Neue Anlage zur Herstellung hochwertiger Siliziumnitridschichten
Abb. 1: Neue PECVD-Anlage zur Abscheidung von Siliziumnitridschichten. Links ist die Waferschleuse zu sehen, die eine automatische Prozessierung von Waferbatches ermöglicht.
Abb. 2: Einfluss des Gesamtdruckes (p) während der Schichtabscheidung auf die resultierende Verspannung der Siliziumnitridschicht.
Mit der SI500D der Firma Sentech Instruments (Abb. 1) steht dem FBH eine neue Anlage zur plasmachemischen Abscheidung von Siliziumnitrid zur Verfügung, die die Möglichkeiten auf diesem Gebiet deutlich erweitert. Siliziumnitrid (SiNx [1]) wird in der III/V-Halbleitertechnologie bevorzugt als Dielektrikum, Passivierungsschicht und Maskenmaterial eingesetzt. Die übliche Herstellungsmethode ist die plasmaunterstützte chemische Abscheidung aus der Gasphase (PECVD). Die Anforderungen an die Siliziumnitridschichten umfassen neben solchen Grundeigenschaften wie Homogenität, Haftung, Dichtheit sowie thermische und chemische Stabilität vor allem die elektrische Spannungsfestigkeit. Darüber hinaus wird die mechanische Verspannung der Schicht (Stress) zunehmend zu einem wichtigen Kriterium.
Die Anlage ist mit einer ICP-Plasmaquelle (Inductively Coupled Plasma) ausgerüstet, die ein nichtthermisches Plasma hoher Dichte für die Reaktion der Ausgangsstoffe Silan und Ammoniak bereitstellt. Damit können hohe Temperaturen über 300°C vermieden werden, die in Parallelplattenreaktoren notwendig sind, um hochwertige SiNx-Schichten herzustellen. Zusätzlich kann die Energie, mit der Ionen auf den Wafer gezogen werden, über eine von der Plasmaerzeugung unabhängige hochfrequente Wechselspannung eingestellt und somit die Schichtbildung beeinflusst werden.
Siliziumnitrid kann auch als Isolator- oder Passivierungsschicht die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen beeinflussen, besonders wenn die Funktionsschichten aus piezoelektrischen Materialien wie Galliumnitrid bestehen. Mechanische Verspannungen können Ladungen generieren und dadurch die Ladungsträgerkonzentrationen im Halbleiter verändern. Demzufolge kommt dem Verspannungszustand des Materials große Bedeutung zu. Der Stress einer Schicht hat einerseits einen thermischen Ursprung, der sich aus den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von SiNx-Schicht und der Unterlage ergibt. Dieser Anteil lässt sich durch niedrige Abscheidetemperaturen verringern. Daneben existiert ein intrinsischer Anteil am Stress, der sich durch die chemische Zusammensetzung und die Struktur des SiNx ergibt. Durch Unordnung im Schichtaufbau, durch Fehlstellen bzw. Einbau von Fremdatomen kann es zu Zug- (tensil) oder Druckspannungen (kompressiv) in der abgeschiedenen Schicht kommen. Dieser Anteil lässt sich durch eine geeignete Wahl der Abscheideparameter, wie z. B. Druck, Leistung oder Silan-Ammoniak-Verhältnis beeinflussen. Abb. 2 zeigt den Einfluss des Drucks auf die Schichtspannung und verdeutlicht die Möglichkeit, einen bestimmten Stresszustand (tensil oder kompressiv) gezielt herzustellen bzw. den Stress zu minimieren. Die bei einer Temperatur von nur 130°C abgeschiedenen Schichten zeigen eine hohe Durchbruchsfeldstärke von >3 MV/cm. Die niedrige Abscheidetemperatur eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, thermisch empfindliche Lackstrukturen mit SiNx zu beschichten. Damit lassen sich z.B. Lackmasken für Gitterätzungen modifizieren und definiert einstellen.
[1] Die Bezeichnung SiNx trägt der Tatsache Rechnung, dass die chemische Zusammensetzung des Siliziumnitrids in der Regel vom stöchiometrischen Si3N4 abweicht.
FBH-Forschung: 03.01.2011