ポリシリコンフィルム丨表面特性に影響する様々な要因

2024-04-18

ポリシリコン薄膜の成長には多くの方法があるが、その準備プロセスによって、直接準備法と間接準備法に分けられる。直接作製法とは、ポリシリコン薄膜を基板上に直接堆積させる方法で、液相成長法、化学気相成長法、プラズマ化学気相成長法、液相エピタキシャル法などがある。間接作製法とは、まず基板上にアモルファス薄膜材料を作製し、その後ポリシリコン薄膜の固相特性を評価する方法である。

ポリシリコン膜の表面特性に影響を与える理由

多結晶シリコン薄膜の表面特性に及ぼす成膜温度の影響

熱力学の原理から見ることができる、反応物分子は基板ウェハー表面に到着し、ウェハーの表面で相互衝突と核生成が発生する。成膜温度が上昇すると、安定した核を形成するのに必要な臨界核半径が大きくなり、つまり、臨界核を安定させるために必要な原子が増え、結晶粒の形成が大きくなります。さらに、シリコン原子が連続的に成長するためには、ある種の障壁を乗り越える必要があり、蒸着温度が高くなると、原子の移動度が大きくなり、運動エネルギーが増加し、結晶粒の界面エネルギーが減少し、結晶粒間の拡散の組み合わせが促され、膜はより大きなサイズの島状構造に成長しやすくなる。

多結晶シリコン薄膜の表面特性に及ぼす成膜時間の影響

蒸着時間は結晶粒の核生成と成長に大きな影響を与える。粒径は蒸着時間が短いほど変化し、蒸着時間が長くなるほど大きくなる。結晶粒の成長は、結晶粒の粒界を通る自己拡散による原子の生成と考えることができ、粒界は界面エネルギーのためにその面積を最小にする傾向が強い。析出時間が長くなると、粒間の移動が起こり、粒径が大きくなるのに十分な時間がある。

ポリシリコン薄膜の表面特性に及ぼすアニール温度の影響

アニール後の表面結晶粒径の大きな増大は、アニールが原子に自由エネルギーを与えて移動を促進し、その結果、原子間の凝集と結晶粒の再結晶が起こるためである。アニール温度の違いによる表面粗さの変化は、アニール温度を上げた後の結晶粒のさらなる成長により、結晶粒間の界面が減少し、一部の結晶粒間のばらつきが減少したためと考えられる。

ポリシリコン膜の膜厚均一性に影響を与える理由

多結晶シリコン膜の膜厚均一性に及ぼす成膜温度の影響

膜の均一性の程度は、温度の上昇とともに低下する。この現象の原因は、中心部と端部の空気の流れの違いによるものと考えられ、反応物分子はウェーハの端部に優先的に到達して核生成し、膜の成長速度は温度が高いほど著しく加速される。その結果、中心部に対する端部の成長のばらつきがより顕著になる。

多結晶シリコン膜の膜厚均一性に及ぼす反応圧力の影響

膜厚の均一性は、圧力が高くなるにつれてわずかに低下する。この現象の理由は、中央と端の位置の空気流量の違いによるものと思われ、反応物分子は優先的にウェーハの端に到達して核生成し、圧力の増加により膜の成長速度が増加するため、中央に対する端の成長はある程度のばらつきを示すが、膜の成長速度に対する圧力の影響は温度に対してはるかに小さいため、ばらつきも小さくなる。

ポリシリコン膜の膜厚均一性に及ぼすシランフラックスの影響

多結晶シリコン膜の膜厚均一性は、シラン流量を変化させても本質的に変わらない。このことは、ウェーハの中心領域と端領域に到達する反応物の分子プロファイルが、流量を増加させても本質的に同じであることを示している。

1、成膜温度が上昇すると、膜の成長速度は大きくなり、基本的に直線的な変化であり、成長速度は温度の変化に非常に敏感である。

2、SiH4流量と反応圧力が小さい場合、シラン流量と反応圧力が増加すると、膜の成長速度は速く増加し、基本的に線形変化、SiH4流量と反応圧力が増加し続けると、成長速度の増分変化は減少する。SiH4流量と反応圧力が増加し続けると、膜成長速度の増分変化は減少する。両者とも、成膜温度に対する膜成長速度への影響ははるかに小さい。

3、成膜速度は、基本的に成膜時間の増加とともに変化しない。膜成長の再現性は非常に良好であり、制御可能な膜厚の膜成長の基礎となり得る。

4、成膜温度630℃、反応圧力0.25torr、成膜流量360sccmと、より理想的な成膜条件の場合、成膜の均一性と表面性状がより良い。

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