Development and physical characterization of a semi-insulating, electroactive passivation within the system Si-N-H

Abstract

Semi-isolierende dielektrische Filme haben eine wachsende Bedeutung als Abschirmung bei der Erzeugung von Leistungs-Halbleiterbauelementen. Solche elektro-aktiven Passivierungen können im System Six : Cy : Hz und Six : Ny : Hz erzeugt werden. Während Six : Cy : Hz basierende Schichten anfällig für Oxidationen sind, sollten Six : Ny : Hz basierende Schichten Vorteile in Bezug auf die Zuverlässigkeit aufweisen. Daher wird eine neue semi-isolierende Six : Ny : Hz basierende Schicht entwickelt und in Bezug auf physikalische Eigenschaften wie optische Film-Parameter Leitfähigkeit und Leitfähigkeitsmechanismen Bandlücke intrinsischer Film-Stress Feuchte- und Ätzbeständigkeit charakterisiert. Überdies werden die chemische Zusammensetzung sowie die Konfiguration der Bindungszustände analysiert. Die Schichtherstellung erfolgt mittels Plasma unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PE-CVD). Optische-Parameter werden mithilfe von Reflektometrie ermittelt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Schichtdicke, dem Brechungsindex, dem Extinktionskoeffizient und der Bandlücke. Die Parameter werden für den Wellenlängenbereich von 190-15000nm ermittelt. Elektrische Eigenschaften, wie frequenzabhängige Leitwerte und Kapazitäten werden mittels Metall-Isolator-Halbleiter und quasi Metall-Isolator-Metall Strukturen gemessen und ausgewertet. Bedeutung liegt hier auf Temperatur- und Frequenzabhängigkeiten. Der Messbereich liegt zwischen 243K bis 473K und geht von Gleichspannung bis zu 1GHz Wechselspannung. Der intrinsische Film-Stress wird mittels der Durchbiegung des Wafers nach Abscheidung einer Schicht bestimmt. Passivierungseigenschaften der Schichten werden über ihre Feuchtebeständigkeit sowie über ihre Ätzraten bestimmt. Die Feuchtebeständigkeit wird sowohl in Bezug auf Feuchteaufnahme, als auch auf Feuchtedurchlässigkeit getestet. Das Ätzverhalten der Schichten wird sowohl auf Blankscheiben als auch an Topographiestufen untersucht. Die chemische Zusammensetzung der Schichten wird mittels Time of Flight Elastic Recoil Detection Analysis ermittelt. Die Aufklärung der Bindungskonfiguration in den Schichten erfolgt mit Fourier Transformierter Infrarot Absorptions Spektroskopie. Ziel der Arbeit ist es, einen PE-CVD Prozessbereich zu definieren, in dem die elektrische Leitfähigkeit ohne Einbußen in der Feuchtebeständigkeit des Systems Six : Ny : Hz variiert werden kann.

Semi-insulating dielectric films play an increasingly important role as shielding in the fabrication of power semi-conductor devices. Such electro-active passivation films are grown in the systems Six : Cy : Hz and Six : Ny : Hz. While Six : Cy : Hz based films are prone for oxidation, Six : Ny : Hz films are suspected to improve reliability performance. Therefore a new semi-insulating Six : Ny : Hz based film will be developed and characterized by means of physical properties such as optical film parameters conductivity and conductivity mechanism band gap intrinsic film stress humidity- and etch reliability Moreover the chemical composition, as well as the bond configuration is analyzed. The film deposition is done by the use of plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD). Optical parameters are gathered by using reflectometry. Special attention is put on the film thickness, the refractive index, the extinction coefficient and the energy gap. Those parameters are measured for wavelengths between 190-15000nm. Electrical properties like frequency depending conductance and capacitance are measured by the use of metal-insulator-semiconductor structures. Attention is put on the temperature and frequency dependence. The measurement ranges from 243K to 473K and from direct current to an alternating current of 1GHz. The intrinsic film stress is calculated using the waver curvature method after deposition of a film. Passivation properties of the films are characterized via their humidity and etch reliability. Humidity reliability is tested in terms of humidity uptake as well as humidity diffusion. The etch performance is tested on planar wafers as well as on topographical test structures. The chemical composition of the film is analyzed via Time of Flight Elastic Recoil Detection Analysis. The structural characterization of the bond states in the film is done by use of Fourier transformed Infrared absorption spectroscopy. Goal of this thesis is to develop a new semi-insulating dielectric film and to define a PE-CVD process window, where the electrical conductance is tuned without drawbacks regarding humidity reliability in the system Six : Ny : Hz.