沉积温度对多晶硅吸杂薄膜的影响

沉积温度对多晶硅吸杂薄膜的影响

Ξ

籍小兵,周旗钢3

,刘　斌,徐继平

(北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司,北京100088)

摘要:研究了在不同温度下生长多晶硅吸杂薄膜,薄膜应力对硅单晶抛光片翘曲参数的影响,并对所得的多晶硅薄膜结构进行扫描电镜观察。实验结果表明,随着沉积温度的不断升高,多晶硅晶粒不断长大,晶界减少,多晶硅薄膜应力逐渐降低,吸杂硅片的翘曲度逐渐减小,综合考虑硅片的吸杂效能与弯曲翘曲度控制,650～680℃为多晶硅薄膜最佳沉积温度。

关键词:沉积温度;多晶硅;吸杂;晶粒

中图分类号:T N304 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2008)06-0728-03

硅中金属杂质的存在对硅材料的电学性能和器件的成品率有重要的影响,是现在大规模集成电路工艺中需要着重控制的一个关键因素[1]

,自

1977年美国I BM 公司发表多晶硅吸杂专利以

来

[2]

,多晶硅吸杂的效果便得到了广泛的认可,由

于多晶硅吸杂比其他的外吸杂方法得到的硅片具有更高的机械强度,更高的洁净度,并且多晶层还可增强氧沉淀,起到促进内吸杂的作用,因此多晶硅吸杂在外吸杂领域得到了广泛的研究和使用

[3]

。

由薄膜应力研究发现

[4]

,多晶硅吸杂工艺的

一个最主要问题是多晶硅薄膜应力会引起硅片的翘曲,硅片翘曲影响半导体器件加工的各个工序,尤其影响光刻工艺中的对准步骤,翘曲的硅片导致硅片光刻过程的对准偏差,对准偏差严重降低了半导体器件的可靠性,对于高集成度的半导体器件来说,即使轻微的翘曲,影响对准的准确性也是非常明显的

[5]

。

本文通过研究在不同温度下生长多晶硅吸杂薄膜,并且对薄膜结构进行分析,确立了最佳的多晶硅薄膜生长条件。

1　实　验

实验采用直径150mm N 型<100>晶向硅腐蚀片,硅片厚度650μ

m ,电阻率范围0.002～0.004Ω・cm 。将以上硅腐蚀片分四组于AS M 2400LPC VD 炉沉积多晶硅,沉积温度分别为600,650,680,

750℃,多晶硅薄膜沉积厚度范围800±30nm ,经

单面抛光后获得4组不同的多晶硅吸杂硅片。

将以上各组硅片分别于沉积多晶硅之前和抛光后在wafercheck 7200上测试硅片的翘曲度,将结果进行对比分析。

将以上各温度下沉积的多晶硅薄膜结构进行扫描电镜观察,以确立多晶硅薄膜的结构状态,比对多晶硅薄膜对衬底的应力大小与晶粒结构,确立多晶硅吸杂薄膜的沉积条件。

2　结果与讨论

2.1　各温度下生长的多晶硅薄膜对硅片翘曲度的

影响

图1显示了在600,650,680,750℃4组温度

图1　各组硅片的翘曲度对比

Fig.1　Warp com paris on of different groups

第32卷　第6期V ol.32№.6 稀　有　金　属CHI NESE JOURNA L OF RARE MET A LS

2008年12月

Dec.2008

Ξ收稿日期:2008-03-19;修订日期:2008-09-29

作者简介:籍小兵(1981-),男,辽宁朝阳人,硕士研究生;研究方向:多晶硅吸杂技术3通讯联系人(E 2mail :spring 2666@ )

沉积多晶硅薄膜的实验条件下,原始腐蚀片与抛光后硅片翘曲度的变化,分别取腐蚀片最大值、最小值、平均值,以及抛光片最大值、最小值、平均值做出统计图,由图1不难得到,本实验所选四组硅片初始翘曲值相当,而在不同温度下沉积多晶硅薄膜后抛光,得到的硅片翘曲值呈现迅速下降的趋势。

图2(a ),(b ),(c ),(d )显示了600,650,680,750℃下沉积多晶硅薄膜后硅衬底翘曲度的变化。

根据薄膜的应力理论

[4]

,薄膜的整个应力σ

包括:(a )任何外部压力σext ,在膜上面,可能来自其他膜;(b )热应力σth ;(c )本身的应力σint 。整个应力可表示为:σ=σext +σth +σint

热应力产生于膜和衬底间热膨胀系数的不同,本身的应力来自膜的本身结构。热应力是因为膜2衬底连接处强加的固定作用,表示为:σth =(αf -αs )(

ΔT )E f 在这里,αf 和αs 是代表膜和衬底的平均膨胀系数;ΔT 是膜淀积时的温度减去测量时的温度,E f 是膜的杨氏模量。

根据上述实验结果和应力理论分析,低温下沉积多晶硅薄膜,可获得较好的膜厚均匀性,但是生长速率缓慢,薄膜应力较大,硅片产生较大的翘曲;高温下生长多晶硅薄膜,生长速率较快,膜厚均匀性控制困难,但是薄膜应力较小,硅片翘曲度也较小。由薄膜总应力公式σ=σext +σth +σint ,不难得到本实验多晶硅沉积不存在外部薄膜施加额外应力,因此总应力计算简化为σ=σth +σint ,再分析较为容易理解的热应力σth ,根据其公式σth =(αf -αs )(

ΔT )E f 发现,其中ΔT 一项是影响热应力的主要因素,随着薄膜生长温度的升高,ΔT 值增大,薄膜与衬底之间热应力不断增大,因此总应力增大,但是高温下生长多晶硅薄膜,获得的衬底翘曲值却迅速减小。证明薄膜内应力σint 是影响总应力最主要的因素,

而且薄膜内应力的变化强烈依赖温度的变化。直径150mm 硅片的翘曲度一般工艺控制在55μm 以下,因此600℃沉积多晶硅薄膜的应力过大,较好的沉积温度应该在650℃以上。

2.2　薄膜结构分析结果

图3(a ),(b ),(c ),(d )4张照片分别显示了

图2　600℃(a ),650℃(b ),680℃(c ),750℃(d )生长多晶硅薄膜腐蚀与抛光片翘曲值对比

F ig.2　W arp com paris on of corrosive and polished W a fers on depositing tem perature of 600℃(a ),650℃(b ),680℃(c ),750℃(d )

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276期 籍小兵等　沉积温度对多晶硅吸杂薄膜的影响