Пленки нитрида кремния

Азот, как уже отмечалось, обычно считается нейтральным газом по отношению к кремнию. Однако при температурах выше 1300 °С он взаимодействует с кремнием, образуя нитрид кремния Si₃N₄.

Это взаимодействие подчиняется тем же закономерностям, которые отмечались для низкотемпературного окисления кремния. Толщина пленки логарифмически возрастает при увеличении времени взаимодействия и, например, при 1300 °С она приблизительно за полчаса вырастает до толщины 11 нм и затем практически перестает расти. Такие термически выращенные пленки отличаются высокими диэлектрическими свойствами, в частности, они могут эксплуатироваться при напряженностях поля около 10⁷ В/см, а граница раздела Si-Si₃N₄ имеет умеренный по величине электрический заряд (порядка 10¹¹ см^-2, см. далее), позволяющий использовать эти пленки в МДП структурах. Получение термических пленок Si₃N₄ реально лишь в атмосфере очень чистых азота или аммиака, поскольку даже при небольших примесях кислорода формируются пленки оксида кремния.

Химическое осаждение пленок Si₃N₄ осуществляют за счет реакции силана с аммиаком при атмосферном или пониженном давлении и температуре 700...900 °С по реакции

3 Si₃H₄ + 4 NН₃ = Si₃N₄ +12 H₂

Реакция дихлорсилана с аммиаком при пониженном давлении и температуре 700...800 °С

3 SiС1₂H₂ + 4 NН₃ = Si₃N₄ +6 HС1+6 H₂

Осаждение при пониженном давлении позволяет получить высокую однородность свойств пленок нитрида, высокую производительность процесса осаждения. 1.8 эВ.

Скорость осаждения возрастает при повышении давления и парциального давления дихлорсилана. Для получения однородных пленок выходная часть реактора нагревается сильнее для компенсации обеднения компонентами.

Химически осажденный Si₃N₄ – аморфный диэлектрик, содержит 8% водорода. Концентрация водорода растет при понижении температуры и повышении концентрации NН₃ в смеси. При повышении концентрации дихлорсилана возрастает концентрация Si, а, следовательно, ухудшаются диэлектрические свойства пленок.

Si₃N₄ применяют для пассивации поверхности полупроводниковых микросхем. Он является хорошей защитой от воздействия внешней среды.

Si₃N₄ используется также в качестве маски при локальном окислении кремния, что обусловлено его низкой скоростью окисления. Этот процесс используется в изопланарной технологии производства микросхем на биполярных транзисторах и в ряде вариантов технологии МДП-микросхем.

Установлено, что при 1200°С он окисляется приблизительно в 10, а при 1100°С в 30 раз медленнее кремния. При 1000°С кислород практически не взаимодействует с Si₃N₄. Эта особенность нитрида кремния широко используется в полупроводниковой технологии для реализации процесса локального окисления кремния (см. рис. 5.1).

Рис. 5.1. Локальное окисление кремния

В Si₃N₄ низка подвижность большинства примесей. Все перечисленные выше примеси диффундируют в Si₃N₄ настолько медленно, что для реализации практически всех требуемых режимов загонки примесей достаточную защиту обеспечивают пленки Si₃N₄ толщиной 0.1 – 0.2 мкм. Как уже отмечалось ранее, слой Si₃N₄ следует наносить поверх тонкой (до 0.1 мкм) пленки SiО₂ толщиной 50-100 нм, получаемой обычно термическим окислением. Эта пленка снижает большие механические напряжения в системе Si-Si₃N₄, которые обусловлены разницей в коэффициентах линейного расширения материалов и, вследствие большой механической прочности пленки Si₃N₄, могут привести к ее растрескиванию.

Для целей локального окисления обычно используют пленки Si₃N₄ толщиной порядка 0.2 мкм, формируемых методом химического осаждения из газовой фазы.

Окисление Si₃N₄ подчиняется общим закономерностям окисления, причем здесь наблюдается только параболический участок зависимости толщины пленки от времени окисления.