CHARACTERIZATION OF INTRINSIC STRESSES OF PECVD SILICON NITRIDE FILMS DEPOSITED IN A HOT-WALL REACTOR

Résumé
Les contraintes intrinsèques dans les films de Si₃N₄ obtenus par CVD assistée par plasma peuvent entraîner des ruptures durant l'élaboration et durant l'utilisation. L'influence des paramètres de dépôt a été étudiée en insistant sur celle de paramètres peu ou jamais signalés dans la littérature. Le nitrure de silicium a été déposé sur des substrats de silicium à partir de SiH₄/NH₃ avec ou sans H₂ dans un four à parois chaudes avec un système multi-électrode (température : 350°C, fréquence 50 kHz). Les contraintes intrinsèques (σi) décroissent exponentiellement avec la pression totale (P) suivant la relation σi = 24.7 exp (-1.265P). Elles augmentent linéairement avec l'introduction d'azote dans le mélange gazeux et dépendent du rapport SiH₄/NH₃. L'accroissement de la distance inter-électrodes provoque leur décroissance. Il n'y a pas de corrélation entre les contraintes et la teneur en hydrogène des films de nitrure de silicium. Les contraintes mécaniques ont été déterminées par la technique des franges de Newton et profilométrie. L'épaisseur du film a été mesurée par ellipsométrie à 632.8nm. La spectroscopie IR(FT) a été utilisée pour déterminer la teneur en hydrogène des films.

Abstract
Intrinsic stresses in PECVD silicon nitride films can cause failure to occur both during device processing and in service. The relevant deposition parameters influencing the intrinsic stresses of the plasma deposited silicon nitride films have been investigated. Emphasis is given to the parameters which were superficially or never reported in the literature. The silicon nitride films were deposited on 4-inch silicon substrates from SiH₄ and NH₃ with or without N₂ in a horizontal hot-wall reactor with a multielectrode system. The temperature of deposition was typically 350 °C and the rf frequency 50 kHz. It is shown that the intrinsic stresses (σ_i) of plasma silicon nitride films decrease exponentially with the total gas pressure (P) of the glow discharge, following the relation : σ_i = 24.7 exp(-1.265.P). The intrinsic stresses of the PECVD silicon nitride films increase linearly with the nitrogen incorporation into the gas mixture and depend on the SiH₄/NH₃ gas ratio. With increasing the interelectrode distance, the intrinsic stresses of the plasma nitride layers decrease. It is further shown that there is no correlation between the intrinsic stresses and the hydrogen content of the plasma silicon nitride films. The mechanical stresses in the films were determined by the Newton's fringes technique and a surface profiler. The film thickness was measured by ellipsometry at a wavelenght of 632.8 nm. FTIR spectroscopy was used to measure the hydrogen content of the plasma nitride films.