Optoelectron. Semicond. Tech. 55, 83-108 (2020)

A.V. Sukach, V.V. Tetorkin, V.I. Ivashchenko, O.K. Porada, A.O. Kozak, A.I. Tkachuk, I.M. Matiyuk

SiCN films: preparation, properties and practical application (review)

Si-CN films exhibit high mechanical and optoelectronic properties such as photoconductivity, photoluminescence, variable energy gap in the range of 1.37-5.2 eV, high mechanical and thermal strength, low thermal expansion, which allows them to be used in semiconductor devices. and in microelectronic mechanical systems. They are obtained by chemical deposition methods, and to activate the reaction using thermal heating, plasma or ultraviolet radiation, and by physical methods of deposition at relatively low temperatures by magnetron sputtering. The structure of the films can vary from microcrystalline to amorphous, the main influence being the deposition temperature. Chemical bonding in films is carried out mainly due to the interaction of Si-N, Si-C, C-C, C-N. Despite a significant amount of experimental work to study the properties of Si-C-N films, there are virtually no studies of films deposited by plasma chemical methods using hexamethyldisilazane as the main precursor. The review analyzes the influence of the main parameters of plasma chemical deposition, such as substrate temperature, reagent flow rate, high-frequency discharge power and displacement on the substrate on the physical properties of the films. It is shown that the main mechanism of transport of charge carriers in the investigated films is the space charge limited current. Based on electrical measurements, a number of band parameters as well as parameters of deep traps in a-SiCN films were estimated for the first time.

Keywords: amorphous SiCN films, plasma chemical deposition, band parameters, trap states


1. Park J.-H., Sudarshan T.S. Surface engineering series. Volume 2. Chemical vapour deposition-Ohio. ASM International, Materials Park. 2001. 481 p.

2. Chemical vapour deposition: precursors, processes and applications. Edited by A. C. Jones and M. L. Hitchman (Eds.). - Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry, 2009. 582 p.

3. Pierson H. O. Handbook of Chemical Vapor Deposition (CVD). Principles, technology, and applications. Second edition H. O. Pierson. United States of America by Noyes Publications. William Andrew Publishing, LLC Norwich, New York, U.S.A. 1999. 506 p.

4. Wahl G., Davies P.B., Bunshah R.F. et al. Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Thin films. Wiley-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA Weinhein. 2012. 36. P. 519-587.

5. Bendeddouche A., Berjoan R., Beche E., Merle-Mejean T., Schamm S. et al. Structural characterization of amorphous SiCxNy chemical vapor deposited coatings. J. Appl. Phys. 1997. 81. P. 6147-6154.

6. Hirai T., Goto T Preparation of amorphous Si3N4-C plate by chemical vapour deposition. Journal of Materials Science. 1981. 16. P. 17-23.

7. Awad Y., El Khakani M.A., Aktik C. et al. Structural and mechanical properties of amorphous silicon carbonitride films prepared by vapor-transport chemical vapor deposition. Surf. Coat. Tech. 2009. 204. P. 539-545.

8. Bendeddouche A., Berjoan R., Beche E., Hillel R. Hardness and stiffness of amorphous SiCxNy chemical vapor deposited coatings. Surf. Coat. Tech. 1999. 111. P. 184-190.

9. Fajner N.I., Kosinova M.L., Rumyancev Yu.M. Tonkie plenki karbonitridov kremniya i bora: sintez, issledovanie sostava i struktury. Ros. him. zh. (Zh. Ros. him. ob-va im. D.I. Mendeleeva). 2001. T. XLV, № 3. S. 101-108.

10. Zhang W., Zhang K. and Wang B. Influence of temperature on the properties of SiCxNy:H films prepared by plasma-enhanced chemical vapour deposition. Mat. Sci. Engn. 1994. B26. P.133-140.

11. Swain B. P., Hwang N. M. Study of structural and electronic environments of hydrogenated amorphous silicon carbonitride (a-SiCN:H) films deposited by hot wire chemical vapor deposition. Appl. Surf. Sci. 2008. 254. P. 5319-5322.

