高介電常數柵電介質/金屬柵極的FA CMP技術 - 全文

　　高介電常數柵電介質和金屬柵極技術(以下簡稱HKMG)使摩爾定律在45/32納米節點得以延續。目前的HKMG工藝有兩種主流整合方案，分別是“先柵極”和“后柵極”。“后柵極”又稱為可替換柵極(以下簡稱RMG)，使用該工藝時高介電常數柵電介質無需經過高溫步驟，所以VT偏移很小，芯片的可靠性更高。因此業界在制造高性能芯片時更傾向于選擇RMG工藝。然而，RMG工藝流程涉及更多的工藝步驟，面臨更多的工藝難關和設計限制。難關之一就是平坦度極難達標。

　　典型的RMG工藝流程依次包括(圖1)：臨時多晶硅柵極結構的形成，第一層間電介質(ILD0)氧化硅的沉積，ILD0化學機械研磨直至臨時多晶硅柵極完全曝露，刻蝕去除多晶硅柵極，功函數材料的淀積，金屬鋁的沉積，以及金屬鋁的化學機械研磨。作為RMG工藝流程步驟之一，ILD0化學機械研磨對于HKMG結構的順利形成至關重要。

　　由于柵極結構對尺寸控制要求非常嚴格(WIW和WID)，如果缺少嚴格控制最終研磨厚度的工藝手段，將會帶來一系列的工藝整合問題，比如：柵極電阻波動，柵極填充不足，源/漏極曝露等等。這些問題最終都會損害芯片性能。為了確保芯片的優良性能和可靠性，制造工藝必須嚴格控制WIW、WID以及WTW的厚度差異。

　　應用材料公司已經成功研發出一套在Reflexion? LK機臺上實現的三步化學機械研磨工藝，以解決ILD0化學機械研磨過程中的WIW、WID和WTW厚度控制問題。第一步(P1)，研磨移除大部分的ILD0電介質材料;第二步(P2)，采用FA繼續研磨，接觸到柵極區域氮化硅層后停止;第三步(P3)，柵極區域的氮化硅層被徹底磨掉，多晶硅柵極完全曝露。圖2演示了在ILD0化學機械研磨過程中，溝槽區氧化硅研磨去除的全過程。

　　實驗細節

　　應用材料公司的Reflexion? LK研磨機臺包括一個FA研磨盤和兩個標準的旋轉式研磨漿研磨盤，使用可以控制5個獨立區域壓力的Titan ContourTM研磨頭(圖3)。FA研磨盤配有3M公司生產的SlurryFreeTM 固結磨料卷軸和SlurryFree P6900基底研磨墊。研磨漿研磨盤配有Dow Chemical公司生產的IC1010TM研磨墊和3M公司生產的研磨墊修復刷。P1使用Cabot公司生產的Semi-SperseR SS-12氧化硅研磨漿;P2使用FA研磨液;P3使用專用的研磨漿。

　　本文將統一使用一種簡化的柵極結構(圖4)以評估不同工藝的表現。柵極區域結構從上到下依次為：氧化硅/氮化硅/多晶硅/柵極氧化物/單晶硅，“溝槽”特指柵極與柵極之間的區域(結構為：氧化硅/單晶硅)。在尺寸大于50微米的測量區，薄膜厚度的測量使用Nanometrics公司的NanoTM 9010b。而對柵極尺寸小于100納米的測量點，則需要通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行縱切面觀測。本文中，一部分樣品通過機械劈裂的方式獲得晶圓縱切面;另一部分樣品使用聚焦離子束(FIB)局部切割晶圓露出縱切面。

　　結果與討論

　　P3需要無選擇性的研磨漿

　　因為P3之后的平坦度要求非常嚴格，P3的研磨傾向于使用無選擇性研磨漿。該研磨漿在氮化硅、氧化硅和多晶硅上都有可觀的磨率。首先，氮化硅的磨率必需足夠高才能保證多晶硅柵極完全曝露。如果氧化硅的研磨率顯著低于氮化硅和多晶硅，則可能導致溝槽區域明顯凸起，并隨著過度研磨而惡化。如果多晶硅的研磨率顯著低于氮化硅和氧化硅，那么柵極和溝槽之間的高度差會對研磨不足或過度研磨非常敏感。使用無選擇性的研磨漿將會減少由于P3研磨時間不同造成的柵極和溝槽之間的高度差變化。

