多結晶シリコン薄膜丨ウェーハ反り原因への影響
多くの場合、応力は多くの望ましくない結果をもたらす可能性がある。デブリ吸収用の多結晶シリコン膜を成膜するためにLPCVDを使用する際に顕著な問題は、膜内の応力がウェハに大きな反りを引き起こす可能性があることです。
ウェハ反りに影響する理由
ウェーハ反りに及ぼす成膜温度の影響
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。
ウェーハ反りに対する膜厚の影響
その結果、膜厚による反りの変化の多くは、フィルム成長における内部応力の変化に関係していると考えられる。フィルムは最初に圧縮応力を受け、その後徐々に引張応力に変化し、最終的に圧縮応力に戻る。この挙動は、成膜段階での成長過程と密接に関係している。初期段階では、膜は基材表面上で離散的なクラスターまたは小島として成長し、これらの小島は通常、表面応力または界面応力によって圧縮応力を示し、比較的小さな個々の結晶粒間の格子間隔を狭める。第二段階では、アイランドが互いに接触し始めるように成長し、粒界の形成につながるため、フィルム内の引張応力が増加し始める。逆弾性破壊メカニズムとしてのアイランドの凝集は、粒界をクラックとみなし、系はこのクラックに接近することで、高い表面エネルギーを低い界面エネルギーに置き換えて自由エネルギーを減少させることができる。クラックまたは粒界に接近することにより、フィルム材料は引張応力を受ける。第3段階では、膜厚が厚くなるにつれて、表面原子が粒界に移動し、連続した膜が形成され、膜応力が減少し始め、引張応力から圧縮応力へと徐々に変化し、膜厚が厚くなるにつれて増加する。また、反応条件は成膜厚が異なる以外は同一であるため、膜の熱応力は同じであることが知られている。したがって、総応力変化はフィルムの内部応力によって決定される。
膜厚が厚くなるにつれて、基板ウェーハの反りが小さくなる傾向が見られる。これは、成長過程における膜の内部応力の進化の第3段階とよく一致している。したがって、ある条件下では、膜厚をさらに厚くしても、基板ウェーハの反りは減少する。
多結晶バックシールウェーハの反りに及ぼすアニール処理の影響
多結晶バックシールウェーハの反りに及ぼすアニール温度の影響
LPCVD法を用いて酸エッチングされたウェーハ表面に多結晶シリコン膜を両面成膜した後、アニール前後のウェーハの反りは基本的に変化しなかった。一方、片面研磨後の基板ウェーハの反りは著しく増加した。しかし、アニール温度の上昇に伴い反り量は減少する傾向にあり、1000℃付近が反り量が急激に変化する臨界点であり、1000℃以上でアニールすることにより反り量を効果的に制御することができる。
膜成長中、プロセス温度が低いと表面拡散が減少し、吸収されたシリコン原子が最低エネルギー平衡に埋め込まれなくなる。このため、成膜状態の膜には多くの点欠陥、空孔、転位、粒界、蓄積応力などが存在する。アニール温度が上昇すると、空孔が移動可能になり、転位に流れ込み、転位も活性化してクリープやスリップによって自由表面へ移動し、応力を解放する。欠陥密度が低下すると、膜全体が緻密化する。表面エネルギーによる結晶粒成長とそれに伴う再核発生は、アニール中も続く。結晶粒が成長するにつれて、小さなサイズの結晶粒は隣接する大きなサイズの結晶粒に消費され、その体表面積比は徐々に大きくなります。その結果、アニール温度が上昇するにつれて、膜内の応力除去が増加し、ウェーハの反りが減少する。
多結晶バックシールウェーハの反りに及ぼすアニール時間の影響
アニール温度900℃では、アニール時間と共にウェーハの反りは減少するが、その変化量も減少する。アニール温度1000℃と1100℃では、アニール時間によるウェーハの反りの変化はほとんどない。しかし、同条件では1000℃での反り量が1100℃での反り量よりやや大きく、900℃ではその差が大きくなる。アニール温度が低いと、原子の移動が比較的遅く、応力解放が遅れ、アニール時間を長くすると、原子が応力解放点に到達するまでの距離が長くなり、反りが若干改善されます。アニール温度は反りの改善に非常に有利である。アニール温度が高くなると、表面拡散が激しくなり、残留応力が除去される。多品種シリコン膜の場合、1000℃以上、60分以上のアニールで、基本的に応力を除去し、反りを改善することができる。
異なる製膜工程、熱処理工程及び膜厚要求により、膜内の応力状態が異なるため、基板研磨後の蒸着膜の幾何学的パラメータも異なる大きさになる。従って、製膜工程と熱処理工程のプロセス条件を適切に選択することで、膜の残留応力の制御を達成することができ、同時に、異なる膜厚要件に応じて、基板研磨後の反りの変化を大まかに推測することができ、製品の加工能力を適切に評価することができる。具体的な結論は以下の通りである。
1.同じ条件下で、成膜温度が高くなるにつれて、シリコンウェーハの反り量は徐々に小さくなる。成膜温度が高くなると、基板ウェーハの反り値は相対的に小さくなる。
2.基板ウェーハの反りは、膜厚が厚くなるにつれて小さくなる傾向がある。これは、成長過程における膜内部応力の進化の第3段階とよく一致している。したがって、膜厚をさらに厚くしても、基板ウェーハの反りは減少すると推測できる。
3、アニール温度の上昇に伴い、基板ウェーハの反りが減少する傾向にある。1000℃前後は反り激変の臨界点であり、1000℃以上のアニール60分間は、効果的な制御の反りに達成することができます。
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