低應(yīng)力非晶硅薄膜的制備

王劍敏

(上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海，201206）

低應(yīng)力非晶硅薄膜的制備

王劍敏

(上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海，201206）

本文研究了三種降低非晶硅材料應(yīng)力的手段:優(yōu)化工藝參數(shù)。通過N2退火，將非晶硅的壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力。通過額外的摻雜硼來改變非晶硅的應(yīng)力。最初加入硼摻雜后應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，但隨著同步摻雜的濃度增加，最終的應(yīng)力變化會(huì)趨向緩和。通過綜合利用以上三個(gè)手段，最終的實(shí)際結(jié)果達(dá)到了預(yù)定的低應(yīng)力目標(biāo)。

低應(yīng)力；非晶硅；微機(jī)械；半導(dǎo)體制造

0 引言

非晶硅材料被廣泛運(yùn)用在微電子和微機(jī)械的工藝制作中。在微機(jī)械工藝中，經(jīng)常會(huì)淀積較厚的非晶硅材料作為機(jī)械結(jié)構(gòu)或非晶硅犧牲層，這時(shí)非晶硅本身的力學(xué)參數(shù)，特別是對(duì)應(yīng)力的要求就比較苛刻。當(dāng)非晶硅薄膜自身具有較大的的應(yīng)力時(shí)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生扭曲變形，影響結(jié)構(gòu)的性能，當(dāng)作為犧牲層時(shí)，還會(huì)發(fā)生刻蝕后結(jié)構(gòu)坍塌等問題。為防止以上問題的發(fā)生，非晶硅的應(yīng)力必須等到有效的控制，絕對(duì)值越小越好。

本文所涉及的非晶硅材料被運(yùn)用在微電子與微機(jī)械結(jié)合的工藝中，在生長非晶硅材料前，微電子的器件都已做完，并已開始金屬布線，為使得前層的金屬布線不在非晶硅生長時(shí)受高溫融化，所以必須使用增強(qiáng)型等離子體化學(xué)氣相淀積方法，在400℃左右的溫度情況下制備非晶硅，由于此時(shí)等離子轟擊造成的壓應(yīng)力相對(duì)于低溫的生長環(huán)境產(chǎn)生的張應(yīng)力要大，所以一般的等離子體非晶硅薄膜都會(huì)是壓應(yīng)力。

1 降低非晶硅材料應(yīng)力手段

（1）通過優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整非晶硅材料本征的應(yīng)力?！?】相關(guān)的文獻(xiàn)描述中針對(duì)的都是在低壓化學(xué)氣相淀積法（LPCVD）中生長的多晶硅或非晶硅材料，典型的生長溫度是在高溫下550-700℃，研究不同淀積壓力下膜應(yīng)力與淀積溫度的關(guān)系，隨著淀積溫度的變高非晶硅會(huì)進(jìn)入到過渡區(qū)再轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч?，薄膜材料的?yīng)力也會(huì)由原來的壓應(yīng)力變?yōu)閼?yīng)力，再轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。但在本文增強(qiáng)型等離子體化學(xué)氣相淀積（PECVD）的制備中，因?yàn)樵谳^低溫度下制備，產(chǎn)生的只能是非晶硅，所以不會(huì)有非晶硅到多晶硅的結(jié)晶及體積收縮的變化，很多工藝的變化趨勢(shì)需要重新摸索。

（2）通過加熱退火，將壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力?！?】[3][4]在參考文獻(xiàn)中的退火溫度普遍都是在600-1000℃，而在本文中為不使得前層Al線融化，所以必須在400℃以下的退火溫度下進(jìn)行。在更高的溫度和長時(shí)間的退火會(huì)使得應(yīng)力的大幅下降，但因?yàn)楸疚脑谏L非晶硅材料前已集成了微電子電路，當(dāng)然無法承受這樣長時(shí)間及高溫的熱過程，所以此手段無論從退火的時(shí)間還是退火的溫度考慮，都存在著很大的制約和局限性。

（3）通過額外的摻雜來改變非晶硅的應(yīng)力。[5]通過參考相關(guān)的文獻(xiàn)，通過n型或p型的同步摻雜會(huì)對(duì)薄膜最終的應(yīng)力產(chǎn)生很大的影響。在非晶硅材料中，對(duì)于應(yīng)力起作用的摻雜原子都以替位形式而存在，在通常情況下，P 型摻雜如硼摻雜會(huì)使薄膜趨向張應(yīng)力,而n型摻雜如磷或砷摻雜，薄膜會(huì)更趨向于壓應(yīng)力。

本文希望通過綜合以上三個(gè)手段，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，通過分析具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)條件及目標(biāo)設(shè)定

本文的實(shí)驗(yàn)條件：在無圖形的監(jiān)控硅片片上先淀積一層1000A 的TEOS(四乙氧基硅烷)基的SiO2薄膜，再在其上利用現(xiàn)有增強(qiáng)型等離子體（PECVD）設(shè)備淀積1.3um的非晶硅，通過測(cè)量前后的曲率半徑，同時(shí)通過橢偏儀準(zhǔn)確測(cè)量非晶硅薄膜的厚度，得到最終的應(yīng)力，具體公式如下：