　　P2 FA工藝可以降低P3之后溝槽氧化硅的WID厚度差異

　　FA工藝已被廣泛應用于直接研磨淺溝槽隔離(STI)。FA可以選擇性的停在氮化硅表面，并展現出優異的研磨平坦度和低的凹缺陷。與STI類似，ILD0的研磨也包括停在氮化硅表面的步驟。這種極低氮化硅損失和極低氧化硅凹缺陷的工藝特點使得FA成為ILD0研磨工藝中WIW和WID厚度控制的關鍵。在柵極密集區，由于特征尺寸很小，不論使用FA工藝還是高選擇性的研磨漿(HSS)研磨工藝，凹缺陷一般都比較低(圖5)。然而在外圍區域，特征尺寸可能達到50微米以上，HSS研磨工藝一般都會產生明顯的凹缺陷(>200?)，而FA研磨工藝仍能保持低凹缺陷(<50?)。

　　因此，對比FA工藝和HSS工藝研磨后的溝槽氧化硅WID厚度差異，前者明顯低于后者。由于P3使用無選擇性的研磨漿，P2之后的高凹缺陷就會直接導致P3之后的溝槽氧化硅WID厚度差異也很高(圖5)。從晶圓縱切面的SEM照片中可以清楚的看出P3之后的WID厚度差異。

　　FA優異的平坦度和凹缺陷表現

　　與HSS工藝相比，FA工藝能夠明顯降低溝槽氧化硅的WID厚度差異和凹缺陷，尤其在大特征尺寸區域。與此同時，FA過度研磨不會顯著降低WIW和WID表現(圖7)。圖6對比了FA和HSS工藝在不同特征尺寸下的凹缺陷表現。當特征尺寸達到50微米時，凹缺陷的表現就會有明顯差異。FA優異的凹缺陷表現使其成為RMG ILD0化學機械研磨工藝的關鍵步驟。

　　P2對于P3工藝的影響

　　圖8-11中，所有SEM照片的拍攝角度均為45度。晶圓縱切面通過FIB切割方式獲得。所有的照片使用相同的比例尺。圖8比較了P2用HSS工藝研磨后的柵極密集區和200×200微米測量點的溝槽氧化硅厚度。柵極密集區和大尺寸測量區的厚度明顯不同，表明存在顯著的WID差異。P3的無選擇性研磨漿工藝將很難修復P2造成的WID差異。如圖9所示，如果P2使用HSS工藝，柵極密集區和大尺寸測量區的溝槽氧化硅厚度差異在P3之后仍然會很高。

　　相對于HSS，FA研磨后的WID厚度差很小。圖10顯示溝槽氧化硅在密集區和大尺寸測量區的厚度非常接近。這種低WID差異會被進一步保留至無選擇性的P3之后(圖11)。上述對比顯示，FA有能力解決線路密度和尺寸不同造成的平坦度挑戰，從而減少芯片設計規則中對于線路密度的限制。

　　用FullVision控制多晶硅厚度

　　持續穩定的多晶硅厚度控制是通過FullVision實時終點控制系統來實現的。該系統的可靠性和可重復性已在實際生產中得到證明。圖12顯示出FullVision終點控制系統的強大功能。在圖12中，晶圓A和B都使用標準P3工藝研磨，并利用FullVision控制研磨終點;晶圓C和D的P3磨率低于標準磨率10%;晶圓C通過FullVision控制研磨終點，而晶圓D的研磨時間與晶圓A和B的研磨時間相同。上述四片晶圓的P1和P2研磨條件完全相同。

　　FullVision自動調整晶圓C的研磨時間來補償P3磨率的下降。因此，晶圓A、B和C在P3之后的柵極多晶硅厚度差異小于5?。由于晶圓D沒有使用FullVision終點偵測控制系統，而是使用與晶圓A相同的研磨時間進行研磨，因此晶圓D在P3之后的柵極多晶硅厚度與標準工藝條件的平均厚度相差高達25?。