Siliciumnitrid. LPCVD und PECVD Abscheideverfahren. Stresskontrolle.
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Diffusion   Oxidation   H2-Temperung   Polyimid   Kupfer   low-k   polySilicium   Nitrid   TEOS   BPSG   LPSOG   Si3N4

Abscheidung von Siliciumnitrid-Schichten Si3N4

In der Halbleitertechnik werden Siliciumnitridschichten als Dielektrika, Passivierungsschicht oder Maskenmaterial eingesetzt. Sie sind geeignet als Ätzstopper (z.B in der Dual Damaszener-Technologie) und als Diffusionssperre (z.B. für Natriumionen). Es gibt auch mehrere Anwendungen in der Mikromechanik, z.B. als Membranmaterial. In der Solartechnik wird Si3N4 auch als Antireflexionsschicht eingesetzt. Die Abscheidung erfolgt entweder in einem

LPCVD Nitrid Reaktor PECVD Nitrid Reaktor
LPCVD Reaktor Trioden-PECVD Reaktor

LPCVD Nitrid

LPCVD Nitrid kann gut reproduzierbar, sehr rein und gleichmäßig abgeschieden werden. Das führt zu Schichten mit sehr guten elektrischen Eigenschaften, sehr guter Kantenbedeckung, hoher thermischer Stabilität und niedrigen Ätzraten. Für die Abscheidung werden allerdings hohe Temperaturen benötigt und die Abscheidung erfolgt langsamer.
Die Abscheidung besteht aus mehreren Schritten: Gaszuführung - Adsorption der Moleküle an der Oberfläche - Reaktion der Reaktanden auf der Oberfläche (ohne Beteiligung der Substratatome) - Desorption der Nebenprodukte. Da die Reaktion auf der Oberfläche bei den gegebenen Temperaturen geschwindigkeitsbestimmend ist (man nennt das reaktionskontrolliert), spielt die Verarmung an Reaktionsmaterial durch Verbrauch und somit die Zuführung von frischem Gas nur eine untergeordnete Rolle. Es ist daher möglich ohne großen Aufwand viele Wafer, die im Gasstrom hintereinander angeordnet sind, gleichzeitig zu prozessieren. Die Bildung des Siliciumnitrids erfolgt gewöhnlich aus Dichlorsilan (DCS) und Ammoniak bei 700-850°C.

3 SiH2Cl2    +     4 NH3    →    Si3N4     +    6 HCl    +     6 H2

LPCVD-Anlagen sind von der Firma Koyo Thermo Systems verfügbar. Verschiedene Vertikalöfen und Horizontalöfen können eingesetzt werden.

PECVD Nitrid

PECVD Nitrid ermöglicht eine schnellere Abscheidung, die somit dickere Schichten zuläßt. Stöchiometrie und Stress können eingestellt werden. Die Kantenbedeckung ist gut. Ätzraten sind vergleichsweise hoch. PECVD-Nitrid ist sehr gut für Passivierungschichten geeignet.
Ausgangsmaterialien sind norrmalerweise Silan und Ammoniak. Die Abscheidung kann bei Temperaturen unter 400°C stattfinden.

3 SiH4    +     4 NH3    →    Si3N4     +    24 H2

PECVD-Abscheideanlagen.

Verspannungen, Stress

Aufgrund von unterschiedlichen Gitterabständen von Substrat und Siliciumnitridschicht, sowie bedingt durch Unordnung im Schichtaufbau, durch Fehlstellen bzw. Einbau von Fremdatomen kann es zu Ausbildung von Spannungen in der abgeschiedenen Schicht kommen. Man unterscheidet Zugspannung und Druckspannung. Auch thermisch bedingte Spannungen durch unterschiedliche Ausdehungskoeffizienten von Substrat und Schicht sind möglich.
Die Spannung in der Nitridschicht kann durch mehrer Faktoren verändert werden:

Bei thermischer Siliciumnitridabscheidung (LPCVD) entsteht im Wesentlichen stöchiometrisches Siliciumnitrid mit leichter Zugspannung. Durch Erhöhung der Dichlorsilananteils kommt es zur Bildung von siliciumreichen Siliciumnitrid, das so eingestellt werden kann, dass es kaum mehr Stress aufweist. In Kombination mit den sehr guten Eigenschaften des thermischen Nitrids bietet sich eine Nutzung in der Mikromechanik an. Bei so einem Prozess entstehen allerdings viele Partikel und es wird einige Erfahrung benötigt, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Auf den Vertikalöfen von Koyo Thermo Systems kann ein Prozess für stressfreies Nitrid angeboten werden.

Bei Plasmaabscheidung von Siliciumnitrid kommt es leicht zu Einbau von Wasserstoff und es entstehen weniger dichte Schichten, die unter Zugspannung stehen. Bei Erhöhung des Silananteils, sowie bei Verstärkung des Ionenbeschusses wird ein siliciumreiches Siliciumnitrid gebildet, das dichter und stressärmer ist, evt. sogar Druckspannung aufweist. Die niedrigeren Abscheidetemperaturen stabilisieren das nichtstöchiometrische Si3+xN4-y. Meßbar ist die chemische Zusammensetzung über den Brechungsindex der Schicht.
Bei Nutzung eines Plasmas zur Abscheidung von Nitrid werden im Plasma die Ausgangsmaterialien gepalten und reaktive Radikale erzeugt. Damit wird eine Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen möglich. Je nach Polarisierung und Anregungsfrequenz des Plasmareaktores treffen Moleküle bzw. Radikale mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bzw. Energie auf die Oberfläche auf. Damit läßt sich die Schichtspannung zwischen Zug- und Druckspannung verschieben. Auch Abscheidung von Mehrfachschichten die abwechselnd Zug- und Druckspannung unterliegen ist möglich.

Zur besseren Einstellung der Schichtspannung wird eine Triodenkonfiguration des Plasmareaktors eingesetzt, auch bekannt als Doppelfrequenz-PECVD. Die obere Elektrode wird mit einer RF-Spannung von 13,56 MHz belegt, während der Probenhalter mit 360kHz beaufschlagt wird. Die Reaktionskammmer selbst ist geerdet. Damit kann über den Hochfrequenzgenerator eine hohe Plasmadichte eingestellt werden, während über den Niederfrequenzgenerator eine Beschleunigung der Ionen zum Substrat hin erreicht werden kann. Frequenzen unter 1 MHz ermöglichen es den Ionen der Richtungsänderung des Plasmas zu folgen - bei 13,56 MHz gelingt dies nur den Elektronen.

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