WO2001072104A1 - Procedimiento de fabricación de capas de carburo de silicio (sic) mediante implantación iónica de carbono y recocidos - Google Patents

Procedimiento de fabricación de capas de carburo de silicio (sic) mediante implantación iónica de carbono y recocidos Download PDF

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Alejandro PÉREZ RODRÍGUEZ
Christophe Serre
Alberto ROMANO RODRÍGUEZ
Juan Ramón MORANTE LLEONART
Jaume ESTEVE TINTÓ
María Cruz ACERO LEAL
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Consejo Superior De Investigaciones Científicas
Universidad De Barcelona
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Definitions

  • MEMS Micro-Electronic-Mechanical Systems
  • SiC Silicon Carbide
  • the present invention proposes a highly versatile alternative, and cheaper than current techniques for the synthesis of complex or multilayer structures based on SiC for MEMS devices, with a combination of ion implantation of C + ions and conventional annealing.
  • Many applications based on sensors and actuators are of particular interest for aggressive environments with high temperatures, high levels of vibrations or corrosive environments, such as the optimization of combustion of engines or turbines in the automobile or aerospace sectors.
  • the packages or "packaging" necessary to keep the Si-based devices within their operating range for such applications are complicated and bulky, while greatly increasing the price of the product. Many times, it is even impossible to use electronic devices, which have to be replaced by hydraulic or pneumatic mechanical systems.
  • the SiC is a wide gap semiconductor, which reduces the leakage currents as well as the noise due to the thermo-ionic generation in the devices, which together with a high thermal conductivity allows to increase the thermal range of use up to temperatures above 600 ° C (150-200 ° C in Si technology). With a critical electric field of high rupture, high saturation speed and good carrier mobility, it is a suitable candidate for power, high voltage and high frequency applications. These properties, in addition to their high mechanical, chemical and radiation resistance, mean that the replacement of Si by SiC allows a significant improvement in the performance of the devices and systems in terms of operation at high temperatures and voltages, leakage currents. , frequency response and for sensors in aggressive environments.
  • Buried layers of crystalline 3C-S ⁇ C have been synthesized by triple ion implantation at stoichiometric doses of C + in Si [P. Martin, B. Daudin, M. Dupuy, A. Ermolieff, M. Olivier, AM Papon and G. Rolland, High temperature ion beam synthesis of cubic SiC, J. Appl. Phys. 67 (6) (1990), 2908-2912.] At 860 ° C, but with a high density of maclas in the layers obtained as well as long-range defects and deep dislocations in the substrate (direct consequence of implantation at high dose).
  • polycrystalline SiC can be a particularly attractive material, especially in relation to surface micromachining techniques.
  • polycrystalline SiC can be deposited on a wide range of substrates, including sacrificial layers such as SiO 2 , by plasma-activated CVD (PE-) processes.
  • PE- plasma-activated CVD
  • CVD at atmospheric pressure (AP-CVD) or low pressure (LP-CVD), sputtering or electronic evaporation.
  • AP-CVD atmospheric pressure
  • LP-CVD low pressure
  • sputtering or electronic evaporation The structure of the layers obtained depends strongly on the technique used.
  • the present invention proposes the combination of ionic implantation of C + ions (at room temperature or at 500 ° C) with a conventional annealing (1150 ° C) for the synthesis of complex multilayer structures based on SiC.
  • a temperature and a moderate current of implantation in a multiple implantation process have allowed us to solve fundamental problems presented by the synthesized structures, making their use viable for practical applications.
  • Ionic implantation is a technique that is very well dominated in the industrial field, which is already used for the commercial production of Si substrates on insulation with oxygen implantation separation (SIMOX [PLF Hemment: Perspectives, Science and Technologies for Novel Silicon on Insulator Devices (Kluwer Academic Publishers, The Netherlands) 1999.]), and that allows to implant any type of ions just by changing the ion source. Annealing is carried out in conventional furnaces such as oxidation furnaces commonly used in semiconductor technology. It is therefore a highly versatile and cheap alternative, since it does not require the use of specialized equipment or dedicated to a single process. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the present invention relates to the use of a combination of ionic C + implants and conventional anneals for the manufacture of complex multilayer structures based on SiC.
