En technologie des semi‑conducteurs, les couches de nitrure de silicium sont utilisées comme diélectriques, couches de passivation ou matériaux de masque. Elles conviennent comme stops d'attaque (par ex. dans la technologie dual damascene) et comme barrières de diffusion (par ex. pour les ions sodium). Il existe également plusieurs applications en micromécanique, par ex. comme matériau de membrane. En technologie solaire, le Si3N4 est aussi utilisé comme couche anti‑réflet. Le dépôt s'effectue soit dans un
- réacteur LPCVD à haute température, soit
- assisté par plasma dans une installation PECVD.
Nitrure LPCVD
Le nitrure LPCVD peut être déposé de manière très reproductible, très pure et uniforme. Cela donne des couches aux excellentes propriétés électriques, une très bonne couverture des bords, une haute stabilité thermique et de faibles vitesses d'attaque. Toutefois, des températures élevées sont nécessaires pour le dépôt et la vitesse de dépôt est relativement lente.
Le dépôt se compose de plusieurs étapes : apport de gaz – adsorption des molécules à la surface – réaction des réactifs sur la surface (sans participation des atomes du substrat) – désorption des sous‑produits. Comme la réaction de surface est limitante à la température donnée (on parle de processus contrôlé par la réaction), l'appauvrissement en matériau réactif par consommation et donc l'apport de gaz frais joue un rôle secondaire. Il est donc possible, sans grand effort, de traiter simultanément de nombreux plaquettes disposées les unes derrière les autres dans le flux de gaz.
La formation du nitrure de silicium se fait généralement à partir de dichlorosilane (DCS) et d'ammoniac à 700-850 °C.
3 SiH2Cl2 + 4 NH3 → Si3N4 + 6 HCl + 6 H2
Des systèmes LPCVD sont disponibles auprès de JTEKT Thermo Systems (anciennement Koyo Thermo Systems). Divers fours verticaux et fours horizontaux peuvent être utilisés.
Nitrure PECVD
Le nitrure PECVD permet un dépôt plus rapide, autorisant ainsi des couches plus épaisses. La stœchiométrie et les contraintes (stress) peuvent être ajustées. La couverture des bords est bonne. Les vitesses d'attaque sont comparativement élevées. Le nitrure PECVD est très adapté aux couches de passivation.
Les précurseurs sont normalement le silane et l'ammoniac. Le dépôt peut être réalisé à des températures inférieures à 400 °C.
3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 24 H2
Installations de dépôt PECVD.
Contraintes dans la couche (stress)
En raison de différences d'espacement de réseau entre le substrat et la couche de nitrure de silicium, ainsi qu'en raison du désordre dans la structure de la couche, de défauts ou de l'incorporation d'atomes étrangers, des contraintes peuvent se développer dans la couche déposée. On distingue la contrainte de traction (tensile) et la contrainte de compression (compressive). Des contraintes d'origine thermique dues à des coefficients de dilatation thermique différents du substrat et de la couche sont également possibles.
La contrainte dans la couche de nitrure peut être modifiée par plusieurs facteurs :
- Rapport de (DCS ou) silane à NH3.
- Température
- Paramètres du plasma
Lors du dépôt thermique de nitrure de silicium (LPCVD), on obtient essentiellement un nitrure stœchiométrique avec une légère contrainte de traction. En augmentant la fraction de dichlorosilane, on obtient un nitrure enrichi en silicium, qui peut être ajusté pour présenter très peu de stress. Combiné aux très bonnes propriétés du nitrure thermique, cela est intéressant pour la micromécanique. Un tel procédé génère toutefois de nombreuses particules et il faut de l'expérience pour assurer un fonctionnement sans perturbations. Sur les fours verticaux de JTEKT Thermo Systems, un procédé pour nitrure à faible contrainte peut être proposé.
Dans le dépôt par plasma de nitrure de silicium, l'hydrogène est facilement incorporé et des couches moins denses se forment, présentant généralement une contrainte de traction. En augmentant la fraction de silane et en renforçant le bombardement ionique, on forme un nitrure enrichi en silicium, plus dense et moins contraint, éventuellement même en contrainte de compression. Les températures de dépôt plus basses stabilisent le Si3+xN4-y non stœchiométrique. La composition chimique de la couche peut être mesurée par son indice de réfraction.
Lors de l'utilisation d'un plasma pour le dépôt de nitrure, les précurseurs sont dissociés dans le plasma et des radicaux réactifs sont générés. Cela permet un dépôt à des températures plus basses. Selon la polarisation et la fréquence d'excitation du réacteur plasma, les molécules ou radicaux atteignent la surface avec des vitesses et des énergies différentes. Cela permet de déplacer la contrainte de la couche entre traction et compression. Il est également possible de déposer des multicouches alternant couches en traction et en compression.
Pour un meilleur réglage des contraintes, on utilise une configuration triode du réacteur plasma (également connue sous le nom de PECVD double fréquence).
L'électrode supérieure est alimentée par une tension RF à 13,56 MHz tandis que le porte‑échantillon est alimenté à 360 kHz. La chambre de réaction est mise à la terre.
Cela permet d'obtenir une forte densité de plasma via le générateur HF, tandis que le générateur BF permet d'accélérer les ions vers le substrat.
Des fréquences inférieures à 1 MHz permettent aux ions de suivre les changements de direction du plasma - à 13,56 MHz seuls les électrons y parviennent.