资源描述：
《多晶硅薄膜应力特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第20卷第6期 半 导 体 学 报 Vol.20,No.61999年6月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJune,1999多晶硅薄膜应力特性研究张国炳 郝一龙 田大宇 刘诗美 王铁松 武国英(北京大学微电子学研究所 北京 100871)摘要 本文报道了低压化学气相淀积(LPCVD)制备的多晶硅薄膜内应力与制备条件、退火温度和时间及掺杂浓度关系的实验研究结果,用XRD、RED等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成.结果表明,LPCVD制备的多晶硅薄膜具有本征压应力,其内应力受淀积条件、微结构组成等
2、因素的影响.采用快速退火(RTA)可以使其压应力松弛,减小其内应力,并可使其转变成为本征张应力,以满足在微机电系统(MEMS)制备中的要求.PACC:6220,7360F,68601 引言多晶硅薄膜由于其特有的导电特性和易于实现自对准工艺的优点,在大规模集成电路[1](VLSI)的制备中有着广泛的应用.对多晶硅薄膜的导电特性已进行了深入的研究.近年来,随着集成电路的发展,特别是微机电系统(MEMS)的兴起,多晶硅膜作为MEMS中的基本结构材料,其机械特性直接影响着器件的性能和稳定性、可靠性.在MEMS应用中要求多晶硅膜本身具有较小的张应力且膜内有小的应力梯度,
3、如果多晶硅膜内应力过大,会使MEMS结构层形变甚至断裂,造成器件失效.所以,控制制备工[2,3]艺条件,使其具有较小的张应力,成为MEMS制造工艺中的一个很关键的问题.本文对LPCVD多晶硅薄膜的应力特性进行了实验研究,主要包括:制备工艺条件、退火温度和时间、掺杂浓度和微结构组成对其应力特性的影响.实验中采用薄膜全场应力测试系统测量薄膜的应力,用X光衍射(XRD)及反射电子衍射(RED)等技术测量分析了多晶硅膜的微结构组成.2 实验2.1 实验样品制备实验样品采用在N型(100)单晶硅衬底热生长300～500nm厚的SiO2膜;再用低压化学气相淀积生长多晶硅薄
4、膜,工艺条件为:淀积温度分别为575℃和610℃,压力30Pa,硅烷张国炳 男,1937年出生,教授,从事半导体器件物理及VLSI和MEMS中薄膜结构特性及应用研究郝一龙 男,1963年出生,副研究员,从事VLSI多层互连技术及MEMS器件和制备工艺研究1998202213收到,1998208225定稿464 半 导 体 学 报 20卷流量20sccm;淀积速率分别为313nmömin和615nmömin;膜厚2Lm和800nm;离子注入磷+(P)对多晶硅掺杂;为研究应力特性与退火温度的关系,我们采用快速退火(N2保护),退火温度从
5、800～1100℃,退火时间30S,并在1100℃下改变退火时间(10～60秒).2.2 薄膜应力测量[4]采用我所研制的薄膜全场应力测试仪测量多晶硅薄膜应力.用光偏振相移干涉原理,通过测量由于薄膜应力引起的衬底形变或曲率半径的变化,再转换成薄膜应力,其应力分布可表示为:222Rx+RyETS5W(x,y)5W(x,y)R(x,y)==[2+2](1)26(1-M)tF5x5y其中 E和M为硅衬底的扬氏模量和泊松比;TS和tF分别为衬底和薄膜的厚度.该测量系统有下列优点:(1)应力测量具有全场性,可在整片上同时测量形变和应力分布;(2)测量2262精度高,可达
6、10Nöcm量级(形变量小于63nm);(3)测试范围为1×10～1×10Nöcm.实验中,我们采取分别测量膜淀积前后、退火前后的基片形变,根据上式计算出膜的应力值.2.3 多晶硅薄膜微结构组成的分析采用X光衍射技术(XRD)测量分析了多晶硅膜的相结构组成,仪器为日本理光[5]DMAX22400型X光衍射仪(Cu)靶.测量衍射峰的半高宽(FWHM),根据Scherrer公式可算出晶粒尺寸:D=kKöB(2H)cosHB(2)式中 K=0.9;K=0.15409nm;HB为Bragg角;B(2H)为经修正后的半高宽.3 实验结果和讨论3.1 淀积条件和离子注入掺
7、杂对多晶硅膜本征应力的影响表1给出了不同淀积温度和不同离子注入掺杂浓度的多晶硅薄膜应力测量结果.表1 不同淀积温度和离子注入掺杂浓度对应力的影响编号1#2#3#4#5#24#25#淀积温度ö℃610610610610610575575能量ökeV100100100100注入掺杂未注入未注入未注入浓度öcm-24×10148×10148×10152×1016应力掺杂前-1.35-2.04-1.71-1.69-2.13-0.31-0.19R(×104N·cm-2)掺杂后-1.45-2.10-2.06-1.69-2.03-0.75-0.19表1测量结果表明,575℃
8、和610℃淀积的多晶硅薄膜,其应力为均