12. Zhang D.H., Gao U.Y., Wei J., Mo Z.Q. Influence of silane partial pressure on the properties of amorphous SiCN films prepared by ECR-CVD. Thin Solid Films. 2000. 377-378. P. 607-610.

13. Cheng W., Jiang J., hang Y. Z. et al. Effect of the deposition conditions on the morphology and bonding structure of SiCN films. Mater. Chem. Phys. 2004. 85. P. 370-376.

14. Chen C.W., Huang C.C., Lin Y.Y. et al. The affinity of Si-N and Si-C bonding in amorphous silicon carbon nitride (a-SiCN) thin film. Diamond Relat. Mater. 2005. 14. P. 1126-1130.

15. Matsutani T., Yamasaki K., Tsutsui H. et al. Matsutani T., Yamasaki K., Tsutsui H. et al. Amorphous SiCN diaphragm for transmission electron microscope with environmental-cell fabricated by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Vacuum. 2013. 88. P. 83-87.

16. Izumi A., Oda K. Deposition of SiCN films using organic liquid materials by HWCVD method. Thin Solid Films. 2006. 501. P. 195-197.

17. Afanasyev-Charkin I.V. and Nastasi M. Hard Si-N-C coatings produced by pulsed glow discharge deposition. Surf. Coat. Technol. 2004. 186. P. 108-111.

18. Du X.-W., Sun Y. Fu, J. and Yao P. The evolution of microstructure and photoluminescence of SiCN films with annealing temperature. J. Appl. Phys. 2006. 99. P. 093503 (4 pp.).

19. Besling W.F.A., Goossens A., Meester B. and Schoonman J. Laser-induced chemical vapor deposition of nanostructured silicon carbonitride thin films. J. Appl. Phys. 1998. 83. P. 544-553.

20. Xie E., Ma Z., Lin H. et al. Preparation and characterization of SiCN films. Optical Materials. 2003. 23. P. 151-156.

21. Peng Y., Zhou J., Zhang Z. et al. Influence of radiofrequency power on compositional, structural and optical properties of amorphous silicon carbonitride films. Appl. Surf. Sci. 2010. 256. P. 2189-2192.

22. Shi Z., Wang Y., Du C. et al. The structure, surface topography and mechanical properties of Si-C-N films fabricated by RF and DC magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 2011. 258. P. 1328-1336.

23. Pusch C., Hoche H., Berger C. et al. Influence of the PVD sputtering method on structural characteristics of SiCN-coatings - Comparison of RF, DC and HiPIMS sputtering and target configurations. Surf. Coat. Tech. 2011. 205. P. S119-S123.

24. Shi Z., Wang Y., Huang N. et al. Microstructure, mechanical properties and wetting behavior of F: Si-C-N films as bio-mechanical coating grown by DC unbalanced magnetron sputtering. J. Allous Compouna. 2013. 552. P. 111-118.

25. Wu J.-J., Wu C.-T., Liao Y.-C. et al. Deposition of silicon carbon nitride films by ion beam sputtering. Thin Solid Films. 1999. 355-356. P. 417-422.

26. Carter G., He Z. and Colligon J.S. Ion-assisted deposition of C-N and Si-C-N films. Thin Solid Films. 1996. 283. P. 90-96.

27. Park N.-M., Kim S.H. and Sung G.Y. Band gap engineering of SiCN film grown by pulsed laser deposition. J. Appl. Phys. 2003. 94. P. 2725-2728.

28. Yamamoto K., Koga Y. and Fujiwara S. XPS studies of amorphous SiCN thin films prepared by nitrogen ion-assisted pulsed-laser deposition of SiC target. Diam. Relat. Mater. 2001. 10. P. 1921-1926.

29. Lehmann G., Hess P., Wu J.-J. et al. Structure and elastic properties of amorphous silicon carbon nitride films. Phys. Rev. B. 2001. 64. P.165305 (10 pp.).

30. Mazurenko Ye.A., Gerasimchuk A.I., Ovsyannikov V.P. Himichne osadzhennya z gazovoyi fazi, sintez funkcionalnih materialiv (oglyad). Fizika i himiya tverdogo tila. 2001. 2, № 3. S. 339 - 349.

