专利名称：抛光方法以及栅极的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种抛光方法以及栅极的形成方法。
背景技术：
在半导体制备工艺中，平整的晶圆表面对于器件的小型化和高密度化极其重要，传统平坦化晶圆表面的方法为化学机械抛光法(CMP, Chemical Mechanical Polishing)。该方法在晶圆表面与抛光垫之间加入抛光液，利用机械力的作用和抛光液与晶圆表面产生的化学反应，平坦化晶圆表面。传统化学机械抛光法为游离磨料抛光法，包含于抛光液中的磨料在抛光垫上随机分布，其分布密度不均匀，抛光效果比较差，而且抛光液利用率低，抛光液废液容易污染环境等，因此逐渐被固结磨料抛光法(Fixed Abrasive Polishing)取代。 固结磨料抛光法，是将磨料和抛光垫结合起来，形成表面具有规则凹凸形状的固结磨料抛光垫(Fixed Abrasive Pad)。现有的固结磨料抛光法的抛光过程,如图I所示，输入滚筒105a和输出滚筒105b将抛光垫102输送到抛光台101上，并用抛光液润湿抛光垫102表面；将晶圆103吸附固定在抛光头104上，并使其表面与抛光垫102的磨料层相接触；启动动力驱动，抛光台101在轴承100的旋转带动下旋转，晶圆103也在旋转的抛光头104带动下旋转，其与抛光垫102作相对运动，使得晶圆103表面不断与抛光垫102表面的磨料层摩擦而被研磨。由于在抛光过程中，只有固结在抛光垫102的磨料层的突出部位(磨料块)才与晶圆103表面的相接触部位发生作用，相对于传统的游离磨料抛光法，由于接触区域的减小，微小接触区域产生局部较大的压力，抛光速率有较大程度的提高；还能够获得很好的抛光效果以及扩大过抛的工艺窗口，大大减少晶圆抛光时产生的凹陷(Dishing)和过抛(Erosion)，提闻了广品的良率；另外，抛光速率对于晶圆表面形貌有很闻的选择性，因而，只需较少的去除量，即可达到平坦化的目的，降低了生产成本。随着半导体制造工艺的不断发展，集成电路中的半导体器件的特征尺寸(⑶,Critical Dimension)越来越小，固结磨料抛光法已显得越来越重要。随着半导体制造工艺的不断发展，集成电路中的半导体器件的特征尺寸(CD，Critical Dimension)越来越小，为了解决小尺寸器件带来的一系列问题，高介电常数(High-K)材料的栅介质层和金属栅极(Metal Gate)相结合的技术被引入至MOS晶体管的制造过程中。图2至图6是现有技术中高K栅介质金属栅极形成方法的剖面结构示意图。步骤(1)，参阅图2，步骤(I)又包括多个步骤组成在半导体衬底(图中未示出)上形成伪栅结构，所述伪栅结构包括牺牲氧化层201以及覆盖所述牺牲氧化层201的多晶硅层202 ;在所述伪栅结构周围形成侧墙203，所述侧墙203的材料一般为二氧化硅；依次形成氮化硅层204、介质层205，所述氮化硅层204覆盖所述多晶硅层202、侧墙203和衬底，所述介质层205的材料一般为二氧化娃。步骤(2)，参阅图3，对所述介质层205进行抛光操作，直至暴露出所述氮化硅层204。步骤(3)，参阅图4，继续对氮化硅层204以及所述介质层205进行抛光操作，停止于所述多晶娃层202。步骤(4)，参阅图5，刻蚀去除所述伪栅结构(多晶硅层202以及牺牲氧化层201)，形成开口 206。步骤(5)，参阅图6，在图5所示的开口 206中依次形成栅介质层200和金属栅极207，所述栅介质层200由高介电常数材料构成，所述金属栅极207的材料一般为铝或钌。上述对所述介质层205进行抛光操作，直至暴露出所述氮化硅层204的步骤(2)以及对氮化硅层204以及所述介质层205进行抛光操作，停止于所述多晶硅层202的步骤
(3)通常是连续进行的，由于传统的游离磨料抛光法难以取得较好的晶圆表面平坦度以及均匀度，因此目前通常采用固结磨料抛光法进行抛光操作。虽然以固结磨料抛光法进行步 骤(2)时，能够取得很好的抛光效果(表面平坦度以及均匀度)，但是在进行步骤(3)时却产生了明显的凹陷和过抛问题，如图10所示，过抛形成的开口 208，凹陷形成的开口 209，抛光效果较差。相关技术还可参考专利号为US20020049027的美国专利，但是该专利对于解决上述问题并未涉及。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术中在固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光且停止于多晶硅层时产生的凹陷和过抛问题。