高介电常数栅电介质/金属栅极的FA CMP技术

2013-05-27

高介电常数栅电介质和金属栅极技术(以下简称HKMG)使摩尔定律在45/32纳米节点得以延续。目前的HKMG工艺有两种主流整合方案，分别是“先栅极”和“后栅极”。“后栅极”又称为可替换栅极(以下简称RMG)，使用该工艺时高介电常数栅电介质无需经过高温步骤，所以VT偏移很小，芯片的可靠性更高。因此业界在制造高性能芯片时更倾向于选择RMG工艺。然而，RMG工艺流程涉及更多的工艺步骤，面临更多的工艺难关和设计限制。难关之一就是平坦度极难达标。

　　典型的RMG工艺流程依次包括(图1)：临时多晶硅栅极结构的形成，第一层间电介质(ILD0)氧化硅的沉积，ILD0化学机械研磨直至临时多晶硅栅极完全曝露，刻蚀去除多晶硅栅极，功函数材料的淀积，金属铝的沉积，以及金属铝的化学机械研磨。作为RMG工艺流程步骤之一，ILD0化学机械研磨对于HKMG结构的顺利形成至关重要。

　　由于栅极结构对尺寸控制要求非常严格(WIW和WID)，如果缺少严格控制最终研磨厚度的工艺手段，将会带来一系列的工艺整合问题，比如：栅极电阻波动，栅极填充不足，源/漏极曝露等等。这些问题最终都会损害芯片性能。为了确保芯片的优良性能和可靠性，制造工艺必须严格控制WIW、WID以及WTW的厚度差异。

　　应用材料公司已经成功研发出一套在Reflexion? LK机台上实现的三步化学机械研磨工艺，以解决ILD0化学机械研磨过程中的WIW、WID和WTW厚度控制问题。第一步(P1)，研磨移除大部分的ILD0电介质材料;第二步(P2)，采用FA继续研磨，接触到栅极区域氮化硅层后停止;第三步(P3)，栅极区域的氮化硅层被彻底磨掉，多晶硅栅极完全曝露。图2演示了在ILD0化学机械研磨过程中，沟槽区氧化硅研磨去除的全过程。

　　实验细节

　　应用材料公司的Reflexion? LK研磨机台包括一个FA研磨盘和两个标准的旋转式研磨浆研磨盘，使用可以控制5个独立区域压力的Titan ContourTM研磨头(图3)。FA研磨盘配有3M公司生产的SlurryFreeTM 固结磨料卷轴和SlurryFree P6900基底研磨垫。研磨浆研磨盘配有Dow Chemical公司生产的IC1010TM研磨垫和3M公司生产的研磨垫修复刷。P1使用Cabot公司生产的Semi-SperseR SS-12氧化硅研磨浆;P2使用FA研磨液;P3使用专用的研磨浆。

　　本文将统一使用一种简化的栅极结构(图4)以评估不同工艺的表现。栅极区域结构从上到下依次为：氧化硅/氮化硅/多晶硅/栅极氧化物/单晶硅，“沟槽”特指栅极与栅极之间的区域(结构为：氧化硅/单晶硅)。在尺寸大于50微米的测量区，薄膜厚度的测量使用Nanometrics公司的NanoTM 9010b。而对栅极尺寸小于100纳米的测量点，则需要通过扫描电子显微镜(SEM)进行纵切面观测。本文中，一部分样品通过机械劈裂的方式获得晶圆纵切面;另一部分样品使用聚焦离子束(FIB)局部切割晶圆露出纵切面。

　　结果与讨论

　　P3需要无选择性的研磨浆

　　因为P3之后的平坦度要求非常严格，P3的研磨倾向于使用无选择性研磨浆。该研磨浆在氮化硅、氧化硅和多晶硅上都有可观的磨率。首先，氮化硅的磨率必需足够高才能保证多晶硅栅极完全曝露。如果氧化硅的研磨率显著低于氮化硅和多晶硅，则可能导致沟槽区域明显凸起，并随着过度研磨而恶化。如果多晶硅的研磨率显著低于氮化硅和氧化硅，那么栅极和沟槽之间的高度差会对研磨不足或过度研磨非常敏感。使用无选择性的研磨浆将会减少由于P3研磨时间不同造成的栅极和沟槽之间的高度差变化。

