第12卷,第3期電子與封裝總第107期Vol 12, No. 3electroniCS PacKaging2012年3月微電子制造與可靠性WSI Polycide工藝的研究朱賽寧,聶圓燕,陳海峰(中國電子科技集團公司第58研究所,江蘇無錫214035)摘要:文章基于0.5μ m CMOs工芑,研究了造成 Polycide工藝中WSI剝落、色斑等異?，F(xiàn)象的原因。同時,研究了WSI淀積前清洗、退火溫度及 Cap Layer層對WSI薄膜翹曲度及應力的影響,并通過實驗優(yōu)化,以大量的數(shù)據(jù)為依據(jù),對影響wSⅠ薄膜特性的工藝參數(shù)進行調(diào)試和論證,主要考察更改各殺件對圓片翹曲度及應力的變化,并通過顯微鏡鏡檢圓片表面,獲得了θ.5μ m Polycide工藝較優(yōu)的工藝條件。實驗結果表明,在WSI淀積后増加 Cap layer層工藝對 Polycide工藝工期WSI剝落、色斑等異常有較好的改善作用,且圓片表面形貌能達到MOS器件的工藝制造要求關鍵詞:WSI; Cap Layer.層;優(yōu)化; Polycide;應力中圖分類號:TN305文獻標識碼:A文章編號:1681-1070(2012)03-002904Study on wsI Polycide ProcessZHU Sai-ning, NIE Yuan-yan, CHEN Hai-fengChina Electronics Technology Group Corporation No 58 Research Institute, Wuxi 214035, China)Abstract: In this paper, the reason of wsi peeling and splash in the polycide technics was investigatedbasing on the 0.Sum CMOS process technics And the effect on the WSI films' warpage and stress, suchas cleaning condition before wsI deposition, the temperature of annealing and the cap layer was studiedMeanwhile, the process deposition parameters of wSI film were studied based on the amount experimentaldata. By changing the conditions of the wafer warpage and stress, checking the surface of the wafer with thehelp of microscope, the optimum condition of 0.5um Polycide deposition was obtained. The results showthat adding the cap layer after WSI deposition will help to decrease the occurrence of wSI films peelingand splash in the later period of polycide process, and the morphology of the wafer surface can achieve theMos device manufacturing requirementsKey words: WSI; cap layer; optimization; polycide; stress用作柵電極和互連的多晶硅薄層電阻大大增加,引1引言起電路功耗和噪聲增加,限制了集成電路的速度。特別是在存儲器電路生產(chǎn)中,比如DRAM、 FLASH在MOS集成電路中,通常采用多晶硅作為柵電和SRAM器件工藝過程中,需要降低多晶硅柵的電阻極及互連材料,它決定了特征尺寸。但隨著集成度率從而提高五紅幾吐蟲阻率相對較高的迅速提高,器件尺寸按比例縮小,線條越來越窄(33g/方中國煤化工件的制造中(≤lμm),節(jié)深越來越淺(<20onm),使得目前可以通過在CNMH經(jīng)退火工藝后收稿日期:2011-12-08第12卷第3期電子與封裝形成的 Polycide復合柵結構來改進多晶硅柵的電阻率但是在實際的生產(chǎn)過程中,通過顯微鏡鏡檢,( Polycide結構如圖1所示)?？