LPCVD多晶硅薄膜發(fā)霧的形成與消除

許 帥,徐 超，王新勝，劉國柱

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，多晶硅薄膜在CMOS器件、雙極集成電路、微波器件和各種特殊功能的半導體器件中的應(yīng)用也日益廣泛，對于多晶硅薄膜的研究越來越引起人們的關(guān)注[1]。

在CMOS電路中，用重摻雜多晶硅替代金屬鋁，作為MOS晶體管的柵極材料，可實現(xiàn)源、漏、柵自動對準，提高了器件的性能與集成度。此外，多晶硅薄膜還可以作為單層或多層互連的引線，可做MOS電路中的高阻負載電阻、器件絕緣隔離、歐姆接觸引線等等。多晶硅薄膜的質(zhì)量強烈影響著器件性能，其中多晶硅薄膜晶粒大小是一個重要的控制特性。晶粒間界的存在可以減少載流子濃度，降低遷移率，增強雜質(zhì)擴散系數(shù)。所以，晶粒大小對多晶硅的電學性能影響很大。同時多晶硅薄膜的表面缺陷對器件的影響也非常大[1,2]。

在實際工藝過程中，由于工藝條件發(fā)生變化，或工藝操作過程中硅片表面被損傷或污染，都會使淀積的多晶硅顆粒變粗，出現(xiàn)發(fā)霧現(xiàn)象，嚴重時會造成硅片上的管芯圖形不清，造成整個器件的報廢。所以，研究多晶硅薄膜發(fā)霧的形成與控制措施對CMOS器件的性能非常重要。

2 多晶薄膜發(fā)霧的形成因素與解決措施

LPCVD淀積多晶硅薄膜是一個表面反應(yīng)速率控制過程，可分為成核和生長兩個階段[1]。在淀積過程中，溫度、壓力等工藝條件的突變、硅片表面的缺陷和損傷等都會導致薄膜表面快速成核，從而在這些地方淀積的多晶硅薄膜晶粒粗大，形成凸點，這些凸點在肉眼觀察下就呈現(xiàn)“霧狀”。

圖1 典型的多晶“發(fā)霧”照片

圖2 正常區(qū)域與“發(fā)霧”區(qū)光學顯微鏡照片對比

圖1是典型的多晶“發(fā)霧”圖片，圖2為正常區(qū)域與“發(fā)霧”區(qū)域在光學顯微鏡500倍暗場下的對比圖片。從圖2可以看出，正常區(qū)域圖形清晰無亮點，說明LPCVD多晶硅薄膜顆粒均細無明顯缺陷；而發(fā)霧區(qū)域出現(xiàn)密集分布的亮點，這些亮點就是粗大晶粒聚集而成的“凸點”，在肉眼觀察下就呈現(xiàn)“霧狀斑點”，如圖1所示。同時圖2發(fā)霧區(qū)域的圖形模糊不清，會對后續(xù)的工藝控制與器件性能都造成嚴重影響，甚至導致器件報廢。

LPCVD多晶硅膜“發(fā)霧”的主要影響因素可分為如下三個方面：（1）LPCVD淀積過程的溫度、壓力、SIH4濃度等工藝條件；（2）氣路系統(tǒng)的清潔度；（3）硅片進爐前的表面缺陷。

2.1 工藝條件對多晶“發(fā)霧”的影響[2-6]

淀積溫度對多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)的影響非常靈敏，對于典型的LPCVD系統(tǒng)，當生長低于600℃時，呈現(xiàn)無定型硅膜；當生長溫度大于600℃時，淀積薄膜為多晶硅結(jié)構(gòu)，晶粒大小約為55nm。隨著生長溫度的進一步增大，晶粒的尺寸也隨之增大。當生長溫度較高時，更容易形成較粗大的晶粒并凝聚成大顆粒，從而產(chǎn)生“發(fā)霧”的現(xiàn)象。

同時，LPCVD硅薄膜的平均生長速率與壓力成正比。如果反應(yīng)室的壓力過高或者壓力沖擊導致壓力迅速增大，都會引起快速成核從而造成“發(fā)霧”現(xiàn)象。

與壓力對多晶硅薄膜淀積的影響相似，在淀積過程中如果SIH4的流量太大、或在某一瞬間突然增大，也容易引起多晶硅薄膜的表面“發(fā)霧”。

因此，在多晶硅薄膜淀積工藝中，在保持適當?shù)腟iH4流量（80 Sccm左右）穩(wěn)定不變的情況下，采用較低的工藝溫度（600℃～620℃）以及較低的工藝壓力（30Pa左右），降低薄膜成核與生長的速度，從而獲得顆粒均細、表面光亮、均勻性好的無缺陷多晶硅薄膜。

2.2 氣路系統(tǒng)對多晶“發(fā)霧”的影響[7]

要獲得高質(zhì)量、特性優(yōu)良的多晶硅薄膜，消除多晶硅薄膜的“發(fā)霧”，必須保證氣路系統(tǒng)的潔凈。氣路系統(tǒng)包括特氣管路及純氮管路，流通這兩種管路的硅烷和純氮直接或間接參與了淀積的整個過程。

