專利名稱：提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造半導(dǎo)體器件的工藝方法，特別地涉及一種提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性的方法。
背景技術(shù)：
高K/金屬柵工程在45納米技術(shù)節(jié)點上的成功應(yīng)用，使其成為30納米以下技術(shù)節(jié)點不可缺少的關(guān)鍵模塊化工程。目前，只有堅持高K/后金屬柵(gate last)路線的英特爾公司在45納米和32納米技術(shù)節(jié)點的量產(chǎn)上取得了成功。近年來，緊隨IBM產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的三星、臺積電、英飛凌等業(yè)界巨頭也將之前研發(fā)重點由高K/先金屬柵(gate first)轉(zhuǎn)向gate Iast0對于gate last工程，其中的化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)工藝的開發(fā)被業(yè)界認(rèn)為最具挑戰(zhàn)性。在gate last工程中，需要一道CMP工藝將多晶柵(poly gate)頂部的氧化硅和氮化硅隔離層磨掉，并在露出多晶柵頂部后停止研磨，此步被稱為打開多晶柵頂?shù)腃MPdP poly opening polish nitride CMP，簡稱為POP CMP ；接著，將通過傳統(tǒng)工藝制備的多晶柵挖掉，并填充金屬，形成金屬柵，之后需要一步或多步針對金屬柵的化學(xué)機(jī)械平坦化，即 metal gate CMP，最終獲得高K/金屬柵結(jié)構(gòu)。POP CMP包括兩個步驟的CMP，一是氧化硅的CMP，一是氮化硅的CMP，而這兩步CMP 對晶圓芯片內(nèi)部研磨均勻性(within in dieuniformity)均有著很高的要求。其中，對首先進(jìn)行的氧化硅CMP工藝的研磨均勻性控制最為關(guān)鍵。參見圖1，由于器件密度較大，且多晶柵13的高度通常為1000_1800人，這導(dǎo)致在沉積氧化硅11后，多晶柵13正上方的氧化硅與位于相鄰多晶柵13之間的氧化硅厚度落差H可達(dá)1000-4000人，甚至更大。如果采用常規(guī)的氧化硅CMP技術(shù)，將無法有效消除這種較大的厚度落差，這種落差會隨CMP過程的進(jìn)行，一直傳遞到氧化硅CMP結(jié)束，這就造成了多晶柵13之間的氧化硅11存在凹陷。盡管之后存在針對氮化硅12的CMP，但該步CMP也很難修復(fù)氧化硅11的凹陷，并且由于材料選擇比的不同，還可能將氧化硅11的凹陷進(jìn)一步放大，形成最后的氧化硅凹陷14，參見圖 2。較大的氧化硅凹陷14會給金屬柵CMP工藝造成巨大障礙，容易在多晶柵13之間形成金屬殘留，從而導(dǎo)致器件短路，參見圖3和圖4。在圖3中，已經(jīng)去除了多晶柵13，并進(jìn)行了金屬柵層15的沉積。對金屬柵層15進(jìn)行CMP處理，在形成金屬柵16的同時，在氧化硅凹陷 14處也留下了金屬殘留17。為滿足POP CMP對晶圓芯片內(nèi)部研磨均勻性的高要求，需要開發(fā)出一種新的工藝方法，消除柵極間的介質(zhì)凹陷，從而提高器件可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用傾角離子注入與氧化硅CMP結(jié)合應(yīng)用的方法，提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性。本發(fā)明提供一種提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，包括
提供襯底，以及位于所述襯底上的多晶柵，相鄰的所述多晶柵之間的間隙寬度為 L；沉積氮化硅層于所述襯底上，并對所述氮化硅層進(jìn)行圖案化，使所述氧化硅層覆蓋所述多晶柵的頂部和側(cè)壁；沉積氧化硅層于所述襯底上，所述氧化硅層至少完全填充相鄰的所述多晶柵之間的間隙；所述氧化硅層具有凸出部分，所述凸出部分位于所述多晶柵的正上方，所述凸出部分的凸出高度為H;采用第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝，對所述氧化硅層進(jìn)行平坦化處理，直至暴露出覆蓋所述多晶柵頂部的所述氮化硅層；采用第二化學(xué)機(jī)械平坦化工藝，對暴露出的所述氮化硅層進(jìn)行平坦化處理，直至暴露出所述多晶柵的頂部；其中，在所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝之前，進(jìn)行如下步驟在沉積所述氧化硅層之后，采用第一傾角離子工藝對所述凸出部分進(jìn)行離子注入，所述第一傾角離子工藝的注入方向與水平方向之間的夾角為arctan(H/L)。