梢允贡∧る娮杞档桶l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品片在做完 Spacer氧化后硅片表面出現(xiàn)了不同個數(shù)量級,從而能降低電阻壓降和R-C持續(xù)時間程度的WSI剝落、色斑、圓斑等異常情況,針對這種有人對多晶硅化物和多晶硅器件性能進行了比較,現(xiàn)象,需要進行實驗來優(yōu)化WSI工藝,達到最優(yōu)效結果發(fā)現(xiàn),多晶硅化物結構兼?zhèn)淞薙iO2ˉ多晶硅及與果。硅化物互連的優(yōu)點,同時又降低了表面薄層電阻和由于在通常的工藝制造中,薄膜上很強的局部接觸電阻,使之既具備多晶硅柵的穩(wěn)定可靠特性,應力可能會造成襯底變形,甚至高的膜應力會導致又具備硅化物的高電導率特性,從而具有較好的工開裂和分層,膜應力還可在襯底傳遞硅缺陷,進而藝兼容性,所以得到了廣泛采用。導致可靠性問題。而WS膜層的應力為10°數(shù)量級且退火會使應力進一步變大,考慮到可能是應力的原因?qū)е聎S膜層剝落、開裂,我們通過FLX5400應力儀薄層應力測量設備來測量這種形變。通過分析由于薄膜淀積造成的襯底曲率半徑(翹曲度)變化來進行應力測試。對WSI膜層應力產(chǎn)生影響的主要有三個因素:圖1 Polycide復合柵結構示意圖(1)WSI前清洗步驟;但是在實際的工藝生產(chǎn)中,WSI膜層容易出現(xiàn)剝(2)WSI淀積后爐管退火溫度;落、圓斑及色差等異常情況,嚴重的剝落會對后續(xù)(3)在WS淀積后再淀積一層 Cap Layer介質(zhì)工藝帶來顆粒、沾污,進而影響產(chǎn)品的成品率[3]。層,即淀積一層薄SiO2層,因為SiO2膜層應力為-10°9因此,硏究wSI薄膜脫落的影響因素以及相應的解數(shù)量級,在一定程度上能緩解wSI膜層造成的高應決措施具有重要意義。本文主要研究了 WSI Polycide力工藝流程中各種因素對wSI膜層的影響,并尋求WSI通過改變這些因素中的工藝條件進行整個Polycide工藝相關的最優(yōu)化條件。Polycide工藝流程,測試各個工序后硅片膜層的應力及翹曲度變化,最后在 Spacer氧化后通過顯微鏡鏡檢2原理觀察硅片表面形貌。本文用 Precision500設備淀積硅化鎢膜層,采4結果與討論用WF6SiH4H2反應體系,這是因為WF具有很低的沸點19.5℃,與H2及SH的反應溫度低,使用方便,41WSI淀積前清洗對WS的影響而且用WF體系淀積具有非常好的選擇性“。薄膜本工藝線正常的清洗步驟為:10:1HF漂SiO的化學組分主要依賴于反應氣體的流量比及淀積溫3#液→1#液→2#液清洗,目的是為了使WSI淀積度,主要反應為:WF6+SiH4→WF6+SiF4+H2,反應前硅片表面光滑,無有機物、無機物、金屬及其他溫度400℃。顆粒、沾污。另取一片做對比的圓片,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實驗層圖2給出了WSI淀積前正常清洗和加反濺的應力樣品制備的常規(guī)流程如下:硅片通過氧化生長變化和翹曲度變化的趨勢,其中1#片正常清洗,212.5nm柵氧SO2,然后用 LPCVD設備生長30nm多片加反濺。從圖中看出,在整個工藝過程中,爐管晶,冉進行清洗后淀積一層150nm的WSl,然后爐管退火前后的同片翹中庭戀化品大圓片的應力先上退火后進行多晶摻雜、多晶光刻、多晶腐蝕形成電升后下降中國煤化工L標準清洗工藝和路圖形,接著進行RTA退火及N+推結后進行 Spacer淀反濺工藝CNMHG大。但是,加反積、致密、腐蝕、氧化等工藝流程,最后通過顯微濺的2#圓片 Spacer氧化后出現(xiàn)了嚴重的剝落情況。鏡鏡檢觀察形貌。圖3為加反濺的2#圓片 Spacer氧化后的圖片,其中圖3方數(shù)據(jù)第12卷第3期朱賽寧,聶圓燕,陳海峰: WSI Polycide工藝的硏究3(a)為表觀圖片,可以看到圓片的邊緣一圈明顯退火溫度從700℃/30min改至900℃/30min和異常,呈現(xiàn)白色剝落狀;圖3(b)為顯微鏡鏡檢照1050℃/30min,硅片應力的改變差別較大。從圖4我片,圖中白色絲狀物為剝落翹起的WSI層們可以看到隨著退火溫度變高,退火前后應力變化就越大,到1050℃/30min退火條件時剝落已非常嚴重,影響后續(xù)工藝的進行。4.3 Cap Layer層對wSI膜層應力及翹曲度的影響。加 Cap Layer層對WS膜層應力及翹曲度的影響的具體數(shù)據(jù)如表1所示。