Polykristalline Silizium-Dünnschichten丨Gründe, die den Verzug von Siliziumscheiben beeinflussen
In vielen Fällen können die Spannungen zu unerwünschten Ergebnissen führen. Das größte Problem bei der Verwendung von LPCVD zur Abscheidung von polykristallinen Silizium-Dünnschichten für die Trümmerabsorption besteht darin, dass die Spannungen innerhalb der Schicht ein hohes Maß an Verformung des Wafers verursachen können.
Gründe für den Waferverzug
Einfluss der Depositionstemperatur auf den Waferverzug
Der Verzug von Wafern mit aufgebrachter Dünnschicht ist viel größer als der von Wafern ohne Dünnschicht nach dem Polieren, und der Verzug der Wafer wird geringer, wenn die Temperatur der Dünnschichtabscheidung steigt.
Da die Polysiliziumschicht beidseitig abgeschieden wird, wird nach dem Polieren die einseitige Schicht entfernt, was aufgrund der inneren Spannung der Schicht zu einer stärkeren Krümmung führt.
Zweitens hat die Eigenspannung des Polysiliziumfilms nach der Analyse der Spannungstheorie eine enge Beziehung zu seiner Mikrostruktur, die stark von den Ablagerungsbedingungen abhängt. Bei niedrigen Temperaturen ist die Abscheidungsrate langsam, da die sehr geringe kinetische Energie der Siliziumatome dazu führt, dass sie sich an der Grenze der kleineren, feinen Körner ablagern, die schwache Bindung zwischen dem Film und dem Substrat erzeugt kleine Zugspannungen, und die Leerstellen, Defekte usw. sind ebenfalls eine Quelle von Spannungen. Mit steigender Abscheidungstemperatur nimmt die kinetische Energie zu, was zur Bildung von Inseln und Agglomerationen führt, die größere Kerne bilden, was eine Volumenverringerung und einen Anstieg der Spannung zur Folge hat, was wiederum zu Druckspannungen führt. Ein weiterer Anstieg der Temperatur, der Oberflächenenergie und des Kornwachstums führt zur Diffusion von Atomen zwischen den Korngrenzen und zur Erhöhung der Druckspannung. Bei einer Ablagerung zwischen 580 und 610 °C kann das Innere der Schicht von Zug- auf Druckspannung umschalten. Wenn die Temperatur weiter ansteigt, wachsen die Körner zu Säulen, die Atome dehnen die vertikale Wachstumsrichtung aus, und die Druckspannung nimmt allmählich ab. Da die Biegerichtung der Proben die gleiche ist, kann man feststellen, dass sich das Innere der Folie innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs als Druckspannung manifestiert und die Druckspannung mit steigender Temperatur abnimmt.
Da während der Abscheidung von Polysilizium keine zusätzlichen Spannungen durch andere Schichten auftreten, kann die Gesamtbelastung der Schicht vereinfacht als die Summe der inneren und thermischen Spannungen betrachtet werden, wobei die Temperatur der Hauptfaktor ist, der die thermischen Spannungen beeinflusst, und eine Erhöhung der Abscheidungstemperatur zu einem Anstieg der inneren Spannungen der Schicht führt.
Es zeigt sich, dass die bei hohen Temperaturen abgeschiedenen polykristallinen Siliziumschichten relativ geringe Waferverzugswerte aufweisen, was beweist, dass die Gesamtspannung der Schichten hauptsächlich von den inneren Spannungen beeinflusst wird, die stark von den Temperaturänderungen abhängen. Unter der Voraussetzung, dass die Oberflächenqualität den Anforderungen entspricht, kann der Verzug von Siliziumwafern durch eine angemessene Erhöhung der Abscheidungstemperatur verbessert werden.
