許 帥,徐 超，王新勝，劉國(guó)柱

（中國(guó)電子科技集團(tuán)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(dǎo)體器件中的應(yīng)用也日益廣泛，對(duì)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?fù)诫s多晶硅替代金屬鋁，作為MOS晶體管的柵極材料，可實(shí)現(xiàn)源、漏、柵自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，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(fù)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(qiáng)烈影響著器件性能，其中多晶硅薄膜晶粒大小是一個(gè)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(qiáng)雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。所以，晶粒大小對(duì)多晶硅的電學(xué)性能影響很大。同時(shí)多晶硅薄膜的表面缺陷對(duì)器件的影響也非常大[1,2]。

在實(shí)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(huì)使淀積的多晶硅顆粒變粗，出現(xiàn)發(fā)霧現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成硅片上的管芯圖形不清，造成整個(gè)器件的報(bào)廢。所以，研究多晶硅薄膜發(fā)霧的形成與控制措施對(duì)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(gè)表面反應(yīng)速率控制過程，可分為成核和生長(zhǎng)兩個(gè)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(huì)導(dǎo)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(diǎn)，這些凸點(diǎn)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(xué)顯微鏡照片對(duì)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(xué)顯微鏡500倍暗場(chǎng)下的對(duì)比圖片。從圖2可以看出，正常區(qū)域圖形清晰無亮點(diǎn)，說明LPCVD多晶硅薄膜顆粒均細(xì)無明顯缺陷；而發(fā)霧區(qū)域出現(xiàn)密集分布的亮點(diǎn)，這些亮點(diǎn)就是粗大晶粒聚集而成的“凸點(diǎn)”，在肉眼觀察下就呈現(xiàn)“霧狀斑點(diǎn)”，如圖1所示。同時(shí)圖2發(fā)霧區(qū)域的圖形模糊不清，會(huì)對(duì)后續(xù)的工藝控制與器件性能都造成嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致器件報(bào)廢。

LPCVD多晶硅膜“發(fā)霧”的主要影響因素可分為如下三個(gè)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(jìn)爐前的表面缺陷。

2.1 工藝條件對(duì)多晶“發(fā)霧”的影響[2-6]

淀積溫度對(duì)多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)的影響非常靈敏，對(duì)于典型的LPCVD系統(tǒng)，當(dāng)生長(zhǎng)低于600℃時(shí)，呈現(xiàn)無定型硅膜；當(dāng)生長(zhǎng)溫度大于600℃時(shí)，淀積薄膜為多晶硅結(jié)構(gòu)，晶粒大小約為55nm。隨著生長(zhǎng)溫度的進(jìn)一步增大，晶粒的尺寸也隨之增大。當(dāng)生長(zhǎng)溫度較高時(shí)，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(shí)，LPCVD硅薄膜的平均生長(zhǎng)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(dǎo)致壓力迅速增大，都會(huì)引起快速成核從而造成“發(fā)霧”現(xiàn)象。

與壓力對(duì)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(dāng)?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(zhǎng)的速度，從而獲得顆粒均細(xì)、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(duì)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(gè)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(jìn)氣管路，在淀積準(zhǔn)備階段通過控制相應(yīng)的氣動(dòng)閥門及針閥實(shí)現(xiàn)氣路的氮?dú)獯祾呒肮柰轭A(yù)通進(jìn)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(hù)氮?dú)庖詫?shí)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(shí)，處于安全和保護(hù)管路潔凈的考慮，需將管路進(jìn)行多次抽空、吹掃的動(dòng)作，更換時(shí)應(yīng)將管路處于正壓狀態(tài)，更換完成后需將管路進(jìn)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(duì)管路用大通量的氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，對(duì)可能出現(xiàn)顆粒的管路應(yīng)定期進(jìn)行清洗，以獲取更好的多晶硅薄膜。

2.3 硅片表面缺陷對(duì)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(shí)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(xì)節(jié)引發(fā)，同時(shí)受到前道多步工序的相互影響，種種因素都對(duì)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(diǎn)”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(diǎn)，與清洗過程相關(guān)；（2）斑點(diǎn)中心有核心污點(diǎn)或呈發(fā)散暈狀白斑，與污染物沾污有關(guān)；（3）斑點(diǎn)分布在固定位置，與前道工序有關(guān)。

因清洗過程多為手動(dòng)作業(yè)，必須從細(xì)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(jī)、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(shí)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(huì)引入手套上的顆?；螂s質(zhì)導(dǎo)致“發(fā)霧”，并且發(fā)霧的形狀成條狀或水滴狀。

針對(duì)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(duì)污染物進(jìn)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(diǎn)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(dǎo)致了多晶硅淀積時(shí)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(dá)到25%，推測(cè)該污染物為有機(jī)物。

表1 污染物的EDX成分分析

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

對(duì)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(jìn)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?duì)下一工序的多晶硅薄膜“發(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(jìn)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(gè)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(gè)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(xì)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(dǎo)致多晶“發(fā)霧”的重要因素，根據(jù)多晶硅薄膜“霧狀斑點(diǎn)”的形狀與分布位置，可以對(duì)缺陷的來源進(jìn)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(xì)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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