为解决上述问题，本发明提供一种抛光方法，包括提供半导体衬底，所述衬底上形成有多晶硅层和覆盖所述多晶硅层的氮化硅层，在固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光操作，停止于多晶硅层；所述抛光操作采用的抛光液的PH值为10. 5 11，所述抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。可选的，所述两性离子表面活性剂为脯氨酸。可选的，所述固结磨料抛光垫上的磨料为二氧化铈。可选的，抛光时的压强为I 2磅/平方英寸(Psi, Pounds per square inch),抛光台的转速为10 25转/分钟。可选的，抛光时所采用的终点检测方式为电机电流终点检测或光学终点检测。此外，本发明还提供了一种栅极的形成方法，包括在半导体衬底上形成伪栅结构，所述伪栅结构包括牺牲氧化层以及覆盖所述牺牲氧化层的多晶硅层；在所述伪栅结构周围形成侧墙；依次形成氮化硅层和覆盖所述氮化硅层的介质层，所述氮化硅层覆盖所述多晶硅层、侧墙和衬底；对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层；在固结磨料抛光垫上对所述氮化硅层进行抛光操作，停止于所述多晶硅层，所述抛光操作采用的抛光液的PH值为10. 5 11，所述抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂；
去除所述伪栅结构后形成开口 ；在所述开口中形成栅极结构。可选的，所述两性离子表面活性剂为脯氨酸。可选的，所述固结磨料抛光垫上的磨料为二氧化铈。可选的，对所述氮化硅层进行抛光操作时的压强为I 2磅/平方英寸，抛光台的转速为10 25转/分钟。可选的，所述对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层是在固结磨料抛光垫或非固结磨料抛光垫上进行的。与现有技术相比，本技术方案具有以下优点
在固结磨料抛光垫上进行对氮化硅层抛光且停止于多晶硅层的抛光操作时，通过设置合适的抛光环境，即在抛光液中加入阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂且所述抛光液的PH值为10. 5 11，从而使对氮化硅层和多晶硅层的抛光操作具有更好的去除选择比，由此改善了固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光且停止于多晶硅层时产生的凹陷和过抛问题。通过将所述抛光方法应用于高K栅介质金属栅极形成过程中对所述氮化硅层抛光且停止于多晶硅层的抛光操作，提高了产品的良率。
图I是现有固结磨料抛光法的抛光装置示意图；图2至图6是现有技术中高K栅介质金属栅极形成方法的剖面结构示意图；图7至图9是高K栅介质金属栅极形成过程中氮化硅层抛光后理想的多种尺寸图案的剖面结构示意图；图10至图12是高K栅介质金属栅极形成过程中氮化硅层抛光后产生缺陷的多种尺寸图案的剖面结构示意图；图13是氮化硅、二氧化硅、多晶硅在不同PH值介质中去除率变化示意图；图14至图17是氮化硅层、氧化层、多晶硅层、二氧化铈颗粒在不同PH值介质中的离子吸附示意图；图18是本发明实施例提供的栅极的形成方法流程示意图。
具体实施例方式现有技术中在固结磨料抛光垫上进行对氮化硅层抛光且停止于多晶硅层的抛光操作时产生了明显的凹陷和过抛问题，其抛光效果较差。本技术方案通过在固结磨料抛光垫上进行对氮化硅层抛光且停止于多晶硅层的抛光操作时设置合适的抛光环境，即在抛光液中加入阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂，且所述抛光液的PH值为10. 5 11，从而使对氮化硅层和多晶硅层的抛光操作具有更好的去除选择比，由此改善了固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光且停止于多晶硅层时产生的凹陷和过抛问题。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式
