Einfluss von SiN y :H-Deckschichten auf das Blisterverhalten

In Kapitel 3.4 wurde gezeigt, dass Al₂O₃-Einzelschichten bei Hochtemperaturschritten mit Temperaturen über 450°C nicht feuerstabil sind, d.h. sie weisen eine Delamination von der Si-Oberfläche (blistern) sowie eine Degradation der Passivierung auf. Die Er-gebnisse weisen darauf hin, dass die Effusion von Wasserstoff oder Wasser während des Prozesses von zentraler Bedeutung für diese Effekte ist. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse zur Untersuchung des Einflusses von SiN_y:H-Deckschichten auf Delamination und Passivierung der Al₂O₃-Filme vorgestellt.

4.2.1 Einfluss von SiN

:H-Deckschichten auf das Blisterverhal-ten

Zur Untersuchung des Einflusses der SiN_y:H-Deckschicht auf das Blisterverhalten, wur-den sowohl Al₂O₃-Einzelschichten als auch Al₂O₃/SiN_y:H-Stapel mit unterschiedlichen Al₂O₃-Schichtdicken bei gleichem Feuerprofil gefeuert. Die Peaktemperatur betrug et-wa 800°C. Abb. 4.7 zeigt die Lichtmikroskopaufnahmen der Oberflächen von Al₂O₃

-(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Abbildung 4.7– Lichtmikroskopaufnahmen der Oberflächen von Al₂O₃-Einzelschichten ver-schiedener Dicke (obere Reihe) und Al₂O₃/SiN_y:H-Stapelsystemen mit verschiedenen Al₂O₃ -Schichtdicken (untere Reihe). Die Längenangabe links oben beschreibt die Dicke des Al₂O₃ -Films. Die Dicke der SiN_y:H-Deckschicht beträgt bei allen Stapeln etwa 75 nm.

4.2. HOCHTEMPERATURSCHRITTE BEI AL₂O₃/SIN_Y:H-STAPELN 107 Einzelschichten (obere Reihe) und Stapel (untere Reihe). Die Dicke der Al₂O₃-Schicht ist in der linken oberen Ecke verzeichnet. Die SiN_y:H-Schicht wurde in dem Remote-Plasma Reaktor gewachsen. Ihre Dicke ist bei allen Stapeln konstant und beträgt etwa 75 nm. Sowohl die Einzelschichten als auch die Stapel wurden vor dem Feuerschritt bei 420°C für 30 Minuten getempert. Beim Vergleich der in Abb. 4.7 dargestellten Oberflä-chen von Einzelschichten und Stapeln ist erkennbar, dass die SiN_y:H-Deckschichten zu stärkerem Blistern führen. Dies wird zum einem bei Stapeln mit 15 nm dicken Al₂O₃ -Schichten deutlich, da sie eine im Vergleich zu den Al₂O₃-Einzelschichten stärkere Dela-mination zeigen. Zum anderen ist die Oberfläche von Stapeln mit 116 nm dicken Al₂O₃ -Schichten im Vergleich zu Einzelschichten stärker gestört (vgl. Abbildungen 4.7(c)) und 4.7(f). Neben den weißen, kreisrunden Delaminationsstellen treten hier andere blau und grau reflektierende Stellen auf. Stapel mit sehr dünnen Al₂O₃-Schichtdicken von 5 nm zeigen nahezu keine Delamination. Um das Blistern von Stapeln genauer zu untersu-chen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Oberflächen der Stapel mit 29 und 116 nm Al₂O₃-Schichten durchgeführt. Abb. 4.8(a) zeigt eine REM-Aufnahme des Querschnitts eines Stapels mit 29 nm Al₂O₃ als Zwischenschicht. Dieser Querschnitt ist an einer Bruchkante aufgenommen worden und zeigt einen Ort, an dem die

Delami-(a) (b)

(c) (d) (e) (f)