  • This combination of very well-known techniques of Si technology provides great versatility in terms of the structure of the synthesized layers (amorphous, polycrystalline, or crystalline structure with control of the crystalline orientation; multilayers, aware layers or insulating) and allows obtaining layers with very low levels of residual stress and with very low rough surfaces and surfaces characterized by the absence of cavities (as opposed to other techniques such as CVD or MBE), the latter being very important points for viability and reliability of multilayer structures synthesized for various applications, such as MicroElectroMechanical Devices (MEMS).
  • MEMS MicroElectroMechanical Devices
  • the implantation temperature depends on the crystalline structure that is to be obtained: ambient temperature to synthesize an amorphous or polycrystalline material, high temperature if it is intended to manufacture crystalline layers [Serré, C, Pérez-Rodr ⁇ guez, A., Romano-Rodr ⁇ guez, A. , Morante, JR, Kogler, R. and Skorupa, W. Spectroscopic characterization of phases formed by high-dose carbon ion implantation in silicon, J. Appl. Phys. 77 (1995), 2978-2984.].
  • the implantation current must be kept low enough to not produce any "beam heating" effect that could alter the stability or homogeneity of the temperature during implantation (typically ⁇ 10 ⁇ Acm "2 ).
  • the second step is a standard cleaning and drying in an oven at 130 ° C for 30 'to eliminate residual moisture.In fact, due to surface damage caused by high-dose implantation, said residual moisture can cause undesirable oxidation during subsequent annealing.
  • thermal annealing is necessary. Given the conditions of the implantation, a temperature of only 1150 ° C, of 6 to 8 hours duration, is sufficient to eliminate the structural defects produced by the implantation, so that it can be performed in conventional furnaces of the oxidation furnaces type , commonly used in any clean room. Layers implanted at room temperature recrystallize in a polycrystalline form [Serré, C, Pérez-Rodr ⁇ guez, A., Romano-Rodr ⁇ guez, A., Morante, JR, Kógler, R. and Skorupa, W. Spectroscopic characterization of phases formed by high-dose carbon ion implantation in silicon, J. Appl.
  • annealing significantly improves crystallinity, achieving extremely low levels of disorientation and residual stresses. In both cases, annealing allows eliminating the extended defects inherent in an implantation process.
  • Caution It is preferable to perform annealing in an Ar environment, instead of the usual N 2 flow, to avoid possible inconvenient nitrurization effects in relation to surface damage caused by implantation.
  • Figure 1 Silicon, carbon and oxygen concentration profile as a function of depth, measured by Auger electron spectroscopy in a sample manufactured according to the implantation and annealing process described in the example of application of the invention and with the parameters of the Table 1. 3 main different zones can be seen, resulting in a multilayer structure polySi / poliSiC / Si ⁇ 2 In this example, an area rich in silicon can be seen in the SiC / SiO 2 interface. This area can be increased, reduced or even avoided by adjusting the thickness of the initial polySi layer and / or the implantation energies.
  • Figure 2 Drawing and dimensions of the multilayer structure corresponding to Figure 1.
  • Figure 3 Manufacturing process of micromechanical structures from the multilayer structure corresponding to Figure 1.
  • APPLICATION EXAMPLE Manufacture of micromechanical test structures based on SiC on insulator.
  • the starting substrate consists of a Si wafer with a thermal oxide layer of 1 ⁇ m thick, on which a polycrystalline Si layer 550 nm thick and annealed at 950 ° has been deposited by LPCVD C for 2 hours.
  • the ionic implantation was performed at 500 ° C by 4 stages according to the parameters in Table 1, with the effect of producing a buried layer of polycrystalline SiC at a depth of 250 nm and with a thickness of 300 nm. These parameters were determined by TRTM simulations [J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark, The stopping andrange ofions in solids, Pergamon Press, New York, 1985, Vol. 1.].
  • Table Figure 1 shows the Auger analysis of the obtained profile, in which the chemical compositions of the different layers can be seen after annealing at 1150 ° C for 6 hours in Ar flow.
  • the corresponding final structure is represented in Figure 2.
  • the excellent chemical stop properties ("etch-stop") of SiC have allowed micromechanical structures to be made in accordance with the process described in Figure 3, using directly derived volume micromachining techniques. of Si technology.