的限制。图7至图9是高K栅介质金属栅极形成过程中氮化硅层抛光后理想的多种尺寸图案的剖面结构示意图。在实际情况中，形成的栅极结构一般具有多种尺寸图案，对氮化硅层204以及介质层205进行抛光操作且停止于多晶硅层202后，在理想的情况下，如图7所示，表面应具有很好的平坦度以及均匀度，参阅图8和图9，在后续步骤中去除多晶硅层202以及牺牲氧化层201，形成开口 206，再在所述开口 206中依次形成栅介质层200和金属栅极207。所述栅介质层200由高介电常数材料构成，所述金属栅极207的材料一般为铝或钌。然而，如前面所述，在高K栅介质金属栅极的形成过程中，在以固结磨料抛光法对氮化硅层204以及介质层205进行抛光操作且停止于多晶硅层202时，会产生明显的凹陷和过抛问题。图10至图12是高K栅介质金属栅极形成过程中氮化硅层抛光后产生缺陷的多种尺寸图案的剖面结构示意图。参阅图10，在图形密集区域，进行抛光操作后一般会产生100 200埃的过抛从而形成开口 208，而在大尺寸的介质层区域，还会产生200 300埃的凹陷从而形成开口 209。那么在后续步骤中，如图11和图12所示，去除多晶硅层202以 及牺牲氧化层201，形成开口 206，再在所述开口 206中依次形成栅介质层200和金属栅极207，但是形成金属栅极207的时候，还填满了开口 208以及开口 209，分别形成金属层210和金属层211,由此会导致桥接问题(bridge issue)而使器件报废,产品的良率大大降低。至于产生凹陷和过抛问题的原因，将在下面详细描述。发明人考虑是否可以通过改变抛光工艺的环境或条件来解决或改善上述问题，因此本发明实施方式提供了一种抛光方法，包括提供半导体衬底，所述衬底上形成有多晶硅层和覆盖所述多晶硅层的氮化硅层，在固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光操作，停止于多晶硅层；抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂；所述抛光液的PH值为 10. 5 11。具体实施以高K栅介质金属栅极形成过程为例，区别于现有技术的是，可参阅图3，在对氮化硅层204以及介质层205进行抛光操作且停止于多晶硅层202的步骤时，将晶圆置于固结磨料抛光垫上，加入抛光液后进行抛光操作，所述抛光液的PH值为10. 5 11 (可通过滴定以设定PH值)，并且抛光液中具有表面活性剂。本实施例中，所述表面活性剂为脯氨酸，所述固结磨料抛光垫上的磨料为二氧化铈(CeO2)。在抛光操作过程中，抛光头对晶圆施加的压强为I 2磅/平方英寸，抛光台的转速设定为10 25转/分钟，在抛光时所采用的终点检测方式为电机电流终点检测或光学终点检测。此外，本实施例中，对介质层抛光直至暴露出氮化硅层的步骤也是在固结磨料抛光垫上进行的，当然，在其他实施例中，对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层的步骤也可以在非固结磨料抛光垫上进行，抛光液中的磨料包括二氧化铈。下面对抛光氮化硅层且停止于多晶硅层的步骤中产生凹陷和过抛问题的原因以及本发明实施方式中采用PH值为10. 5 11且具有表面活性剂的抛光液在该步骤中进行抛光操作的原理作详细说明。图13是氮化硅、二氧化硅、多晶硅在不同PH值介质中去除率变化示意图。发明人经过研究发现，在不同的PH值介质(本实施例中为具有脯氨酸的抛光液)中，对氮化硅、二氧化硅、多晶硅进行抛光的去除率的变化有较大的差异。如图13所示，当抛光液的PH值为10时，对二氧化硅的去除率约为960埃/分钟，而对氮化硅的去除率约为20埃/分钟，对多晶硅的去除率约为28埃/分钟。现有技术中，通常在固结磨料抛光垫上进行抛光操作时所使用的抛光液的PH值为10 10. 3，在这样的PH值范围内，抛光时对二氧化硅的去除率要远远大于对氮化硅和多晶硅的去除率，由此表明，去除率对于二氧化硅和氮化硅具有较大的选择性，基于此，固结磨料抛光法在该抛光环境(抛光液的PH值为10 10. 3)下用于抛光氧化层且停止于氮化硅层能取得不错的抛光效果，例如在浅槽隔离(STI，ShallowTrench Isolation)工艺中目前一般较多使用固结磨料抛光垫进行抛光操作。但是，当PH值为10 10. 3时，由于对氮化硅的去除率与对多晶硅的去除率比较接近，即对这两种材料的去除选择性较差，又因为对二氧化硅的去除率要远远大于对氮化硅的去除率，所以无法用于高K栅介质金属栅极形成过程中抛光氮化硅层。然而，当抛光液的PH值为10. 5 11时，如图13所示，随着PH值的升高，对氮化硅、二氧化硅、多晶硅这三种材料的抛光去除率也有不同程度的提高。具体地，当PH值从10. 5至11，对氮化硅的去除率由240埃/分钟提高至1320埃/分钟，然而对多晶硅的去除率却始终未能大于50埃/分钟，由此表明，去除率对于氮化硅和多晶硅具有较大的选择性， 基于此，固结磨料抛光法在该抛光环境(抛光液的PH值为10. 5 11)下用于抛光氮化硅层且停止于多晶硅层能取得较好的抛光效果，因此非常适于应用在高K栅介质金属栅极形成过程中抛光氮化硅层且停止于多晶硅层的步骤。