31. Timoshenko N.I., Rebrov A.K. Kak poluchit nanostrukturnye plenki i pokrytiya iz gazovoj fazy. Elektronnyj resurs: nauchno-populyarnye materialy: obzor. Rezhim dostupa:

32. Bullot J. and Schmidt M. P. Physics of amorphous silicon-carbon alloys. Phys. Stat. Sol. B. 1987. 143. P. 345 - 418.

33. Peter S., Gunther M., Berg S. et al. Mid-frequency PECVD of a-SiCN:H films and their structural, mechanical and electrical properties. Vacuum. 2013. 90. P. 155-159.

34. Pierson H.O. Handbook of chemical vapor deposition. Noyes Publications. Park Ridge. 1992. 125 p.

35. Tehnologiya tonkih plenok. Spravochnik. Pod red. L. Majssela, R. Glenga. Nyu-Jork. 1970. Per. s angl. Pod red. M.I. Elinsona, G.G. Smolko. T. 1. M.: Sov. Radio. 1977. 664 s.

36. Azarenkov N.A., Beresnev V.M., Pogrebnyak A.D. i dr. Nanomaterialy, nanopokrytiya, nanotehnologii. Uchebnoe posobie. Harkov.:HNU im. V.N. Karazina. 2009. 209 s.

37. Chen Z., Lin H., Zhou J. et al. IR studies of SiCN films deposited by RF sputtering method. J. Alloy Compd. 2009. 487. P. 531-536.

38. Kurnosov A.I. Tehnologiya proizvodstva poluprovodnikovyh priborov i integralnyh mikroshem. Ucheb. posobie dlya vuzov. 3-e izd., pererab. i dop. -Moskva: Vyssh. shk. 1986. 368 s.

39. Smirnov V.I. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologii elektronnyh sredstv. Uchebnoe posobie. Ulyanovsk: UlGTU. 2005. 112 s.

40. Xiao X.-S., Li Ya.-W., Song L.-X. et al. Structural analysis and microstructural observation of SiCxNy films prepared by reactive sputtering of SiC in N2 and Ar. Appl. Surf. Sci. 2000. 156. P. 155-160.

41. Peng Y., Zhou J., Zhao B. et al. Effect of annealing temperature and composition on photoluminescence properties of magnetron sputtered SiCN films. Thin Solid Films. 2011. 519. P. 2083-2086.

42. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications. Vacuum. 2000. 56. P. 159-172.

43. Borisov S.F. Mezhfaznaya granica gaz-tverdoe telo: struktura, modeli, metody issledovaniya. Uchebnoe posobie. Ekaterinburg. 2001. 100 s.

44. Shayapov V.R., Rumyantsev Yu.M., Dzyuba A.A. et al. Mechanical stresses in silicon carbonitride films obtained by PECVD from hexamethyldisilazane. Appl. Surf. Sci. 2013. 265. P. 385-388.

45. Peng Y., Zhou J., Zhao B. et al. Structural and optical properties of the SiCN thin films prepared by reactive magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 2011. 257. P. 4010-4013.

46. Du X.-W., Fu Y., Sun J., Yao P. The effect of annealing atmosphere on photoluminescent properties of SiCN films. Surf. Coat. Technol. 2007. 201. P. 5404-5407.

47. Bendeddouche A., Berjoan R., Beche E. et al. SiCN Amorphous Materials Chemical Vapour Deposited Using the Si(CH3)4-NH3-H2 System. Journal de Physique IV Colloque C5, supplement au Journal de Physique II. 1995. 5. P. C5-793-C5-800.

48. Bulou S., Le Brizoual L., Miska P. et al. Structural and optical properties of a-SiCN thin film synthesised in a microwave plasma at constant temperature and different flow of CH4 added to HMDSN/ N2/Ar mixture. Surf. Coat. Technol. 2011. 205. P. S214-S217.

49. Gong Z., Wang E.G., Xu G.C., Chen Y. Influence of deposition condition and hydrogen on amorphous-to-polycrystalline SiCN films. Thin Solid Films. 1999. 348. P. 114-121.

50. Ng V.M., Xu M., Huang S.Y. et al. Assembly and photoluminescence of SiCN nanoparticles. Thin Solid Films. 2006. 506-507. P. 283-287.