  • the upper Si layer acts as a reinforcement of the Al mask for the Reactive Ionic Attack (RE) processes, significantly improving the definition of the SiC structures.
  • RE Reactive Ionic Attack

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Abstract

La presente invención se refiere al uso de una combinación de implantaciones iónicas de C+ y recocidos convencionales para la fabricación de estructuras complejas multicapas basadas en SiC. Esta combinación de Técnicas muy bien conocidas de la tecnología del Si proporciona una gran verstilidad en cuando a la estructura de las capas sintetizadas (estructura amorfa, policristalina, o cristalina con control de la orientación cristalina; multicapas, capas enteradas o sobre aislante) y permite la obtención de capas con muy bajos niveles de tensión residual y con superficies e interficies de muy baja rugosidad caracterizadas por la ausencia de cavidades (a diferencia de otras técnicas como CVD o MBE), siendo estos útlimos puntos de suma importancia para la viabilidad y fiabilidad de las estructuras multicapa sintetizadas para diversas aplicaciones, como por ejemplo dispositivos MicroElectroMecánicos (MEMS).

Description

TITULO
PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE CAPAS DE Carburo de Silicio (SiC) MEDIANTE IMPLANTACIÓN IÓNICA DE CARBONO Y RECOCIDOS.
SECTOR DE LA TÉCNICA Materiales.
Sistemas Micro-Electrónico-Mecánicos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Desde los comienzos de la electrónica, la tendencia siempre ha sido a miniaturizar cada vez más los dispositivos, hasta hablar hoy en día de "microelectrónica". Esa tendencia alcanza el campo de la mecánica, con la integración en un mismo dispositivo de sistemas micromecánicos junto con su electrónica de control. Estos Sistemas Micro-Electrónico-Mecánicos (MEMS) abren nuevas perspectivas especialmente en el campo de los sensores diseñados para trabajar en entornos química y físicamente agresivos. Al mismo tiempo, levantan nuevas necesidades en cuanto a propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y químicas, así como nuevos requerimientos de fabricación al nivel de las estructuras cada vez mas complejas.
En estos aspectos, el Silicio a pesar de ser el semiconductor más empleado en la fabricación de dispositivos electrónicos, está llegando al límite de sus posibilidades. En consecuencia, existe un enorme interés por parte de las compañías y los laboratorios de investigación relacionados con dispositivos y sensores hacia semiconductores alternativos como el Carburo de Silicio (SiC) para aplicaciones en entornos química y físicamente agresivos (alta temperatura, ambientes corrosivos, presencia de radiaciones ionizantes, etc..) así como para dispositivos y sistemas de potencia y alta frecuencia. No obstante, la tecnología del SiC, todavía emergente, ve su desarrollo frenado por los precios y la escasa disponibilidad de substratos monocristalinos sobre grandes áreas.
La presente invención propone una alternativa altamente versátil, y más barata que las técnicas actuales para la síntesis de estructuras complejas o multicapas basadas en SiC para dispositivos MEMS, con una combinación de la implantación iónica de iones de C+ y recocidos convencionales. Muchas aplicaciones basadas en sensores y actuadores cobran especial interés para entornos agresivos con altas temperaturas, altos niveles de vibraciones o ambientes corrosivos, como por ejemplo la optimización de la combustión de motores o turbinas en los sectores automóvil o aerospacial. En la actualidad, los encapsulados o "packaging" necesarios para mantener los dispositivos basados en Si dentro de su rango operativo para tales aplicaciones son complicados y voluminosos, a la vez que encarecen considerablemente el producto. Muchas veces, incluso resulta imposible el uso de dispositivos electrónicos, que han de ser substituidos por sistemas mecánicos hidráulicos o neumáticos. En este sentido, la iniciativa "More Electric Aircraft" (MEA) de la US Air Forcé está estudiando la posibilidad de reemplazar la mayoría de sistemas de control mecánicos en sus aviones por unos electrónicos, directamente ubicados en los puntos críticos, lo cual resultaría en un enorme ahorro tanto de peso de las naves como de dinero (reducción de consumos, de costes de fabricación y de mantenimiento, etc.). En este marco, los semiconductores de gap ancho, y especialmente el Carburo de Silicio (SiC) representan hoy en día la alternativa más adecuada frente a las limitaciones de la electrónica basada en Si.