在本發(fā)明的方法中，在所述第一傾角離子注入工藝之后，進(jìn)行第二傾角離子注入工藝，所述第二傾角離子注入工藝的注入方向與所述第一傾角離子工藝的注入方向沿垂直方向?qū)ΨQ，所述第二傾角離子注入工藝的注入離子種類、注入能量、注入劑量與所述第一傾角離子注入工藝相同；在本發(fā)明的方法中，在進(jìn)行所述第一傾角離子注入工藝時，使所述襯底所在的晶圓在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；在本發(fā)明的方法中，在進(jìn)行所述第一傾角離子注入工藝時，使執(zhí)行所述第一傾角離子注入工藝的注入源對準(zhǔn)所述襯底所在的晶圓上的一定點以垂直方向為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；在本發(fā)明的方法中，所述第一傾角離子注入工藝注入離子種類為H、C、N、B、In、P、 As、Sb中的至少一種；在本發(fā)明的方法中，所述第一傾角離子注入工藝注入能量為IOKeV 150Kev，注入劑量為1E14 5E15/cm2 ；在本發(fā)明的方法中，所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化為以氧化硅CMP為基礎(chǔ)的化學(xué)機(jī)械平坦化；在本發(fā)明的方法中，所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中的拋光液包括堿性S^2基研磨液或堿性( 基研磨液；在本發(fā)明的方法中，所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中的拋光墊包括硬拋光墊或軟拋光墊；在本發(fā)明的方法中，所述第二化學(xué)機(jī)械平坦化為以氮化硅CMP為基礎(chǔ)的化學(xué)機(jī)械平坦化。本發(fā)明的優(yōu)點在于在針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝之前，對氧化硅層的凸出部分進(jìn)行離子注入，利用離子注入的能量效應(yīng)對氧化硅成鍵狀態(tài)進(jìn)行破壞，這樣，在隨后針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中，研磨液對凸出部分的化學(xué)腐蝕作用得到增強(qiáng)， 大大提高了化學(xué)機(jī)械平坦化過程中凸出部分材料的移除速率，從而在研磨過程中，氧化硅層中存在的高度落差不會傳遞下去，極大地減小了氧化硅凹陷的產(chǎn)生，得到了平坦的氧化硅表面，消除了隨后存在金屬殘留的可能，從而提高器件電學(xué)性能和成品率。


圖1常規(guī)的氧化硅CMP工藝前的器件結(jié)構(gòu)；
圖2常規(guī)的氮化硅CMP工藝后的器件結(jié)構(gòu)；
圖3常規(guī)的金屬柵層沉積工藝后的器件結(jié)構(gòu)
圖4常規(guī)的金屬柵層CMP工藝后的器件結(jié)構(gòu)
圖5沉積氧化硅層后的表面；
圖6第一傾角離子注入工藝；
圖7第二傾角離子注入工藝；
圖8完成傾角離子注入后的凸出部分；
圖9氧化硅CMP后的器件具有平坦表面；
圖10氮化硅CMP后的器件具有平坦表面。
具體實施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果。首先，參見圖5，提供一襯底1，襯底1上具有多晶柵2。襯底1可以是半導(dǎo)體器件中常見的各種襯底，例如硅、砷化鎵等；多晶柵2通過傳統(tǒng)方法形成，其具有一個高度，一般為1000 1500人。相鄰的多晶柵2之間的間隙的寬度為L。接著，在襯底1的表面沉積氮化硅層3，對氮化硅層3進(jìn)行圖案化，使其覆蓋多晶柵2的頂部和側(cè)壁。接著沉積氧化硅層 4，氧化硅層4具有一厚度，使其至少能夠完全填充多晶柵2之間的間隙。由于多晶柵2具有高度，因此，氧化硅層4具有一個凸出部分41，其位于多晶柵2頂部的正上方。凸出部分 41的上表面與多晶柵2之間的氧化硅層4的上表面之間存在高度差，也即凸出部分41的凸出高度H，H的值通常不會小于多晶柵2的高度，一般為1000 4000人。