Trench VDMOS制造流程中多晶相关工艺问题研究

2014-12-05赵文魁马万里

电子与封装 2014年7期

关键词：多晶鼓包反应物

赵文魁，马万里

（深圳方正微电子，广东深圳 518116）

1 引言

在Trench VDMOS制造工艺流程中，Poly（多晶）的相关工艺，目的是完成栅极的制作。具体步骤如图1所示，当沟槽刻蚀完成，并且栅氧化层生长以后，进行多晶的淀积、回蚀。将沟槽内部填满多晶，沟槽外部区域的多晶全部去除。

图1 Trench VDMOS 多晶栅极的制作过程

这些工序中，如果工艺控制不好，有些问题非常容易出现，且会对器件的部分电学参数（如Vth、Igss等）产生严重的影响，造成良率损失[1]。

2 多晶的淀积

多晶淀积有两处需要重点关注：

（1）多晶的生长速率要控制，如果生长太快，则容易导致在沟槽内的多晶结合面不紧密[2]，这会在后续的多晶回蚀时，在沟槽内多晶界面处过刻蚀量严重。如图2所示，左图为生长速率为3.0 nm·min-1的多晶进行回蚀之后的形貌。右图为生长速率为3.8 nm·min-1的多晶进行回蚀之后的形貌。可以看到右图中，在沟槽内的多晶中间，有条明显的缝隙。这条缝隙就是多晶生长时，在沟槽内愈合的界面。多晶生长速率越快，缝隙越大。

（2）炉管的定时清洁，时间久的话，炉管内产生的颗粒，会落在晶片表面，当在进行多晶生长时，这些颗粒会成为凝聚核，形成一个个凸起的多晶“鼓包”，这个凸起，在后续的多晶回蚀时，很难被刻干净。图3所示是多晶“鼓包”经过回蚀后的情况，原来大鼓包的位置，回蚀后变成小“鼓包”。与沟槽内做栅极的多晶连成一体。

图2 不同生长速率的多晶进行回蚀之后的形貌

图3 多晶“鼓包”经过回蚀后的情况

由于多晶“鼓包”是与沟槽的多晶栅极连成一体，而cont内填充金属引出的是源极。当有“鼓包”时，cont开孔位置会接触到“鼓包”，这就会导致“鼓包”处残留的多晶与cont内的金属短路，造成严重的Igss失效现象。如图4所示。为了更清楚地看到多晶“鼓包”与cont的位置关系。对于图4中的右图样品，在cont刻蚀完之后，对ILD进行了一定的腐蚀，去掉了表层的一部分ILD，使得多晶“鼓包”显露出来。

对一个炉管在一个清洗周期内作业的圆片的Igss失效进行对比统计，发现如下规律，随着累计作业片数的增加，Igss失效率增加非常明显。

对于不同的工艺线/设备、不同的工艺参数，这个比例可能有些不同，但趋势是一致的。

图4 多晶鼓包在cont刻蚀前后的对比

3 多晶的回蚀

Trench VDMOS的多晶的回蚀，其最重要的特点就是大面积、高厚度的多晶需要被刻蚀，并且是干法刻蚀。这就会在回蚀时产生大量的刻蚀反应物[3]，而刻蚀反应物覆盖在晶片表面，就会阻挡部分多晶的继续刻蚀，形成刻蚀残留，最后在晶片表面形成类似多晶“鼓包”的缺陷，造成Igss失效。

采用多晶CMP做法可以避免此类现象。具体做法如下：在之前的hard mask（SiO2）上面增加一层Si3N4。此Si3N4层作为后续多晶化学抛光的停止层用，Si3N4的物理性质与多晶不同，化学机械抛光的速率也不同，所以当监控的抛光速率发生变化时，就可以判断多晶已经被磨干净了。当多晶淀积以后，采用化学机械抛光的方式将多余的多晶研磨掉（如图5所示）。由于化学机械抛光也有一定的精度（所磨物体表面的平整度），如果某些区域磨的少了，可能这些区域会有少量多晶的残留。为了保证化学机械抛光能将沟槽以外区域的多晶完全去除干净，可以采用过量抛光的方式，将Si3N4也磨去一些。

此类做法有两个很大的优点：（1）即使多晶生长表面有“鼓包”，CMP也能将其磨平；（2）不要刻蚀，就没有刻蚀反应物落到圆片表面阻挡多晶继续刻蚀的问题。这两个问题避免了，Igss失效就会得到很大的改善。

图5 多晶的淀积以及CMP流程

4 回蚀后的清洗

多晶回蚀后，需要清洗掉多晶回蚀时产生的刻蚀反应物，清洗采用的是DHF（稀的氢氟酸）。在去除刻蚀反应物的清洗中，极易产生如图6的圈状物质（有时称之为watermark）。

图6 多晶回蚀后清洗过程中产生的圈状物质

对异常处进行EDX分析，结果如图7所示，主要元素成份为Si和O。至于圈状物质的产生机理，有如下解释：这是由硅在水中的氧化和随后产生的氧化物的分解形成，少量的HF具有加速这个过程的效果[4]。并且圈状物质的产生与多晶生长时掺杂的情况有关，如果掺杂为N型就会出现，并且N型的掺杂越浓，出现的几率越大，程度越严重。

圈状物质的主要危害有：（1）这种缺陷一旦出现，数量会非常大，这对在线缺陷监控会产生极大的干扰，因为在多晶回蚀、清洗后，需要用缺陷扫描机台监控多晶回蚀的效果，这个时候大量的圈状物质出现，会使得因缺陷数目太多而无法看出究竟多晶回蚀的其他缺陷有多少；（2）此现象是否会对器件可靠性产生影响，目前并没有太多确切的数据证明。不过有研究称，此种缺陷会造成孔接触电阻增大、阻碍硅化物的形成[4]。所以还是需要想办法将此缺陷去除。

图7 圈状物质处的EDX分析结果

通过实验发现，采用IPA或者H2O2进行清洗。都可确保不产生圈状物质。因为这些物质均不含水，不过考虑到多晶回蚀之后的清洗，目的是要去除多晶回蚀过程中产生的刻蚀反应物，实验中发现IPA去除刻蚀反应物的效果要好一些。或许还有其他不含水分的试剂可以去除刻蚀反应物，这里没有逐一全部实验，具体应用中需要各工艺线根据实际情况选择。