El SiC es un semiconductor de gap ancho, lo que reduce las corrientes de fuga así como el ruido debido a la generación termo-iónica en los dispositivos, lo cual junto con una conductividad térmica alta permite aumentar el rango térmico de utilización hasta temperaturas superiores a 600°C (150-200°C en tecnología de Si). Con un campo eléctrico crítico de ruptura elevado, velocidad de saturación alta y buenas movilidades de los portadores, es un candidato adecuado para aplicaciones de potencia, alta tensión y alta frecuencia. Estas propiedades, además de su alta resistencia mecánica, química y a radiaciones, hacen que la sustitución del Si por el SiC permite esperar una mejora significativa de las prestaciones de los dispositivos y sistemas en lo referente al funcionamiento a altas temperaturas y tensiones, corrientes de fugas, respuesta en frecuencia y para sensores en entornos agresivos.
Substratos de 2" de 6H-SÍC monocristalino (estructura cristalográfica hexagonal) se pueden encontrar comercialmente, y obleas de 4" empiezan a aparecer en el mercado, aunque la calidad cristalina de estos materiales sigue siendo relativamente pobre y su precio se mantiene extremadamente alto. La epitaxia de 3C-SÍC (estructura cristalográfica cúbica) sobre substratos de Si de grandes dimensiones es otra aproximación utilizada por varios laboratorios [S. Nishino, J. A. Po ell and H. A. Will, Production of large-area single-crystal wqfers of cubic SiC for semiconductor devices, Appl. Phys. Lett. 42 (1983), 460-462], [J.A. Powell, L.G. Matus and M.A. Kuczmarski, Growth and characterisation of cubic SiC single-crystal films on Si, J. Electrochem. Soc. 134 (1987), 1558-1565.], [I. Golecki, F. Reidinger and J. Marti.., Epitaxial monocrystalline SiC films grown on Si by law- pressure chemical vapor deposition at 750°C, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 242 (1992) 519-524.] y ya se encuentran comercialmente disponibles substratos de este tipo, aunque su calidad cristalina todavía no es lo suficientemente buena de cara a una producción industrial (cavidades, "micropipes", alta densidad de dislocaciones...). Además, su fabricación incluye etapas a muy altas temperaturas (>1300°C) y requiere el uso de equipos complejos y caros como Epitaxia por Haces Moleculares (MBE) o Depósito Químico en Fase Vapor (CVD), dedicados a este solo proceso, y cuya repetibilidad precisa de una puesta a punto y calibración delicadas de llevar a cabo. Todo ello implica bajos rendimientos de producción, y de nuevo altos precios.
Capas enterradas de 3C-SÍC cristalino se han sintetizado mediante una triple implantación iónica a dosis estequiométrica de C+ en Si [P. Martin, B. Daudin, M. Dupuy, A. Ermolieff, M. Olivier, A.M. Papón and G. Rolland, High temperature ion beam synthesis of cubic SiC, J. Appl. Phys. 67 (6) (1990), 2908-2912.] a 860°C, pero con una alta densidad de maclas en las capas obtenidas así como defectos de largo alcance y dislocaciones profundas en el substrato (consecuencia directa de la implantación a alta dosis). También se han sintetizado mediante un proceso de implantación iónica en substratos de Si a 330-440°C [J.K.N. Lindner, K. Volz, U. Preckwinkel, B. Gótz, A. Frohnwieser, B. Rauschenbach and B. Stritzker, Formation of buried epitaxial silicon carbide layers in silicon by ion beam synthesis, Materials Chemistry and Physics, 46 (1996), 147-155.] utilizando la propia corriente de implantación para calentar el substrato ("Beam Heating"). En este caso es necesario un recocido a 1250 C para disminuir los niveles de tensión y desorientación residuales, sin llegar a eliminar los defectos extendidos presentes en la capa de Si de arriba y en el substrato incluso después de 10 horas de recocido. Además, no se consigue alcanzar una temperatura de implantación constante hasta que no se haya implantado aproximadamente una tercera parte de la dosis necesaria para la nucleación del SiC, lo cual provoca importantes inhomogeneidades estructurales a lo largo del perfil de implantación. Tal variación de la calidad cristalina con la profundidad parece ser inherente a los procesos de "Beam Heating" [KJ. Reeson, J. Stoemenos and P.L.F. Hemment, Mechanism of buried β-SiC formation by implanted carbón in silicon, Thin
Solid Films, 191 (1990), 147-164.].
