窒化膜付きシリコン (Si₃N₄)
LPCVDまたはPECVD窒化シリコン（Si₃N₄）膜付きシリコンウェーハ — 20nm～2μmの化学量論的および低応力配合。MEMS、パッシベーション、ハードマスク用途向けの高絶縁耐力、優れた拡散バリア、選択的エッチング特性。ウェーハスケールエリプソメトリおよび応力測定付き。
シリコン上の窒化ケイ素とは？
窒化ケイ素（Si₃N₄）は、化学気相成長（CVD）によってシリコンウェーハ上に成膜される緻密で化学的に不活性な誘電体膜である。基板を消費して成長する熱酸化 SiO₂ とは異なり、Si₃N₄ は堆積膜であり、厚さ、組成、応力を独立に制御できる。その卓越した特性——拡散バリア効果、高い絶縁耐力、選択的エッチング耐性、調整可能な機械的応力——により、SiO₂ に次いでシリコンプロセスで最も汎用性の高い誘電体となっている。
二つの主要な成膜経路は、それぞれ異なる用途に用いられる。約 820°C の LPCVD（低圧 CVD）は、緻密で化学量論的な Si₃N₄ を生成し、最も高い耐薬品性と最も低い水素含有量を実現する——MEMS 構造層や KOH ハードマスクに最適である。250–400°C の PECVD（プラズマ支援 CVD）は、温度に敏感な構造（メタライゼーション後のパッシベーション）上への成膜を可能にし、より高い成膜速度と、RF 電力およびガス比の調整による圧縮から引張までの応力調整が可能である。
GINECHIP は、化学量論的（n ≈ 2.0）および低応力シリコンリッチ（n ≈ 2.2–2.4）の処方による LPCVD および PECVD 窒化ケイ素ウェーハを供給している。すべてのロットには、エリプソメトリーによる厚さと屈折率のマッピング、ウェーハ曲率による応力測定、BOE エッチングレート検証が含まれる。ISO 9001:2015 認証の成膜設備により、完全なトレーサビリティを確保している。
LPCVD と PECVD の窒化ケイ素
LPCVD と PECVD の窒化膜の選択には、膜品質、熱バジェット、機械的応力の間の根本的なトレードオフが伴う。以下の表は、プロセス選定の指針となる包括的な比較を示す。
| 特性 | LPCVD (DCS/NH₃) | PECVD (SiH₄/NH₃) |
|---|---|---|
| 成膜温度 | 780–850°C (typically 820°C) | 250–400°C |
| 膜密度 | 3.1 g/cm³（バルク Si₃N₄ に近い） | 2.4–2.8 g/cm³ (less dense) |
| 屈折率 | 2.00 ± 0.02（化学量論） | 1.90–2.10（SiH₄/NH₃ 比により変動） |
| 膜応力（化学量論） | 800–1200 MPa 引張 | –200 ～ +200 MPa（圧縮から引張まで調整可能） |
| 低応力処方 | < 50 MPa tensile (Si-rich, n ≈ 2.2–2.4) | < 100 MPa（低 RF デュアル周波数） |
| ウェーハ面内均一性 | ±2%（横型炉） | ±3–5%（平行平板または ICP リアクター） |
| 水素含有量 | 1–3 at% (Si–H, N–H bonds) | 10–25 at%（Si–H、N–H の取り込みが多い） |
| エッチングレート（5:1 BHF、25°C） | 0.5–1.5 nm/min (very low) | 20–200 nm/min（密度により変動） |
| KOH エッチング選択比（Si:Si₃N₄） | >1000:1（優れたマスク） | 10:1 – 100:1 (porous, poor mask) |
| HF 耐性 | 優れている（希釈 HF にほぼ耐性） | 不良～中程度 |
| ステップカバレッジ / コンフォーマリティ | >95%（優れたコンフォーマリティ） | 60–85%（中程度、側壁が薄い） |
| 成膜速度 | 3–5 nm/min | 50–200 nm/min |
| ウェーハボウへの影響 | 厚膜（>200nm）で顕著 | 管理可能（低温、応力調整可能） |
| 最適用途 | MEMS、ハードマスク、拡散バリア、CMP ストップ層 | パッシベーション、層間絶縁膜、低温封止 |
Si₃N₄/Si 材料スタック構造
成膜された窒化ケイ素膜。緻密で化学的に不活性、優れた拡散バリア。最大の耐薬品性のための化学量論（n=2.0）、または制御された低引張応力のためのシリコンリッチ（n=2.2–2.4）が利用可能。
すべての標準径と方位の単結晶シリコン基板。両面研磨ウェーハでは、応力をバランスさせウェーハボウを最小化するために両面に窒化膜を成膜できる。
窒化ケイ素における膜応力エンジニアリング
Si₃N₄ 膜の機械的応力の制御は、MEMS の構造的完全性、厚膜のクラック防止、リソグラフィオーバーレイのためのウェーハボウ管理にとって極めて重要である。化学量論的 LPCVD Si₃N₄は本質的に高い引張応力（800–1200 MPa）を有し、ベアシリコン上で約 200nm を超える膜ではクラックが生じる可能性がある。GINECHIP は二つの応力制御戦略を提供する：
シリコンリッチ LPCVD 窒化膜
LPCVD 中で DCS:NH₃ ガス比を高めると、屈折率 2.2–2.4 のシリコンリッチな SiNx 膜が得られ、引張応力は < 50 MPa まで低減される。これは、平坦性が最重要となる MEMS メンブレンやカンチレバーにおける業界標準の手法である。
デュアル周波数 PECVD
PECVD では、イオン衝撃（HF 電力）による圧縮応力と、膜の収縮（LF 電力）による引張応力をバランスさせることができる。デュアル周波数リアクターはイオンエネルギーとラジカルフラックスを独立に制御し、300–400°C で < 100 MPa の膜を実現する。
応力緩和アニール
成膜後に N₂ 雰囲気中、1000–1100°C で急速熱アニール（RTA）を行うと、粘性流動と水素脱離により LPCVD 窒化膜の引張応力を部分的に緩和できる。通常、成膜ままの値から応力を 30–50% 低減する。
用途と市場セグメント
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.
技術仕様
| パラメータ | 利用可能な範囲 / 値 |
|---|---|
| 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) |
計測と品質保証
窒化ケイ素膜の品質は、LPCVD 膜と PECVD 膜の両方に最適化された包括的な計測プロトコルによって検証される。各ロットには完全な分析証明書（CoA）が添付される。
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