专利名称：金属前介质层的平坦化方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属前介质层的平坦化方法。
背景技术：
在集成电路制造工艺中，金属前介质层(Pre-Metal Dielectric，PMD)设置于器件和互连金属层之间，作为使器件免受杂志粒子污染的保护层。通常，金属前介质层的组成成分为绝缘物质SiO2。在实际操作过程中，由于金属前介质层图形本身高度落差的原因，最终形成的金属前介质层表面会出现高低起伏的不平坦现象。例如，在多晶硅栅上沉积金属前介质层时， 由于栅极与衬底之间存在高度差，如图1所示，因此在沉积金属前介质后，此高度差会遗传给所沉积的金属前介质层，使得金属前介质层表面出现高低起伏的不平坦现象。在形成金属前介质层之后，为了后续互连等工艺的光刻需要，必须对金属前介质层表面进行平坦化处理。目前常采用的是平坦化处理技术是化学机械抛光法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。该技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术，将晶圆上形成金属前介质层的带图案的一面向下压到研磨垫上，在化学研磨液作用下，通过研磨头和研磨垫的相对运动对金属前介质层表面进行研磨处理，最终得到相对平坦的表面结构。然而，CMP制程是成本较高的工艺，设备成本高，而且属于单片式作业设备，器件处理效率低，并且，由于研磨液中通常存在高硬度的研磨粒子，因此，在研磨过程中，容易对器件表面造成划伤，导致器件良品率降低。
发明内容
本发明提供一种金属前介质层的平坦化方法，以避免现有CMP在对金属前介质层研磨过程中易造成的器件表面划伤的缺陷。本发明提供了一种金属前介质层的平坦化方法，包括对具有凸凹结构的金属前介质层PMD表面进行大倾角离子注入；利用湿法刻蚀的方法对离子注入后的PMD表面进行平坦化处理。优选的，所述离子的注入倾角θ为0 90度。优选的，所述离子的注入倾角θ为arctan(Hl/L2) arctan(Hl/L3)，其中，Hl为所述PMD凸结构与凹结构之间的高度差值，L2为所述PMD下部相邻栅极的间距，L3为所述 PMD相邻凸结构之间的间距。优选的，所述离子为BF2、P及Ar中的一种。优选的，所述离子的注入能量范围为30 810Kev。优选的，所述离子的注入剂量为1E13 lE16at0m/cm2。优选的，所述PMD的组分为SW2。优选的，所述湿法刻蚀采用的化学腐蚀液为氢氟酸与氟化铵的混合液，或者为稀释氢氟酸溶液。
优选的，所述SiA的形成采用化学气相沉积或旋涂工艺形成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明提供的金属前介质层的平坦化方法，在对PMD表面进行平坦化处理之前， 首先对具有凸凹结构的PMD表面进行大倾角离子注入，利用大倾角离子注入时的阴影效应，实现对PMD表面上凸凹结构的选择性轰击，对PMD表面上凸结构区域注入离子，使得凸结构区域的活性高于凹结构区域的活性，大大增加凸结构区域在化学腐蚀液中的腐蚀速率，因此，在湿法刻蚀过程中化学液腐蚀的作用下，注入离子的凸结构区域和非离子注入的凹结构区域会获得不同的腐蚀速率差异，注入离子的凸结构区域的腐蚀速率明显高于非离子注入的凹结构区域，从而便于实现PMD表面的平坦化，并且，由于没有高硬度研磨粒子的引入，不会造成器件表面划伤的缺陷，另外，湿法腐蚀为多片作业，使得生产效率更高。
图1为PMD表面出现高低起伏的不平坦现象的示意图2为本发明实施例提供的金属前介质层的平坦化方法流程示意图3为本发明实施例中确定离子注入倾角的示意图4为本发明实施例中注入离子后的器件剖面示意图5为本发明实施例中实现平坦化处理后的器件剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明提出了一种新的金属前介质层的平坦化方法，以避免现有CMP在对金属前介质层研磨过程中易造成的器件表面划伤的缺陷，如图2所示，该方法实施例包括的步骤有
步骤201、对具有凸凹结构的金属前介质层PMD表面进行大倾角离子注入。
