Reduction of the residual stress of various oxide films for MEMS structure fabrication

MEMS 공정을 위한 여러 종류의 산화막의 잔류응력 제거 공정

Various oxide films are commonly used as a sacrificial layer or etch mask in the fabrication of microelectromechanical systems (MEMS). Large residual strain of these oxide films causes the wafer to bow, which can have detrimental effects on photolithography and other ensuing processes. This paper investigates the residual strain of tetraethoxysilane (TEOS), low temperature oxide (LTO), 7 wt% and 10 wt% phosphosilicate glass (PSG). Euler beams and a bent-beam strain sensor are used to measure the residual strain. A poly silicon layer is used as the sacrificial layer, which is selectively etched away by $XeF_2$. First, the residual strain of as-deposited films is measured, which is quite large. The residual strain of the films is also measured after annealing them not only at $500^{\circ}C$, $600^{\circ}C$, $700^{\circ}$ and $800^{\circ}C$ in $N_2$ environment for 1 hour but also at the conditions for depositing a $2\;{\mu}m$ thick polysilicon at $585^{\circ}C$ and $625^{\circ}C$. Our results show that the 7 wt% PSG is best suited as the sacrificial layer for $2\;{\mu}$ thick polysilicon processes.

본 논문에서는 MEMS 공정에 많이 사용되는 tetraethoxysilane (TEOS) 산화막, low temperature oxide (LTO), 7 wt%, 10 wt% phosphosilicate glass (PSG)의 잔류응력을 Euler beam과 bent-beam strain sensor를 제작하여 측정하였다. 이러한 산화막 잔류응력 측정 구조물을 만들기 위해 다결정실리콘을 희생층으로 사용하였으며 $XeF_2$를 이용하여 희생층 식각을 하였다. 먼저 각 산화막의 증착 당시 잔류응력을 측정한 후 $500^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$까지 질소분위기에서 1 시간 동안 열처리하였다. 또 표면미세가공에서 가장 많이 사용되는 $585^{\circ}C$, $625^{\circ}C$ 다결정실리콘 증착 조건에서 열처리하여 산화막의 잔류응력 변화를 측정하였다. 측정 결과 TEOS와 LTO, 7 wt% PSG는 $600^{\circ}C$ 이하에서 압축잔류응력이 줄어들다가 그 이상에서 다시 커지는 반면에 phosphorus 농도가 높은 10 wt% PSG의 경우는 $500^{\circ}C$이상에서 압축잔류응력이 증가하는 것을 확인하였다. 또 7 wt% PSG가 $585^{\circ}C$ 다결정실리콘 증착 시 가장 작은 잔류응력을 나타내었다.