多結晶シリコン薄膜丨成長速度に影響する様々な要因

2024-04-17

多結晶シリコン膜は、異なる材質の基板上に成長させることができる結晶シリコン膜であり、結晶方位や大きさの異なる多数の微小な粒から構成され、その直径は一般に数百マイクロメートルから数十マイクロメートルの範囲にあり、バルクシリコンの基本的な特性を有している。調製は比較的簡単で、低コストであり、大面積の調製が可能である。ポリシリコン膜の調製において、膜の内部構造、特性、表面品質は、成膜温度、反応圧力、シラン流量などの成膜パラメータに非常に敏感である。これらのパラメーターの設定は、膜の成長速度や内部構造の形成に直接的な影響を与える。さらに、これらのパラメーターに加え、プロセスチャンバーの状態やプロセスの安定化前後のパラメーター設定も、成膜プロセス中の膜質に重要な役割を果たす。

ポリシリコン薄膜の成長率に影響を与える理由

膜の成長速度は、気相輸送の速度と表面上の反応物の反応速度によって決定される。選択された成膜パラメータは膜の成長速度に関係し、成膜条件によって膜の成長速度は異なる。

多結晶シリコン膜の成長速度に及ぼす成膜温度の影響

この温度範囲では、成長速度は基本的に直線的であり、温度変化に非常に敏感であった。Groveの速度論モデルによると、LPCVDで作製されたポリシリコン膜の成長速度は、表面上のシラン分子の反応速度によって決定され、温度による成長速度の変化は、モデルの低温部の成長速度の変化とよく一致した。従って、薄膜を成膜するプロセスにおける温度制御の精度は高いことが要求され、均一性の良い多結晶シリコン膜を作製するためには、ウェーハ表面のあらゆる場所で温度を一定に保つ必要がある。

多結晶シリコン膜の成長速度に及ぼすシランフラックスの影響

SiH4流量が100sccmから420sccmまで増加するにつれて、膜の成長速度は39A/minから106/minまで増加した。 SiH4流量が小さい場合、ポリフェニルシラン膜の成長速度は、シラン流量の増加とともに急速に変化し、基本的には直線的な成長関係であり、SiH4流量が引き続き大きくなるにつれて、膜の成長速度の増分は減少した。

流体力学では、固体の表面と流体の間に一定の摩擦があるため、固体の表面から一定の速度で流体が流れるとき、流体の固体の表面から固体の表面の流量に非常に近い0、固体の表面の近くの距離が小さいほど、流体が摩擦を受けることも、より大きな減少の速度である、距離の固体の表面から、その対応する弱体化の影響を増加させる。流体速度の影響を受ける固体表面の近くのこの薄い層は、停滞層と呼ばれています。ガス流量が増加すると、それに応じてその厚さが減少し、逆に増加します。したがって、シリコンの流量が増加すると、固体表面の淀み層が薄くなり、表面に到達する反応物分子の数が増加するため、膜の成長が加速される。すなわち、流量が少ない場合、シラン流量の増加に伴う多結晶シリコン膜の成長速度は、基本的に直線的な成長関係となる。シラン流量がさらに増加すると、流体上の滞留層の影響を低減し続け、近似は、反応物が基板表面に到達するために比較的自由にすることができると考えることができ、成長速度は、シラン流量が増加し、変化しなくなります。

高品質の多結晶シリコン膜を作成し、気相分解と副生成物を減らすために、実際のプロセスでは、シランの流量は大きすぎるべきではありません、シリコンの流量が400sccm近くに増加すると、堆積速度はゆっくりと成長し、シリコンの流量が増加し続けると、多結晶シリコン膜の品質に影響を与える反応ガスの気相分解を促進する。

多結晶シリコン薄膜の成長速度に及ぼす反応圧力の影響

反応の圧力と単位時間当たりのガス流量は互いに反比例し、反応の圧力が高くなると、単位時間当たりのガス流量は徐々に小さくなる。一つは、単位時間当たりのガス流量が小さくなるため、反応ガスが基板表面に滞留する時間が長くなり、基板表面のガス分子が完全に反応できるようになり、膜の成長速度が大きくなる。この場合、膜の成長速度は表面反応速度メカニズムによって制御される。もう一方の場合は、単位時間当たりのガス流量が減少し、一定量の反応物分子が基板表面に到達する時間が長くなり、膜の成長速度が小さくなる。この場合、膜の成長速度は物質輸送メカニズムによって制御される。したがって、実際の成長速度の大きさは、上記2つの制御メカニズムの競合の結果によって決定される。したがって、反応圧力の上昇に伴って膜の成長速度が減少するパターンは、これら2つの制御機構のバランスの結果であると考えられる。

反応圧力が高すぎると膜の均一性が悪くなり、低すぎると圧力成長速度が非常に遅くなり、実際の加工歩留まりに影響する。従って、多品種のシリコン膜を作製する際には、適切な反応圧力を選択することが重要である。

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