Ellipsometric and Maxwell-Garnett Model Studies of Silicon Nitride-based Bilayer Structures Elaborated by LPCVD

Abstract

У даній роботі досліджено геометричні та оптичні властивості тонких плівок оксинітриду кремнію (SiOxNy), отриманих методом низькотемпературного хімічного осадження з газової фази при зниженому тиску (LPCVD) із використанням прекурсорів SiH2Cl2, N2O та NH3 при температурі 850 °C. Для аналізу використано спектроскопічну еліпсометрію. Для моделювання було застосовано модель Максвелла– Гарнетта (MG), яка розглядає SiOxNy як гетерогенне середовище, що складається з фаз оксиду кремнію (SiO2) та нітриду кремнію (Si3N4). Основні результати: Товщина плівки залежить від швидкості подачі аміаку (NH3) та співвідношення R  NH3 / N2O – з її збільшенням товщина SiOxNy зростає. Показник заломлення при довжині хвилі 830 нм зростає зі збільшенням NH3 та знижується зі зростанням N2O, змінюючись у діапазоні від 1.458 до 1.597. Об’ємна частка компонентів (SiO2 та Si3N4) була розрахована залежно від швидкостей подачі газів, що дозволяє кількісно описати зміну оптичних властивостей плівки. Таким чином, наведені результати дозволяють визначити оптимальні параметри осадження, виходячи з цільового застосування SiOxNy-покриттів в електроніці та фотоніці.

In this work, we study the geometrical and optical properties of thin layers’ silicon oxynitride (SiOxNy) prepared by low pressure chemical vapor deposition technique from the SiH2Cl2, N2O and NH3 at 850 °C, using spectroscopic ellipsometry measurements. For this purpose, Maxwell-Garnett (MG) model was used. It is applied to silicon oxynitride, considering the material as a heterogeneous medium formed by silicon oxide (SiO2) and the silicon nitride (Si3N4). The thickness of SiOxNy films was computed based on the gas flow rate of NH3 and with the ratio R  NH3/ N2O. Moreover, its refractive index was calculated at wavelength 830 nm as a function of both gas flow rate of NH3 and N2O. In addition, the volume fraction of SiO2 and Si3N4 was evaluated versus this flow rates. It was observed that the thickness increases with increasing gas flow rate of NH3 and with the ratio R. The results also show that the refractive index decreases with gas flow rate of N2O. However, it increases with the rate of NH3, ranging from 1.458 to 1.597. Furthermore, the results proved that knowing the volume fraction of SiO2 and Si3N4 allows us to quantify the evolution of the refractive index of SiOxNy. Finally, this paper makes it possible to choose the experimental parameters of precursors deposition based on the application to which it is dedicated.