　　P2 FA工艺可以降低P3之后沟槽氧化硅的WID厚度差异

　　FA工艺已被广泛应用于直接研磨浅沟槽隔离(STI)。FA可以选择性的停在氮化硅表面，并展现出优异的研磨平坦度和低的凹缺陷。与STI类似，ILD0的研磨也包括停在氮化硅表面的步骤。这种极低氮化硅损失和极低氧化硅凹缺陷的工艺特点使得FA成为ILD0研磨工艺中WIW和WID厚度控制的关键。在栅极密集区，由于特征尺寸很小，不论使用FA工艺还是高选择性的研磨浆(HSS)研磨工艺，凹缺陷一般都比较低(图5)。然而在外围区域，特征尺寸可能达到50微米以上，HSS研磨工艺一般都会产生明显的凹缺陷(>200?)，而FA研磨工艺仍能保持低凹缺陷(<50?)。

　　因此，对比FA工艺和HSS工艺研磨后的沟槽氧化硅WID厚度差异，前者明显低于后者。由于P3使用无选择性的研磨浆，P2之后的高凹缺陷就会直接导致P3之后的沟槽氧化硅WID厚度差异也很高(图5)。从晶圆纵切面的SEM照片中可以清楚的看出P3之后的WID厚度差异。

FA优异的平坦度和凹缺陷表现

　　与HSS工艺相比，FA工艺能够明显降低沟槽氧化硅的WID厚度差异和凹缺陷，尤其在大特征尺寸区域。与此同时，FA过度研磨不会显著降低WIW和WID表现(图7)。图6对比了FA和HSS工艺在不同特征尺寸下的凹缺陷表现。当特征尺寸达到50微米时，凹缺陷的表现就会有明显差异。FA优异的凹缺陷表现使其成为RMG ILD0化学机械研磨工艺的关键步骤。

　　P2对于P3工艺的影响

　　图8-11中，所有SEM照片的拍摄角度均为45度。晶圆纵切面通过FIB切割方式获得。所有的照片使用相同的比例尺。图8比较了P2用HSS工艺研磨后的栅极密集区和200×200微米测量点的沟槽氧化硅厚度。栅极密集区和大尺寸测量区的厚度明显不同，表明存在显著的WID差异。P3的无选择性研磨浆工艺将很难修复P2造成的WID差异。如图9所示，如果P2使用HSS工艺，栅极密集区和大尺寸测量区的沟槽氧化硅厚度差异在P3之后仍然会很高。

　　相对于HSS，FA研磨后的WID厚度差很小。图10显示沟槽氧化硅在密集区和大尺寸测量区的厚度非常接近。这种低WID差异会被进一步保留至无选择性的P3之后(图11)。上述对比显示，FA有能力解决线路密度和尺寸不同造成的平坦度挑战，从而减少芯片设计规则中对于线路密度的限制。

用FullVision控制多晶硅厚度

　　持续稳定的多晶硅厚度控制是通过FullVision实时终点控制系统来实现的。该系统的可靠性和可重复性已在实际生产中得到证明。图12显示出FullVision终点控制系统的强大功能。在图12中，晶圆A和B都使用标准P3工艺研磨，并利用FullVision控制研磨终点;晶圆C和D的P3磨率低于标准磨率10%;晶圆C通过FullVision控制研磨终点，而晶圆D的研磨时间与晶圆A和B的研磨时间相同。上述四片晶圆的P1和P2研磨条件完全相同。

　　FullVision自动调整晶圆C的研磨时间来补偿P3磨率的下降。因此，晶圆A、B和C在P3之后的栅极多晶硅厚度差异小于5?。由于晶圆D没有使用FullVision终点侦测控制系统，而是使用与晶圆A相同的研磨时间进行研磨，因此晶圆D在P3之后的栅极多晶硅厚度与标准工艺条件的平均厚度相差高达25?。