Por otra parte, para muchas aplicaciones MEMS, el SiC policristalino puede resultar un material particularmente atractivo, especialmente en relación con técnicas de micromecanización de superficie. A diferencia del 3C-SÍC o 6H-SÍC monocristalinos, el SiC policristalino se puede depositar sobre un amplio abanico de substratos, incluyendo capas de sacrificio como SiO2, mediante procesos de CVD activado por plasma (PE-
CVD), a presión atmosférica (AP-CVD) o baja presión (LP-CVD), sputtering o evaporación electrónica. La estructura de las capas obtenidas depende fuertemente de la técnica utilizada.
La presente invención propone la combinación de la implantación iónica de iones de C+ (a temperatura ambiente o a 500°C) con un recocido convencional (1150°C) para la síntesis de estructuras complejas multicapas basadas en SiC. Respecto los desarrollos previos (citados en el parágrafo anterior), la combinación de una temperatura y una corriente moderada de implantación en un proceso de implantación múltiple nos han permitido solucionar problemas fundamentales que presentaban las estructuras sintetizadas, haciendo viable su utilización para aplicaciones prácticas. La implantación iónica es una técnica muy bien dominada en el ámbito industrial, que ya se usa para la producción comercial de substratos de Si sobre aislante con separación mediante implantación de oxígeno (SIMOX [P.L.F. Hemment: Perspectives, Science and Technologies for Novel Silicon on Insulator Devices (Kluwer Academic Publishers, The Netherlands) 1999.]), y que permite implantar cualquier tipo de iones con solo cambiar la fuente de iones. Los recocidos, se llevan a cabo en hornos convencionales como por ejemplo hornos de oxidación de uso común en la tecnología de los semiconductores. Se trata pues de una alternativa altamente versátil y barata, ya que no requiere el uso de equipos especializados ni dedicados a un único proceso. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al uso de una combinación de implantaciones iónicas de C+ y recocidos convencionales para la fabricación de estructuras complejas multicapas basadas en SiC. Esta combinación de técnicas muy bien conocidas de la tecnología del Si proporciona una gran versatilidad en cuanto a la estructura de las capas sintetizadas (estructura amorfa, policristalina, o cristalina con control de la orientación cristalina; multicapas, capas enteradas o sobre aislante) y permite la obtención de capas con muy bajos niveles de tensión residual y con superficies e interficies de muy baja rugosidad caracterizadas por la ausencia de cavidades (a diferencia de otras técnicas como CVD o MBE), siendo estos últimos puntos de suma importancia para la viabilidad y fiabilidad de las estructuras multicapa sintetizadas para diversas aplicaciones, como por ejemplo dispositivos MicroElectroMecánicos (MEMS).