Abbildung 4.8 – (a) REM-Aufnahme des Querschnitts eines Stapels mit 29 nm Al₂O₃ als Zwischenschicht. Dieser Querschnitt ist an einer Bruchkante aufgenommen worden und zeigt den Ort, an dem die Delamination beginnt; (b) REM-Aufnahme der gestörten Oberfläche eines Stapels mit 116 nm Al₂O₃; (c) bis (f) ortsaufgelöste EDX-Signalstärken der Elemente (c):

Silizium; (d) Aluminium; (e) Sauerstoff; (f) Stickstoff. Helle Bereiche stellen hohe Signalstärken dar [167].

108 KAPITEL 4. AL₂O₃/SIN_Y:H-STAPELSYSTEME nation beginnt. Auf der Aufnahme können die Al₂O₃-Zwischenschicht und die SiN_y :H-Deckschicht durch einen leichten Kontrast identifiziert werden. Die im REM gemesse-nen Dicken von etwa 28 nm bzw. 77 nm für die Al₂O₃- bzw. SiN_y:H-Schicht stimmen mit Ellipsometrie-Messungen überein. Die Aufnahme zeigt deutlich, dass der Stapel im Gesamten delaminiert ist, d.h. im Bereich der Wölbung haftet das SiN_y:H weiterhin an der Al₂O₃-Schicht. In Abb. 4.8(b) ist eine REM-Aufnahme der gestörten Oberfläche eines Stapels mit 116 nm Al₂O₃ dargestellt. Hier ist nicht die typische Wölbung des Stapels nach oben erkennbar, sondern drei im Bild gekennzeichnete Bereiche auf ver-schiedenen Höhenstufen, die den Eindruck vermitteln, dass der komplette Stapel von der Oberfläche entfernt wurde. Um diese Vermutung zu verifizieren, sind ortsaufgelöste EDX-Messungen dieses Bereichs der Oberfläche durchgeführt worden. Die Signalstärken der Elemente Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff sind jeweils einzeln in den Abbildungen 4.8(c), 4.8(d), 4.8(e) und 4.8(f) dargestellt. Die Signalstärke skaliert mit der Helligkeit, wobei weiß die maximale Signalstärke darstellt. Die drei verschiedenen Bereiche in Abb. 4.8(b) spiegeln sich ebenfalls in den EDX-Aufnahmen wider. Silizium wird in Bereich 3 stark, in Bereich 2 sehr schwach und in Bereich 1 mäßig detektiert.

Daher könnte der Stapel im inneren Bereich entfernt sein. In Bereich 2 scheint nur die Al₂O₃-Schicht und in Bereich 1 der gesamte Stapel vorzuliegen. In Bereich 1 wird das Signal durch das sich im SiN_y:H befindende Silizium wieder stärker. Die Aluminium-und Sauerstoff-Signalbilder sind ähnlich zueinander Aluminium-und zeigen, dass im inneren Bereich kein Al₂O₃ vorhanden ist. Stickstoffsignale können hauptsächlich im äußeren Bereich detektiert werden. Die EDX-Messungen zeigen, dass in Gebiet 1 der gesamte Stapel, in Gebiet 2 nur die Al₂O₃-Schicht und in Gebiet 3 keine der beiden Schichten vorliegt.

Diese Untersuchungen demonstrieren erstmalig, dass beim Feuern von Al₂O₃/SiN_y :H-Schichtstapeln mit dicken Al₂O₃-Schichten Löcher in den Stapeln entstehen, welche die Passivierung der Oberfläche drastisch reduzieren.

