高介电常数栅电介质-金属栅极.doc

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1、高介电常数栅电介质/金属栅极　　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

2、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

3、。　　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

4、制5个独立区域压力的TItanContourTM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SlurryFreeP6900基底研磨垫。研磨浆研磨盘配有DowChemical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-SperseRSS-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

5、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NanoTM9010b。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

6、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。　　P2FA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

7、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(