A deposição de materiais como o SiC em um substrato de Si coberto por uma camada isolante aumenta significativamente o número de aplicações. A heteroestrutura de circuitos híbridos possibilitará a combinação das capacidades da tecnologia do SiC: micromecânicas (alta dureza e resistência à corrosão química), opto-eletrônicas, capacidade de trabalho sob condições adversas, operando em situações extremas em termos de temperatura, velocidade, potência e radiação [26], com as propriedades micro-eletro-mecânicas e de alta densidade de integração alcançadas com a tecnologia de Si. Ademais, permitirá a integração da parte eletrônica de processamento com os dispositivos, como é o caso dos sensores, dispositivos emissores de luz, etc. As aplicações mais emergentes no mercado concentram-se na fabricação de sensores com lógica integrada (Smart Sensor), circuitos de potência com lógica integrada (Smart Power), sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS), que combinam lógica digital com sinais analógicos (Mixed signal), circuitos opto-eletrônicos, guias de ondas, entre outros [72].
Atualmente, em numerosos setores da indústria, principalmente automobilística e aeronáutica, existe uma importante necessidade de sensores capazes de funcionar a altas temperaturas (300-800oC) dentro de um ambiente hostil (líquido de freio, gases de escapamento, chamas, etc.). Por razões de ordem econômica e também tecnológica, estes sensores não são fabricados por métodos convencionais, onde as camadas ativas de SiC são depositadas por epitaxia CVD em um substrato de carbeto de silício hexagonal (H-SiC). Eles são produzidos como resultados de um procedimento misto, de tipo SiC/Si [73,74].
A heteroepitaxia do c-SiC sobre substrato de silício (c-SiC/Si) foi iniciada por Nishino, nos anos 80 na NASA [74]. Por causa das elevadas temperaturas da epitaxia (1360oC), do forte desajuste dos parâmetros de rede (20%) e da grande diferença dos coeficientes de dilatação térmica (8%), que existe entre os dois materiais, observa-se sempre um conjunto regular de deslocações localizadas na interface SiC/Si. Este conjunto de deslocações absorve eficazmente a maior parte das tensões residuais, mas resta ainda uma quantidade não desprezível localizada no substrato de silício e/ou na camada fina de SiC. Uma solução alternativa é portanto, depositar o SiC em um substrato mais facilmente deformável (substratos multicamadas). Em [75] é estudado o c-SiC depositado em lâminas SOI-SIMOX de duas diferentes origens. Em ambos casos, observou-se, através de simples difração de raios X (DRX), uma diminuição das tensões residuais. Este resultado foi confirmado por micro-espectroscopia Raman e a morfologia, relativamente satisfatória, dos acúmulos de tensões, foi finalmente monitorada por microscopia eletrônica de transmissão. Este trabalho conclui, que mesmo faltando muitos problemas a serem resolvidos, o SiC/SOI mostrou-se um candidato interessante para numerosas aplicações.
1.3.1 Camadas isolantes utilizadas para a fabricação de heteroestruturas SiCOI
Levando em consideração o discutido nos parágrafos anteriores, neste trabalho estudamos a deposição de a-Si1-xCx:H por PECVD em substratos de Si, cobertos por uma camada relativamente fina de isolante, sabidamente mais deformável que o Si, o que poderia permitir um melhor acoplamento dos materiais durante os recozimentos térmicos a elevadas temperaturas, para a cristalização do a-Si1-xCx:H. Isto pode levar a melhores características com relação às tensões residuais, estresse, interfaces, etc. Neste
caso, estudamos como isolante o SiO2 térmico, o oxinitreto de silício (SiOxNy) e o nitreto de silício (Si3N4), estes últimos obtidos pela técnica de PECVD, com processamentos compatíveis com as tecnologias convencionais de CI’s.
A indústria microeletrônica convencional utiliza como material dielétrico o SiO2, devido à sua afinidade com a tecnologia de silício, comportando-se como um ótimo dielétrico e mostrando-se eficiente como barreira na difusão de impurezas, ademais das boas características de interface com o silício. O SiO2 é comumente obtido por oxidação térmica do silício utilizando como espécies oxidantes o oxigênio (O2) ou água (H2O) a temperaturas relativamente altas (750-1100oC) [76]. No entanto, o nível de integração de circuitos integrados tem aumentado e os circuitos têm-se tornado cada vez mais rápidos, basicamente porque as dimensões dos componentes têm sido reduzidas. A época atual convive com dimensões nanométricas e densidade superior a centenas de milhões de dispositivos integrados em um único chip, rumo aos limites possíveis das tecnologias baseadas em Si monocristalino. Quando as dimensões dos dispositivos aproximarem-se de 0,05μm, melhorias significativas em desempenho somente virão à custa do emprego de novos materiais. Isto também atinge as tecnologias de dielétricos, pois as altas temperaturas envolvidas no crescimento do SiO2 convencional, implicariam em dificuldades de difusão lateral de dopantes, estresse térmico no substrato; além de que o substrato pode estar formado por estruturas onde alguns processos para a obtenção do dispositivo já tenham sido realizados. Outra dificuldade aparece para espessuras muito finas de SiO2, como as requeridas na microeletrônica atual; motivando, assim, a procura de novos materiais com maior constante dielétrica, que permitam o emprego de espessuras maiores em isolantes de porta [76,77].
O SiOxNy e o Si3N4, apresentam-se como alternativas de dielétricos obtidos a baixas temperaturas, pois podem ser depositados pela técnica PECVD.
O SiOxNy é um material bastante utilizado em dispositivos microeletrônicos, como por exemplo os dispositivos TFTs (Thin Film Transistors), isto se deve às características que ele apresenta de menor tensão mecânica (podendo variar de tensivo a compressivo) e de menor densidade de cargas armadilhadas na interface quando comparado com o Si3N4 [78,79].
O SiOxNy (constante dielétrica entre 3,9 e 7,0 dependendo da concentração de nitrogênio e oxigênio no filme) é um material que pode ser obtido utilizando os mesmos gases precursores utilizados na obtenção de SiO2 pela técnica PECVD, há indícios de
que o nitrogênio contido no filme funciona como passivador de estados de interface; além disso, a sua tecnologia é compatível com os processos de fabricação de CI’s e dispositivos semicondutores em Si. Outra vantagem importante é o fato de funcionar como uma barreira eficiente para a difusão de boro (B) [76,80,81]. As propriedades elétricas, mecânicas e ópticas dos filmes de SiOxNy e Si3N4 estarão determinadas em função da sua composição química, o que permitirá sua aplicação em diferentes ramos, em aplicações ópticas: membranas, filtros de índice de refração variável e guias de onda; outras aplicações aparecem no ramo dos sensores e microestruturas [82,83,84]. Uma vantagem importante destes materiais é a possibilidade de se obter um índice de refração variável entre 1,45 (do SiO2) e ~2 (do Si3N4), controlando-se a concentração de nitrogênio nos filmes. Este controle existirá também sobre propriedades como constante dielétrica e gap óptico. O fato destes materiais serem depositados mediante processos a baixas temperaturas sobre Si com elevada taxa de deposição e baixas tensões mecânicas, permitirá a integração de partes ópticas fabricadas neles e parte eletrônica de processamento comumente fabricado em Si; além disto, podem ser obtidos como materiais de elevada resistência à corrosão química [76,82,85,86].