다결정 실리콘 박막 丨 웨이퍼 휨의 원인에 영향을 미칩니다.

2024-04-19

많은 경우 스트레스는 원치 않는 결과를 초래할 수 있습니다. 이물질 흡수를 위해 다결정 실리콘 필름을 증착하기 위해 LPCVD를 사용할 때 가장 큰 문제는 필름 내의 응력으로 인해 웨이퍼에 큰 휨이 발생할 수 있다는 점입니다.

웨이퍼 휨에 영향을 미치는 이유

웨이퍼 휨에 대한 증착 온도의 영향

박막이 증착된 웨이퍼의 휨은 연마 후 박막이 증착되지 않은 웨이퍼의 휨보다 훨씬 크고, 박막 증착 온도가 높아질수록 웨이퍼의 휨은 작아집니다.

우선, 폴리 실리콘 필름은 양면 증착이기 때문에 연마 후 단면 필름이 제거되면 필름의 내부 응력의 역할로 인해 급격한 곡률의 정도가 증가 할 수밖에 없습니다.

둘째, 응력 이론 분석에 따르면 폴리 실리콘 필름의 잔류 응력은 증착 조건에 강한 의존성을 갖는 미세 구조와 큰 관계가 있습니다. 저온에서는 실리콘 원자의 매우 작은 운동 에너지의 작용으로 인해 증착 속도가 느려서 더 작은 미세 입자의 경계에서 핵을 형성하고 필름과 기판 사이의 약한 결합으로 인해 작은 인장 응력이 발생하며 공극, 결함 등도 응력의 원인이됩니다. 증착 온도가 증가함에 따라 운동 에너지가 증가하여 섬과 응집체가 형성되어 더 큰 핵을 형성하여 부피가 감소하고 응력이 증가하여 압축 응력이 발생합니다. 온도, 표면 에너지 및 입자 성장, 입자 간 경계 사이의 원자 확산 및 압축 응력 증가가 더욱 증가합니다. 580~610°C에서 증착되면 필름은 필름 내 인장 응력에서 압축 응력으로 변형될 수 있습니다. 온도가 계속 상승하면 입자가 기둥 모양으로 성장하고 원자는 수직 성장 방향을 확장하며 압축 응력은 점차 감소합니다. 샘플의 굽힘 방향이 동일하기 때문에 특정 온도 범위 내에서 필름 내부가 압축 응력으로 나타나고 온도가 증가함에 따라 압축 응력이 감소하는 것을 볼 수 있습니다.

또한 폴리실리콘 증착 시 다른 필름에 의한 추가적인 응력이 가해지지 않기 때문에 필름의 총 응력은 내부 응력과 열 응력의 합으로 단순화할 수 있으며, 이 중 온도가 열 응력에 영향을 미치는 주요 요인이며 증착 온도가 상승하면 필름의 내부 응력이 증가하게 됩니다.

고온에서 증착된 다결정 실리콘 필름은 상대적으로 작은 웨이퍼 휨 값을 얻는 것을 볼 수 있으며, 이는 필름의 총 응력이 주로 온도 변화에 크게 의존하는 내부 응력에 의해 영향을 받는다는 것을 증명합니다. 따라서 표면 품질이 요구 사항을 충족하는 조건에서 증착 온도를 적절히 높임으로써 실리콘 웨이퍼의 휨을 개선할 수 있습니다.

웨이퍼 휨에 대한 필름 두께의 영향

필름 두께에 따른 뒤틀림 변화의 대부분은 필름 성장 시 내부 응력의 변화와 관련이 있을 수 있습니다. 필름은 처음에 압축 응력을 받다가 점차 인장 응력으로 바뀌고 마지막으로 다시 압축 응력을 받습니다. 이 동작은 필름의 증착 단계에서의 성장 과정과 밀접한 관련이 있습니다. 초기 단계에서 필름은 기판 표면에서 개별 클러스터 또는 섬으로 성장하며, 이러한 섬은 일반적으로 상대적으로 매우 작은 개별 입자 사이의 격자 간격을 감소시키는 표면 또는 계면 응력으로 인해 압축 응력을 나타냅니다. 두 번째 단계에서는 섬이 성장하여 서로 접촉하기 시작하여 입자 경계가 형성되어 필름의 인장 응력이 증가하기 시작합니다. 역탄성 파괴 메커니즘으로서 섬의 응집은 입계 경계를 균열로 간주하며, 시스템은 높은 표면 에너지를 낮은 계면 에너지로 대체하여 이 균열에 접근함으로써 자유 에너지를 줄일 수 있습니다. 균열 또는 입자 경계에 접근하면 필름 재료는 인장 응력을 받습니다. 세 번째 단계에서는 필름의 두께가 증가함에 따라 표면 원자가 입계 경계로 이동하여 연속적인 필름을 형성하고 필름 응력이 감소하기 시작하여 점차 인장 응력에서 압축 응력으로 변화하여 두께에 따라 증가합니다. 또한 증착 두께가 다른 것 외에는 반응 조건이 동일하기 때문에 필름의 열 응력은 동일한 것으로 알려져 있습니다. 따라서 총 응력 변화는 필름의 내부 응력에 의해 결정됩니다.