其中σ：薄膜平均應(yīng)力(Pa)當(dāng)符號(hào)數(shù)值為+時(shí)表明是張應(yīng)力，當(dāng)數(shù)值為-時(shí)表明是壓應(yīng)力。

E/(1-ν)：襯底雙軸彈性系數(shù) 對(duì)于(100) Si：E/ (1-ν)=1.805×1011Pa

h：襯底厚度(m) 一般制品襯底厚度725μm=0.725×10-3m

t：薄膜厚度(m)R1：成膜前襯底曲率半徑（m)R2：成膜后襯底曲率半徑（m)

最終的應(yīng)力要求|σ|＜50MPa。

3 優(yōu)化工藝參數(shù)

為了得到本文所要求應(yīng)力的非晶硅薄膜，首先列舉影響工藝反應(yīng)最終結(jié)果的工藝參數(shù)及可供工藝調(diào)整的范圍如下：

溫度：350-400℃，由于在本文的非晶硅運(yùn)用中，前層已有Al 線，為了不使Al線融化，所以只能在較低的溫度下進(jìn)行。

壓力：1-10Torr；SiH4：10-1000sccm；Ar：10-10000sccm；He：10-10000sccm

HF：10-1000W，LF：10-1000W.

通過變動(dòng)以上參數(shù)，進(jìn)行DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如圖 1各實(shí)驗(yàn)條件下等到的應(yīng)力結(jié)果可知，應(yīng)力可由最初的-473MPa 調(diào)整至-172MPa左右，但因?yàn)楸疚氖褂玫氖堑入x子體方法制備的非晶硅，本來薄膜的應(yīng)力就可以看作是接受熱能產(chǎn)生的張應(yīng)力和等離子轟擊產(chǎn)生壓應(yīng)力的綜合，而在400度左右的低溫下，等離子體轟擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力將占主導(dǎo)地位，所以即使怎么改變工藝參數(shù)，最終的應(yīng)力值始終未能達(dá)到|σ|＜50MPa的目標(biāo)。

圖 1 各實(shí)驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果

4 退火處理

在通過工藝優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，需要有一些額外的手段來進(jìn)一步改變非晶硅薄膜的應(yīng)力，因?yàn)槭褂迷鰪?qiáng)型等離子體化學(xué)氣相淀積法制備時(shí)，在等離體的轟擊下，應(yīng)力通常會(huì)呈壓應(yīng)力（負(fù)值），而當(dāng)增加了退火熱處理后，由于額外的熱能會(huì)使得薄膜向張應(yīng)力改變。

在本文的非晶硅應(yīng)用中，非晶硅犧牲層被安排在前層具有Al 的工藝中，這也就意味著，后續(xù)的所有工藝和處理應(yīng)保持在較低的溫度下（典型在400度以下）進(jìn)行，所以本文的退火處理只能運(yùn)用現(xiàn)有的非晶硅工藝腔體，在400度的工藝溫度下，通入N2作為退火氣體，通過改變退火的時(shí)間，調(diào)查應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

圖2中應(yīng)力變化差值隨退火時(shí)間的變化趨勢(shì)實(shí)在非晶硅本征應(yīng)力-400MPa 左右的工藝條件下取得的，從可以看出，隨著N2退火處理時(shí)間的增加，在100-300S的時(shí)間變化區(qū)間里，應(yīng)力的改變值大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。但硅片周邊和中心區(qū)域的溫度差難免有差別，隨著退火時(shí)間的增加，硅片周邊和中心區(qū)域的溫度梯度造成了在硅片的周邊區(qū)域目檢發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的鼓包也隨之增多。

針對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)條件下，即使通過300s N2anneal,非晶硅薄膜材料的應(yīng)力也只能從-172MPa變?yōu)?139.3MPa，這說明了即使隨著退火時(shí)間的增加，由熱能帶來的張應(yīng)力會(huì)在一定的程度上抵消等離子體轟擊帶來的壓應(yīng)力。但隨著退火時(shí)間的增加，由于畢竟還是在相對(duì)低的溫度情況下（400℃）退火，抵消的程度有限，且退火時(shí)間也不能過長。

圖2 應(yīng)力變化差值隨退火時(shí)間的變化

5 增加硼摻雜

經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)改善，本文中利用增強(qiáng)型等離子體化學(xué)氣相淀積法制備的非晶硅，應(yīng)力絕對(duì)值還是維持在100MPa 以上，與目標(biāo)值|σ|＜50MPa 還有很大的距離。

根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，如在非晶硅成長的過程中，同步摻雜會(huì)對(duì)應(yīng)力有很大的影響。當(dāng)摻雜硼原子時(shí)會(huì)使薄膜趨于張應(yīng)力，而是摻雜磷原子時(shí)會(huì)使薄膜區(qū)域壓應(yīng)力，所以我們選擇了以B2H6 作為摻雜氣體進(jìn)行同步摻雜淀積，通過變化B2H6的流量，測(cè)量最終的應(yīng)力變化趨勢(shì)。

