[論文レビュー] Effect of RF Sputtering Process Parameters on Silicon Nitride Thin Film Deposition

Sachin S Bharadwaj, GR Rajkumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Semiconductor materials and devices参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、窒化シリコン薄膜の堆積に向けたRFスパッタリングプロセスの最適化を目的とし、堆積出力、時間、アルゴン流量、窒素流量の4つのパラメータを対象に調査した。タグチのL9直交配列を用いた分析により、窒素流量の増加が膜の品質を著しく向上させることを特定した。その結果、抵抗率は7.85×10¹³ Ω·mに達し、屈折率は2.08にまで上昇した。また、SEMおよびXRDの結果、すべての試料でアモルファス構造が確認された。

ABSTRACT

The objective of this work was to study the RF sputtering process parameters optimisation for deposition of Silicon Nitride thin films. The process parameters chosen to be varied were deposition power, deposition duration, flow rate of argon and flow rate of nitrogen. The parameters were varied at three levels according to Taguchi L9 orthogonal array. Surface topology, film composition, coating thickness, coating resistivity and refractive index were determined using SEM, XRD, profilometer, Semiconductor device analyser and UV spectrometer respectively. The measured film thickness values ranged from 127.8nm to 908.3nm with deposition rate varying from 1.47nm/min to a maximum value of 10.1nm/min. The resistivity of the film varied between 1.53x1013ohm-m to 7.85 x1013ohm-m. Refractive index of the film was calculated to be between 1.84 to 2.08. From the results, it was seen that film properties tend to be poor when there is no nitrogen flow and tend to improve with small input of nitrogen. Also, SEM images indicated amorphous structure of silicon nitride which was confirmed by XRD pattern.

研究の動機と目的

• 高品質な窒化シリコン薄膜の堆積を目的としたRFスパッタリングプロセスのパラメータ最適化。
• 堆積出力、時間、アルゴン流量、窒素流量が膜特性に与える影響の評価。
• 望ましい電気的・光学的・構造的特性を実現するためのパラメータの最適な組み合わせの特定。
• 窒素流量が膜組成および品質に与える影響、特に窒素が欠如する状況下での影響の評価。
• 堆積パラメータと膜厚、抵抗率、屈折率といった測定可能な膜特性との相関関係の特定。

提案手法

• タグチのL9直交配列を用い、堆積出力、時間、アルゴン流量、窒素流量をそれぞれ3段階の水準で系統立てて変化させた。
• RFスパッタリング法を用い、制御されたプラズマ条件のもとでシリコン窒化膜を基板上に堆積させた。
• 膜厚はプロファイルメータを用いて測定し、127.8 nm ～ 908.3 nm の範囲の値を得た。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた表面トポロジーの分析により、アモルファスな形態が観察された。
• X線回折（XRD）を用いて膜の組成および結晶性を評価し、すべての試料でアモルファス構造が確認された。
• 半導体デバイスアナライザーを用いて抵抗率を測定し、紫外可視分光法を用いて屈折率を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒素流量の変化が、RFスパッタリング法で作製された窒化シリコン薄膜の構造的および電気的特性に与える影響は何か？
• RQ2 膜品質を最大化するための堆積出力、時間、アルゴン流量、窒素流量の最適な組み合わせは何か？
• RQ3 スパッタリングパラメータの変化が膜厚および堆積速度に与える影響は何か？
• RQ4 窒素流量と堆積された窒化シリコン薄膜の屈折率との関係は何か？
• RQ5 窒素流量が存在しない場合、抵抗率および表面形態の観点から膜品質がどの程度劣化するか？

主な発見

• 膜厚は127.8 nm ～ 908.3 nm の範囲で変動し、堆積速度は1.47 nm/min ～ 10.1 nm/min の間で変化した。
• 抵抗率は1.53×10¹³ Ω·m ～ 7.85×10¹³ Ω·m の範囲で変動し、最適な窒素流量条件下で高い抵抗率が観察された。
• 窒素流量の導入に伴い屈折率が1.84 から 2.08 に上昇し、膜の密度および組成の向上が示唆された。
• SEM画像から均一でアモルファスな表面形態が観察され、XRDパターンでは明確な回折ピークが観察されなかった。
• 窒素流量が欠如する状況では、膜の品質が著しく低下し、抵抗率が低く、組成の安定性も欠けた。
• 制御された窒素流量が膜の最適特性を実現しており、化学 stoichiometric な窒化シリコンの形成においてその重要性が示された。