기판 웨이퍼의 휨은 필름 두께가 증가함에 따라 작아지는 경향이 있습니다. 이는 성장 과정 중 필름 내부 응력 진화의 세 번째 단계와 잘 일치합니다. 따라서 기판 웨이퍼의 휨은 특정 조건에서 필름 두께가 더 증가해도 여전히 감소합니다.

어닐링 공정이 다결정 후면 밀봉 웨이퍼의 휨에 미치는 영향

어닐링 온도가 다결정 후면 밀봉 웨이퍼의 휨에 미치는 영향

산 에칭 웨이퍼 표면에 다중 제품 실리콘 필름을 LPCVD 방식으로 양면 증착한 후 어닐링 전후 웨이퍼의 휨은 기본적으로 변하지 않았습니다. 단면 연마 후 기판 웨이퍼의 휨이 크게 증가했습니다. 그러나 어닐링 온도가 증가함에 따라 휨은 감소하는 경향이 있으며 약 1000℃가 휨의 급격한 변화의 임계점이며 1000℃ 이상에서 어닐링하면 휨을 효과적으로 제어할 수 있습니다.

필름 성장 과정에서 공정 온도가 낮으면 표면 확산이 감소하여 흡수된 실리콘 원자가 최저 에너지 평형 상태에 매립될 수 없습니다. 이러한 이유로 증착된 상태의 필름에는 점 결함, 공극, 전위, 입계 경계, 축적 응력 등이 많이 발생합니다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 공극은 이동성을 가지게 되어 전위로 이동하고, 전위도 활성화되어 크리프와 슬립에 의해 자유 표면으로 이동하여 응력을 방출합니다. 결함 밀도가 감소함에 따라 전체 필름이 조밀해집니다. 표면 에너지에 의한 입자 성장과 그에 수반되는 재핵 형성은 어닐링 중에 계속됩니다. 입자가 성장함에 따라 작은 크기의 입자는 인접한 큰 크기의 입자에 의해 소모되어 점차적으로 체표면적 비율이 커집니다. 결과적으로 어닐링 온도가 높아질수록 필름 내의 응력 완화는 증가하고 웨이퍼의 뒤틀림은 감소합니다.

어닐링 시간이 다결정 후면 밀봉 웨이퍼의 휨에 미치는 영향

어닐링 온도 900°C에서는 어닐링 시간에 따라 웨이퍼의 휨이 감소하지만 변화량도 감소합니다. 어닐링 온도 1000°C와 1100°C에서는 어닐링 시간에 따라 웨이퍼의 휨이 거의 변하지 않습니다. 그러나 동일한 조건에서 1000℃에서의 휨이 1100℃에서의 휨보다 약간 더 크고, 900℃에서는 둘 사이의 차이가 더 큽니다. 어닐링 온도가 낮 으면 원자 이동이 상대적으로 느리고 응력 방출이 더 지연되며 어닐링 시간이 적절하게 증가하면 원자가 응력 방출 지점에 도달하기 위해 더 먼 거리를 이동할 수 있으며 뒤틀림이 약간 개선 될 수 있습니다. 어닐링 온도는 휨 개선에 매우 유리합니다. 어닐링 온도가 높아지면 표면 확산이 강해지고 잔류 응력이 제거됩니다. 다품종 실리콘 필름의 경우 1000℃ 이상에서 60분간 어닐링하면 기본적으로 응력이 풀리고 뒤틀림이 개선될 수 있습니다.

필름 준비 공정, 열처리 공정 및 필름 두께 요구 사항이 다르기 때문에 필름 내의 응력 상태가 다르기 때문에 기판 연마 후 증착 된 필름의 기하학적 매개 변수도 크기가 다릅니다. 따라서 필름 준비 및 열처리 공정의 공정 조건을 적절하게 선택하여 필름 잔류 응력을 제어 할 수 있으며 동시에 다양한 필름 두께 요구 사항에 따라 기판 연마 후 휨 변화를 대략적으로 추론하고 제품의 처리 능력을 적절하게 평가할 수 있습니다. 구체적인 결론은 다음과 같습니다.

1. 동일한 조건에서 실리콘 웨이퍼의 휨은 박막 증착 온도가 높아질수록 점차 작아집니다. 증착 온도가 높을수록 기판 웨이퍼 휨 값은 상대적으로 작아집니다.

2. 기판 웨이퍼의 휨은 필름 두께가 증가함에 따라 작아지는 경향이 있습니다. 이는 성장 과정 중 필름 내부 응력 진화의 세 번째 단계와 잘 일치합니다. 따라서 기판 웨이퍼의 휨은 필름 두께가 더 증가함에 따라 여전히 감소할 것이라고 추론할 수 있습니다.

3, 어닐링 온도가 증가함에 따라 기판 웨이퍼의 휨이 감소하는 경향이 있습니다. 1000 ℃ 정도는 휨 급격한 변화의 임계점이며, 60 분 동안 1000 ℃ 어닐링보다 높은 효과적인 제어의 휨에 도달 할 수 있습니다.

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