專利名稱：提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法
技術領域：
本發明涉及一種制造半導體器件的エ藝方法，特別地涉及ー種提高后柵工程金屬插塞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/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對于gate last工程，其中的化學機械平坦化(CMP)エ藝的開發被業界認為最具挑戰性。在gate last工程中，第一代技術需要2道CMPエ藝，分別是打開多晶柵頂的poly opening polish nitride CMP (POP CMP)和針對金屬柵的 metal gate CMP。在第二代技術中，除上述兩道CMPエ藝外，増加了 W-Al bufferCMPエ藝的要求，研磨后示意圖見圖1。該 CMPエ藝是在metalgate CMP形成鋁柵10之后，在源漏區上方刻蝕貫通的接觸通孔，而后通過CVDエ藝將金屬鎢(W)填入通孔內，再通過CMPエ藝，移除多余的鎢，形成鎢塞11。該 CMPエ藝對CMP技術提出了諸多挑戰，比如金屬W、Al以及氧化物的選擇比，W、Al的電化學腐蝕問題，以及在拋光多種材料共存時遇到的材料凹陷(dishing)問題等。隨技術節點不斷縮小，在45納米以下，常規CMP在如何提高晶圓芯片內部研磨均勻性(within in die uniformity)方面遇到了極大挑戰。晶圓芯片內部研磨均勻性是CMP エ藝后ー個很重要的制程指標。在接觸通孔刻蝕好后，通過CVDエ藝將金屬鎢填充進通孔中。由于器件密度較大，且通孔深度在1000-1500人之間，因此在金屬鎢層12淀積后，通孔區和非通孔區頂部的金屬鎢厚度落差h可達1000-3000人,甚至更高，見圖2。如果采用常規金屬鎢CMP技木，這種較大的厚度落差會一直遺傳到CMPエ藝結束，從而導致鎢塞頂部產生凹陷13，見圖3。這種鎢塞頂部凹陷，非常不利于下ー步銅(Cu)連線的連接，甚至會造成鎢塞和銅連線的斷路。常規的鎢CMP為解決此問題，會通過ー步氧化物研磨來使鎢塞能夠凸出ー些。而由圖1可見，此鎢塞結構不同于45納米之前的エ藝結構，相對薄的氧化物隔離層厚度使得CMPエ藝調整窗ロ非常小。氧化物研磨雖然可凸出鎢塞，但也會使金屬柵電極凸出，從而能大大增加金屬柵之間或金屬柵與鎢塞間的漏電流，降低器件的電學性能， 甚至導致低的良率。因此，需要一種有效的后柵工程中的金屬插塞化學機械平坦化方法，既能滿足晶圓芯片內部對于化學機械平坦化的均勻性的要求，又能確保器件的各項性能。
發明內容
本發明提供了ー種金屬刻蝕與常規金屬CMP結合應用的方法，提高了后柵工程中金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法。
本發明提供ー種提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法，包括提供一村底，位于所述襯底上的金屬柵極，以及位于相鄰的所述金屬柵極之間的通孔區；沉積金屬層于所述襯底上，所述金屬層至少能夠完全填充所述通孔區，所述通孔區的所述金屬層的上表面與所述通孔區以外的所述金屬層的最高處之間存在高度差，所述高度差的絕對值記為H ；采用ー化學機械平坦化工藝，對所述金屬層進行平坦化處理，去除所述通孔區以外的所述金屬層，使所述金屬層僅位于所述通孔區中，從而形成具有平坦頂部的金屬插塞；其中，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，所述光刻膠圖案覆蓋所述通孔區的所述金屬層，暴露出所述通孔區以外的所述金屬層；采用一刻蝕エ藝，對暴露出的所述通孔區以外的所述金屬層進行刻蝕，所述刻蝕 エ藝的刻蝕深度小于或等于H ；在所述刻蝕エ藝之后，所述通孔區的所述金屬層的上表面與所述通孔區以外的所述金屬層的最高處之間存在的高度差被減小；采用ー去膠エ藝，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鎢；在本發明的方法中，在沉積所述金屬層之前，還包括在所述通孔區內形成阻擋層的エ藝；所述阻擋層為鈦/氮化鈦的疊層；在本發明的方法中，所述刻蝕エ藝中的主刻蝕氣體包括Cl2、BC13、Ar中的ー種或多種；在本發明的方法中，所述刻蝕エ藝中的輔助添加氣體包括N2 ；在本發明的方法中，所述化學機械平坦化工藝為基于金屬鎢的化學平坦化工藝；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堿性Al2O3 基研磨液，或者，酸性或堿性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堿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。