提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法
2023-06-14 07:27:36
專利名稱：提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法
技術領域：
本發明涉及一種製造半導體器件的工藝方法，特別地涉及一種提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法。
背景技術：
高K/金屬柵工程在45納米技術節點上的成功應用，使其成為30納米以下技術節點不可缺少的關鍵模塊化工程。目前，只有堅持高K/後金屬柵(gate last)路線的英特爾公司在45納米和32納米技術節點的量產上取得了成功。近年來，緊隨IBM產業聯盟的三星、臺積電、英飛凌等業界巨頭也將之前研發重點由高K/先金屬柵(gate first)轉向gate Iast0對於後金屬柵工程，其中的化學機械平坦化(CMP)工藝的開發被業界認為最具挑戰性。在後金屬柵工程中，需要一道CMP工藝將多晶柵(poly gate)頂部的氧化矽和氮化矽隔離層磨掉，並在露出多晶柵頂部後停止研磨，此步被稱為打開多晶柵頂的CMPjP poly opening polish nitride CMP ；隨後，將傳統工藝製備的多晶柵挖掉，接著填充進金屬，形成金屬柵，而後需要一步或多步針對金屬柵的化學機械平坦化，即metal gate CMP。metal gate CMP過程對晶圓上單個晶片內部研磨的均勻性(within die non-uniformity)要求很高。在多晶柵被挖掉後，通過原子層澱積或物理氣相沉積工藝將金屬填充進柵結構中並形成金屬柵。由於器件密度較大，並且需要填充的金屬柵高度在 1000-1500人之間，因此，在金屬澱積工藝之後，金屬柵頂部與位於源漏區上方的金屬上表面的高度落差h可達1000-3000人,甚至更高，參見圖1。如果採用常規金屬CMP技術， 為了確保金屬柵之間不存在金屬殘餘，必須採用過拋光工藝；但是，隨之而來的是由於金屬和氧化物軟硬程度不同，在研磨停止後，金屬柵頂端將產生較大的金屬凹陷11，這直接影響柵電極的各項電性參數，甚至有可能造成斷路，參見圖2。因此，需要一種有效的金屬柵化學機械平坦化方法，既能滿足晶圓晶片內部對於金屬柵化學機械平坦化的均勻性的要求，又能確保金屬柵的各項性能。
發明內容
本發明提供了一種金屬刻蝕與常規金屬CMP結合應用的方法，提高了金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法。本發明提供一種提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法，包括提供一襯底，以及位於所述襯底上的柵極結構沉積金屬層於所述襯底上，所述金屬層至少能夠完全填充所述柵極結構；採用一化學機械平坦化工藝，對所述金屬層進行處理，去除相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層，使所述金屬層僅位於柵極結構中，從而形成金屬柵；其特徵在於在所述化學機械平坦化工藝之前，進行如下步驟在沉積所述金屬層之後，在所述襯底上塗覆光刻膠，通過光掩模進行曝光，形成一光刻膠圖案，所述光刻膠圖案覆蓋所述柵極結構，而暴露出位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層；採用一刻蝕工藝，對暴露出的位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層進行刻蝕，所述刻蝕工藝的刻蝕深度不小於所述柵極結構的深度；在所述刻蝕工藝之後，填充於所述柵極結構的所述金屬層的上表面與位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層的上表面之間的高度落差被減小；採用一去膠工藝，去除所述襯底上的所述光刻膠圖案。在本發明的方法中，所述金屬層的材料包括鋁、鈦鋁合金、氮化鈦、鈦氮鋁合金或鎢；在本發明的方法中，所述刻蝕工藝中的主刻蝕氣體包括C12、BC13、SF6、Ar ；在本發明的方法中，所述刻蝕工藝中的輔助添加氣體包括隊和/或CHF3。在本發明的方法中，所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性S^2基研磨液；在本發明的方法中，所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性Al2O3 基研磨液； 在本發明的方法中，所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性無研磨粒子研磨液；在本發明的方法中，所述化學機械平坦化工藝中的拋光墊包括硬拋光墊或軟拋光墊。本發明的優點在於在化學機械平坦化工藝之前，採用一步金屬刻蝕工藝，使得相鄰金屬柵之間的金屬層與金屬柵正上方的金屬層的高度落差大幅減小，因此，較小的高度落差對化學機械平坦化工藝過程的影響也會大大減輕，從而在研磨過程中，高度落差不會傳遞至金屬柵上方的金屬層，極大地減小金屬柵頂部的凹陷，得到了平坦的金屬柵頂部，從而提高器件電學性能和成品率。
圖1常規的metal gate CMP工藝前的器件結構示意圖；圖2常規的metal gate CMP工藝後的器件結構示意圖；圖3顯示了襯底以及襯底上的柵極結構；圖4顯示了在襯底上沉積金屬層的過程；圖5顯示了形成光刻膠圖案的過程；圖6顯示了金屬刻蝕工藝的過程；圖7顯示了去膠工藝的過程；圖8顯示了 CMP後具有平坦表面的金屬柵。
