專利名稱：提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造半導體器件的工藝方法，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(jié)點上的成功應用，使其成為30納米以下技術節(jié)點不可缺少的關鍵模塊化工程。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)轉向gate Iast0對于gate last工程，其中的化學機械平坦化(CMP)工藝的開發(fā)被業(yè)界認為最具挑戰(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MP， 即polyopening 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機械平坦化，即 metal gate CMP，最終獲得高K/金屬柵結構。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，對首先進行的氧化硅CMP工藝的研磨均勻性控制最為關鍵。參見附圖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1000-4000人,甚至更大。如果采用常規(guī)的氧化硅CMP技術，將無法有效消除這種較大的厚度落差，這種落差會隨CMP過程的進行，一直傳遞到氧化硅CMP結束，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的凹陷進一步放大，形成最后的凹陷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，從而導致器件短路。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，消除柵極間的介質凹陷，從而提高器件可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用氧化硅刻蝕與氧化硅CMP結合應用的方法，提高打開多晶柵頂化學機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機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；沉積氮化硅層于所述襯底上，并對所述氮化硅層進行圖案化，使所述氧化硅層覆蓋所述多晶柵的頂部和側壁；沉積氧化硅層于所述襯底上，所述氧化硅層至少完全填充所述多晶柵之間的間隙；采用第一化學機械平坦化工藝，對所述氧化硅層進行平坦化處理，直至暴露出覆蓋所述多晶柵頂部的所述氮化硅層；采用第二化學機械平坦化工藝，對暴露出的所述氮化硅層進行平坦化處理，直至暴露出所述多晶柵的頂部；其中，在所述第一化學機械平坦化工藝之前，進行如下步驟在沉積所述氧化硅層之后，在所述襯底上涂覆光刻膠，通過光掩模進行曝光，形成一光刻膠圖案，所述光刻膠圖案暴露出位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層，而覆蓋位于相鄰所述多晶柵之間的氧化硅層；采用一刻蝕工藝，對暴露出的位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層進行刻蝕，所述刻蝕工藝的刻蝕深度不大于位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層的厚度；在所述刻蝕工藝之后，位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層的上表面與位于相鄰所述多晶柵之間的所述氧化硅層的上表面之間的高度落差被減?。徊捎萌ツz工藝，去除所述襯底上的所述光刻膠圖案。在本發(fā)明的方法中，所述刻蝕工藝中的主刻蝕氣體為碳氟基刻蝕氣體；所述碳氟基刻蝕氣體包括CF4, CHF3, C2F6，C4F8，CH2F2，CH3F, C5F8中的一種或多種；在本發(fā)明的方法中，所述刻蝕工藝中的輔助添加氣體包括CO，O2, Ar，He, SF6, N2中的一種或多種；在本發(fā)明的方法中，所述第一化學機械平坦化為以氧化硅CMP為基礎的化學機械平坦化；在本發(fā)明的方法中，所述第一化學機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；在本發(fā)明的方法中，所述第一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。在本發(fā)明的方法中，所述第二化學機械平坦化為以氮化硅CMP為基礎的化學機械平坦化。本發(fā)明的優(yōu)點在于在針對氧化硅層的化學機械平坦化工藝之前，采用一步氧化硅刻蝕工藝，使得相鄰多晶柵之間的氧化硅層與多晶柵正上方的氧化硅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，高度落差不會傳遞下去，極大地減小氧化硅層中的凹陷，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，從而提高器件電學性能和成品率。


圖1常規(guī)的氧化硅CMP工藝前的器件結構示意圖；圖2常規(guī)的氮化硅CMP工藝后的器件結構示意圖；圖3顯示了本發(fā)明沉積氧化硅層之后的器件結構；圖4顯示了本發(fā)明形成光刻膠圖案并進行刻蝕的過程；
圖5顯示了本發(fā)明經(jīng)過刻蝕的氧化硅層表面；圖6顯示了氧化硅CMP后的器件具有平坦表面；圖7顯示了氮化硅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合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術方案的特征及其技術效果。首先，參見附圖3，提供一襯底1，襯底1上具有多晶柵2。襯底1可以是半導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。接著，在襯底1的表面沉積氮化硅層3，對氮化硅層3進行圖案化，使其覆蓋多晶柵2的頂部和側壁。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具有一個突出部分41，位于多晶柵2頂部的上方。突出部分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h1;也即突出部分41的突出高度，高度差Ii1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