本發明的優點在干在進行金屬層的化學機械平坦化工藝之前，采用一歩金屬刻蝕エ藝，使得通孔區與非通孔區的金屬層的高度落差大幅減小，因此，較小的高度落差對后續的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隨后形成的金屬插塞上，極大地減小金屬插塞頂部的凹陷，得到了平坦的金屬插塞頂部，從而提高器件電學性能和成品率。
圖1理想的W-Al buffer CMPエ藝后的器件結構；圖2常規的W-Al buffer CMPエ藝前金屬鎢層的高度差；圖3常規的W-Al buffer CMPエ藝后的凹陷；圖4襯底上的金屬柵和通孔區；圖5在襯底上沉積金屬層；圖6形成光刻膠圖案；圖7進行金屬刻蝕；圖8完成金屬刻蝕以及去膠后的器件表面；圖9完成CMP之后具有平坦頂部的金屬插塞。
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明技術方案的特征及其技術效果。首先，參見附圖4，在后柵工程中，提供一村底1，襯底1上具有金屬柵極2，以及位于相鄰金屬柵極2之間的ー個或者多個通孔區3。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；金屬柵極2的材料包括但不限于鋁，還可以采用其它適用于制造柵極的金屬。一般而言，金屬柵極2的高度為1000 1500人。在襯底1的表面沉積金屬層4，參見附圖5。沉積金屬層4的エ藝可以采用CVD、 PVD、ALD等エ藝，金屬層4的材料包括但不限于鎢，還可以是其他適合于制造插塞的材料， 例如鋁、鈦鋁合金、鈦氮鋁合金。如果金屬層4的材料為鎢，可選地，在該步沉積金屬層4的 エ藝之前，在通孔區3內形成阻擋層，阻擋層為鈦/氮化鈦(Ti/TiN)的疊層。金屬層4的沉積厚度使其至少能夠完全填充通孔區3，也即金屬層4的沉積厚度不會小于金屬柵極2 的高度。由于器件結構和沉積エ藝的影響，位于通孔區3的金屬層4的上表面為整個金屬層4的最低位置，而位于通孔區3之外也即非通孔區的金屬層4的上表面為整個金屬層4 的最高位置，位于通孔區3的金屬層4的上表面與通孔區3以外的金屬層4的最高處之間存在高度差，該高度差的絕對值記為H，而H的值通常不會小于金屬柵極2的高度，一般在 1000 3000A。在金屬層4沉積完成之后，對整個襯底1涂覆光刻膠；通過選擇合適光掩摸，再經過曝光、顯影，形成一光刻膠圖案5，光刻膠圖案5將位于非通孔區的金屬層4暴露出來，但是覆蓋在位于通孔區3的金屬層4之上，參見附圖6。采用一刻蝕エ藝，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， 對暴露出來的非通孔區的金屬層4進行刻蝕處理，刻蝕深度小于或等于H，參見附圖7，圖中箭頭所指即為刻蝕エ藝消減金屬層4的方向。刻蝕エ藝采用各向異性的干法刻蝕エ藝，根據金屬層3的材料，主刻蝕氣體包括Cl2、BC13、Ar中的一種或多種，輔助添加氣體包括N2。 然后，通過去膠エ藝，參見附圖8，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；為了保證金屬層4性能完好，去膠エ藝中的去膠條件不應對金屬層4有破壞作用。在此次刻蝕エ藝之后，位于通孔區3的金屬層4的上表面與通孔區3以外的金屬層4的最高處之間存在的高度差H被減小。接下來，采用ー化學機械平坦化工藝，對金屬層4進行平坦化處理，完全去除位于通孔區3之外的金屬層4，使金屬層4只存在于通孔區3之中，同時也暴露出了金屬柵極2， 由此獲得了具有平坦頂部的金屬插塞6，參見附圖9。根據金屬層4的材料，該步化學機械平坦化工藝可以為基于金屬鎢的化學平坦化工藝；同時，該步化學機械平坦化工藝中的拋光液可以采用不同的研磨液、拋光墊，例如，包括酸性或堿性S^2基研磨液、酸性或堿性Al2O3 基研磨液、酸性或堿性無研磨粒子研磨液，包括硬拋光墊或軟拋光墊。