下面对在不同PH值介质中氮化硅、二氧化硅、多晶硅的去除率变化的原理进行分析。首先对等电点的概念作简单介绍，所谓的等电点(IEP, IsoElectric Point)是一个分子或者表面不带电荷时的PH值。被称为两性离子的两性分子同时含有带正电荷和负电荷的官能团，整个分子的总电荷则由其周围环境的PH值决定，根据PH值的不同整个分子可能带正电荷，也可能带负电荷，其原因是因为这样的分子在不同的PH值环境中可能会吸收或者丧失质子(H+)。在PH值等于等电点时，这样的分子所带的正电荷和负电荷互相抵消，使得整个分子不带电。表面也会自然地带电荷形成固定层。一般假如决定表面电荷的离子是HVor的话，那么表面浸入的液体的PH值也会决定表面的总电荷。在这里，等电点也是表面总电荷为零时的PH值。综上所述，两性离子所带电荷因溶液的PH值不同而改变，当两性离子正负电荷数值相等时，溶液的PH值即为其等电点；当溶液的PH值大于等电点时，离子将带负电荷；当溶液PH值小于等电点时，离子将带正电荷。表I :不同材料的等电点以及在不同PH值下电势变化表
权利要求
1.一种抛光方法，包括提供半导体衬底，所述衬底上形成有多晶硅层和覆盖所述多晶硅层的氮化硅层，在固结磨料抛光垫上对所述氮化硅层进行抛光操作，停止于所述多晶硅层，其特征在于， 所述抛光操作采用的抛光液的PH值为10. 5 11，所述抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂。
2.根据权利要求I所述的抛光方法，其特征在于，所述两性离子表面活性剂为脯氨酸。
3.根据权利要求I所述的抛光方法，其特征在于，所述固结磨料抛光垫上的磨料为二氧化铺。
4.根据权利要求I所述的抛光方法，其特征在于，抛光时的压强为I 2磅/平方英寸，抛光台的转速为10 25转/分钟。
5.根据权利要求I所述的抛光方法，其特征在于，抛光时所采用的终点检测方式为电机电流终点检测或光学终点检测。
6.一种栅极的形成方法，其特征在于，包括 在半导体衬底上形成伪栅结构，所述伪栅结构包括牺牲氧化层以及覆盖所述牺牲氧化层的多晶硅层； 在所述伪栅结构周围形成侧墙； 依次形成氮化硅层和覆盖所述氮化硅层的介质层，所述氮化硅层覆盖所述多晶硅层、侧墙和衬底； 对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层； 在固结磨料抛光垫上对所述氮化硅层进行抛光操作，停止于所述多晶硅层，所述抛光操作采用的抛光液的PH值为10. 5 11，所述抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂； 去除所述伪栅结构后形成开口； 在所述开口中形成栅极结构。
7.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于，所述两性离子表面活性剂为脯氨酸。
8.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于，所述固结磨料抛光垫上的磨料为二氧化铈。
9.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于，对所述氮化硅层进行抛光操作时的压强为I 2磅/平方英寸，抛光台的转速为10 25转/分钟。
10.根据权利要求6所述的栅极的形成方法，其特征在于，所述对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层是在固结磨料抛光垫或非固结磨料抛光垫上进行的。
全文摘要
一种抛光方法和栅极的形成方法，所述栅极的形成方法包括在半导体衬底上形成伪栅结构，所述伪栅结构包括牺牲氧化层以及覆盖所述牺牲氧化层的多晶硅层；在所述伪栅结构周围形成侧墙；依次形成氮化硅层和覆盖所述氮化硅层的介质层，所述氮化硅层覆盖所述多晶硅层、侧墙和衬底；对所述介质层抛光直至暴露出所述氮化硅层；在固结磨料抛光垫上抛光所述氮化硅层且停止于所述多晶硅层，抛光液中具有阴离子表面活性剂或两性离子表面活性剂，所述抛光液的PH值为10.5～11；去除所述伪栅结构后形成开口；在所述开口中形成栅极结构。所述抛光方法能够改善在固结磨料抛光垫上对氮化硅层进行抛光且停止于多晶硅层时产生的凹陷和过抛问题。
文档编号C09G1/18GK102751187SQ20111009972
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者蒋莉, 黎铭琦 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司