专利名称：一种制作半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及制作半导体器件的方法，特别涉及一种使用改进的方式形成栅极的制作半导体器件的方法。
背景技术：
半导体工业的飞速发展使得关键尺寸不断减小。对于栅极高度和形貌控制的要求也越来越高。在半导体器件的制作过程中，需要对器件进行多次的化学机械平坦化处理(CMP) 0目前，在最新的工艺制程中，高介电常数金属栅极(即高k金属栅)逐渐成为主流。通常，采用称为“伪栅”的技术来制作高k金属栅。在这种半导体器件的制作过程中，先采用例如多晶硅来占据栅极的位置(即所谓“伪栅”)，然后进行源极和漏极的注入，最后再用 金属来替代多晶硅栅极，形成真正的金属栅极。图IA和图IB示出了现有技术中半导体器件的结构的示意图。如图所示，在形成例如浅沟槽隔离之后，在半导体衬底102上形成栅极氧化物并在栅极氧化物上沉积多晶硅层，然后基于该多晶硅层直接通过刻蚀形成第一多晶硅栅极103、第二多晶硅栅极104和第三多晶硅栅极105。然而，由于浅沟槽隔离槽中填充的绝缘体(例如氧化硅)表面往往高于或低于半导体衬底102表面(例如第一绝缘体101的表面高于半导体衬底102的表面，第二绝缘体107的表面低于半导体衬底102的表面)，所以直接沉积形成的多晶硅层表面并不平坦。这导致所形成的第一多晶硅栅极103、第二多晶硅栅极104和第三多晶硅栅极105高低不一。其中，由于第一多晶娃栅极103位于第一绝缘体101上,所以第一多晶娃栅极103高于周围的第二多晶硅栅极104。由于第三多晶硅栅极105位于第二绝缘体107上，所以第三多晶娃栅极105低于周围的第二多晶娃栅极104。在后续的层间电介质ILDO (Inter layer Dielectric)的化学机械平坦化处理中，需要同时对硅衬底上的高深宽比材料(HARP，High Aspect Ratio Process) 108 (通常为氧化物)、氮化硅106 (SiN)以及多晶硅进行CMP处理。但是，由于各个栅极之间的高度存在差异，CMP处理不能完全去除覆盖于所有多晶硅栅极顶部的氮化硅106，从而导致氮化硅106的残留。具体地说，在图IA中，第一多晶硅栅极103高于周围的第二多晶硅栅极104，所以在进行CMP过程中，当去除第一多晶硅栅极103上表面的氮化硅，使得第一多晶硅栅极103的上表面暴露出来时，第二多晶硅栅极104上表面的氮化硅并没有被完全去除，仍会有部分残留。此外，在图IB中，第三多晶硅栅极105低于周围的第二多晶硅栅极104，所以在进行CMP过程中，当去除第二多晶硅栅极104上表面的氮化硅，使得第二多晶硅栅极104的上表面暴露出来时，第三多晶娃栅极105上表面的氮化娃并没有被完全去除,仍会有部分残
甶°图2A和图2B是示出氮化硅残留情况的电子扫描显微镜照片。如图2A所示，浅沟道隔离槽中的氧化硅表面低于衬底表面。从而导致在进行ILDO CMP之后，规则的线条状栅极201之间残留有氮化硅。图2B进一步示出了图2A中的区域202的情况。从图2B中可以更加清楚地看到两个线条状栅极之间的氮化硅残留物。
发明内容
本发明的发明人发现上述现有技术中存在问题，并因此针对所述问题中的至少一个问题提出了一种新的技术方案。本发明的一个目的是提供一种制作半导体器件的方法。根据本发明的第一方面，提供了一种制作半导体器件的方法，包括以下步骤在半导体衬底上形成隔离槽；在半导体衬底上沉积绝缘材料层；去除半导体衬底表面的绝缘材料，仅留下所述隔离槽中的绝缘材料；在半导体衬底上形成栅极氧化物；在所述栅极氧化物上沉积多晶硅层；对所述多晶硅层进行化学机械平坦化处理，使得所述多晶硅层表面变得平坦；利用所述多晶硅层形成多晶硅栅极。优选地，该制作半导体器件的方法还包括在形成所述隔离槽之前，形成保护层的步骤。进一步地，所述保护层包括第一保护层和位于所述第一保护层之上的第二保护层。进一步地，所述第一保护层为氧化硅。进一步地，所述第二保护层为氮化硅。优选地，所述绝缘材料为氧化物或氮氧化物。其中，所述氧化物优选氧化硅，所述