在本文中我們選取了B2H6流量0-200sccm，得到相關(guān)應(yīng)力結(jié)果，從最終的應(yīng)力隨B2H6 濃度變化的趨勢(shì)圖圖3來看，應(yīng)力隨B2H6流量的變化，并不是單向變化的，由等離子體制備的非晶硅，由于射頻的轟擊，薄膜本身呈現(xiàn)壓應(yīng)力，當(dāng)在非晶硅淀積的同時(shí)B2H6流量的加入 ，起初非晶硅薄膜的應(yīng)力情況會(huì)急劇變化至張應(yīng)力且絕對(duì)值非常高，隨著B2H6 的逐步增加非晶硅薄膜逐漸向壓應(yīng)力方向變化，當(dāng)B2H6 的流量達(dá)到100sccm左右時(shí)，應(yīng)力變化趨于緩和，當(dāng)B2H6 =100sccm 時(shí)，|σ|＜50MPa,達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，且當(dāng)B2H6 設(shè)定100sccm流量時(shí)，即使流量略有波動(dòng)，應(yīng)力也不會(huì)劇烈變動(dòng)。

為解釋應(yīng)力隨B2H6 濃度變化的機(jī)理，我們同時(shí)測(cè)量了相應(yīng)的電阻率如圖 4。因?yàn)槎际窃诜蔷Ч璧矸e后直接測(cè)量應(yīng)力和電阻率，非晶硅薄膜未經(jīng)過高溫退火，所以電阻率的變化直接反映了在非晶硅內(nèi)替位式摻雜原子的多少，而替位式摻雜原子的數(shù)量，直接影響了薄膜的應(yīng)力變化，。從圖 4可以看出，隨著B2H6流量的增加，起初電阻率急劇下降，應(yīng)力也隨著在非晶硅中加入了比硅原子小的硼原子而使得應(yīng)力逐漸由最初的張應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，但當(dāng)B2H6 流量的增加，電阻率趨于飽和，在非晶硅中的替位式摻雜硼原子趨于飽和，同時(shí)反映在應(yīng)力的變化中，應(yīng)力的變化也區(qū)域緩和。

圖3 應(yīng)力隨B2H6濃度的變化

圖4 電阻率隨B2H6濃度的變化

6 總結(jié)

本文通過具體研究三種手段來降低非晶硅材料的應(yīng)力，1.通過優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整非晶硅材料本征的應(yīng)力，但因?yàn)楸疚氖褂玫氖堑入x子體化學(xué)氣相淀積的制作方法，所以等離子體轟擊產(chǎn)生的壓應(yīng)力相對(duì)于低溫產(chǎn)生的張應(yīng)力起主導(dǎo)地位，所以調(diào)整的余地只是有限。2.通過加熱退火，將壓應(yīng)力變?yōu)閺垜?yīng)力。在本文中非晶硅薄膜在一定的退火時(shí)間內(nèi)應(yīng)力的變化差值呈線性關(guān)系，但由于退火的溫度和時(shí)間受實(shí)際運(yùn)用的限制，最后沒有實(shí)際采用。3.通過額外的摻雜硼來改變非晶硅的應(yīng)力，加入硼摻雜后應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，但隨著同步摻雜的濃度增加，最終的應(yīng)力變化會(huì)趨向緩和。通過綜合利用以上三個(gè)手段，最終的實(shí)際結(jié)果達(dá)到了預(yù)定的低應(yīng)力目標(biāo)。

[1]S.M.Sze,edit Semiconductor sensors.1977:64.

[2]H.Guckel,J,J.Sniegowski and Christenson.Sensors and Actuators.

[3]H.Guckel,D.W.Burns,C.C.G.Visser,H.A.C.Tilmans and D.DeRoo.IEEETrans.Electron Devices,1988,ED-35;800.

[4]P.Kruievitch,G,C.Johnson and R.T.Howe.Proc.Mat.Res.Soc. Symp.San Francisco,1992.79.

[5]M.S.Choi,E.W.Hearn.J.Electrochem.Soc.:Solid State Science and Technology,1984,151:2443.

Preparation of low stress amorphous silicon films

Wang Jianmin
(Shanghai Huahong grace Semiconductor Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai,201206)

Three kinds of methods were studied to decrease amorphous Si stress:1.Optimizing process parameter 2 Changing amorphous Si compress stress to tensile stress by N2 anneal 3 Changing amorphous Si Stress by additional boron dopant Stress was changed suddenly after added boron dopant at the very beginning,but by the in-situ dopant concentration increasing，stress variable trend will be alleviated.By making use of upper 3 kinds of methods comprehensively, final result achieved anticipated low stress goal

low stress; amorphous silicon; micromechanical; semiconductor manufacturing