PMD通常直接沉积在栅极上，由于栅极与衬底之间的高度差，因此，在PMD最终形成之后，PMD表面出现高低起伏的不平坦现象。在集成电路制造工艺中，随着集成电路特征尺寸的不断减小，布线层数的逐渐增加，需要每一层都做到全局平坦化。否则，晶片表面的气氛随着布线层数的增加而更加显著，这样不但使得同层金属薄膜厚度不均，薄的地方电阻值较高，容易引起电致迁移而造成线路短路，厚的地方可能会导致不必要的导通，使电路的可靠性降低。而且，起伏不平的表面会使得在光刻的时候无法准确对焦，严重限制布线层数，降低集成电路的使用性能。因此，PMD的平坦化是保证集成电路性能的基础。
本发明实施例中，在对不平坦的PMD表面进行平坦化处理时，并非利用CMP方法，而是利用湿法腐蚀的方法。在实施湿法腐蚀之前，为了提高湿法腐蚀的速率，首先对具有凸凹结构的PMD表面进行大倾角离子注入。利用大倾角离子注入时的阴影效应，即PMD表面上凸结构区域能够被注入离子，而凹结构区域由于被遮挡，不会被注入离子或注入少量离子，在实施离子注入之后，PMD表面上凸结构区域的活性高于凹结构区域的活性，大大增加凸结构区域在化学腐蚀液中的腐蚀速率。步骤202、利用湿法刻蚀的方法对离子注入后的PMD表面进行平坦化处理。实施离子注入之后，开始对PMD表面进行湿法刻蚀，实现表面的平坦化。在湿法刻蚀过程中化学液腐蚀的作用下，注入离子的凸结构区域和非离子注入的凹结构区域会获得不同的腐蚀速率差异，注入离子的凸结构区域的腐蚀速率明显高于非离子注入的凹结构区域，因此，凸结构区域更容易被化学液腐蚀，变得平坦，而凹结构区域则不易被腐蚀，可见， 由于注入离子的凸结构区域和非离子注入的凹结构区域之间不同的腐蚀速率差异，将有利于整个PMD表面的平坦化。本发明实施例提供的金属前介质层的平坦化方法，在对PMD表面进行平坦化处理之前，首先对具有凸凹结构的PMD表面进行大倾角离子注入，利用大倾角离子注入时的阴影效应，实现对PMD表面上凸凹结构的选择性轰击，对PMD表面上凸结构区域注入离子，使得凸结构区域的活性高于凹结构区域的活性，大大提高凸结构区域在化学腐蚀液中的腐蚀速率，因此，在湿法刻蚀过程中化学液腐蚀的作用下，注入离子的凸结构区域和非离子注入的凹结构区域会获得不同的腐蚀速率差异，注入离子的凸结构区域的腐蚀速率明显高于非离子注入的凹结构区域，从而便于实现PMD表面的平坦化，并且，由于没有高硬度研磨粒子的引入，不会造成器件表面划伤的缺陷。为了便于对本发明技术方案的理解，下面通过具体实施方式
对其进行详细介绍。本发明实施例中，离子的注入倾角θ可以在0 90度之间进行调节，S卩可以控制离子的注入方向包括水平方向的注入，竖直方向的注入，以及与水平面夹角在90度之内的任何角度，使得PMD表面上凸结构区域能够被注入离子，而凹结构区域由于被遮挡，不会被注入离子或注入少量离子。当对离子注入的角度具有严格要求时，可以根据PMD表面凹凸结构的高度差以及间距确定离子注入的倾角，保证离子注入时PMD表面的凹结构区域尽量被少注入离子甚至不被注入。参见图3，为确定离子注入倾角的示意图。其中，栅极设置于衬底(substrate) 上，PMD沉积于栅极之上，所述PMD下部栅极的高度为H1，栅极的宽度为Li，相邻栅极的间距为L2，栅极高度以及栅极间距可由版图设计参数进行确定，栅极上沉积PMD之后形成凹凸结构，通常，所述PMD凸结构与凹结构之间的高度差值为H1，所述PMD相邻凸结构之间的间距为L3，可由工艺测量获得。为了实现离子注入时PMD表面的凹结构区域尽量被少注入离子甚至不被注入，需要控制离子注入倾角最小时，凸结构的左下角处或右下角处能够被离子注入，然而，通常PMD凸结构区域的宽度大于栅极的宽度，由此，L2的数值通常大于L3。 因此，离子的注入倾角θ控制在arctan(Hl/L2) arctan (Hl/U)之间时，能够满足PMD 表面的凹结构区域尽量被少注入离子甚至不被注入的要求，如图4中区域2中，被注入少量离子甚至不被注入离子，而离子集中被注入至区域1。本发明实施例中，所述PMD的组分可以为SiO2，形成方法可以为化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD)或旋涂工艺(Spin OnGlass，S0G)，本发明对此并不做具体限定。相应地，注入离子可以选用BF2、P及Ar中的任何一种，离子的注入能量范围为 30 810Kev，注入剂量为1E13 1E16 atom/cm2，相应的离子注入深度可由离子注入的能量进行控制。