51. Sarangi D., Sanjines R., Karimi A. Effect of silicon doping on the mechanical and opticals proporties of carbon nitride thin films. Thin Solid Films. 2004. 447-448. P. 217-222.

52. Majumdar A., Das G., Patel N. et al. Microstructural and chemical evolution of CH3-incorporated (low-k) SiCO(H) films prepared by dielectric barrier discharge plasma. J. Electrochem. Soc. 2008. 155(1). P. D22-D26.

53. Yan X.B., Tay B.K., Chen G. and Yang S.R. Synthesis of silicon carbide nitride nanocomposite films by simple electrochemical method. Electrochem. Commun. 2006. 8. P. 737-740.

54. Wagner N.J., Cordill J., Zajickova L. et al. Thermal plasma chemical vapor deposition of superhard nanostructured Si-C-N coatings. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2005. 875. P. 69-74.

55. Limmanee A., Otsubo M., Sugiura al. Effect of thermal annealing on the properties of a-SiCN:H films by hot wire chemical vapor deposition using hexamethyldisilazane. Thin Solid Films. 2008. 516. P.652-655.

56. Ferreira I., Fortunato E., Vilarinho P. et al. Hydrogenated silicon carbon nitride films obtained by HWCVD,PA-HWCVD and PECVD techniques. J. Non-Cryst. Solids. 2006. 352. P. 1361-1366.

57. Jedrzejowski P., Cizek J., Amassian A. et al. Mechanical and optical properties of hard SiCN coatings prepared by PECVD. Thin Solid Films. 2004. 447-448. P. 201-207.

58. Wu X.C., Cai R.Q., Yan P.X. et al. SiCN thin film prepared at room temperature by RF reactive sputtering. Appl. Surf. Sci. 2002. 185. P. 262-266.

59. Gomez F. J., Prieto P., Elizalde E. and Piqueras J. SiCN alloys deposited by electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition. Appl. Phys. Lett. 1996. 69. P. 773-775.

60. Li X., Yang S. and Wu X. Preparation of silicon carbide nitride films on Si substrate by pulsed high-energy density plasma. J. Univ. Sci. Technol. B. 2006. 13. P. 272-276.

61. Chen L. C., Chen C. K., Wei S. L. et al. Crystalline silicon carbon nitride: A wide band gap semiconductor. Appl. Phys. Lett. 1998. 72. P. 2463-2465.

62. Awad Y., El Khakani M. A., Scarlete M. et al. Structural analysis of silicon carbon nitride films prepared by vapor transport-chemical vapor deposition. J. Appl. Phys. 2010. 107. P. 033517 (6 pp.).

63. Swatowska B., Stapinski T. Optical and structural characterization of silicon - carbon - nitride thin films for optoelectronic. Phys. Stat. Solidi C. 2010. 7, No 3-4. P. 758-761.

64. Chen C.W., Huang C.C., Y.Y. Lin Y.Y. et al. Optical properties and photoconductivity of amorphous silicon carbon nitride thin films and its application for UV detection. Diam. Relat. Mater. 2005. 14. P.1010-1013.

65. Huran J., Valovi A., Kuer M. et al. Hydrogenated silicon carbon nitride films prepared by PECVD tehnology: properties. Journal of Electrical Engineering. 2012. 63. P. 333-335.

66. Perny M., Saly V., Vary M., Huran J. Electrical and structural properties of amorphous silicon carbide and its application for photovoltaic heterostructures. Electroenergetica. 2011. 4, No 3. P. 17-19.

67. Chen C.W., Chang T.C., Liu P.T. et al. Investigation of the electrical properties and reliability of amorphous SICN. Thin Solid films. 2004. 447-448. P. 632-637.

68. Liu Yu., Zhang X., Chen C. et al. The photoluminescence of SiCN thin films prepared by C+ implantation into a-SiNx:H. Thin Solid Films. 2010. 518. P. 4363-4366.

69. Wu Z.F., Hong B., Cheng K. et al. Structure and photoluminescence properties of SiCN films grown by dual ion beam reactive sputtering deposition. Vacuum. 2014. 101. P. 205-207.

