Chan, IEEE Transactions on Electron Devices, 50 (2003) 1467-1474
[110] Z. Meng, M. Wang, M. Wong, IEEE Transactions on Electron Devices, 47 (2000) 404- 409
[111] C. Cheng, T. Leung, M Poon, C. Kok, M. Chan, IEEE Transaction on Electron
Devices, 51 (2004) 2205-2210
[112] A. Joshi, T. Krishnamohan, K. Saraswat, Journal of Applied Physics, 93 (2003) 175- 181
[113] T. Hempel, O. Schoenfeld, Solid State Commumications, 85 (1993) 921-924 [114] L. Lam, S. Chen, D. Ast, Applied Physics Letters, 74, 13 (1999) 1866-1868
[115] W. Cheung, C. Cheng, M. Poon, C. Kok, M. Chan, Proceedings Electron Devices
Meeting 2002, IEEE Hong Kong (2002) 27 - 30
[116] J. Jang, J. Oh, S. Kim, Y. Choi, S.Yoon, C. Kim, Nature, 395 (1998) 481-483 [117] J. Li, X. Zeng, X. Sun, G. Qi, Thin Solid Films, 458 (2004) 149–153
[118] J. Lee, C. Lee, D. Choi, Japanese Journal of Applied Physics, 40 (2000) 6177-6181 [119] S. Park, S. Jun, K. Song, C. Kim, D. Choi, Japanese Journal of Applied Physics, 38 (1999) 108-109
[120] Y. Son, H. Kim, J. Hur, J. Lee, J. Choi, J. Kim, B. Choo, K. Park, D. Choi, S. Maghsoodi, R. Warner,G. Cerny, J. Jang, SID Symposium Digest of Technical Papers, 35
(2004) 960-963
[121] W. Sohn, J. Choi, K. Kim, J. Oh, S. Kim, J. Jang, Journal of Applied Physics, 94 (2003) 4326-4331
[122] Y. Son, K. Yang, B. Bae, K. Park, J. Jang, Journal of Non-Crystalline Solids, 352 (2006) 1745-1748
[123] K. Park, J. Lee, I. Song, S. Jung, M. Han, Journal of Non-Crystalline Solids, 299-302 (2002) 1330-1334
[124] T. Mizuki, J. Matsuda, Y. Nakamura, J. Takagi, T. Yoshida, IEEE Transactions on