沉積氮化硅層3 和氧化硅層4可以采用CVD、PVD、ALD等工藝。在氧化硅層4沉積完成之后，采用第一傾角離子注入工藝對凸出部分41進(jìn)行離子注入，參見圖6。首先，根據(jù)圖形的高度和間距，確定第一傾角離子注入工藝的注入傾角A， 注入傾角A被定義為注入方向與水平方向之間的夾角。為了確保離子注入時凸出部分41 之外的氧化硅不被注入，注入傾角A的大小為arctanOl/L)，其中的H和L可以由版圖設(shè)計以及量測手段獲得。第一傾角離子注入工藝注入離子種類為H、C、N、B、In、P、As、Sb中的至少一種，注入能量為IOKeV 150Kev，注入劑量為1E14 5E15/cm2。通過第一傾角離子注入工藝，如果凸出部分41的各個部分均被注入了離子，如圖 8所示，則僅采取這一次離子注入工藝即可認(rèn)為實現(xiàn)了工藝目的。在凸出部分41的厚度較大時，第一傾角離子注入工藝之后，凸出部分41僅會有朝向離子注入源的部分被注入了離子，這時，需要進(jìn)行第二傾角離子注入工藝，來使凸出部分41被全面地注入離子。第二傾角離子注入工藝的注入方向與第一傾角離子工藝的注入方向沿垂直方向?qū)ΨQ，其注入傾角A 的大小同樣為arctan(H/L)，參見圖7;同時，第二傾角離子注入工藝的注入離子種類、注入能量、注入劑量也均與第一傾角離子注入工藝相同。這樣，可以保證凸出部分41被全面地注入離子，如圖8所示。為了使凸出部分41被全面地注入離子，還可以采用如下方式在進(jìn)行第一傾角離子注入工藝時，使襯底1所在的晶圓在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；或者，在進(jìn)行第一傾角離子注入工藝時，使執(zhí)行第一傾角離子注入工藝的注入源對準(zhǔn)襯底1所在的晶圓上的一定點并以垂直方向為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。上述的方法，均有助于凸出部分41的各個部分均勻而又全面地被注入離子。在上述的一次或多次的離子注入工藝中，離子注入的能量會破壞凸出部分41中的氧化硅化學(xué)鍵以及結(jié)晶狀態(tài)，使其穩(wěn)定性變?nèi)?，在化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中，也更易被去除。接下來，進(jìn)行第一化學(xué)機(jī)械平坦化，該步第一化學(xué)機(jī)械平坦化以氧化硅CMP為基礎(chǔ)，對氧化硅層4進(jìn)行平坦化處理，暴露出覆蓋多晶柵2頂部的氮化硅層3，參見圖9。第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中所采用的拋光液包括堿性S^2基研磨液或堿性CeA基研磨液，所采用的拋光墊包括硬拋光墊或軟拋光墊。在第一化學(xué)機(jī)械平坦化之前的一次或多次離子注入工藝中，凸出部分41的氧化硅成鍵狀態(tài)和結(jié)晶狀態(tài)受到破壞，這樣，第一化學(xué)機(jī)械平坦化中的研磨液對凸出部分41的化學(xué)腐蝕作用得到增強(qiáng)，大大提高了凸出部分41的材料移除速率，從而在研磨過程中，氧化硅層中存在的高度落差不會傳遞下去，從而避免凹陷的產(chǎn)生，使第一化學(xué)機(jī)械平坦化之后的氧化硅層4具有平坦的表面。隨后，進(jìn)行第二化學(xué)機(jī)械平坦化，該步第二化學(xué)機(jī)械平坦化以氮化硅CMP為基礎(chǔ)， 對氮化硅層3進(jìn)行平坦化處理，暴露出多晶柵2的頂部，并使器件具有平坦的表面，參見圖 10。本發(fā)明中，在針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝之前，對氧化硅層的凸出部分進(jìn)行離子注入，利用離子注入的能量效應(yīng)對氧化硅成鍵狀態(tài)進(jìn)行破壞，這樣，在隨后針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中，研磨液對凸出部分的化學(xué)腐蝕作用得到增強(qiáng)，大大提高了化學(xué)機(jī)械平坦化過程中凸出部分材料的移除速率，從而在研磨過程中，氧化硅層中存在的高度落差不會傳遞下去，極大地減小了氧化硅凹陷的產(chǎn)生，得到了平坦的氧化硅表面，消除了隨后存在金屬殘留的可能，從而提高器件電學(xué)性能和成品率。