Nitrid auf Silizium (Si₃N₄)
Wafer mit Si₃N₄ (LPCVD/PECVD) 20nm–2μm. Für MEMS, Passivierung, Hartmasken.
Was ist Siliziumnitrid auf Silizium?
Siliziumnitrid (Si₃N₄) ist eine dichte, chemisch inerte dielektrische Schicht, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf Silizium-Wafern abgeschieden wird. Anders als thermisches SiO₂, das durch Verbrauch des Substrats wächst, ist Si₃N₄ eine abgeschiedene Schicht — was eine unabhängige Steuerung von Dicke, Zusammensetzung und Spannung ermöglicht. Seine außergewöhnlichen Eigenschaften — Diffusionsbarriere-Wirkung, hohe Durchschlagfestigkeit, selektiver Ätzwiderstand und einstellbare mechanische Spannung — machen es nach SiO₂ zum vielseitigsten Dielektrikum in der Siliziumprozessierung.
Die beiden dominanten Abscheidewege dienen unterschiedlichen Anwendungen: LPCVD (Niederdruck-CVD) bei ~820°C erzeugt dichtes, stöchiometrisches Si₃N₄ mit höchster Chemikalienbeständigkeit und niedrigstem Wasserstoffgehalt — ideal für MEMS-Strukturschichten und KOH-Hartmasken. PECVD (plasmaunterstütztes CVD) bei 250–400°C ermöglicht die Abscheidung auf temperaturempfindlichen Strukturen (Passivierung nach der Metallisierung) mit höheren Abscheideraten und über RF-Leistung und Gasverhältnisse einstellbarer Spannung von Druck- bis Zugspannung.
GINECHIP liefert LPCVD- und PECVD-Siliziumnitrid-Wafer in stöchiometrischer (n ≈ 2.0) und spannungsarmer, siliziumreicher (n ≈ 2.2–2.4) Formulierung. Jede Charge umfasst Ellipsometrie-Mapping von Dicke und Brechungsindex, Spannungsmessung über die Waferkrümmung und BOE-Ätzratenverifizierung. ISO 9001:2015-zertifizierte Abscheidungsanlagen mit vollständiger Rückverfolgbarkeit.
LPCVD vs. PECVD Siliziumnitrid
Die Wahl zwischen LPCVD- und PECVD-Nitrid beinhaltet grundlegende Kompromisse zwischen Schichtqualität, thermischem Budget und mechanischer Spannung. Die folgende Tabelle bietet einen umfassenden Vergleich zur Prozessauswahl.
| Eigenschaft | LPCVD (DCS/NH₃) | PECVD (SiH₄/NH₃) |
|---|---|---|
| Abscheidetemperatur | 780–850°C (typically 820°C) | 250–400°C |
| Schichtdichte | 3.1 g/cm³ (nahezu Bulk-Si₃N₄) | 2.4–2.8 g/cm³ (less dense) |
| Brechungsindex | 2.00 ± 0.02 (stöchiometrisch) | 1.90–2.10 (variiert mit dem SiH₄/NH₃-Verhältnis) |
| Schichtspannung (stöchiometrisch) | 800–1200 MPa Zug | –200 bis +200 MPa (einstellbar von Druck- zu Zugspannung) |
| Niedrigspannungs-Formulierung | < 50 MPa tensile (Si-rich, n ≈ 2.2–2.4) | < 100 MPa (Low-RF, Dual-Frequenz) |
| Gleichmäßigkeit über den Wafer | ±2% (Horizontalofen) | ±3–5% (Parallelplatten- oder ICP-Reaktor) |
| Wasserstoffgehalt | 1–3 at% (Si–H, N–H bonds) | 10–25 at% (hohe Si–H-, N–H-Einlagerung) |
| Ätzrate (5:1 BHF, 25°C) | 0.5–1.5 nm/min (very low) | 20–200 nm/min (variiert mit der Dichte) |
| KOH-Ätzselektivität (Si:Si₃N₄) | >1000:1 (hervorragende Maske) | 10:1 – 100:1 (porous, poor mask) |
| HF-Beständigkeit | Hervorragend (nahezu immun gegen verdünntes HF) | Gering bis mäßig |
| Stufenabdeckung / Konformität | >95% (hervorragende Konformität) | 60–85% (mäßig, Seitenwand dünner) |
| Abscheiderate | 3–5 nm/min | 50–200 nm/min |
| Einfluss auf den Wafer-Bow | Erheblich bei dicken Schichten (>200nm) | Handhabbar (niedrige T, Spannung einstellbar) |
| Am besten für | MEMS, Hartmasken, Diffusionsbarrieren, CMP-Stopps | Passivierung, Zwischenmetall-Dielektrikum, Niedrig-T-Encapsulation |
Si₃N₄/Si-Materialstapel-Architektur
Abgeschiedene Siliziumnitrid-Schicht. Dicht, chemisch inert, hervorragende Diffusionsbarriere. Erhältlich stöchiometrisch (n=2.0) für maximale Chemikalienbeständigkeit oder Si-reich (n=2.2–2.4) für kontrollierte niedrige Zugspannung.
Einkristallines Siliziumsubstrat in allen Standarddurchmessern und -orientierungen. Bei doppelseitig polierten Wafern kann Nitrid auf beiden Seiten abgeschieden werden, um die Spannung auszugleichen und den Wafer-Bow zu minimieren.
