Production of silicon nitride layers with stoichiometric composition and supersaturation on silicon with the help of the characteristics of magnetron discharge

Abstract

To develop an effective silicon-based light source, 30-100 nm thick layers of silicon nitride with a controlled composition and a low electrical resistivity have been obtained by the method of magnetron deposition. It has been found the conditions of magnetron discharge burning under which the samples of nitride films of SiN 1.33 with stoichiometric composition, SiN samples with 7-10% silicon supersaturation andSiNl.2 samples with 2-3% silicon supersaturation have been produced. The method of magnetron deposition of silicon nitride layers was chosen as it provides a more homogeneous distribution of elements over a layer thickness in comparison with the alternative method of chemical precipitation from the gas phase. The control over the composition of the silicon nitride layers was carried out by measuring the characteristics of magnetron discharge. It is shown that the required degree of silicon supersaturation in a layer can be controlled by the discharge voltage value at a constant nitrogen pressure. The employed method of control is more accurate than the method of spectral analysis of optical radiation of magnetron discharge plasma. The second control method provides insufficient measuring accuracy due to the low intensity of nitrogen and silicon lines in the operating range of nitrogen pressure.

Для разработки эффективного источника света на кремнии магнетронным методом осаждения получены слои нитрида кремния толщиной 30-100 нм, контролируемого состава и с пониженным электросопротивлением. Найдены условия горения магнетронного разряда, при которых были получены образцы слоев нитрида кремния стехиометрического состава SiN1.33; образцы SiN с пересыщением по кремнию около 7-10% и образцы SiN1.2 с пересыщением по кремнию 2-3%. Выбор в пользу магнетронного осаждения слоев нитрида кремния по сравнению с альтернативным методом химического осаждения из газовой фазы сделан потому, что первый способ дает более однородное распределение элементов по толщине слоя. Контроль элементного состава получаемых слоев нитрида кремния проводился методом измерения характеристик магнетронного разряда. Показано, что по величине напряжения разряда при постоянном давлении азота можно контролировать требуемую степень пересыщения кремния в слое. Используемый метод контроля точнее, чем метод спектрального анализа оптического излучения разрядной плазмы магнетрона. Во втором методе контроля недостаточная точность измерения обусловлена низкой интенсивностью линий азота и кремния в рабочем интервале давления азота.