以SW2为例，当栅极上形成SiO2组成的具有凸凹结构的PMD层之后，选取一定的倾角，利用BF2、P及Ar中的任何一种离子按照该倾角角度轰击PMD表面，使得PMD表面凸起的S^2部分被大量注入离子，而由于阴影效应，PMD表面凹陷的S^2部分被注入少量离子甚至不被注入离子，凸起的S^2部分在离子的轰击作用下，SiO2的Si-O键被破坏，降低这部分SW2在化学腐蚀液腐蚀过程中的化学反应活化能，增强活性，加快这部分S^2与化学腐蚀液的反应，这样，凸起的SiA区域的腐蚀速率明显高于凹陷的SiA区域的腐蚀速率， 凸起的SiA更容易被腐蚀，趋于平坦。
本发明实施例中，湿法刻蚀采用的化学腐蚀液为氢氟酸与氟化铵的混合液，或者为稀释氢氟酸溶液。
湿法刻蚀是各向同性的，其在向下腐蚀PMD表面上SiO2组成的凸凹结构时，由于凸起的S^2部分在离子的轰击作用下，Sio2的si-ο键已被破坏，因此，凸起的S^2区域的腐蚀速率明显高于凹陷的S^2区域的腐蚀速率，使得凸起的S^2更容易被腐蚀，趋于平坦， 如图5所示，而整个PMD表面的平坦化处理的速率也将大大提高。此外，湿法腐蚀为多片作业，能够满足同时对多片器件的处理，使得生产效率更高，能够适应大生产的需要。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，包括对具有凸凹结构的金属前介质层PMD表面进行大倾角离子注入；利用湿法刻蚀的方法对离子注入后的PMD表面进行平坦化处理。
2.根据权利要求1所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述离子的注入倾角θ为0 90度。
3.根据权利要求2所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述离子的注入倾角θ为arctan(Hl/L2) arctan (H1/L3)，其中，Hl为所述PMD凸结构与凹结构之间的高度差值，L2为所述PMD下部相邻栅极的间距，L3为所述PMD相邻凸结构之间的间距。
4.根据权利要求1所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述离子为BF2、P 及Ar中的一种。
5.根据权利要求1所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述离子的注入能量范围为30 810Kev。
6.根据权利要求1所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述离子的注入剂量为 1E13 lE16atom/cm2。
7.根据权利要求1所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述PMD的组分为 SiO20
8.根据权利要求7所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述湿法刻蚀采用的化学腐蚀液为氢氟酸与氟化铵的混合液，或者为稀释氢氟酸溶液。
9.根据权利要求7所述的金属前介质层的平坦化方法，其特征在于，所述SiO2的形成采用化学气相沉积或旋涂工艺形成。
全文摘要
本发明公开了一种金属前介质层的平坦化方法，该方法具体包括对具有凸凹结构的金属前介质层PMD表面进行大倾角离子注入；利用湿法刻蚀的方法对离子注入后的PMD表面进行平坦化处理。通过本发明技术方案，能够便于实现PMD表面的平坦化，避免现有CMP在对金属前介质层研磨过程中易造成的器件表面划伤的缺陷。
文档编号H01L21/311GK102543670SQ201010587500
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者刘金彪, 宋希明, 张 浩, 李春龙, 杨涛, 赵玉印 申请人:中国科学院微电子研究所