WSI Polycide工艺的研究

朱赛宁，聂圆燕，陈海峰

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

在MOS集成电路中，通常采用多晶硅作为栅电极及互连材料，它决定了特征尺寸。但随着集成度的迅速提高，器件尺寸按比例缩小，线条越来越窄（≤1μm），节深越来越浅（＜200nm），使得目前用作栅电极和互连的多晶硅薄层电阻大大增加，引起电路功耗和噪声增加，限制了集成电路的速度。特别是在存储器电路生产中，比如DRAM、FLASH和SRAM器件工艺过程中，需要降低多晶硅栅的电阻率从而提高器件的速度[1]。而多晶硅电阻率相对较高（33Ω/方～55Ω/方），所以在相关器件的制造中，可以通过在多晶硅上淀积一层WSI并经退火工艺后形成的Polycide复合栅结构来改进多晶硅栅的电阻率（Polycide结构如图1所示）。可以使薄膜电阻降低一个数量级，从而能降低电阻压降和R-C持续时间。有人对多晶硅化物和多晶硅器件性能进行了比较[2]，结果发现，多晶硅化物结构兼备了SiO2-多晶硅及与硅化物互连的优点，同时又降低了表面薄层电阻和接触电阻，使之既具备多晶硅栅的稳定可靠特性，又具备硅化物的高电导率特性，从而具有较好的工艺兼容性，所以得到了广泛采用。

图1 Polycide复合栅结构示意图

但是在实际的工艺生产中，WSI膜层容易出现剥落、圆斑及色差等异常情况，严重的剥落会对后续工艺带来颗粒、沾污，进而影响产品的成品率[3]。因此，研究WSI薄膜脱落的影响因素以及相应的解决措施具有重要意义。本文主要研究了WSI Polycide工艺流程中各种因素对WSI膜层的影响，并寻求WSI Polycide工艺相关的最优化条件。

2 原理

本文用Precision 5000设备淀积硅化钨膜层，采用WF6-SiH4-H2反应体系，这是因为WF6具有很低的沸点19.5℃，与H2及SiH4的反应温度低，使用方便，而且用WF6体系淀积具有非常好的选择性[4]。薄膜的化学组分主要依赖于反应气体的流量比及淀积温度，主要反应为：WF6+ SiH4→WF6+SiF4+H2，反应温度400℃。

3 实验

样品制备的常规流程如下：硅片通过氧化生长12.5nm栅氧SiO2，然后用LPCVD设备生长350nm多晶，再进行清洗后淀积一层150nm的WSI，然后炉管退火后进行多晶掺杂、多晶光刻、多晶腐蚀形成电路图形，接着进行RTA退火及N+推结后进行Spacer淀积、致密、腐蚀、氧化等工艺流程，最后通过显微镜镜检观察形貌。

但是在实际的生产过程中，通过显微镜镜检，发现产品片在做完Spacer氧化后硅片表面出现了不同程度的WSI剥落、色斑、圆斑等异常情况，针对这种现象，需要进行实验来优化WSI工艺，达到最优效果。

由于在通常的工艺制造中，薄膜上很强的局部应力可能会造成衬底变形，甚至高的膜应力会导致开裂和分层，膜应力还可在衬底传递硅缺陷，进而导致可靠性问题[5]。而WSI膜层的应力为109数量级，且退火会使应力进一步变大，考虑到可能是应力的原因导致WSI膜层剥落、开裂，我们通过FLX5400应力仪薄层应力测量设备来测量这种形变。通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径（翘曲度）变化来进行应力测试。

对WSI膜层应力产生影响的主要有三个因素：

（1）WSI前清洗步骤；

（2）WSI淀积后炉管退火温度；

（3）在WSI淀积后再淀积一层Cap Layer介质层，即淀积一层薄SiO2层，因为SiO2膜层应力为-109数量级，在一定程度上能缓解WSI膜层造成的高应力。

通过改变这些因素中的工艺条件进行整个Polycide工艺流程，测试各个工序后硅片膜层的应力及翘曲度变化，最后在Spacer氧化后通过显微镜镜检观察硅片表面形貌。

4 结果与讨论

4.1 WSI淀积前清洗对WSI的影响

本工艺线正常的清洗步骤为：10︰1HF漂SiO2→3#液→1#液→2#液清洗，目的是为了使WSI淀积前硅片表面光滑，无有机物、无机物、金属及其他颗粒、沾污。另取一片做对比的圆片，在常规清洗后再加一步反溅，目的是去除硅片表面的自然氧化层。