Einfluss der Schichtdicke auf den Waferverzug
Ein Großteil der sich daraus ergebenden Veränderung des Verzugs mit der Schichtdicke kann mit der Entwicklung der inneren Spannungen beim Schichtwachstum zusammenhängen. Die Folie ist zunächst Druckspannungen ausgesetzt, die dann allmählich in Zugspannungen und schließlich wieder in Druckspannungen übergehen. Dieses Verhalten steht in engem Zusammenhang mit dem Wachstumsprozess während der Abscheidungsphase des Films. In der Anfangsphase wächst der Film in Form von diskreten Clustern oder Inseln auf der Substratoberfläche, und diese Inseln weisen typischerweise Druckspannungen auf, die auf Oberflächen- oder Grenzflächenspannungen zurückzuführen sind, die den Gitterabstand zwischen den relativ kleinen Einzelkörnern verringern. In der zweiten Phase wachsen die Inseln so, dass sie beginnen, miteinander in Kontakt zu kommen, was zur Bildung von Korngrenzen führt und somit die Zugspannungen in der Schicht ansteigen lässt. Die Aggregation der Inseln ist ein umgekehrter elastischer Bruchmechanismus, die intergranulare Grenze wird als Riss betrachtet, und das System kann seine freie Energie verringern, indem es sich diesem Riss nähert, indem es die hohe Oberflächenenergie durch eine niedrigere Grenzflächenenergie ersetzt. Durch die Annäherung an den Riss oder die Korngrenze wird das Filmmaterial einer Zugspannung unterworfen. In der dritten Stufe werden mit zunehmender Dicke des Films die Oberflächenatome auf die intergranularen Grenzen übertragen und bilden einen kontinuierlichen Film, und die Filmspannung beginnt abzunehmen, wobei sie allmählich von einer Zugspannung in eine Druckspannung übergeht, die mit der Dicke zunimmt. Da die Reaktionsbedingungen bis auf die unterschiedlichen Schichtdicken identisch sind, sind auch die thermischen Spannungen der Schichten gleich. Daher wird die gesamte Spannungsänderung durch die Eigenspannung des Films bestimmt.
Es besteht die Tendenz, dass der Verzug der Substratwafer mit zunehmender Schichtdicke kleiner wird. Dies steht in guter Übereinstimmung mit der dritten Stufe der Entwicklung der inneren Spannungen in der Schicht während des Wachstumsprozesses. Daher wird die Verformung der Substratwafer unter bestimmten Bedingungen mit einer weiteren Zunahme der Schichtdicke noch abnehmen.
Auswirkung des Glühprozesses auf den Verzug von polykristallinen, rückseitig versiegelten Wafern
Einfluss der Glühtemperatur auf den Verzug von polykristallinen, rückseitig versiegelten Wafern
Nach der beidseitigen Abscheidung von Mehrprodukt-Siliziumschichten auf der Oberfläche von säuregeätzten Wafern mit dem LPCVD-Verfahren war der Verzug der Wafer vor und nach dem Glühen im Wesentlichen unverändert. Nach dem einseitigen Polieren vergrößerte sich der Verzug des Substratwafers erheblich. Mit zunehmender Glühtemperatur nimmt der Verzug jedoch tendenziell ab, und bei etwa 1000℃ liegt der kritische Punkt für die drastische Veränderung des Verzugs, und durch Glühen bei mehr als 1000℃ kann eine wirksame Kontrolle des Verzugs erreicht werden.