寸丄乙O在氧化硅層4沉積完成之后，對整個襯底1涂覆光刻膠；通過選擇合適光掩模，再經(jīng)過曝光、顯影，形成一光刻膠圖案5，光刻膠圖案5覆蓋位于相鄰的多晶柵2之間的氧化硅層4，而使氧化硅層4的突出部分41暴露出來，參見附圖4。采用一刻蝕工藝，根據(jù)高度差Ii1的數(shù)值選擇合適的氧化硅刻蝕條件和刻蝕時間， 對暴露出來的氧化硅層4的突出部分41進行刻蝕處理，刻蝕深度不大于高度差h1;以消減高度差，參見附圖4，箭頭所示為刻蝕消減氧化硅層4的方向。刻蝕工藝可以采用各向異性的干法刻蝕工藝，主刻蝕氣體為碳氟基刻蝕氣體，包括CF4, CHF3, C2F6，C4F8，CH2F2，CH3F, C5F8 中的一種或多種，輔助添加氣體包括CO，O2, Ar, He, SF6, N2中的一種或多種。在此次刻蝕工藝之后，突出部分41的上表面與多晶柵2之間的氧化硅層4的上表面之間的高度差Ii1被減小至Ii2，參見附圖5。由于突出部分41的邊緣接近光刻膠，受到光刻膠的影響，突出部分41 的邊緣刻蝕速度會低于突出部分41中部的刻蝕速度，這樣一來，突出部分41中部消減的速度會較快，因此，在刻蝕工藝結束時，突出部分41的頂部會存在一個凹形表面。隨后，通過去膠工藝，去除光刻膠圖案5。通產(chǎn)采用濕法腐蝕或干法刻蝕去除掉光刻膠圖案5，并將整個襯底1進行干燥；為了保證未被刻蝕的氧化硅層4的平坦性，去膠工藝中的去膠條件不應對氧化硅層4有破壞作用。接下來，進行第一化學機械平坦化，該步第一化學機械平坦化以氧化硅CMP為基礎，對氧化硅層4進行平坦化處理，暴露出覆蓋多晶柵2頂部的氮化硅層3，參見附圖6。第一化學機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。由于高度差Ii2的數(shù)值較小，因此，這對該步第一化學機械平坦化的影響也很小，在研磨過程中，氧化硅層4中的高度差Ii2并不會被傳遞至位于多晶柵2之間的氧化硅層4表面上，從而避免凹陷的產(chǎn)生，使剩余的氧化硅層4具有平坦的表面。隨后，進行第二化學機械平坦化，該步第二化學機械平坦化以氮化硅CMP為基礎，對氮化硅層3進行平坦化處理，暴露出多晶柵2的頂部，并使器件具有平坦的表面，參見附圖6。本發(fā)明中，在第一化學機械平坦化之前，采用了刻蝕工藝對氧化硅層進行刻蝕，消減了氧化硅層中存在的較大的高度差，從而，在第一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剩余的氧化硅層中，獲得了具有平坦表面的器件，從而提高器件電學性能和成品率。盡管已參照上述示例性實施例說明本發(fā)明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對本發(fā)明技術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，而所公開的器件結構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。
權利要求
1.一種提高打開多晶柵頂化學機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；沉積氮化硅層于所述襯底上，并對所述氮化硅層進行圖案化，使所述氧化硅層覆蓋所述多晶柵的頂部和側壁；沉積氧化硅層于所述襯底上，所述氧化硅層至少完全填充所述多晶柵之間的間隙； 采用第一化學機械平坦化工藝，對所述氧化硅層進行平坦化處理，直至暴露出覆蓋所述多晶柵頂部的所述氮化硅層；采用第二化學機械平坦化工藝，對暴露出的所述氮化硅層進行平坦化處理，直至暴露出所述多晶柵的頂部；其特征在于在所述第一化學機械平坦化工藝之前，進行如下步驟 在沉積所述氧化硅層之后，在所述襯底上涂覆光刻膠，通過光掩模進行曝光，形成一光刻膠圖案，所述光刻膠圖案暴露出位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層，而覆蓋位于相鄰所述多晶柵之間的氧化硅層；采用一刻蝕工藝，對暴露出的位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層進行刻蝕，所述刻蝕工藝的刻蝕深度不大于位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層的厚度；在所述刻蝕工藝之后，位于所述多晶柵頂部上方的所述氧化硅層的上表面與位于相鄰所述多晶柵之間的所述氧化硅層的上表面之間的高度落差被減??； 采用去膠工藝，去除所述襯底上的所述光刻膠圖案。
2.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述刻蝕工藝中的主刻蝕氣體為碳氟基刻蝕氣體。
3.如權利要求2所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述碳氟基刻蝕氣體包括CF4, CHF3, C2F6，C4F8，CH2F2，CH3F, C5F8中的一種或多種。
4.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述刻蝕工藝中的輔助添加氣體包括CO，O2, Ar, He, SF6, N2中的一種或多種。
5.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第一化學機械平坦化為以氧化硅CMP為基礎的化學機械平坦化。
6.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，在本發(fā)明的方法中，所述第一化學機械平坦化工藝中的拋光液包括堿性SiO2基研磨液或堿性( 基研磨液。
7.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第一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。
8.如權利要求1所述的提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，其特征在于，所述第二化學機械平坦化為以氮化硅CMP為基礎的化學機械平坦化。
全文摘要
一種提高打開多晶柵頂化學機械平坦化工藝均勻性方法，在針對氧化硅層的化學機械平坦化工藝之前，采用一步氧化硅刻蝕工藝，使得相鄰多晶柵之間的氧化硅層與多晶柵正上方的氧化硅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，高度落差不會傳遞下去，極大地減小氧化硅層中的凹陷，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，從而提高器件電學性能和成品率。
文檔編號H01L21/28GK102543714SQ20101060704
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月27日 優(yōu)先權日2010年12月27日
發(fā)明者楊濤, 趙超, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所