Hochtemperaturstabilität von PECVD a-SiC:H und a-SixNy:H Dünnfilmen

Abstract

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Hochtemperaturstabilität von amorphen, wasserstoffreichen Silziumcarbid (a-SiC:H) und Silizumnitrid (a-SixNy:H) Dünnschichten, die mit induktiv gekoppelter plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (ICP-CVD) auf (100) Silizumsubstrat synthetisierten wurden. Wichtige chemische und mechanische Dünnfilmeigenschaften wurden nach thermischen Ausheilschritten bis 1000 Grad Celsius bestimmt. Ziel ist es die während dem Ausheilen auftretenden Veränderungen im Schichtgefüge detailliert zu verstehen und in weitere Folge Abscheideparameter für Dünnschichten zu eruieren, die eine möglichst hohe Hydrophobitziät und einen geringen Stressgradienten in einem möglichst hohen Temperaturbereich, bzw. einen möglichst geringen mechanischen Schichtstress speziell nach einem 900 Grad Celsius-Annealing aufweisen. Zu Beginn werden erste Abscheideparameter ermittelt, um alterungsresistente Schichten zu synthetisieren. Auf Grund von Vorversuchen wird als ein konstanter Abscheideparameter ein Argonfluss von 50 sccm gewählt und bei den meisten Experimenten ein Kammerdruck von 6 mTorr. Ferner werden Schichtdicken von 300 nm angestrebt. Für Silizumnitrid-Dünnschichten ergeben sich Prozessgasflussraten von 12 sccm SiH4 und 8sccm N2 als zielführend. Eine Abscheidetemperatur von 350 Grad Celsius führt zu Schichten, welche nach dem Annealing bei Temperaturen bis 500 Grad Celsius stabil sind. Es zeigt sich, dass bei 350 Grad Celsius , 2000 W ICP-Leistung und den oben genannten Flussraten eine überlagerte RF- Tischanregung notwendig ist, um temperaturstabile a-SixNy:H Schichten bis 900 Grad Celsius zu erzeugen. Für a-SiC:H-Dünnschichten werden bei diversen getesteten Flussraten keine Alterungserscheinungen festgestellt. Im Laufe der Experimente zeigt sich jedoch, dass Flussraten von 6,5 sccm SiH4 und 13,5 CH4 die thermisch stabilsten Schichten mit höchstem kompressiven Schichtstress im abgeschiedenen Zustand bewirken. Eine Erhöhung des Prozessdrucks ergibt einen etwas flacheren Stressverlauf und geringeren tensilen Stress nach hohen Annealingtemperaturen. Wesentliche Verbesserungen bewirkt auch hier eine überlagerte Tischanregung. Bei 350 Grad Celsius , 2000 W ICP-Leistung, Flussraten wie zuvor angeführt und einer Tischanregung von 150 W können leicht tensil verspannte Schichten synthetisiert werden, die nur einen geringen Stressgradienten über die Temperatur aufweisen.

This thesis analyses the high temperature stability of hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:H) and silicon nitride (a-SixNy:H) thin films. Layers were deposited on silicon substrates using an inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition (ICP-CVD) process. After applying gradual annealing steps up to 1000 degree celsius, important thin film properties (e.g. layer stress or hydrophobicity) are measured and evaluated. It is the purpose of this thesis to understand the ongoing processes during high thermal loadings and to gain deposition parameters for films that show high hydrophobicity and low mechanical stress or only a moderate increase in film stress over a large temperature range, most preferably up to temperatures of 900 degree celsius. Long term stability of the thin films is of utmost importance for a reliable operation of MEMS devices. Therefore, deposition parameters for synthetizing thin films that show no aging effect are targeted. For silicon nitride thin films, parameters of 50 sccm Argon, a chamber pressure of 6 mTorr, flow rates of 12 sccm SiH4 and 8 sccm N2, a deposition temperature of 350 degree celsius at an inductively coupled plasma power of 2000 W showed very promising results. These layers are found to be stable up to annealing temperatures of 500 degree celsius. Additionally, it is shown, that a superimposed table excitation of 150 W allows deposition of a-SixNy:H thin films that withstand temperatures up to 900 degree celsius. For a-SiC:H thin films, no aging effects could be determined, independent of deposition parameters. Nevertheless, flow rates of 6,5 sccm SiH4 und 13,5 sccm CH4 at a temperature of 350 degree celsius, a chamber back pressure of 6 mtorr and an ICP power of 2000 W show highest compressive stress values in the as deposited state and prove to withstand high annealing temperatures. An increase of deposition pressure up to 15 mtorr shows an additional reduction of the stress gradient and leads to slightly lower tensile stress values after high temperature loading. Major improvements are shown superimposing a table power of 150 W, resulting in thin films that show low tensile stress as deposited and a very low stress gradient over temperature.