Während des Schichtwachstums führen niedrige Prozesstemperaturen zu einer verringerten Oberflächendiffusion, die es den absorbierten Siliziumatomen unmöglich macht, in das Gleichgewicht der niedrigsten Energie eingebettet zu werden. Aus diesem Grund weisen die Schichten im abgeschiedenen Zustand viele Punktdefekte, Leerstellen, Versetzungen, intergranulare Grenzen, aufgebaute Spannungen usw. auf. Mit zunehmender Glühtemperatur werden die Leerstellen mobil und driften in die Versetzungen, die ebenfalls aktiviert werden und sich durch Kriechen und Gleiten zur freien Oberfläche bewegen, wodurch die Spannungen freigesetzt werden. Da die Defektdichte abnimmt, wird der gesamte Film dicht. Das durch die Oberflächenenergie angetriebene Kornwachstum und die damit einhergehende Keimneubildung setzen sich während des Glühens fort. Während die Körner wachsen, werden die kleineren Körner von den benachbarten größeren Körnern aufgezehrt, wodurch ihr Flächenverhältnis allmählich größer wird. Folglich nimmt mit steigender Glühtemperatur der Spannungsabbau innerhalb der Schicht zu und der Verzug des Wafers ab.
Auswirkung der Glühzeit auf den Verzug von polykristallinen, rückseitig versiegelten Wafern
Bei einer Glühtemperatur von 900 °C nimmt die Verformung der Wafer mit der Glühzeit ab, aber auch der Umfang der Veränderung nimmt ab. Bei Glühtemperaturen von 1000°C und 1100°C ändert sich der Verzug der Wafer mit der Glühzeit nur sehr wenig. Unter den gleichen Bedingungen ist der Verzug bei 1000℃ jedoch etwas größer als bei 1100℃, und der Unterschied zwischen den beiden ist bei 900℃ größer. Wenn die Glühtemperatur niedrig ist, ist die Bewegung der Atome relativ langsam, der Spannungsabbau erfolgt verzögert, eine angemessene Erhöhung der Glühzeit kann dazu führen, dass sich die Atome über eine längere Strecke bewegen, um den Spannungsabbaupunkt zu erreichen, wodurch der Verzug leicht verbessert werden kann. Die Glühtemperatur wirkt sich sehr günstig auf die Verbesserung des Verzugs aus. Mit steigender Glühtemperatur wird die Oberflächendiffusion intensiver und die Eigenspannungen werden beseitigt. Bei Mehrprodukt-Siliziumfolien kann eine Glühtemperatur von über 1000℃ für 60 Minuten die Spannungen im Wesentlichen abbauen und einen besseren Verzug bewirken.
Aufgrund der unterschiedlichen Verfahren zur Vorbereitung der Schicht, der Wärmebehandlung und der Anforderungen an die Schichtdicke, die zu unterschiedlichen Spannungszuständen innerhalb der Schicht führen, haben auch die geometrischen Parameter der abgeschiedenen Schicht nach dem Polieren des Substrats unterschiedliche Größen. Daher können die Prozessbedingungen für die Filmerstellung und die Wärmebehandlung richtig gewählt werden, um die Kontrolle der Filmeigenspannung zu erreichen. Gleichzeitig kann entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen an die Filmdicke die Veränderung des Verzugs nach dem Polieren des Substrats grob abgeleitet werden, und die Verarbeitungsfähigkeit des Produkts kann angemessen bewertet werden. Konkrete Schlussfolgerungen lauten wie folgt.
1 Unter den gleichen Bedingungen wird der Verzug des Siliziumwafers mit zunehmender Temperatur der Schichtabscheidung allmählich geringer. Bei höheren Abscheidetemperaturen ist der Verzug der Substratscheibe relativ gering.
(2) Der Verzug des Substratwafers wird mit zunehmender Schichtdicke tendenziell geringer. Dies steht in guter Übereinstimmung mit der dritten Stufe der Entwicklung der Eigenspannung der Schicht während des Wachstumsprozesses. Daraus lässt sich ableiten, dass der Verzug der Substratwafer mit zunehmender Schichtdicke weiter abnehmen wird.
3, mit der Glühtemperatur erhöht, neigt die Verwerfung des Substrats Wafer zu verringern. 1000 ℃ oder so ist der kritische Punkt der Verwerfung drastische Veränderungen, höher als 1000 ℃ Glühen für 60min kann auf die Verwerfung der wirksamen Kontrolle erreicht werden.
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