70. Ermakova E., Rumyantsev Yu., Shugurov et al. PECVD synthesis, optical and mechanical properties of silicon carbon nitride films. Appl. Surf. Sci. 2015. 339. P. 102-108.

71. Hamakava J. Amorfnye poluprovodniki i pribory na ih osnove. [Per. s angl. pod red. S. S. Gorelika]. M.: Metallurgiya. 1986. 378 s.

72. Fizika gidrogenizirovannogo amorfnogo kremniya: Struktura, prigotovlenie i pribory. [Per s angl.]. Pod red. Dzh. Dzhounopulosa, Dzh. Lyukovski. T.1. M.: Mir. 1987. 363 c.

73. Meden A., Sho M. Fizika i primenenie amorfnyh poluprovodnikov. M.: Mir. 1991. 670 c.

74. Lo H.C., Wu J.J., Wen C.Y. Bonding characterization and nano-indentation study of the amorphous SiC N films with and without hydrogen x y incorporation. Diam. Relat. Mater. 2001. 10. P. 1916-1920.

75. Vlek J., Kormunda M., Cizek J., Perina V., Zemek J. Influence of nitrogen-argon gas mixtures on reactive magnetron sputtering of hard Si-C-N films. Surf. Coat. Technol. 2002. 160. P. 74-81.

76. Dressler W., Riedel R. Progress in silicon-based non-oxide structural ceramics. Int. J. Refract. Metals and Hard Mater. 1997. 15. P.13-47.

77. Shengyang FU, Min ZHU, Yufang ZHU, Organosilicon polymer-derived ceramics: An overview. J. Advanced Ceram. 2019. 8. P. 457-478.

78. Bhattacharyya A. Nanocomposite Si-C-N Coatings. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2018. 68 p.

79. Perny M., Saly V., Vary M., Huran J. Electrical and Structural Properties of Amorphous Silicon Carbide and Its Application for Photovoltaic Heterostructures. Elektroenergetika. 2011. 4. 17-19.

80. Chen C.W., Chang T.C., Liu P.T. et al. Investigation of electrical properties and reliability of amorphous SiCN. Thin Solid Films. 2004. 447-448. P. 632-637.

81. Haluschka C., Engel C. and Riedl R. Silicon carbonitride ceramics derived from polysilazanes Part II. Investigation of electrical properties. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. 20. P. 1365-1374.

82. Ramakrishnan P.A., Wang Y.T., Balzar D. et al. Silicoboron-carbonitride ceramics: A class of high-temperature dopable electronic material. Appl. Phys. Lett. 2001. 78. P. 3076-3078.

83. Huran J., Valovic A., Kucera M. et al. Hydrogenated amorphous silicon carbon nitride films prepared by PECVD technology: properties. J. Electrical Engineering. 2012. 63. P. 333-335.

84. Zhang D.H., Gao U. Y., Wei J., Mo Z.Q. Influence of silane partial pressure on the properties of amorphous SiCN films prepared by ECR-CVD. Thin Solid Films. 2000. 377-378. P. 607-610.

85. Kobayashi K., Yokoyama H., Endoh M. Leakage current and paramagnetic defects in SiCN dielectrics for copper diffusion barriers. Appl. Surf. Sci. 2008. 254. P. 6222-6225.

86. Ivashchenko V.I., Kozak A.O., Porada O.K. et al. Characterization of SiCN thin films: Experimental and theoretical investigations. Thin Solid Films. 2014. 569. P. 57-63.

87. Kozak A.O., Ivashchenko V.I., Porada O.K. et al. Structural, optoelectronic and mechanical properties of PECVD Si-C-N films: An effect of substrate bias. Mater. Sci. Semicond. Proc. 2018. 88. P. 65-72.

88. Kozak A.O., Ivashchenko V.I., Porada O.K. et al. Optical properties of PECVD Si-C-N films. J. Nano-Electron. Phys. 2015. 7. P. 03040-1-03040-6.

89. Porada O.K., Manzhara V.S., A.O. Kozak A.O., Ivashchenko V.I. et al. Photoluminescence Properties of PECVD Si-C-N Films. J. Nano-Electron. Phys. 2017. 9. P. 02022-1-02022-6.

