Síntese de SiC através de implantação iônica de carbono em SiO2/Si : influência da espessura da capa de SiO2 e de padrões de áreas finas produzidos por litografia

Abstract

Semicondutores de gap grande são capazes de operar em situações extremas, como em alta potência, alta frequência e em ambientes hostis e, portanto, são de grande interesse tecnológico. Carbeto de Silício (SiC) apresenta estas características, e, nesse trabalho, estudamos sua síntese por implantação iônica de C em estruturas SiO2/Si, onde SiO2 é uma capa superficial de sacrifício. Dividimos esta tese em duas frentes de investigação: uma em que verificamos o efeito da síntese de SiC, mantida fixa a fluência de 2,8x1017 C/cm², ao variarmos a espessura da capa de SiO2: 110, 190 ou 240 nm; e outra, onde analisamos amostras para as quais um padrão de áreas mais finas de SiO2 (ou “janelas”) foi produzido, por litografia, sobre uma capa de 240 nm de SiO2. No segundo estudo, a fluência de implantação de C variou entre 0,8x1017 a 4,4x1017 C/cm². O padrão típico de “janelas” consistiu de áreas de 2 × 2, ou 3 x 3 μm², com espessuras de SiO2 de 60 ou 110 nm, intercaladas por regiões espessas (240nm). Para ambas as investigações, o C foi implantado em amostras mantidas a 600 ºC, e efetuado um recozimento final a 1250 ºC, durante 2 horas, sob um fluxo de Ar contendo 1% de O2. TEM demonstrou somente precipitados de SiC, desorientados em relação a matriz Si, para o caso da capa de 190nm. Um resultado totalmente distinto dos obtidos em trabalhos prévios (nos quais as capas sempre foram de 110nm), onde uma camada epitaxial de ~50nm de SiC era obtida. Porém, para a capa de 240 nm, uma camada epitaxial de SiC interfacial de 5-7nm voltou a ser sintetizada. Por medidas de RBS/C, avaliou-se a qualidade cristalina das amostras, e, por ERDA, mediu-se o C na capa de sacrifício e no substrato Si. Foi observada uma canalização de ~60% para a camada epitaxial de SiC interfacial, e uma elevada quantidade de C junto a interface SiO2/Si para essa amostra de óxido mais espesso (~240nm), o que demonstra sua alta mobilidade no óxido durante a implantação à quente e recozimento. Para explicar os resultados, modelamos que são possíveis dois mecanismos de síntese de SiC: por implantação direta de C no Si, convertendo-o em SiC (dominante em capas de 7 110 nm); ou por migração de C pelo SiO2, que, ao atingir a interface SiO2/Si, a reconstrói convertendo-a em SiC (dominante em capas de 240 nm). TEM nas amostras com padrão de litografia demonstraram uma camada contínua de SiC apenas para o caso das amostras com “janelas” de 60 nm de SiO2 (e nas regiões sob elas), no entanto, para o caso das com “janelas” de 110 nm, foram sintetizados somente precipitados de SiC desorientados, contrariando expectativas baseadas em trabalhos prévios (capas de 110 nm). Estes resultados revelaram a existência de um mecanismo adicional ao se produzir um padrão de “janelas” na capa, a saber, o da redistribuição lateral de carbono pelo lado da interface do SiO2. Essa difusão lateral pelo óxido acaba por interferir drasticamente na síntese em relação ao caso de um SiO2 de espessura uniforme.

Large band-gap semiconductors are suitable to operate in extreme conditions, such as, high power, high frequency and hostile environments, and are, therefore, of great technological interest. Silicon carbide (SiC) presents these features and, in this work, we study its synthesis by C ion implantation into SiO2/Si structures, where SiO2 is a sacrificial cap layer. We divided this thesis in two research fronts: one in which we verified the effect on the SiC synthesis, kept fixed at a fluency of 2.8x1017 C / cm², on varying the thickness of the SiO2 layer: 110, 190 or 240 nm; and another, where we analyzed samples for which a pattern of thinner SiO2 areas (or “windows”) was produced by lithography on a 240 nm SiO2 layer. In the second study, the implantation fluency of C ranged from 0.8x1017 to 4.4x1017 C/cm². The typical “window” pattern consisted of 2 × 2, or 3 x 3 μm² areas, with 60 or 110 nm SiO2 thicknesses, alternated with the thicker regions (240nm). For both investigations, C was implanted in samples kept at 600ºC, and a final annealing was carried out at 1250ºC, for 2 hours, under an air flow containing 1% O2. TEM demonstrated only SiC precipitates, misaligned from the Si matrix, for the 190nm SiO2 cap. A result totally different from those obtained in previous works (in which the SiO2 caps had always 110nm), where an SiC epitaxial layer of ~50nm was obtained. However, for the 240 nm layer, a 5-7nm interfacial SiC epitaxial layer was again synthesized. By RBS/C measurements, the samples crystalline quality was evaluated, and by ERDA, it was measured the C in the sacrificial cap and in the Si substrate. It was observed a channeling of ~60% for the interfacial SiC epitaxial layer, and a high amount of C near the SiO2/Si interface for this thicker oxide sample (~240nm), which demonstrates its high mobility in the oxide during hot implantation and annealing. To explain the results, we have modeled that two mechanisms for the SiC synthesis are possible: by direct implantation of C into Si, converting it to SiC (dominant in the 110 nm caps); or by migration of C by SiO2, which, upon reaching the SiO2/Si interface, reconstructs it by conversion to SiC (dominant in 240nm caps). 9 TEM in the samples with the lithographic pattern demonstrated a continuous SiC layer only for the samples with 60nm-SiO2 "windows" (and for the regions under them), however, for the case of the 110nm-SiO2 "windows", only misaligned SiC precipitates were synthesized, in opposite to expectations based on previous work (110nm caps). These results revealed the existence of an additional mechanism on producing a "window" pattern in the cap, namely the lateral carbon redistribution by the SiO2 side of the interface. This lateral diffusion through the oxide drastically interferes in the synthesis compared to the case of an uniform SiO2 thickness.