具體實施例方式以下參照附圖並結合示意性的實施例來詳細說明本發明技術方案的特徵及其技術效果。首先，參見附圖3，提供一襯底1，襯底1上具有至少一個柵極結構2。襯底1可以是半導體器件中常見的各種襯底，例如矽、砷化鎵等；柵極結構2用於容納隨後形成的金屬柵。一般而言，將通過傳統方法形成的多晶柵去除，即可形成柵極結構2 ；柵極結構2具有深度hg，一般地，hg的值為1000 1500A。在襯底1的表面沉積金屬層3，參見附圖4。沉積金屬層3的工藝可以採用CVD、 PVD、ALD等工藝，金屬層3的材料為合適的柵電極材料，其包括但是並不限於鋁、鈦鋁合金、 氮化鈦、鈦氮鋁合金或鎢。金屬層3的沉積厚度使其至少能夠完全填充柵極結構2，也即金屬層3的沉積厚度不小於tig。所沉積的金屬層3包括填充柵極結構2的部分金屬層31和填充在相鄰的柵極結構2之間的部分金屬層32 ；由於結構形貌和沉積工藝，部分金屬層31 的上表面和部分金屬層32的上表面之間存在一個高度落差H，而H的值通常不會小於hg的值一般在1000 3000A。在金屬層3沉積完成之後，對整個襯底1塗覆光刻膠；通過選擇合適光掩模，再經過曝光、顯影，形成一光刻膠圖案4，光刻膠圖案4將填充在相鄰的柵極結構2之間的部分金屬層32暴露出來，但是覆蓋在填充柵極結構2的部分金屬層31之上，參見附圖5。採用一刻蝕工藝，根據高度落差H的數值選擇合適的金屬刻蝕條件和刻蝕時間， 對暴露出來的部分金屬層32進行刻蝕處理，刻蝕深度不小於柵極結構2的深度hg，參見附圖6。刻蝕工藝採用各向異性的幹法刻蝕工藝，根據金屬層3的材料，主刻蝕氣體包括選自 ClyBClySFf^nAr中的一種或多種，輔助添加氣體包括選自N2和CHF3中的一種或多種。在此次刻蝕工藝之後，填充柵極結構2的部分金屬層31的上表面與位於相鄰的柵極結構2之間的刻蝕剩餘的部分金屬層32的上表面之間的高度落差H被減小。在去膠工藝中，參見附圖7，通過溼法腐蝕或幹法刻蝕去除掉光刻膠圖案4，並將整個襯底1進行乾燥；為了保證金屬層性能完好，去膠工藝中的去膠條件不應對金屬層有破壞作用。接下來，採用一化學機械平坦化工藝，對金屬層3進行平坦化處理，完全去除位於相鄰的柵極結構2之間的剩餘的部分金屬層32，使金屬層3隻存在於柵極結構2中，由此獲得金屬柵5，參見附圖8。根據金屬層3的材料，化學機械平坦化工藝中的拋光液可以採用不同的研磨液、拋光墊，例如，包括酸性或鹼性S^2基研磨液、酸性或鹼性Al2O3基研磨液、 酸性或鹼性無研磨粒子研磨液，包括硬拋光墊或軟拋光墊。通過刻蝕工藝，高度落差H被減小，因此，在此步驟化學機械平坦化的研磨過程中，不會將原來較大的高度落差傳遞至金屬柵5頂部，獲得了具有平坦頂部的金屬柵5，從而提高器件電學性能和成品率。以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熱悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法，包括提供一襯底，所述襯底上包括至少一個柵極結構；沉積金屬層於所述襯底上，所述金屬層至少能夠完全填充所述柵極結構；對所述金屬層進行化學機械平坦化處理，去除相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層，使所述金屬層僅位於柵極結構中，從而形成金屬柵；其特徵在於在進行所述化學機械平坦化處理之前，進行如下步驟在沉積所述金屬層之後，在所述襯底上塗覆光刻膠，通過光掩模進行曝光，形成一光刻膠圖案，所述光刻膠圖案覆蓋所述柵極結構，而暴露出位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層；採用一刻蝕工藝，對暴露出的位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層進行刻蝕， 所述刻蝕工藝的刻蝕深度不小於所述柵極結構的深度；在所述刻蝕工藝之後，填充於所述柵極結構的所述金屬層的上表面與位於相鄰的所述柵極結構之間的所述金屬層的上表面之間的高度落差被減小；採用一去膠工藝，去除所述襯底上的所述光刻膠圖案。
2.如權利要求1所述方法，其特徵在於所述金屬層的材料包括鋁、鈦鋁合金、氮化鈦、 鈦氮鋁合金或鎢。
3.如權利要求1或2所述方法，其特徵在於所述刻蝕工藝中的主刻蝕氣體包括Cl2、 BC13、SF6、Ar。
4.如前面任意一項權利要求所述方法，其特徵在於所述刻蝕工藝中的輔助添加氣體包括隊和/或CHF3。
5.如前面任意一項權利要求所述方法，其特徵在於所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性SiO2基研磨液。
6.如前面任意一項權利要求所述方法，其特徵在於所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性Al2O3基研磨液。
7.如前面任意一項權利要求所述方法，其特徵在於所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或鹼性無研磨粒子研磨液。
8.如前面任意一項權利要求所述方法，其特徵在於所述化學機械平坦化工藝中的拋光墊包括硬拋光墊或軟拋光墊。
全文摘要
一種提高金屬柵化學機械平坦化工藝均勻性的方法，在進行針對金屬層的化學機械平坦化工藝之前，採用一金屬刻蝕工藝，使得相鄰金屬柵之間的金屬層與金屬柵正上方的金屬層的高度落差大幅減小，從而在研磨過程中，高度落差不會傳遞至金屬柵正上方的金屬層，極大地減小金屬柵頂部的凹陷，得到了具有平坦頂部的金屬柵，從而提高器件電學性能和成品率。
文檔編號H01L21/321GK102479695SQ20101057165
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者楊濤, 趙超, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所