90. Sukach A.V., Tetyorkin V.V., Tkachuk A.I. et al. Optoelectronic properties and carrier transport mechanisms in amorphous SiCN. J. Non.-Cryst. Solids. 2019. 523. P. 119603.

91. Lampert M.A., Mark P. Current Injection in Solids. Academic Press: New York. 1970.

92. Kao K.C., Hwang W. Electrical Transport in Solids. With Particular Reference to Organic Semiconductors. Oxford: Pergamon Press.1981.

93. Henderson H.T., Ashley K.L. Space-charge-limited current in neutron-irradiated silicon, with evidence of the complete Lampert triangle. Phys. Rev. 1969. 186. P. 811-815.

94. Nicolet M.-A. Unipolar space-charge-limited current in solids with nonuniform spacial distribution of shallow traps. J. Appl. Phys. 1966. 37. P. 4224-4235.

95. Sworakowski J., Pigon K. Trap distribution and space-charge limited currents in organic crystals. Anthracene. J. Phys. Chem. Solids. 1969. 30. P. 491-496.

96. Sworakowski J. Space-charge-limited currents in solids with non-uniform spatial trap distribution. J. Appl. Phys. 1970. 41. P. 292-295.

97. Nicolai H.T., Mandoc M.M., Blom P.W.M. Electron traps in semiconducting polymers: Exponential versus Gaussian trap distribution. Phys. Rev. B. 2011. 83. P.195204-1-195204-5.

98. Hwang W., Kao K.C. Studies of the theory of single and double injections in solids with a Gaussian trap distribution. Solid State Electron. 1976. 19. P. 1045-1047.

99. Mark P., Helfrich W. Space-charge-limited currents in organic crystals. J. Appl. Phys. 1962. 33. P. 205-215.

100. Nespurek S., Smejtek P., Space-charge limited currents in insulators with the Gaussian distribution of traps. Czechoslov. J. Phys. 1972. 22. P. 160-175.

101. Fleissner A., Weise W., von Seggern H. Unipolar space-charge limited current through layers with a disparate concentration of shallow traps: Experiment and model. J. Appl. Phys. 2005. 97. P. 043701.

102. Dacuna J., Salleo A. Modeling space-charge-limited currents in organic semiconductors: Extracting trap density and mobility. Phys. Rev. B. 2011. 84. P. 195209-1 -195209-9.

103. Bak G.W., Lipinski A., A. Space charge-limited currents in thin film solid dielectrics with non-uniform deep-trap distributions: numerical solutions. Thin Solid Films. 1994. 238. P. 290-294.

104. Zhang W., Zhang K., Wang B. Influence of temperature on the properties of SiCxNy:H films prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Materials Science and Engineering. 1994. B26. P. 133-140.

105. Lo H.C., Wu J.J., Wen C.Y. et al. Bonding characterization and nano-indentation study of the amorphous SiCxNy films with and without hydrogen incorporation. Diamond and Related Materials. 2001. 10. P.1916-1920.

106. Jung D.-C., Lim H.-G., Jee H-I. Hydrogenated amorphous and crystalline SiC thin films grown by RF-PECVD and thermal MOCVD; comparative study of structural and optical properties. Surface and Coatings Technology. 2003. 171. P. 46-50.

107. Chang Wei-Yuan, Chang Chieh-Yu, Leu Jihperng. Optical properties of plasma-enhanced chemical vapor deposited SiCxNy films by using silazane precursors. Thin Solid Films. 2017. 636. P. 671-679.

108. Bendeddouche A., Berjoan R., Beche E. et al. SiCN Amorphous Materials Chemical Vapour Deposited Using the Si(CH3)4-NH3-H2 System. J. de Phys. IV. 1995. C5. P.793-800.

109. Kobayashi K., Ide T. Photoinduced paramagnetic defects and negative charge in SiCN dielectrics for copper diffusion barriers. Thin Solid Films. 2010. 518. P. 3305-3309.

110. Al Ahmed S. R., Kato K., Kobayashi K. Hole trapping characteristics of silicon carbonitride (SiCN)-based charge trapping memories evaluated by the constant-current carrier injection method. Mat. Sci. Semicond. Proc. 2017. P. 215-222.