图2给出了WSI淀积前正常清洗和加反溅的应力变化和翘曲度变化的趋势，其中1#片正常清洗，2#片加反溅。从图中看出，在整个工艺过程中，炉管退火前后的圆片翘曲度变化最大，圆片的应力先上升后下降（Spacer致密后最小），且标准清洗工艺和反溅工艺的圆片之间的应力差别不大。但是，加反溅的2#圆片Spacer氧化后出现了严重的剥落情况。图3为加反溅的2#圆片Spacer氧化后的图片，其中图3（a）为表观图片，可以看到圆片的边缘一圈明显异常，呈现白色剥落状；图3（b）为显微镜镜检照片，图中白色丝状物为剥落翘起的WSI层。

图2 WSI淀积前正常清洗和加反溅的变化

4.2 淀积后炉管退火温度对WSI膜层应力的影响

退火温度从700℃/30min改至900℃/30min和1050℃/30min，硅片应力的改变差别较大。从图4我们可以看到随着退火温度变高，退火前后应力变化就越大，到1050℃/30min退火条件时剥落已非常严重，影响后续工艺的进行。

4.3 Cap Layer层对WSI膜层应力及翘曲度的影响。

加Cap Layer层对WSI膜层应力及翘曲度的影响的具体数据如表1所示。

图3 反溅工艺的圆片Spacer氧化后表面出现异常

图4 炉管退火温度对WSI膜层应力的影响

表1 Cap Layer层对WSI膜层应力及翘曲度的影响

图5（a）、（b）为Cap Layer层对WSI膜层翘曲度及应力的影响图，可以看到在WSI Polycide工艺过程中加入Cap Layer层在炉管退火前后翘曲度会发生大的变化，并且硅片在Spacer氧化后的应力比标准工艺的小且Cap Layer越厚应力越小，对WSI膜层的剥落有很大改善。但是Cap Layer太厚对Polycide复合栅的刻蚀带来了很大影响，从而使复合栅腐蚀后表观形貌较差，对后续的器件性能有较大影响，经实验证明50nm的Cap Layer在不影响后续工艺的基础上对WSI应力改善效果最明显。

图5 Cap Layer层对WSI膜层影响

图6展示了WSI Polycide工艺流程不同条件下形成的多晶栅显微镜形貌图片：（a）是正常工艺的显微镜形貌图，电路中可能产生轻微圆斑和色斑；（b）是正常工艺加反溅的显微镜形貌图，膜层严重剥落；（c）是炉管退火温度为900℃/30min的形貌图，有轻微剥落；（d）是加Cap Layer 200nm复合栅腐蚀后打毛的SEM照片，而打毛对器件性能有较大影响；（e）是Cap Layer层厚度为50nm的条件下形成的图形，复合栅形貌较好，无剥落。

图6 各种条件硅片表面形貌图

5 结论

本文研究了WSI Polycide工艺流程中不同条件对WSI膜层的影响。通过实验比较及显微镜形貌分析发现WSI Polycide工艺中对WSI膜层表面性质影响主要表现为由应力产生的表面形变，而清洗、退火温度高低及增加Cap Layer层都会对应力有一定影响，其中加Cap Layer层对膜层的应力改善最明显，最终获得了WSI Polycide工艺的优化条件：淀积前10∶1HF漂SiO2→3#液→1#液→2#液清洗+700℃/30min退火+50nm Cap Layer层。运用该优化条件完成的工艺流程，防止了后续流程中WSI的剥落、色斑等异常，且WSI的表面形貌和膜层性能均能达到CMOS制造的要求。本文对半导体器件中WSI Polycide工艺开发具有一定的参考价值。

［1］王阳元，T.I.卡明斯，赵宝瑛，等.多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用[M].北京：科学出版社，2000.

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

［3］崔铮.微纳米加工技术及其应用[M].北京：高等教育出版社，2005.

［4］王永发，张世理，等.化学汽相淀积硅化钨体系热力学研究[J].电子学报，1989.

［5］Michael Quirk著，韩郑生，等译.半导体制造技术[M].北京：电子工业出版社，2004.