DESCRIPCIÓN DETALLA A DE LA INVENCIÓN
Se trata de realizar primero una implantación múltiple secuencial de iones C+ para conseguir un perfil plano con concentración estequiométrica del SiC, cuyo grosor viene determinado por el número de implantaciones realizadas, y cuya profundidad depende de las energías escogidas. Es preciso empezar con la más profunda para evitar efectos de apantallamiento de una implantación sobre la siguiente. Las dosis de cada implantación se han de calcular en función de las energías y del substrato escogidos, para sumar una concentración total de C correspondiente a la del SiC estequiométrico. La temperatura de implantación depende de la estructura cristalina que se quiera obtener: temperatura ambiente para sintetizar un material amorfo o policristalino, alta temperatura si se pretende fabricar capas cristalinas [Serré, C, Pérez-Rodríguez, A., Romano-Rodríguez, A., Morante, J.R., Kogler, R. and Skorupa, W. Spectroscopic characterisation of phases formed by high-dose carbón ion implantation in silicon, J. Appl. Phys. 77 (1995), 2978-2984.]. En este último caso, se demostró que la nucleación directa de precipitados cristalinos de SiC durante la misma implantación es una condición imprescindible, que se cumple para temperaturas superiores a 390°C [J.K.N. Lindner, K. Volz, U. Preckwinkel, B. Gótz, A. Frohnwieser, B. Rauschenbach and B. Stritzker, Formation of buried epitaxial silicon carbide layers in silicon by ion beam synthesis, Materials Chemistry and Physics, 46 (1996), 147-155.]. Nosotros encontramos que 500°C es la temperatura óptima para evitar amorfízación, y al mismo tiempo limitar la densidad de defectos extendidos en el substrato (típicos de los procesos de implantación) así como efectos de erosión de la superficie o exodifusión del carbono hacia la superficie (temperaturas muy altas). Finalmente, la corriente de implantación debe mantenerse lo suficientemente baja para no producir ningún efecto de "beam heating" que pudiera alterar la estabilidad u homogeneidad de la temperatura durante la implantación (típicamente < 10 μA.cm"2). El segundo paso es una limpieza estándar y secado en estufa a 130°C durante 30' para eliminar la humedad residual. En efecto, debido al daño superficial producido por la implantación a alta dosis, dicha humedad residual puede provocar una oxidación indeseable durante el recocido posterior.
En caso de que se quiera sintetizar capas cristalinas o policristalinas, es preciso llevar a cabo un recocido térmico. Dadas las condiciones de la implantación, una temperatura de tan solo 1150°C, de 6 a 8 horas de duración, es suficiente para eliminar los defectos estructurales producidos por la implantación, de modo que se puede realizar en hornos convencionales de tipo hornos de oxidación, de uso común en cualquier sala blanca. Capas implantadas a temperatura ambiente recristalizan en forma policristalina [Serré, C, Pérez-Rodríguez, A., Romano-Rodríguez, A., Morante, J.R., Kógler, R. and Skorupa, W. Spectroscopic characterisation of phases formed by high- dose carbón ion implantation in silicon, J. Appl. Phys. 77 (1995), 2978-2984.]. Para las capas implantadas a 500°C, el recocido mejora notablemente la cristalinidad, consiguiéndose niveles de desorientación y tensiones residuales extremadamente reducidos. En ambos casos, el recocido permite eliminar los defectos extendidos inherentes a un proceso de implantación. Precaución: es preferible realizar el recocido en ambiente de Ar, en lugar del habitual flujo de N2, para evitar posibles efectos de nitrurización inoportunos en relación con el daño de la superficie causado por la implantación. Entre las principales ventajas de la invención aquí descrita podemos destacar:
- el hecho de usar técnicas muy bien conocidas y equipos relativamente sencillos y comunes en la industria de la microelectrónica, así como el poder usar temperaturas sensiblemente más bajas de lo habitual (<1150°C frente a la necesidad de etapas >1300°C en otros procesos), todo ello repercutiendo favorablemente sobre los costes de producción,
- los bajos niveles de tensión y desorientación residuales y la calidad de las interficies (ausencia de cavidades, micropipas, dislocaciones...), siendo estas características fundamentales para la viabilidad y fiabilidad de futuras aplicaciones MEMS,
- su gran versatilidad, siendo posible fabricar estructuras complejas multicapas muy variadas basadas en SiC amorfo, policristalino, o cristalino con distintas orientaciones (<100>, <111>), como capas enterradas (pudiendo atacar u oxidar la capa superior) o superficiales, en substratos de Si o sobre aislante (capas de SiO2 de sacrificio, estructuras SiC sobre aislante (SICOI)), etc..
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS:
Figura 1: perfil de concentraciones de silicio, carbono y oxígeno en función de la profundidad, medido por espectroscopia de electrones Auger en una muestra fabricada según el proceso de implantaciones y recocido descrito en el ejemplo de aplicación de la invención y con los parámetros de la tabla 1. Se pueden apreciar 3 principales zonas distintas, dando lugar a una estructura multicapa poliSi/poliSiC/Siθ2. En este ejemplo, se puede apreciar una zona rica en silicio en la interficie SiC/SiO2. Esta zona se puede aumentar, reducir o incluso evitar ajusfando el grosor de la capa inicial de poliSi y/o las energías de implantación. Figura 2: dibujo y dimensiones de la estructura multicapa correspondiente a la figura 1. Figura 3: proceso de fabricación de estructuras micromecánicas a partir de la estructura multicapa correspondiente a la figura 1.