圖3 ASM LPCVD POLY氣路系統(tǒng)示意圖

從圖3 ASM LPCVD POLY氣路系統(tǒng)示意圖可以看出N2和SIH4有各自的進氣管路，在淀積準備階段通過控制相應(yīng)的氣動閥門及針閥實現(xiàn)氣路的氮氣吹掃及硅烷預通進入泵組，多晶硅薄膜淀積完成后通過調(diào)整相應(yīng)閥門可以將氣路系統(tǒng)中的殘余硅烷抽盡，通入保護氮氣以實現(xiàn)管路系統(tǒng)在正常使用過程中的潔凈。

更換管路部件（調(diào)壓表、MFC、硅烷氣源等）時，處于安全和保護管路潔凈的考慮，需將管路進行多次抽空、吹掃的動作，更換時應(yīng)將管路處于正壓狀態(tài)，更換完成后需將管路進行必要的高壓保壓和低壓保壓，確保管路的密封。為了保證管路的清潔，可以定期對管路用大通量的氮氣進行吹掃，對可能出現(xiàn)顆粒的管路應(yīng)定期進行清洗，以獲取更好的多晶硅薄膜。

2.3 硅片表面缺陷對多晶“發(fā)霧”的影響

在CMOS電路的制造工藝過程中，硅片表面易出現(xiàn)多種缺陷，其中包括熱氧化或清洗過程引入的顆粒，吸筆或鑷子造成的劃傷，前道工序造成的表面沾污等。在實際工藝過程中，多晶“發(fā)霧”異常大部分是由硅片表面的缺陷引起的。而造成缺陷的原因多由操作細節(jié)引發(fā)，同時受到前道多步工序的相互影響，種種因素都對其根本原因的查找?guī)砹溯^大的困難。

根據(jù)多晶硅薄膜“霧狀斑點”的形狀與分布位置，可以大致分為如下三種：（1）條狀或水滴狀斑點，與清洗過程相關(guān)；（2）斑點中心有核心污點或呈發(fā)散暈狀白斑，與污染物沾污有關(guān)；（3）斑點分布在固定位置，與前道工序有關(guān)。

因清洗過程多為手動作業(yè)，必須從細節(jié)入手調(diào)查有關(guān)工序與“發(fā)霧”的相關(guān)性。通過“人、機、物、料、環(huán)境”的要因法分析，發(fā)現(xiàn)“發(fā)霧”與清洗過程中快沖時間相關(guān)性不大；與甩干前沾上酸液相關(guān)性不大；與操作中引入的雜質(zhì)相關(guān)性很大，如作業(yè)中濕手套滴水在硅片上后，會引入手套上的顆?；螂s質(zhì)導致“發(fā)霧”，并且發(fā)霧的形狀成條狀或水滴狀。

針對引起多晶“發(fā)霧”的污染物的來源調(diào)查，可以在SEM下找到污染物，并對污染物進行EDX成分分析。

圖4 污染物的SEM照片

圖5 污染物的EDX圖譜

圖4是多晶硅“發(fā)霧”區(qū)域沾污點的SEM圖片，可以明顯看出在柵氧氧化層與多晶硅薄膜的界面上存在污染物（圖4圓圈處所示），導致了多晶硅淀積時粗大顆粒的聚集，從而形成小丘狀的表面形貌（圖4箭頭所示）。圖5為污染物的EDX成分分析，從圖5可見C元素的譜峰，具體含量見表1，其中C元素的原子百分比達到25%，推測該污染物為有機物。

表1 污染物的EDX成分分析

通過對工藝流程的進一步分析，判斷該有機污染物為上步工序中殘留的光刻膠，針對該問題可對多晶硅淀積前的清洗工藝進行優(yōu)化從而徹底解決。

對于存在固定分布的多晶“發(fā)霧”，其原因與上步工序相關(guān)性較大。多晶硅薄膜在CMOS電路中的一種典型應(yīng)用為制作電容或電阻，及在LPCVD多晶硅薄膜上進行氧化形成介質(zhì)層，然后在氧化層上再次淀積多晶硅薄膜。因此，多晶氧化工序的顆?？刂茖ο乱还ば虻亩嗑Ч璞∧ぁ鞍l(fā)霧”有著極其重要的作用。

多晶氧化工序引入的顆粒通常沉積在硅片的底部，因而多晶“發(fā)霧”也經(jīng)常發(fā)生在硅片的底部。調(diào)查進一步發(fā)現(xiàn)，多晶氧化過程中顆粒在底部的聚集與石英舟的清潔以及氧化爐的環(huán)境顆粒有較大關(guān)聯(lián)，可以通過改善這兩個方面來有效控制此類多晶“發(fā)霧”異?，F(xiàn)象。

3 結(jié)論

LPCVD多晶硅膜“發(fā)霧”的主要影響因素分為溫度、壓力、SIH4濃度等工藝條件、氣路系統(tǒng)的潔凈度、硅片的表面缺陷三個方面。在SiH4流量穩(wěn)定的情況下，采用較低的工藝溫度以及較低的工藝壓力可獲得顆粒均細的多晶硅薄膜。保持氣路系統(tǒng)的清潔也是消除多晶硅薄膜“發(fā)霧”的有效措施。硅片表面缺陷是導致多晶“發(fā)霧”的重要因素，根據(jù)多晶硅薄膜“霧狀斑點”的形狀與分布位置，可以對缺陷的來源進行分類，并從清洗工藝、污染物成分分析、前道工序調(diào)查等細節(jié)方面找出缺陷的來源，從而提出相應(yīng)的解決措施，消除多晶“發(fā)霧”異常。

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