本發明中，在進行用于形成金屬插塞的化學機械平坦化工藝之前，采用一歩金屬刻蝕エ藝，使得通孔區與非通孔區的金屬層的高度落差大幅減小，因此，較小的高度落差對后續的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隨后形成的金屬插塞上，極大地減小金屬插塞頂部的凹陷，得到了平坦的金屬插塞頂部，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明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發明范圍而對本發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明范圍。因此，本發明的目的不在于限定在作為用于實現本發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明范圍內的所有實施例。
權利要求
1.ー種提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法，包括提供一村底，位于所述襯底上的金屬柵極，以及位于相鄰的所述金屬柵極之間的通孔區；沉積金屬層于所述襯底上，所述金屬層至少能夠完全填充所述通孔區，所述通孔區的所述金屬層的上表面與所述通孔區以外的所述金屬層的最高處之間存在高度差，所述高度差的絕對值記為H ；采用ー化學機械平坦化工藝，對所述金屬層進行平坦化處理，去除所述通孔區以外的所述金屬層，使所述金屬層僅位于所述通孔區中，從而形成具有平坦頂部的金屬插塞；其特征在干，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，所述光刻膠圖案覆蓋所述通孔區的所述金屬層，暴露出所述通孔區以外的所述金屬層；采用一刻蝕エ藝，對暴露出的所述通孔區以外的所述金屬層進行刻蝕，所述刻蝕エ藝的刻蝕深度小于或等于H ；在所述刻蝕エ藝之后，所述通孔區的所述金屬層的上表面與所述通孔區以外的所述金屬層的最高處之間存在的高度差被減小；采用ー去膠エ藝，去除所述襯底上的所述光刻膠圖案。
2.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述金屬層的材料包括鎢。
3.根據權利要求2所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，在沉積所述金屬層之前，還包括在所述通孔區內形成阻擋層的エ藝。
4.根據權利要求3所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述阻擋層為鈦/氮化鈦的疊層。
5.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述刻蝕エ藝中的主刻蝕氣體包括Cl2、BC13、Ar中的ー種或多種。
6.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述刻蝕エ藝中的輔助添加氣體包括N2。
7.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述化學機械平坦化工藝為基于金屬鎢的化學平坦化工藝。
8.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或堿性Al2O3基研磨液，或者， 酸性或堿性SiO2基研磨液。
9.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法， 其特征在干，所述化學機械平坦化工藝中的拋光液包括酸性或堿性無研磨粒子研磨液。
10.根據權利要求1所述的提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法，其特征在干，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
一種提高后柵工程金屬插塞化學機械平坦化工藝均勻性的方法，在進行用于形成金屬插塞的化學機械平坦化工藝之前，采用一步金屬刻蝕工藝，使得通孔區與非通孔區的金屬層的高度落差大幅減小，因此，較小的高度落差對后續的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隨后形成的金屬插塞上，極大地減小金屬插塞頂部的凹陷，得到了平坦的金屬插塞頂部，從而提高器件電學性能和成品率。
文檔編號H01L21/3213GK102592993SQ201110005058
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月11日 優先權日2011年1月11日
發明者李俊峰, 楊濤, 趙超 申請人:中國科學院微電子研究所