高介電常數柵電介質(zhì)/金屬柵極的FA CMP技術(shù)
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典型的RMG工藝流程依次包括(圖1)：臨時(shí)多晶硅柵極結構的形成，第一層間電介質(zhì)(ILD0)氧化硅的沉積，ILD0化學(xué)機械研磨直至臨時(shí)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(xué)機械研磨。作為RMG工藝流程步驟之一，ILD0化學(xué)機械研磨對于HKMG結構的順利形成至關(guān)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?lài)栏窨刂谱罱K研磨厚度的工藝手段，將會(huì )帶來(lái)一系列的工藝整合問(wèn)題，比如：柵極電阻波動(dòng)，柵極填充不足，源/漏極曝露等等。這些問(wèn)題最終都會(huì )損害芯片性能。為了確保芯片的優(yōu)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(jīng)成功研發(fā)出一套在Reflexion? LK機臺上實(shí)現的三步化學(xué)機械研磨工藝，以解決ILD0化學(xué)機械研磨過(guò)程中的WIW、WID和WTW厚度控制問(wèn)題。第一步(P1)，研磨移除大部分的ILD0電介質(zhì)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(xué)機械研磨過(guò)程中，溝槽區氧化硅研磨去除的全過(guò)程。
實(shí)驗細節
應用材料公司的Reflexion? LK研磨機臺包括一個(gè)FA研磨盤(pán)和兩個(gè)標準的旋轉式研磨漿研磨盤(pán)，使用可以控制5個(gè)獨立區域壓力的Titan ContourTM研磨頭(圖3)。FA研磨盤(pán)配有3M公司生產(chǎn)的SlurryFreeTM 固結磨料卷軸和SlurryFree P6900基底研磨墊。研磨漿研磨盤(pán)配有Dow Chemical公司生產(chǎn)的IC1010TM研磨墊和3M公司生產(chǎn)的研磨墊修復刷。P1使用Cabot公司生產(chǎn)的Semi-SperseR SS-12氧化硅研磨漿;P2使用FA研磨液;P3使用專(zhuān)用的研磨漿。
本文將統一使用一種簡(jiǎn)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(diǎn)，則需要通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行縱切面觀(guān)測。本文中，一部分樣品通過(guò)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(wú)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(wú)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(guān)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(zhù)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(zhù)過(guò)度研磨而惡化。如果多晶硅的研磨率顯著(zhù)低于氮化硅和氧化硅，那么柵極和溝槽之間的高度差會(huì )對研磨不足或過(guò)度研磨非常敏感。使用無(wú)選擇性的研磨漿將會(huì )減少由于P3研磨時(shí)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(yōu)異的研磨平坦度和低的凹缺陷。與STI類(lèi)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(diǎn)使得FA成為ILD0研磨工藝中WIW和WID厚度控制的關(guān)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(huì )產(chǎn)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(wú)選擇性的研磨漿，P2之后的高凹缺陷就會(huì )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(yōu)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(shí)，FA過(guò)度研磨不會(huì )顯著(zhù)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(shí)，凹缺陷的表現就會(huì )有明顯差異。FA優(yōu)異的凹缺陷表現使其成為RMG ILD0化學(xué)機械研磨工藝的關(guān)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(guò)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(diǎn)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(zhù)的WID差異。P3的無(wú)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(huì )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(huì )被進(jìn)一步保留至無(wú)選擇性的P3之后(圖11)。上述對比顯示，FA有能力解決線(xiàn)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(xiàn)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(guò)FullVision實(shí)時(shí)終點(diǎn)控制系統來(lái)實(shí)現的。該系統的可靠性和可重復性已在實(shí)際生產(chǎn)中得到證明。圖12顯示出FullVision終點(diǎn)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(diǎn);晶圓C和D的P3磨率低于標準磨率10%;晶圓C通過(guò)FullVision控制研磨終點(diǎn)，而晶圓D的研磨時(shí)間與晶圓A和B的研磨時(shí)間相同。上述四片晶圓的P1和P2研磨條件完全相同。
FullVision自動(dòng)調整晶圓C的研磨時(shí)間來(lái)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(méi)有使用FullVision終點(diǎn)偵測控制系統，而是使用與晶圓A相同的研磨時(shí)間進(jìn)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?。
使用無(wú)選擇性的P3研磨漿會(huì )使工藝本身對P3磨率隨研磨墊壽命的偏移以及上游步驟工藝的變化(比如氮化硅厚度改變，P2過(guò)度研磨程度等)非常敏感。FullVision可以通過(guò)自動(dòng)調節研磨時(shí)間來(lái)應對生產(chǎn)過(guò)程中各種無(wú)法預測的偏移，從而確保穩定的WTW表現。
無(wú)論是在柵極密集區還是在大尺寸測量區，圖13中的SEM縱切面圖片都展示出均一的表面形貌。
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