Critical Level of Nitrogen Incorporation in Silicon Oxynitride Films: Transition of Structure and Properties, toward Enhanced Anticorrosion Performance
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Silicon oxynitride (SiO x N y ) thin films are widely encountered in today’s major key enabling technologies. Exhibiting tunable properties dependent on the nitrogen content, they attract attention in applications requiring thermal stability, high dielectric constant, corrosion resistance, surface passivation, and effective ion diffusion barrier. Identification of the minimum desired level of nitrogen incorporation for each application is important for simultaneously optimizing material properties and the deposition process. In this context, we study the structural and functional properties of SiO x N y films deposited from tris(dimethylsilyl)amine (TDMSA), O 2, and NH 3, using conveniently scalable atmospheric pressure chemical vapor deposition (CVD) at moderate temperature (600–650 °C). A suite of characterization techniques including spectroscopic ellipsometry (SE), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), ion beam analyses (IBA), nanoindentation, nanoscratch, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), water wettability, surface roughness, and resistance to wet etching corrosion are implemented in order to establish the relevant structure–composition–properties correlations. The produced SiO x N y films are smooth and amorphous, exhibiting beyond state-of-the art corrosion resistance in standard though particularly aggressive hydrofluoric buffer oxide etchant (BOE) 6:1 solution, with remarkable near-zero etching rate values. Compositional trends reveal the presence of C and H atoms, yet their incorporation has insignificant effect on the films RMS roughness and wet etching corrosion resistance. Coupled SE, FT-IR, and XPS analyses reveal that the SiO x N y network appears to undergo a sharp transition between 4 and 6 atom % N, affecting hardness and Young’s modulus. Globally, material properties such as scratch resistance, surface roughness, and corrosion resistance are improved with increasing nitrogen content. Additionally, the asymmetric stretching silicon nitride (Si 3 N 4 ) FT-IR absorption at ca. 850 cm –1 is used to track the binding configuration in the amorphous SiO x N y network. Correlation of the elemental environment and chemical bonding to the corresponding process conditions can aid in identifying the process margins for desired intrinsic and/or functional properties.
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Le contrôle bibliographique ouvert
DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé ; titre concordant.
- Titre Crossref
- Critical Level of Nitrogen Incorporation in Silicon Oxynitride Films: Transition of Structure and Properties, toward Enhanced Anticorrosion Performance
- Date Crossref
- 12/04/2022
- Éditeur
- American Chemical Society (ACS)
- Type
- journal-article
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Où se fait cette recherche
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Centre National de la Recherche Scientifique pays non établi dans la noticeOrganisme public
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Université Toulouse III - Paul Sabatier pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Université Fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Institut National Polytechnique de Toulouse pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Laboratoire de Génie Chimique pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Conditions Extrêmes et Matériaux Haute Température et Irradiation pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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Université de Toulouse Laboratoire de Génie Chimique (LGC) pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Université de Pau et des Pays de l'Adour pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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CNRS-INP-UPS CIRIMAT pays non établi dans la noticeStructure de recherche
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CNRS UPR3079 CEMHTI pays non établi dans la noticeStructure de recherche
Centre National de la Recherche Scientifique, Université Toulouse III - Paul Sabatier et Université Fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées, avec 9 autres affiliations.
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