盡管已參照上述示例性實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對本發(fā)明技術(shù)方案做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，包括提供襯底，以及位于所述襯底上的多晶柵，相鄰的所述多晶柵之間的間隙寬度為L ； 沉積氮化硅層于所述襯底上，并對所述氮化硅層進(jìn)行圖案化，使所述氧化硅層覆蓋所述多晶柵的頂部和側(cè)壁；沉積氧化硅層于所述襯底上，所述氧化硅層至少完全填充相鄰的所述多晶柵之間的間隙；所述氧化硅層具有凸出部分，所述凸出部分位于所述多晶柵的正上方，所述凸出部分的凸出高度為H;采用第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝，對所述氧化硅層進(jìn)行平坦化處理，直至暴露出覆蓋所述多晶柵頂部的所述氮化硅層；采用第二化學(xué)機(jī)械平坦化工藝，對暴露出的所述氮化硅層進(jìn)行平坦化處理，直至暴露出所述多晶柵的頂部；其中，在所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝之前，進(jìn)行如下步驟在沉積所述氧化硅層之后，采用第一傾角離子工藝對所述凸出部分進(jìn)行離子注入，所述第一傾角離子工藝的注入方向與水平方向之間的夾角為arctan(H/L)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，在所述第一傾角離子注入工藝之后，進(jìn)行第二傾角離子注入工藝，所述第二傾角離子注入工藝的注入方向與所述第一傾角離子工藝的注入方向沿垂直方向?qū)ΨQ，所述第二傾角離子注入工藝的注入離子種類、注入能量、注入劑量與所述第一傾角離子注入工藝相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，在進(jìn)行所述第一傾角離子注入工藝時，使所述襯底所在的晶圓在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，在進(jìn)行所述第一傾角離子注入工藝時，使執(zhí)行所述第一傾角離子注入工藝的注入源對準(zhǔn)所述襯底所在的晶圓上的一定點以垂直方向為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第一傾角離子注入工藝注入離子種類為H、C、N、B、In、P、As、Sb中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第一傾角離子注入工藝注入能量為IOKeV 150Kev，注入劑量為1E14 5E15/
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化為以氧化硅CMP為基礎(chǔ)的化學(xué)機(jī)械平坦化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中的拋光液包括堿性SiA基研磨液或堿性CeA基研磨液。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第一化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中的拋光墊包括硬拋光墊或軟拋光墊。
10.如權(quán)利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第二化學(xué)機(jī)械平坦化為以氮化硅CMP為基礎(chǔ)的化學(xué)機(jī)械平坦化。
全文摘要
一種提高打開多晶柵頂化學(xué)機(jī)械平坦化工藝均勻性方法，在針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝之前，對氧化硅層的凸出部分進(jìn)行傾角離子注入，利用離子注入的能量效應(yīng)對氧化硅成鍵狀態(tài)進(jìn)行破壞，因此在隨后針對氧化硅層的化學(xué)機(jī)械平坦化工藝中，研磨液對凸出部分的化學(xué)腐蝕作用得到增強(qiáng)，提高了凸出部分材料的移除速率，從而在研磨過程中，氧化硅層中存在的高度落差不會傳遞下去，避免了氧化硅凹陷的產(chǎn)生，得到了平坦的氧化硅表面，消除了隨后存在金屬殘留的可能，從而提高器件電學(xué)性能和成品率。
文檔編號H01L21/3105GK102592988SQ20111000505
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者劉金彪, 楊濤, 趙超 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所