Die Ergebnisse der Feuerexperimente an Al₂O₃-Einzelschichten und Al₂O₃/SiN_y :H-Sta-peln zeigen, dass eine SiN_y:H-Deckschicht zu einer Verstärkung des Blisterns führt: Dies äußert sich zum einen darin, dass Delaminationen von Stapeln bereits bei geringeren Al₂O₃-Schichtdicken auftreten, als bei Einzelschichten. Zum anderen führt das Vorhan-densein der Deckschicht auf dicken Al₂O₃-Schichten zu einem „Abplatzen“ des gesamten Stapels von der Siliziumoberfläche. Das erhöhte Delaminationsverhalten durch Deck-schichten unterstützt die These, dass ausgasende Moleküle wie Wasserstoff oder Wasser aus der Al₂O₃-Schicht während des Feuerschrittes die Ursache der Delamination ist, da die SiN_y:H-Deckschichten eine zusätzliche Barriere für die ausgasenden Moleküle dar-stellen [168–170]. Dies unterstützen auch Messungen an Stapeln mit Al₂O₃-Schichten gleicher Dicke und verschiedenen SiN_y:H-Schichtdicken, die eine Erhöhung des Blisterns mit einer Zunahme der SiN_y:H-Dicke zeigen.

Das Blisterverhalten der Stapel sollte sich, analog zu dem der Al₂O₃-Einzelschichten, auch durch eine Variation der ALD-Prozesstemperatur verändern lassen, da hierbei der Wasserstoffgehalt in der Al₂O₃-Schicht modifiziert wird. Abb. 4.9 zeigt die

Lichtmikro-4.2. HOCHTEMPERATURSCHRITTE BEI AL₂O₃/SIN_Y:H-STAPELN 109

(a) (b) (c) (d)

Abbildung 4.9 – Lichtmikroskop-Aufnahmen der Oberflächen von 15 nm/85 nm dicken Al₂O₃/SiN_y:H-Schichtstapeln nach Feuern. Die Al₂O₃-Schichten sind mit ALD bei verschie-denen Temperaturen gewachsen worden: (a) 170°C; (b) 250°C; (c) 300°C; (d) 400°C.

skop-Aufnahmen der Oberflächen von 15 nm/85 nm dicken Al₂O₃/SiN_y :H-Schichtsta-peln nach Feuern in Abhängigkeit der ALD-Prozesstemperatur: (a) 170°C, (b) 250°C, (c) 300°C und (d) 400°C. Es ist deutlich zu erkennen, dass sowohl die laterale Aus-dehnung als auch die Flächendichte von Delaminationen des Stapels, erkennbar durch die weißen kreisrunden Stellen, durch höhere Temperaturen während des Wachstums der Al₂O₃-Schicht verringert werden können. Diese Ergebnisse zeigen, dass analog zu Al₂O₃-Einzelschichten auch bei Stapeln eine Korrelation von verringertem Blistern und niedrigerem Wasserstoffgehalt der Al₂O₃-Schicht vorliegt.

Zusammenfassend können zum Blisterverhalten von Al₂O₃/SiN_y:H-Stapeln folgende Aus-sagen getroffen werden: Die SiN_y:H-Deckschicht führt zu erhöhter Delamination im Ver-gleich zu Al₂O₃-Einzelschichten. Das Delaminationsverhalten des Stapels ist von der Dicke der Al₂O₃-Schicht als auch von der Temperatur während des Al₂O₃ -Schichtwachs-tums abhängig. Beide Größen modifizieren die absolute Zahl an Wasserstoffmolekü-len pro Probenoberfläche in der Al₂O₃-Schicht und unterstützen die These, dass die Delamination von aus der Al₂O₃-Schicht gasendem Wasserstoff oder Wasser während des Feuerschrittes verursacht wird. Die SiN_y:H-Deckschicht könnte als zusätzliche Bar-riere dieser Moleküle wirken und die Delamination verstärken. Um Delamination von Al₂O₃/SiN_y:H-Schichtstapel zu minimieren, sollten bei Al₂O₃-Schichten aus Plasma-ALD Prozessen entweder Schichtdicken≤10 nm oder bei höheren Schichtdicken eben-falls höhere Beschichtungstemperaturen verwendet werden.

4.2.2 Passiviereigenschaften von Al

O

/SiN

:H-Stapelsystemen