WSI Polycide工藝的研究

朱賽寧，聶圓燕，陳海峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

在MOS集成電路中，通常采用多晶硅作為柵電極及互連材料，它決定了特征尺寸。但隨著集成度的迅速提高，器件尺寸按比例縮小，線條越來(lái)越窄（≤1μm），節(jié)深越來(lái)越淺（＜200nm），使得目前用作柵電極和互連的多晶硅薄層電阻大大增加，引起電路功耗和噪聲增加，限制了集成電路的速度。特別是在存儲(chǔ)器電路生產(chǎn)中，比如DRAM、FLASH和SRAM器件工藝過(guò)程中，需要降低多晶硅柵的電阻率從而提高器件的速度[1]。而多晶硅電阻率相對(duì)較高（33Ω/方～55Ω/方），所以在相關(guān)器件的制造中，可以通過(guò)在多晶硅上淀積一層WSI并經(jīng)退火工藝后形成的Polycide復(fù)合柵結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)多晶硅柵的電阻率（Polycide結(jié)構(gòu)如圖1所示）?？梢允贡∧る娮杞档鸵粋€(gè)數(shù)量級(jí)，從而能降低電阻壓降和R-C持續(xù)時(shí)間。有人對(duì)多晶硅化物和多晶硅器件性能進(jìn)行了比較[2]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多晶硅化物結(jié)構(gòu)兼?zhèn)淞薙iO2-多晶硅及與硅化物互連的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又降低了表面薄層電阻和接觸電阻，使之既具備多晶硅柵的穩(wěn)定可靠特性，又具備硅化物的高電導(dǎo)率特性，從而具有較好的工藝兼容性，所以得到了廣泛采用。

圖1 Polycide復(fù)合柵結(jié)構(gòu)示意圖

但是在實(shí)際的工藝生產(chǎn)中，WSI膜層容易出現(xiàn)剝落、圓斑及色差等異常情況，嚴(yán)重的剝落會(huì)對(duì)后續(xù)工藝帶來(lái)顆粒、沾污，進(jìn)而影響產(chǎn)品的成品率[3]。因此，研究WSI薄膜脫落的影響因素以及相應(yīng)的解決措施具有重要意義。本文主要研究了WSI Polycide工藝流程中各種因素對(duì)WSI膜層的影響，并尋求WSI Polycide工藝相關(guān)的最優(yōu)化條件。

2 原理

本文用Precision 5000設(shè)備淀積硅化鎢膜層，采用WF6-SiH4-H2反應(yīng)體系，這是因?yàn)閃F6具有很低的沸點(diǎn)19.5℃，與H2及SiH4的反應(yīng)溫度低，使用方便，而且用WF6體系淀積具有非常好的選擇性[4]。薄膜的化學(xué)組分主要依賴于反應(yīng)氣體的流量比及淀積溫度，主要反應(yīng)為：WF6+ SiH4→WF6+SiF4+H2，反應(yīng)溫度400℃。

3 實(shí)驗(yàn)

樣品制備的常規(guī)流程如下：硅片通過(guò)氧化生長(zhǎng)12.5nm柵氧SiO2，然后用LPCVD設(shè)備生長(zhǎng)350nm多晶，再進(jìn)行清洗后淀積一層150nm的WSI，然后爐管退火后進(jìn)行多晶摻雜、多晶光刻、多晶腐蝕形成電路圖形，接著進(jìn)行RTA退火及N+推結(jié)后進(jìn)行Spacer淀積、致密、腐蝕、氧化等工藝流程，最后通過(guò)顯微鏡鏡檢觀察形貌。

但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)顯微鏡鏡檢，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品片在做完Spacer氧化后硅片表面出現(xiàn)了不同程度的WSI剝落、色斑、圓斑等異常情況，針對(duì)這種現(xiàn)象，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化WSI工藝，達(dá)到最優(yōu)效果。

由于在通常的工藝制造中，薄膜上很強(qiáng)的局部應(yīng)力可能會(huì)造成襯底變形，甚至高的膜應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂和分層，膜應(yīng)力還可在襯底傳遞硅缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致可靠性問(wèn)題[5]。而WSI膜層的應(yīng)力為109數(shù)量級(jí)，且退火會(huì)使應(yīng)力進(jìn)一步變大，考慮到可能是應(yīng)力的原因?qū)е耊SI膜層剝落、開(kāi)裂，我們通過(guò)FLX5400應(yīng)力儀薄層應(yīng)力測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量這種形變。通過(guò)分析由于薄膜淀積造成的襯底曲率半徑（翹曲度）變化來(lái)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

對(duì)WSI膜層應(yīng)力產(chǎn)生影響的主要有三個(gè)因素：

（1）WSI前清洗步驟；

（2）WSI淀積后爐管退火溫度；

（3）在WSI淀積后再淀積一層Cap Layer介質(zhì)層，即淀積一層薄SiO2層，因?yàn)镾iO2膜層應(yīng)力為-109數(shù)量級(jí)，在一定程度上能緩解WSI膜層造成的高應(yīng)力。

通過(guò)改變這些因素中的工藝條件進(jìn)行整個(gè)Polycide工藝流程，測(cè)試各個(gè)工序后硅片膜層的應(yīng)力及翹曲度變化，最后在Spacer氧化后通過(guò)顯微鏡鏡檢觀察硅片表面形貌。