(a): fotolitografía mediante una fotoresina y una máscara de aluminio.
(b): apertura de las ventanas mediante procesos de Ataque Iónico Reactivo (RTE). (c): ataque anisotrópico en TMAH. En la misma etapa, se liberan las estructuras a la vez que se elimina la capa de Si superficial. La propia capa estructural de SiC actúa como "auto-etch-stop" gracias a la excelente selectividad de ataque del TMAH con respecto al SiC.
(d): eliminación de la capa de sacrificio de óxido de silicio con un ataque en ácido fluorídrico (HF) al 10%. Figura 4:_fotografía en microscopía electrónica de barrido de los puentes y voladizos de SiC. La base de las estructuras está asentada sobre soportes de SiO2, lo que asegura su aislamiento respecto al substrato de Si. En esta fotografía, se puede observar que algunas estructuras están pegadas al fondo de ataque, debido a un conocido efecto de "sticking", típico de los procesos de ataque químicos húmedos. La ausencia de una curvatura detectable en las estructuras en voladizo demuestra la ausencia de efectos relacionados con gradientes de tensión en la capa de SiC, lo que confirma su viabilidad para MEMS.
EJEMPLO DE APLICACIÓN: Fabricación de estructuras micromecánicas de test basadas en SiC sobre aislante.
En este ejemplo de realización, el substrato de partida consiste en una oblea de Si con una capa de óxido térmico de lμm de grosor, sobre la cual se ha depositado por LPCVD una capa de Si policristalino de 550 nm de grosor y recocida a 950°C durante 2 horas. La implantación iónica se realizó a 500°C mediante 4 etapas según los parámetros de la tabla 1, con el efecto de producir una capa enterrada de SiC policristalino a una profundidad de 250 nm y con un grosor de 300 nm. Estos parámetros fueron determinados por simulaciones TRTM [J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. Littmark, The stopping andrange ofions in solids, Pergamon Press, New York, 1985, Vol. 1.].
Tabla
Figure imgf000010_0001
La figura 1 muestra el análisis Auger del perfil obtenido, en el que se pueden apreciar las composiciones químicas de las diferentes capas después del recocido a 1150°C de 6 horas en flujo de Ar. La estructura final correspondiente está representada en la figura 2. Las excelentes propiedades de paro químico ("etch-stop") del SiC han permitido realizar estructuras micromecánicas de acuerdo con el proceso descrito en la figura 3, usando técnicas de micromecanización en volumen directamente derivadas de la tecnología del Si. En este caso, la capa de Si superior actúa como refuerzo de la máscara de Al para los procesos de Ataque Iónico Reactivo (RE), mejorando notablemente la definición de las estructuras de SiC. Esta capa de Si se elimina luego muy fácilmente durante el mismo ataque anisotrópico con Hidróxido de Tetra Metil Amonio (TMAH) utilizado para liberar las estructuras, actuando la capa de SiC como "auto-etch-stop" gracias a sus propiedades de paro químico. Las estructuras micromecánicas así realizadas (véase figura 4) fueron utilizadas para medidas de constantes elásticas de las capas de SiC. Este ejemplo es una clara ilustración de la gran versatilidad de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de fabricación de capas de Carburo de Silicio (SiC) mediante implantación iónica de carbono y recocidos, a partir de una combinación de implantaciones iónicas de iones de C+ y de recocidos convencionales, caracterizada por el hecho de poder controlar la estructura de las capas sintetizadas, tanto a nivel cristalográfico (capas amorfas, policristalinas, o cristalinas con control de orientación) como al nivel de la organización de las capas (capas superficiales o enterradas, multicapas, etc.), mediante el control de los parámetros de implantación, de recocidos y del substrato de partida.
