En la tecnología de semiconductores, las capas de nitruro de silicio se utilizan como dieléctricos, capas de pasivación o material de máscara. Son adecuadas como Stops de grabado (por ejemplo, en la tecnología dual damascene) y como barreras de difusión (por ejemplo, frente a iones de sodio). También existen varias aplicaciones en micromecánica, por ejemplo como material de membrana. En tecnología solar, el Si3N4 también se emplea como capa antirreflectante. La deposición se realiza bien en un
- reactor LPCVD a altas temperaturas, o
- asistida por plasma en una instalación PECVD.
Nitruro LPCVD
El nitruro LPCVD puede depositarse con muy buena reproducibilidad, alta pureza y uniformidad. Esto conduce a capas con excelentes propiedades eléctricas, muy buena cobertura de bordes, alta estabilidad térmica y bajas tasas de ataque. Sin embargo, se requieren temperaturas elevadas para la deposición y la velocidad de deposición es relativamente lenta.
La deposición consta de varios pasos: suministro de gas – adsorción de las moléculas en la superficie – reacción de los reactantes en la superficie (sin participación de los átomos del sustrato) – desorción de subproductos. Dado que la reacción en la superficie es la etapa limitante a las temperaturas dadas (se denomina controlada por reacción), el agotamiento del material reactivo por consumo y, por tanto, la aportación de gas fresco, juega un papel secundario. Por ello es posible procesar, sin gran esfuerzo, muchos obleas dispuestas una detrás de otra en el flujo de gas simultáneamente.
La formación del nitruro de silicio suele producirse a partir de diclorosilano (DCS) y amoníaco a 700-850 °C.
3 SiH2Cl2 + 4 NH3 → Si3N4 + 6 HCl + 6 H2
Sistemas LPCVD están disponibles de JTEKT Thermo Systems (anteriormente Koyo Thermo Systems). Se pueden emplear varios hornos verticales y hornos horizontales.
Nitruro PECVD
El nitruro PECVD permite una deposición más rápida, lo que posibilita capas más gruesas. La estequiometría y el esfuerzo (stress) pueden ajustarse. La cobertura de bordes es buena. Las tasas de ataque son comparativamente elevadas. El nitruro PECVD es muy adecuado para capas de pasivación.
Los precursores son normalmente silano y amoníaco. La deposición puede realizarse a temperaturas inferiores a 400 °C.
3 SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 24 H2
Sistemas de deposición PECVD.
Tensiones en la capa (stress)
Debido a las diferencias en la separación de red entre el sustrato y la capa de nitruro de silicio, así como por desorden en la estructura de la capa, defectos o la incorporación de átomos extraños, pueden formarse tensiones en la capa depositada. Se distingue entre tensión por tracción y por compresión. También son posibles tensiones térmicas debido a diferentes coeficientes de dilatación térmica de sustrato y capa.
La tensión en la capa de nitruro puede modificarse mediante varios factores:
- Relación de (DCS o) silano a NH3.
- Temperatura
- Parámetros del plasma
En la deposición térmica de nitruro de silicio (LPCVD) se forma básicamente nitruro estequiométrico con ligera tensión de tracción. Al aumentar la fracción de diclorosilano se obtiene un nitruro enriquecido en silicio, que puede ajustarse para que presente muy poco estrés. Combinado con las muy buenas propiedades del nitruro térmico, resulta interesante para micromecánica. Sin embargo, un proceso así genera muchas partículas y se necesita experiencia para operar sin interrupciones. En los hornos verticales de JTEKT Thermo Systems se puede ofrecer un proceso para nitruro de bajo estrés.
En la deposición por plasma de nitruro de silicio, el hidrógeno se incorpora fácilmente y se forman capas menos densas que suelen presentar tensión de tracción. Al aumentar la fracción de silano y al intensificar el bombardeo iónico se forma un nitruro enriquecido en silicio que es más denso y con menos estrés, posiblemente incluso con tensión de compresión. Las temperaturas de deposición más bajas estabilizan el Si3+xN4-y no estequiométrico. La composición química de la capa se puede medir mediante su índice de refracción.
Al usar plasma para la deposición de nitruro, los precursores se disocian en el plasma y se generan radicales reactivos. Esto permite la deposición a temperaturas más bajas. Según la polarización y la frecuencia de excitación del reactor de plasma, las moléculas o radicales llegan a la superficie con diferentes velocidades y energías. Esto permite desplazar el esfuerzo de la capa entre tracción y compresión. También es posible depositar multicapas que alternen capas en tracción y compresión.
Para ajustar mejor la tensión de la capa se utiliza una configuración de reactor en triode (conocida también como PECVD de doble frecuencia).
El electrodo superior se alimenta con una tensión RF a 13,56 MHz, mientras que el portamuestras se alimenta a 360 kHz. La cámara de reacción está conectada a tierra.
Con ello se puede ajustar una alta densidad de plasma mediante el generador de alta frecuencia, mientras que el generador de baja frecuencia logra acelerar iones hacia el sustrato.
Frecuencias por debajo de 1 MHz permiten que los iones sigan cambios en la dirección del plasma — a 13,56 MHz esto solo es posible para los electrones.