多結晶シリコン薄膜丨ウェーハ反り原因への影響

薄膜を成膜したウェーハの反りは、薄膜を成膜していないウェーハの研磨後の反りよりもはるかに大きく、薄膜成膜の温度が高くなるにつれてウェーハの反りは小さくなる。

まず、ポリシリコン膜は両面蒸着であるため、研磨後に片面膜を除去すると、膜の内部応力の役割により、その屹立曲率の度合いが大きくなる。

第二に、応力理論の分析によると、ポリシリコン膜の残留応力はその微細構造と大きな関係があり、成膜条件に強く依存する。低温では成膜速度が遅く、シリコン原子の運動エネルギーが非常に小さいため、シリコン原子が小さな微小結晶粒の境界で核生成し、膜と基板との結合が弱いため、小さな引張応力が発生し、空孔、欠陥なども応力源となる。成膜温度が上昇すると、運動エネルギーが増大し、アイランドや凝集体の形成を促してより大きな核を形成し、体積が減少して応力が増大し、圧縮応力が発生する。さらに温度が上昇すると、表面エネルギーと結晶粒の成長、粒界間での原子の拡散が起こり、圧縮応力が増大する。580～610℃で成膜すると、膜内で引張応力から圧縮応力へと変化する。温度が上昇し続けると、結晶粒は柱状に成長し、原子は成長方向を垂直に伸ばし、圧縮応力は徐々に減少する。試料の曲げ方向が同じであることから、ある温度範囲内では、フィルム内部は圧縮応力として現れ、温度の上昇とともに圧縮応力は減少することがわかる。

また、ポリシリコンの成膜中には他の膜による追加応力が発生しないため、膜の全応力は内部応力と熱応力の和として単純化することができ、このうち熱応力に影響を与える主な要因は温度であり、成膜温度の上昇は膜の内部応力の上昇をもたらす。

高温で成膜された多結晶シリコン膜は、比較的小さなウェーハ反り値を得ることができ、これは膜の全応力が主に温度変化に強く依存する内部応力によって影響されることを証明している。したがって、表面品質が要求を満たす条件下では、成膜温度を適切に上昇させることにより、シリコンウェーハの反りを改善することができる。