Silizium Wafer mit SiO2 und Si3N4

Thermische Oxidation

Einsatzbereiche

Die elektrischen (1014 - 1016 Ohm cm, Durchschlagsfestigkeit 106 - 107 V/cm, Barriere für Elektronen und Löcher aus kristallinem Si > 3 eV), mechanischen (Schmelzpunkt ca. 1700 °C) und optischen (transparent im sichtbaren sowie nahen und mittleren IR und UV-Spektralbereich) Eigenschaften von SiO2 machen es zu einem geeigneten Material für den Einsatz als dielektrische Schicht in Transistoren, Kondensatoren (DRAM) oder Flash-Speichern, als Hartmaske für Diffusions- und Implantationsprozesse bzw. nass- oder trockenchemisches Ätzen, allgemein als elektrische Isolation zwischen
Bauteilen oder Antireflexschicht auf z. B. Solarzellen.

Geforderte Schichtdicken bewegen sich von wenigen nm (gate-Oxid bei state-of-the-art CMOS-Transistoren) zu einigen μm zur elektrischen Isolation zwischen Bauteilen.

Verglichen mit gesputtertem oder CVD SiO2 zeigt thermisches SiO2 eine bessere und in höherem Grad reproduzierbare elektrische Isolation.

Technische Umsetzung

Natives (= bei Raumtemperatur an Luft gewachsenes, wenige nm dickes) und thermisches (Wachstum bei 800 ... 1200°C) Oxid sind – im Gegensatz zum kristallinen Quarz – amorphe Phasen von SiO2 ohne Fernordnung des Atomgitters. Da das Si des SiO2 beim nativen und thermischen Oxid vom Substrat stammt, wird dieses verbraucht, während die Gesamtdicke durch das Oxid wächst: Dabei benötigen 100 nm SiO2 ca. 46 nm an Si. Die Dicke des Wafers wächst dabei um ca. 54 nm.

Trockenes und nasses Oxid

Unterschieden wird u. a. zwischen trockenem Oxid bzw. dry oxide (Si + O2 -> SiO2) und – mit H2O als Prozessgas – nassem Oxid bzw. wet oxide (Si + 2 H2O -> SiO2 + 2 H2). Letzteres besitzt bei sonst gleichen Prozessparametern aufgrund der höheren Wachstumsrate eine etwas höhere Porosität und damit auch größere Ätzrate in HF.

Wachstumsrate und erreichbare Oxidschichtdicken

Zu Beginn des SiO2-Wachstums begrenzt die chemische Reaktionsrate die Wachstumsgeschwindigkeit, die Schichtdicke wächst linear mit der Zeit. Bei zunehmender Oxid-Dicke verlangsamt die Diffusion von Sauerstoff durch das bereits gewachsene Oxid zur Si/SiO2-Grenzfläche die Wachstumsrate, die SiO2-Dicke wächst jetzt nur noch mit der Quadratwurzel der Zeit.

Neben den Prozessgasen (O2/H2O) und deren Partialdruck sowie der Substrattemperatur (thermisch aktivierte Diffusions- und Reaktionsraten) hängt die Wachstumsrate des Oxids auch von der Kristallrichtung des Si-Substrats relativ zur Wachstumsrichtung, mechanischen Spannungen (bei bereits erfolgter Mikrostrukturierung des Siliciums) sowie der Dotierung ab (schnelleres Oxidwachstum z. B. aus Phosphor-dotiertem Silizium).

Unsere Silizium Wafer mit thermischem Oxid

Von uns erhalten Sie trocken (dünne SiO2 Schichten bis ca. 200 - 300 nm) oder dry/wet/dry oxidierte Silizium Wafer. Die technisch machbaren SiO2 Schichtdicken erstrecken sich von ca. 50 nm bis 3 µm.

Siliziumnitrid-Beschichtung

Anwendungsbereiche von Siliziumnitrid

Während stöchiometrisches Siliziumnitrid (Si3N4) im Werkzeugbau aufgrund seiner hohen Härte und thermischen Stabilität u. a. in extrem beanspruchten Wälzlagern oder Schneidwerkzeugen eingesetzt wird, sind es in der  Halbleitertechnik v. a. die chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften, welche dieses Material für verschiedene Einsatzbereiche interessant machen.

In integrierten Schaltungen wird amorphes Siliziumnitrid als Passivierungs- oder
Isolationsschicht, wegen seiner hohen Stabilität in alkalischen oder HF-haltigen Medien in lithografischen Prozessen als Maskierungs- und Ätzstopmaterial, wegen seiner geringen Diffusionskonstante für Sauerstoff als Maskierung für Oxidationsprozesse, und in der Fotovoltaik wegen seines einstellbaren Brechungsindex als Anti-Reflexionsbeschichtung eingesetzt.

PECVD und LPCVD Beschichtung von Siliziumnitrid

Das mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) aus SiH4 und NH3 abgeschiedene amorphe Siliziumnitrid (SiNx) enthält je nach Abscheidetemperatur und Gaszusammensetzung typischerweise 5 - 20 Atom-% Wasserstoff, welcher die offenen Bindungen absättigt und dadurch das Gitter chemisch und physikalisch stabilisiert. Mittels LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) lassen sich dichtere, H-ärmere und ätzstabilere Schichten herstellen.

SiNx kann z. B. über Fotolackmasken entweder mittels Flusssäure, oder selektiv zu SiO2 mit konzentrierter Phosphorsäure geätzt werden. Die Ätzrate von SiNx in Flusssäure hängt entscheidend von der Depositionstemperatur und dem Brechungsindex ab. Eine wasserstoffreiche Siliziumnitrid-Schicht, deponiert bei 100°C mit einem Brechungsindex von n = 1.9 hat in gepufferter Flusssäure (12.5 % HF) eine Ätzrate von mehreren 100 nm/min. Eine bei 400°C deponierte Schicht mit einem Brechungsindex von n = 2 zeigt hingegen eine Ätzrate von nur ca. 10 nm/min.

Eigenschaften von amorphem SiO2 und SiNx im Vergleich

Die Werte der folgenden Tabelle sind „typische“ Werte für amorphe SiO2- bzw. SiNx-Schichten. Je nach Wachstumsbedingungen können die  Materialeigenschaften von diesen Werten auch deutlich abweichen.

Unsere Silizium Wafer mit PECDV oder LPCVD Si3N4 / SiNx

Von uns erhalten Sie Silizium Wafer mit Siliziumnitrid entweder auf einer Seite (PECVD-Si3N4) oder beiden Seiten (LPCVD-Si3N4):