2. Fabricación de capas de β-SiC con control de la orientación cristalina ((100) o (111)) mediante implantación iónica y recocido, caracterizada por el hecho de que se realiza una implantación iónica múltiple de iones de C+ a 500°C y a concentración estequiométrica en substratos monocristalinos de Si con orientación
(100) o (111), empezando por la implantación más profunda, seguida de un recocido a 1150°C durante 8 horas en ambiente de Ar. El número de implantaciones y las energías dependen del grosor y de la profundidad deseadas para la capa de SiC. Las dosis correspondientes a cada etapa de implantación se han de calcular de acuerdo con dichas energías para alcanzar la concentración estequiométrica en toda la capa.
3. Fabricación de estructuras SiC sobre aislante (SiCOI: SiC/S VSi) con control de la estructura cristalina de la capa de SiC (amorfa, policristalina o cristalina con control de orientación) mediante el proceso que consiste en: 3.1. Síntesis de capas SiC en Si (descrita en las reivindicaciones 1 y 2).
3.2. Oxidación selectiva de la capa superficial de Si.
3.3. Soldadura térmica a una oblea previamente oxidada.
3.4. Ataque químico selectivo del substrato de Si de la oblea implantada.
4. Fabricación de estructuras multicapa con capas de SiC amorfo (estructuras SiC amorfo/capa intermedia/substrato de Si), mediante el proceso que consiste en:
4.1. Depósito/crecimiento de la capa intermedia en el substrato de Si. Esta capa intermedia puede ser obtenida mediante procesos compatibles con la tecnología de Si como oxidación (capa de SiO2), nitrurización, o técnicas físicas o químicas de depósito en fase vapor (evaporación, sputtering, CVD...). Las capas pueden ser de SiO2, Si3N4, oxinitruros de Si, A1N, AI2O3,...
4.2. Depósito de Si amorfo o policristalino.
4.3. Implantación iónica múltiple de iones C+ en la capa de Si a temperatura ambiente y a concentración ' estequiométrica, empezando por la implantación más profunda.
4.4. Ataque selectivo de la capa de Si amorfo superficial.
5. Fabricación de estructuras multicapa con capas de SiC policristalino (estructura SiC policristalino/capa intermedia/substrato de Si) según la reivindicación 4, caracterizada por una variación de los puntos 4.2 (depositando Si policristalino en lugar de Si amorfo) y 4.3 (implantación a 500° C en lugar de temperatura ambiente para preservar la cristalinidad de la capa) de dicha reivindicación.
6. Fabricación de estructuras con capas enterradas de SiC amorfo o policristalino, en substrato de Si (estructuras capa superficial/SiC/capa intermedia/Si), mediante la implantación iónica de una estructura multicapa (capa superficial/Si/capa intermedia/substrato) ó bien mediante el depósito de una capa superficial en la estructura obtenida según las reivindicaciones 4 ó 5.
7. Combinación de los procesos descritos en las reivindicaciones 2), 3), 4) y 5), y técnicas de crecimiento de SiC para fabricar estructuras con capas de SiC de mayor grosor, caracterizada por la síntesis de una capa de SiC según las reivindicaciones 2, 3, 4 o 5, que se usa luego como semilla para un crecimiento epitaxial de β-SiC mediante CVD ("Chemical Vapour Deposition") o MBE
("Molecular Beam Epitaxy"), eliminando la necesidad de la etapa de carbonización habitualmente requeridas por estas técnicas.
8. Combinación de los procesos descritos en las reivindicaciones 2), 3), 4) y 5), y técnicas de crecimiento de capas semiconductoras para fabricar heteroestructuras semiconductoras, como por ejemplo estructuras Si/SiC o G N/SiC, caracterizado por la utilización de la capa de SiC sintetizada por implantación iónica como capa de substrato para el crecimiento de la segunda capa semiconductora
9. Aplicación de las estructuras fabricadas de acuerdo con los procesos descritos en las reivindicaciones 1) a 8) para el diseño y fabricación de Sistemas Micro- Electro-Mecánicos (MEMS). Estas estructuras se caracterizan por la presencia de la capa de SiC, de alta estabilidad mecánica y química, y que las hace susceptibles de trabajar en ambientes agresivos tanto desde el punto de vista físico (altas temperaturas, radiaciones, vibraciones...) como químico (ambientes corrosivos...).
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