Schichtspannungs-Engineering in Siliziumnitrid
Die Kontrolle der mechanischen Spannung in Si₃N₄-Schichten ist entscheidend für die strukturelle Integrität von MEMS, die Rissvermeidung in dicken Schichten und das Wafer-Bow-Management für Lithografie-Overlay. Stöchiometrisches LPCVD-Si₃N₄ ist von Natur aus stark zugspannend (800–1200 MPa), was in Schichten dicker als ~200nm auf blankem Silizium zu Rissen führen kann. GINECHIP bietet zwei Strategien zur Spannungskontrolle:
Si-reiches LPCVD-Nitrid
Eine Erhöhung des DCS:NH₃-Gasverhältnisses während des LPCVD erzeugt siliziumreiche SiNx-Schichten mit einem Brechungsindex von 2.2–2.4 und einer auf < 50 MPa reduzierten Zugspannung. Dies ist der industriestandardliche Ansatz für MEMS-Membranen und Cantilever, bei denen Ebenheit entscheidend ist.
Dual-Frequenz-PECVD
Im PECVD kann Druckspannung durch Ionenbeschuss (HF-Leistung) gegen Zugspannung durch Filmschwindung (LF-Leistung) ausgeglichen werden. Dual-Frequenz-Reaktoren ermöglichen die unabhängige Steuerung von Ionenenergie und Radikalfluss und liefern < 100 MPa Schichten bei 300–400°C.
Spannungsabbau-Glühung
Eine schnelle thermische Ausheilung (RTA) nach der Abscheidung bei 1000–1100°C in N₂-Atmosphäre kann die Zugspannung in LPCVD-Nitrid durch viskoses Fließen und Wasserstoffdesorption teilweise abbauen. Typischerweise reduziert sie die Spannung um 30–50% gegenüber den Werten nach der Abscheidung.
Anwendungen & Marktsegmente
MEMS Membranes & Structures
Low-stress LPCVD Si₃N₄ as free-standing membranes for pressure sensors, microphones, micro-hotplates, and AFM cantilevers. Stress-controlled films enable flat, crack-free membranes with diameters exceeding 1mm.
Final Passivation Layer
PECVD Si₃N₄ as the top-level hermetic passivation over completed ICs. Excellent Na⁺ and H₂O diffusion barrier protects underlying aluminum and copper metallization from corrosion and ionic contamination.
Hard Mask for Deep Etching
LPCVD Si₃N₄ hard mask for deep silicon etching (DRIE) and KOH/TMAH wet anisotropic etching. Etch selectivity of >1000:1 in KOH enables high-aspect-ratio structures for MEMS and 3D integration.
Diffusion Barrier
Dense LPCVD Si₃N₄ as a barrier against dopant diffusion, selective oxidation (LOCOS mask), and against mobile ion penetration (Na⁺, K⁺). Essential for reliable MOS device fabrication.
CMP Stop Layer
Si₃N₄ as a chemical-mechanical polishing stop in shallow trench isolation (STI) and damascene processes. High hardness and chemical resistance provide excellent polish selectivity against SiO₂ slurries.
Optical Waveguide Core
Stoichiometric Si₃N₄ as a low-loss waveguide core material for visible and near-IR photonic integrated circuits. Propagation loss < 0.1 dB/cm from 400nm to 1600nm with high Kerr nonlinearity.
Gate Dielectric (MIS/MNOS)
Ultra-thin Si₃N₄ as the charge-trapping layer in SONOS/MONOS non-volatile memory transistors and as a high-κ supplement in composite gate dielectric stacks for power devices.
Encapsulation & Barrier Coatings
Conformal PECVD Si₃N₄ encapsulation for optoelectronics (LEDs, laser facets), biomedical implant coatings, and anti-reflective coatings on solar cells. Excellent hermeticity with WVTR < 10⁻⁶ g/m²/day.
Technische Spezifikationen
| Parameter | Verfügbarer Bereich / Werte |
|---|---|
| Si₃N₄ Thickness Range | 20nm – 2μm (LPCVD); 50nm – 5μm (PECVD, on request) |
| Thickness Uniformity | ±2% within-wafer (LPCVD, Std Dev); ±3% (PECVD) |
| Refractive Index (n) | 2.00 ± 0.02 at 632.8nm (stoichiometric LPCVD Si₃N₄) |
| Dielectric Breakdown Strength | >10 MV/cm (LPCVD stoichiometric, 25°C) |
| Film Stress (LPCVD stoich.) | < 100 MPa tensile (as-deposited); adjustable via Si-rich formulation |
| Film Stress (Low-Stress) | < 50 MPa tensile (Si-rich LPCVD SiN<sub>x</sub>, n ≈ 2.2–2.4) |
| Wafer Diameters | 100mm (4″), 150mm (6″), 200mm (8″), 300mm (12″) |
| Wafer Orientations | 〈100〉, 〈111〉, 〈110〉 (double-side or single-side deposition) |
| Deposition Methods | LPCVD (820°C, DCS/NH₃), PECVD (250–400°C, SiH₄/NH₃/N₂) |
| KOH Etch Selectivity | >1000:1 Si:Si₃N₄ in 30% KOH at 80°C (LPCVD nitride) |
| TMAH Etch Selectivity | >5000:1 Si:Si₃N₄ in 25% TMAH at 80°C (LPCVD nitride) |
Messtechnik & Qualitätssicherung
Die Qualität der Siliziumnitridschicht wird durch ein umfassendes Messtechnik-Protokoll verifiziert, das sowohl für LPCVD- als auch PECVD-Schichten optimiert ist. Jede Charge wird mit einem vollständigen Analysezertifikat (CoA) geliefert.
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