111. Lannoo M. The role of dangling bonds in the properties of surfaces and interfaces in semiconductors. Revue Phys. Appl. 1990. 25. P. 887-894.

112. Sukach A.V., Tetorkin V.V., Ivashenko V.I. ta in. Elektrichni ta fotoelektrichni vlastivosti geteroperehodiv a-SiCN/c-Si. Optoelektronika i poluprovodnikovaya tehnika. 2013. Vyp.48. S. 96 - 104.

А.В. Сукач, В.В. Тетьоркін, В.І. Іващенко, 1О.К. Порада, А.О. Козак, А.І. Ткачук, І.М. Матіюк

ПЛІВКИ SiCN: Отримання, влf стивості та практичне застосування (Огляд)

Напівпровідники SiCN є перспективним матеріалом для оптоелектроніки, оскільки поєднують напівпровідникові властивості карбіду кремнію та діелектричні властивості його нітриду. В останні роки разом із розвитком технологій і синтезом нових матеріалів, які можуть бути використані для отримання тонких Si-C-N плівок, відбувається зростання зацікавленості до вказаних матеріалів. Поєднання напівпровідникових властивостей таких широкозонних матеріалів, як карбід кремнію та нітрид кремнію, дає змогу отримувати тонкі плівки Si-C-N з шириною забороненої зони в широкому інтервалі значень. Попри це, плівки Si-C-N мають ряд особливих фізичних та механічних властивостей, таких як висока твердість (до 40 ГПа), висока термічна і хімічна стійкість, хороша зносостійкість та стійкість до окислення і висока прозорість (до 90 %) у видимій та інфрачервоній області спектра. Отже, плівки Si-C-N можуть бути використані як в мікроелектронних, фотоелектронних і напівпровідникових технологіях, так і в технологіях нанесення захисних та зміцнювальних покриттів для роботи у високотемпературних та агресивних середовищах. Оскільки в Si-C-N системі термодинамічно стабільні лише бінарні структури карбіду кремнію та нітриду кремнію, їх отримують, в основному, в аморфному вигляді або як нано- і мікрокристалічні включення карбіду і нітриду кремнію в аморфну Si-C-N матрицю. Утворення хімічного зв’язку між трьома компонентами дає змогу отримувати нано- і мікрокристалічні плівки з відмінними електронними та механічними властивостями, які залежать від розміру та форми кристалітів і суттєво відрізняються від властивостей тонких плівок Si3N4 та SiC. Певними перевагами також користуються гідрогенізовані плівки, де водень пасивує обірвані зв’язки, цим самим зменшуючи концентрацію дефектних станів в енергетичній щілині.

Плівки Si-C-N можна отримувати як за допомогою хімічних (осадження із газової фази), так і фізичних методів, більшість з яких використовує високі температури, що може призвести до негативного впливу на матеріал підкладки. Тому певними перевагами користуються методи плазмохімічного осадження та магнетронного розпилення, які дозволяють отримувати плівки при досить низьких температурах (<300°С), даючи можливість осаджувати плівки на раніше створені функціональні структури без істотної зміни їх властивостей. Суттєвою перевагою плазмохімічного осадження є можливість отримувати однорідні плівки з хорошою адгезією до матеріалів зі складною формою поверхні, з використанням рідких або газоподібних прекурсорів. Для отримання плівок хімічними методами осадження часто використовують складні вибухо- та пожежонебезпечні газові суміші на основі моносилану або метану. Певною альтернативою є застосування більш безпечних кремнієвмісних органічних прекурсорів, таких як гексаметилдісілазан (((CH3)3Si)2NH) або тетраметилдісілазан (((CH3)2HSi)2NH), в молекулах яких, окрім всіх необхідних компонентів для утворення плівок, також міститься велика кількість водню. Структура прекурсору впливає на фазовий склад і структурні властивості плівок рівноцінно, як і метод отримання. В свою чергу, методи отримання Si-C-N плівок із органічних кремнієвмісних прекурсорів постійно удосконалюють.

Ключові слова: amorphous SiCN films, plasma chemical deposition, band parameters, trap states