Trench VDMOS制造流程中多晶相關(guān)工藝問題研究

趙文魁，馬萬里

（深圳方正微電子，廣東 深圳 518116）

1 引言

在Trench VDMOS制造工藝流程中，Poly（多晶）的相關(guān)工藝，目的是完成柵極的制作。具體步驟如圖1所示，當溝槽刻蝕完成，并且柵氧化層生長以后，進行多晶的淀積、回蝕。將溝槽內(nèi)部填滿多晶，溝槽外部區(qū)域的多晶全部去除。

圖1 Trench VDMOS 多晶柵極的制作過程

這些工序中，如果工藝控制不好，有些問題非常容易出現(xiàn)，且會對器件的部分電學(xué)參數(shù)（如Vth、Igss等）產(chǎn)生嚴重的影響，造成良率損失[1]。

2 多晶的淀積

多晶淀積有兩處需要重點關(guān)注：

（1）多晶的生長速率要控制，如果生長太快，則容易導(dǎo)致在溝槽內(nèi)的多晶結(jié)合面不緊密[2]，這會在后續(xù)的多晶回蝕時，在溝槽內(nèi)多晶界面處過刻蝕量嚴重。如圖2所示，左圖為生長速率為3.0 nm·min-1的多晶進行回蝕之后的形貌。右圖為生長速率為3.8 nm·min-1的多晶進行回蝕之后的形貌?？梢钥吹接覉D中，在溝槽內(nèi)的多晶中間，有條明顯的縫隙。這條縫隙就是多晶生長時，在溝槽內(nèi)愈合的界面。多晶生長速率越快，縫隙越大。

（2）爐管的定時清潔，時間久的話，爐管內(nèi)產(chǎn)生的顆粒，會落在晶片表面，當在進行多晶生長時，這些顆粒會成為凝聚核，形成一個個凸起的多晶“鼓包”，這個凸起，在后續(xù)的多晶回蝕時，很難被刻干凈。圖3所示是多晶“鼓包”經(jīng)過回蝕后的情況，原來大鼓包的位置，回蝕后變成小“鼓包”。與溝槽內(nèi)做柵極的多晶連成一體。

圖2 不同生長速率的多晶進行回蝕之后的形貌

圖3 多晶“鼓包”經(jīng)過回蝕后的情況

由于多晶“鼓包”是與溝槽的多晶柵極連成一體，而cont內(nèi)填充金屬引出的是源極。當有“鼓包”時，cont開孔位置會接觸到“鼓包”，這就會導(dǎo)致“鼓包”處殘留的多晶與cont內(nèi)的金屬短路，造成嚴重的Igss失效現(xiàn)象。如圖4所示。為了更清楚地看到多晶“鼓包”與cont的位置關(guān)系。對于圖4中的右圖樣品，在cont刻蝕完之后，對ILD進行了一定的腐蝕，去掉了表層的一部分ILD，使得多晶“鼓包”顯露出來。

對一個爐管在一個清洗周期內(nèi)作業(yè)的圓片的Igss失效進行對比統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律，隨著累計作業(yè)片數(shù)的增加，Igss失效率增加非常明顯。

對于不同的工藝線/設(shè)備、不同的工藝參數(shù)，這個比例可能有些不同，但趨勢是一致的。

圖4 多晶鼓包在cont刻蝕前后的對比

3 多晶的回蝕

Trench VDMOS的多晶的回蝕，其最重要的特點就是大面積、高厚度的多晶需要被刻蝕，并且是干法刻蝕。這就會在回蝕時產(chǎn)生大量的刻蝕反應(yīng)物[3]，而刻蝕反應(yīng)物覆蓋在晶片表面，就會阻擋部分多晶的繼續(xù)刻蝕，形成刻蝕殘留，最后在晶片表面形成類似多晶“鼓包”的缺陷，造成Igss失效。