爐管退火后 Spacer淀積后 Spacer氧化后A(測試工序))應力變化(a)(b)圖3反濺工藝的圓片 Spacer氧化后表面出現(xiàn)異常爐管退火后 Spacer淀積后 Spacer氧化后A(測試工序)(b)翹曲度變化圖2wS淀積前正常清洗和加反濺的變化退火前應力變化4.2淀積后爐管退火溫度對wSI膜層應力的影響4爐管退火溫度對wSI膜層應力的影響表 I Cap Layer層對WSI膜層應力及翹曲度的影響200nm CAP Layer50nm CAP Layer標準工藝測試工序翹曲度應力(10°)翹曲度應力(10)翹曲度應力(10°)WSi淀積前88.49-86.761-82.409WS淀積后2620265.8822529055913215.3215.868CAP Layer淀積后407.6852.9856666854爐管退火后3703.9317504347531366.12811.65RTA退火后213.2425.386148.252136.362N+推結后695891.87288.318Spacer淀積后105.8483.49495.16290.5115.449Spacer致密后10396494.03690.535.448Spacer腐蝕后74.8298.3087921314.148242119.01Spacer.化后78980758093713.998391118.84圖5(a)、(b)為 Cap Layer層對WSI膜層翹曲落有很大改alcide復合柵度及應力的影響圖,可以看到在 WSI Polycide工藝過的刻蝕帶來柵腐蝕后表觀程中加入 Cap layer層在爐管退火前后翹曲度會發(fā)生形貌較差,則江八影響,經(jīng)實驗大的變化,并且硅片在 Spacer氧化后的應力比標準工證明50nm的 Cap layer在不影響后續(xù)工藝的基礎上對藝的小且 Cap Layer越厚應力越小,對WSI膜層的剝wSI應力改善效果最明顯31第12卷第3期+50nm Cap Laye(e)優(yōu)化條件硅片表面電路形貌正常圖6各種條件硅片表面形貌圖爐管退火后5結論(a)翹曲度影響nm Cap lay本文研究了 WSI Polycide工藝流程中不同條件對白正常工藝+s0 mm Cap LayerwSI膜層的影響。通過實驗比較及顯微鏡形貌分析發(fā)現(xiàn) wSI Polycide工藝中對WSI膜層表面性質(zhì)影響主要16表現(xiàn)為由應力產(chǎn)生的表面形變,而清洗、退火溫度高低及增加 Cap Layer層都會對應力有一定影響,其中加 Cap Layer層對膜層的應力改善最明顯,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0+50 nm Cap Layer層。運用該優(yōu)化條件完成的工藝流cap layer淀積后N+推結后 Spacer,腐蝕后A(測試工序程,防止了后續(xù)流程中WSI的剝落、色斑等異常,且(b)應力影響WS的表面形貌和膜層性能均能達到CMOS制造的要圖5 Cap Layer,層對WSI膜層影響求。本文對半導體器件中 WSI Polycide工藝開發(fā)具有圖6展示了 WSI Polycide工藝流程不同條件下形定的參考價值。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;參考文獻:(b)是正常工藝加反濺的顯微鏡形貌圖,膜層嚴重1]王陽元,TI卡明斯,趙寶瑛,等多晶硅薄膜及其在剝落;(c)是爐管退火溫度為900℃/30min的形貌集成電路中的應用[M]北京:科學出版社,2000圖,有輕微剝落;(d)是加 Cap Layer200m復合柵2]B. L. Crowder and S. Zirinsky. EEE Trans. Electron腐蝕后打毛的SEM照片,而打毛對器件性能有較大Devices[JJ. 1979, ED-26, 369影響;(e)是 Cap Layer層厚度為50nm的條件下形成3]崔錚微納米加工技術及其應用[M]北京:高等教育的圖形,復合柵形貌較好,無剝落出版社[4]王永發(fā),張世理,等化學汽相淀積硅化鎢體系熱力學研究[電子學報,15] Michael Quirk著,韓鄭生,等譯半導體制造技術M北京:電子工業(yè)出版社(a)正常工藝可能有(b)加反濺工藝輕微色斑剝落嚴重作者簡介:朱賽寧(1986),男,江蘇無錫人,學士,工程師,2008年畢業(yè)于中國煤化工國電子科技集團公CNMH〔從事注入和薄膜的(c)爐管退火溫度900℃(d) Cap Layer.200m工藝研究和開發(fā)工作小剝落復合柵異常3方數(shù)據(jù)