Нитрид на кремнии (Si₃N₄)
Пластины с Si₃N₄ (LPCVD/PECVD) 20 нм – 2 мкм. Для MEMS, пассивации, жестких масок.
Что такое нитрид кремния на кремнии?
Нитрид кремния (Si₃N₄) — плотная химически инертная диэлектрическая плёнка, осаждаемая на кремниевые пластины методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). В отличие от термического SiO₂, который растёт за счёт расхода подложки, Si₃N₄ является осаждённой плёнкой, что позволяет независимо управлять толщиной, составом и напряжением. Его исключительные свойства — эффективность диффузионного барьера, высокая электрическая прочность, устойчивость к селективному травлению и регулируемое механическое напряжение — делают его самым универсальным диэлектриком в кремниевой технологии после SiO₂.
Два основных способа осаждения служат разным применениям: LPCVD (CVD при низком давлении) при ~820°C даёт плотный стехиометрический Si₃N₄ с наивысшей химической стойкостью и наименьшим содержанием водорода — идеален для структурных слоёв MEMS и жёстких масок для KOH. PECVD (CVD, усиленное плазмой) при 250–400°C позволяет осаждать плёнки на термочувствительные структуры (пассивация после металлизации) с более высокой скоростью осаждения и регулируемым напряжением от сжимающего до растягивающего за счёт RF-мощности и соотношения газов.
GINECHIP поставляет пластины нитрида кремния LPCVD и PECVD в стехиометрическом (n ≈ 2.0) и низконапряжённом, обогащённом кремнием (n ≈ 2.2–2.4) исполнении. Каждая партия включает картирование толщины и показателя преломления методом эллипсометрии, измерение напряжения по кривизне пластины и проверку скорости травления в BOE. Оборудование для осаждения сертифицировано по ISO 9001:2015 с полной прослеживаемостью.
Нитрид кремния LPCVD и PECVD
Выбор между нитридом LPCVD и PECVD связан с принципиальными компромиссами между качеством плёнки, тепловым бюджетом и механическим напряжением. Приведённая ниже таблица даёт всестороннее сравнение для выбора процесса.
| Свойство | LPCVD (DCS/NH₃) | PECVD (SiH₄/NH₃) |
|---|---|---|
| Температура осаждения | 780–850°C (typically 820°C) | 250–400°C |
| Плотность плёнки | 3.1 g/cm³ (близко к объёмному Si₃N₄) | 2.4–2.8 g/cm³ (less dense) |
| Показатель преломления | 2.00 ± 0.02 (стехиометрический) | 1.90–2.10 (зависит от соотношения SiH₄/NH₃) |
| Напряжение плёнки (стехиометрическое) | 800–1200 MPa растягивающее | от –200 до +200 MPa (регулируемое от сжимающего до растягивающего) |
| Состав с низким напряжением | < 50 MPa tensile (Si-rich, n ≈ 2.2–2.4) | < 100 MPa (двухчастотный с низким RF) |
| Однородность по пластине | ±2% (горизонтальная печь) | ±3–5% (реактор с параллельными пластинами или ICP) |
| Содержание водорода | 1–3 at% (Si–H, N–H bonds) | 10–25 at% (высокое включение Si–H, N–H) |
| Скорость травления (5:1 BHF, 25°C) | 0.5–1.5 nm/min (very low) | 20–200 nm/min (зависит от плотности) |
| Селективность травления KOH (Si:Si₃N₄) | >1000:1 (отличная маска) | 10:1 – 100:1 (porous, poor mask) |
| Стойкость к HF | Отлично (почти невосприимчив к разбавленному HF) | От плохого до среднего |
| Покрытие ступеней / конформность | >95% (отличная конформность) | 60–85% (умеренная, боковая стенка тоньше) |
| Скорость осаждения | 3–5 nm/min | 50–200 nm/min |
| Влияние на изгиб пластины | Значительно для толстых плёнок (>200nm) | Управляемо (низкая T, регулируемое напряжение) |
| Оптимально для | MEMS, жёсткие маски, диффузионные барьеры, стоп-слои CMP | Пассивация, межслойный диэлектрик, низкотемпературная герметизация |
Архитектура стека материалов Si₃N₄/Si
Осаждённая плёнка нитрида кремния. Плотная, химически инертная, превосходный диффузионный барьер. Доступна в стехиометрическом исполнении (n=2.0) для максимальной химической стойкости или обогащённом кремнием (n=2.2–2.4) для контролируемого низкого растягивающего напряжения.
Монокристаллическая кремниевая подложка всех стандартных диаметров и ориентаций. Для двусторонне полированных пластин нитрид можно осаждать с обеих сторон, чтобы сбалансировать напряжение и минимизировать изгиб пластины.
Инженерия напряжения плёнки в нитриде кремния
Контроль механического напряжения в плёнках Si₃N₄ критичен для структурной целостности MEMS, предотвращения растрескивания толстых плёнок и управления изгибом пластины для совмещения в литографии. Стехиометрический LPCVD Si₃N₄ изначально обладает высокой растягивающей нагрузкой (800–1200 MPa), что может вызывать растрескивание плёнок толще ~200nm на чистом кремнии. GINECHIP предлагает две стратегии контроля напряжения:
Нитрид LPCVD, обогащённый кремнием
Увеличение соотношения газов DCS:NH₃ при LPCVD даёт обогащённые кремнием плёнки SiNx с показателем преломления 2.2–2.4 и растягивающим напряжением, сниженным до < 50 MPa. Это стандартный для отрасли подход для мембран и консолей MEMS, где решающее значение имеет плоскостность.
Двухчастотный PECVD
В PECVD сжимающее напряжение от ионной бомбардировки (HF-мощность) можно уравновесить растягивающим напряжением от усадки плёнки (LF-мощность). Реакторы с двойной частотой позволяют независимо управлять энергией ионов и потоком радикалов, обеспечивая плёнки < 100 MPa при 300–400°C.
Отжиг для снятия напряжений
Быстрый термический отжиг (RTA) после осаждения при 1000–1100°C в среде N₂ позволяет частично снять растягивающее напряжение в нитриде LPCVD за счёт вязкого течения и десорбции водорода. Обычно снижает напряжение на 30–50% от значений после осаждения.
Применения и рыночные сегменты
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.
Технические характеристики
| Параметр | Доступный диапазон / значения |
|---|---|
| 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) |
Метрология и обеспечение качества
Качество плёнки нитрида кремния проверяется по комплексному протоколу метрологии, оптимизированному как для плёнок LPCVD, так и для PECVD. Каждая партия поставляется с полным сертификатом анализа (CoA).
Нужны пластины Si₃N₄ для вашего процесса?
Укажите целевую толщину Si₃N₄, метод осаждения (LPCVD или PECVD), требования к напряжению (стехиометрический или низконапряжённый), диаметр пластины и количество — наши специалисты по диэлектрическим плёнкам предоставят подробное коммерческое предложение в течение 24 часов.