采用多晶CMP做法可以避免此類現(xiàn)象。具體做法如下：在之前的hard mask（SiO2）上面增加一層Si3N4。此Si3N4層作為后續(xù)多晶化學(xué)拋光的停止層用，Si3N4的物理性質(zhì)與多晶不同，化學(xué)機械拋光的速率也不同，所以當監(jiān)控的拋光速率發(fā)生變化時，就可以判斷多晶已經(jīng)被磨干凈了。當多晶淀積以后，采用化學(xué)機械拋光的方式將多余的多晶研磨掉（如圖5所示）。由于化學(xué)機械拋光也有一定的精度（所磨物體表面的平整度），如果某些區(qū)域磨的少了，可能這些區(qū)域會有少量多晶的殘留。為了保證化學(xué)機械拋光能將溝槽以外區(qū)域的多晶完全去除干凈，可以采用過量拋光的方式，將Si3N4也磨去一些。

此類做法有兩個很大的優(yōu)點：（1）即使多晶生長表面有“鼓包”，CMP也能將其磨平；（2）不要刻蝕，就沒有刻蝕反應(yīng)物落到圓片表面阻擋多晶繼續(xù)刻蝕的問題。這兩個問題避免了，Igss失效就會得到很大的改善。

圖5 多晶的淀積以及CMP流程

4 回蝕后的清洗

多晶回蝕后，需要清洗掉多晶回蝕時產(chǎn)生的刻蝕反應(yīng)物，清洗采用的是DHF（稀的氫氟酸）。在去除刻蝕反應(yīng)物的清洗中，極易產(chǎn)生如圖6的圈狀物質(zhì)（有時稱之為watermark）。

圖6 多晶回蝕后清洗過程中產(chǎn)生的圈狀物質(zhì)

對異常處進行EDX分析，結(jié)果如圖7所示，主要元素成份為Si和O。至于圈狀物質(zhì)的產(chǎn)生機理，有如下解釋：這是由硅在水中的氧化和隨后產(chǎn)生的氧化物的分解形成，少量的HF具有加速這個過程的效果[4]。并且圈狀物質(zhì)的產(chǎn)生與多晶生長時摻雜的情況有關(guān)，如果摻雜為N型就會出現(xiàn)，并且N型的摻雜越濃，出現(xiàn)的幾率越大，程度越嚴重。

圈狀物質(zhì)的主要危害有：（1）這種缺陷一旦出現(xiàn)，數(shù)量會非常大，這對在線缺陷監(jiān)控會產(chǎn)生極大的干擾，因為在多晶回蝕、清洗后，需要用缺陷掃描機臺監(jiān)控多晶回蝕的效果，這個時候大量的圈狀物質(zhì)出現(xiàn)，會使得因缺陷數(shù)目太多而無法看出究竟多晶回蝕的其他缺陷有多少；（2）此現(xiàn)象是否會對器件可靠性產(chǎn)生影響，目前并沒有太多確切的數(shù)據(jù)證明。不過有研究稱，此種缺陷會造成孔接觸電阻增大、阻礙硅化物的形成[4]。所以還是需要想辦法將此缺陷去除。

圖7 圈狀物質(zhì)處的EDX分析結(jié)果

通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用IPA或者H2O2進行清洗。都可確保不產(chǎn)生圈狀物質(zhì)。因為這些物質(zhì)均不含水，不過考慮到多晶回蝕之后的清洗，目的是要去除多晶回蝕過程中產(chǎn)生的刻蝕反應(yīng)物，實驗中發(fā)現(xiàn)IPA去除刻蝕反應(yīng)物的效果要好一些?；蛟S還有其他不含水分的試劑可以去除刻蝕反應(yīng)物，這里沒有逐一全部實驗，具體應(yīng)用中需要各工藝線根據(jù)實際情況選擇。

5 結(jié)束語

在Trench VDMOS的制造流程中，多晶的相關(guān)工藝是至關(guān)重要的步驟，其中會有各種缺陷問題產(chǎn)生，通過改善工藝流程如多晶CMP代替干法回蝕，選擇合適的工藝周期如生長多晶爐管的清潔周期，都可以有效地解決這些問題，提升產(chǎn)品的良率。

[1] 陸寧. 關(guān)于VDMOS柵源漏電問題的研究[J]. 電子與封裝，2010, 10（12）.

[2] 程開富. 熱壁LPCVD多晶硅膜的質(zhì)量分析[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，1998,（4）.

[3] 張慶釗，謝常青. 硅柵干法刻蝕工藝中腔室表面附著物研究[J]. 微細加工技術(shù)，2007,（2）.

[4] G W Gale, H ohno. 晶圓干燥缺陷的機理與控制[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2005,（6）.