4 結(jié)果與討論

4.1 WSI淀積前清洗對(duì)WSI的影響

本工藝線正常的清洗步驟為：10︰1HF漂SiO2→3#液→1#液→2#液清洗，目的是為了使WSI淀積前硅片表面光滑，無(wú)有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、金屬及其他顆粒、沾污。另取一片做對(duì)比的圓片，在常規(guī)清洗后再加一步反濺，目的是去除硅片表面的自然氧化層。

圖2給出了WSI淀積前正常清洗和加反濺的應(yīng)力變化和翹曲度變化的趨勢(shì)，其中1#片正常清洗，2#片加反濺。從圖中看出，在整個(gè)工藝過(guò)程中，爐管退火前后的圓片翹曲度變化最大，圓片的應(yīng)力先上升后下降（Spacer致密后最?。覙?biāo)準(zhǔn)清洗工藝和反濺工藝的圓片之間的應(yīng)力差別不大。但是，加反濺的2#圓片Spacer氧化后出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落情況。圖3為加反濺的2#圓片Spacer氧化后的圖片，其中圖3（a）為表觀圖片，可以看到圓片的邊緣一圈明顯異常，呈現(xiàn)白色剝落狀；圖3（b）為顯微鏡鏡檢照片，圖中白色絲狀物為剝落翹起的WSI層。

圖2 WSI淀積前正常清洗和加反濺的變化

4.2 淀積后爐管退火溫度對(duì)WSI膜層應(yīng)力的影響

退火溫度從700℃/30min改至900℃/30min和1050℃/30min，硅片應(yīng)力的改變差別較大。從圖4我們可以看到隨著退火溫度變高，退火前后應(yīng)力變化就越大，到1050℃/30min退火條件時(shí)剝落已非常嚴(yán)重，影響后續(xù)工藝的進(jìn)行。

4.3 Cap Layer層對(duì)WSI膜層應(yīng)力及翹曲度的影響。

加Cap Layer層對(duì)WSI膜層應(yīng)力及翹曲度的影響的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 反濺工藝的圓片Spacer氧化后表面出現(xiàn)異常

圖4 爐管退火溫度對(duì)WSI膜層應(yīng)力的影響

表1 Cap Layer層對(duì)WSI膜層應(yīng)力及翹曲度的影響

圖5（a）、（b）為Cap Layer層對(duì)WSI膜層翹曲度及應(yīng)力的影響圖，可以看到在WSI Polycide工藝過(guò)程中加入Cap Layer層在爐管退火前后翹曲度會(huì)發(fā)生大的變化，并且硅片在Spacer氧化后的應(yīng)力比標(biāo)準(zhǔn)工藝的小且Cap Layer越厚應(yīng)力越小，對(duì)WSI膜層的剝落有很大改善。但是Cap Layer太厚對(duì)Polycide復(fù)合柵的刻蝕帶來(lái)了很大影響，從而使復(fù)合柵腐蝕后表觀形貌較差，對(duì)后續(xù)的器件性能有較大影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明50nm的Cap Layer在不影響后續(xù)工藝的基礎(chǔ)上對(duì)WSI應(yīng)力改善效果最明顯。

圖5 Cap Layer層對(duì)WSI膜層影響

圖6展示了WSI Polycide工藝流程不同條件下形成的多晶柵顯微鏡形貌圖片：（a）是正常工藝的顯微鏡形貌圖，電路中可能產(chǎn)生輕微圓斑和色斑；（b）是正常工藝加反濺的顯微鏡形貌圖，膜層嚴(yán)重剝落；（c）是爐管退火溫度為900℃/30min的形貌圖，有輕微剝落；（d）是加Cap Layer 200nm復(fù)合柵腐蝕后打毛的SEM照片，而打毛對(duì)器件性能有較大影響；（e）是Cap Layer層厚度為50nm的條件下形成的圖形，復(fù)合柵形貌較好，無(wú)剝落。

圖6 各種條件硅片表面形貌圖

5 結(jié)論

本文研究了WSI Polycide工藝流程中不同條件對(duì)WSI膜層的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較及顯微鏡形貌分析發(fā)現(xiàn)WSI Polycide工藝中對(duì)WSI膜層表面性質(zhì)影響主要表現(xiàn)為由應(yīng)力產(chǎn)生的表面形變，而清洗、退火溫度高低及增加Cap Layer層都會(huì)對(duì)應(yīng)力有一定影響，其中加Cap Layer層對(duì)膜層的應(yīng)力改善最明顯，最終獲得了WSI Polycide工藝的優(yōu)化條件：淀積前10∶1HF漂SiO2→3#液→1#液→2#液清洗+700℃/30min退火+50nm Cap Layer層。運(yùn)用該優(yōu)化條件完成的工藝流程，防止了后續(xù)流程中WSI的剝落、色斑等異常，且WSI的表面形貌和膜層性能均能達(dá)到CMOS制造的要求。本文對(duì)半導(dǎo)體器件中WSI Polycide工藝開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

［1］王陽(yáng)元，T.I.卡明斯，趙寶瑛，等.多晶硅薄膜及其在集成電路中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

［2］B.L.Crowder and S.Zirinsky.IEEE Trans.Electron Devices[J].1979,ED-26,369.

［3］崔錚.微納米加工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2005.

［4］王永發(fā)，張世理，等.化學(xué)汽相淀積硅化鎢體系熱力學(xué)研究[J].電子學(xué)報(bào)，1989.

［5］Michael Quirk著，韓鄭生，等譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.