氮氧化物优选氮氧化硅。优选地，该制作半导体器件的方法还包括在后续步骤中，将所述多晶硅栅极作为伪栅，使用金属替代所述多晶硅栅极，从而形成金属栅极的步骤。进一步地，所述金属为铝或钨。优选地，所述隔离槽为浅沟槽隔离槽。优选地，该制作半导体器件的方法还包括在所述衬底上通过离子注入定义有源区的步骤。优选地，该制作半导体器件的方法还包括在对所述多晶硅层进行化学机械平坦化处理之后，对多晶硅层表面进行清洗的步骤。进一步地，所述清洗步骤包括使用温度大于60°C的碱性溶液对所述对多晶硅层表面进行清洗，从而去除残留在所述多晶硅层表面的颗粒。进一步地,所述颗粒为Ce02。进一步地，所述碱性溶液的PH值大于6. 8且小于9. 8。进一步地，所述碱性溶液为氨水、双氧水和去离子水的混合溶液。进一步地，氨水、双氧水和去离子水的体积比为例如I : I : 40-1 3 100。其中，氨水、双氧水和去离子水的体积比优选为I : 2 : 50。通常，所选用的氨水的浓度为29%，双氧水的浓度为30%。优选地，该制作半导体器件的方法还包括在清洗的同时，对所述多晶硅层表面进行超声处理。进一步地，所述超声处理的功率范围为80W-500W。进一步地，所述超声处理的频率范围为20KHz-100KHz。本发明的一个优点在于，解决了 ILDO的化学机械平坦化中的氮化硅残留的问题。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中图IA和图IB是示出现有技术中半导体器件的结构的示图。图2A和图2B是示出氮化硅残留情况的电子扫描显微镜照片。图3是示出根据本发明的一个实施例的制作半导体器件的流程图。图4A-4F示出根据本发明的一个实施例的制作半导体器件的过程的示意图。图5示出研磨浆料的浓度与移除速率之间的关系曲线。图6A和图6B分别示出了清洗前后的衬底表面的示意图。
具体实施例方式现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。图3示出了根据本发明的一个实施例的制作半导体器件的方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤在半导体衬底上形成隔离槽(步骤301)；在半导体衬底上沉积绝缘材料层(步骤302)；去除半导体衬底表面的绝缘材料，仅留下所述隔离槽中的绝缘材料(步骤303)；在半导体衬底上形成栅极氧化物(步骤304)；在栅极氧化物上沉积多晶硅层(步骤305)；对所述多晶硅层进行化学机械平坦化处理，使得所述多晶硅层表面变得平坦(步骤 306)；利用所述多晶硅层形成多晶硅栅极(步骤307)。下面结合附图4A-4F对上面的各个步骤进行具体的解释和说明。
图4A-图4F简要地示出了根据本发明的一个实施例来制备半导体器件的示意图。首先，如图4A所示，在半导体(例如Si)衬底401上选择性刻蚀出隔离槽。根据所制作的半导体器件的具体需要，在半导体衬底401上刻蚀出例如第一隔离槽402和第二隔离槽403。其中，第一隔离槽402的宽度较小，而第二隔离槽403的宽度较大。其中，使用图案化的光致抗蚀剂保护衬底上那些不需要刻蚀的区域。没有光致抗蚀剂保护的区域被离子和强腐蚀性的化学物质刻蚀掉。本领域人员应当理解，可以通过例如干法离子刻蚀机等设备通过刻蚀的方式形成隔离槽。图4A所示的隔离槽倾斜的侧壁以及圆滑的底面有助于提高填充的质量和隔离结构的电学特性，是一种优选结构。此外，为了在后续的化学机械平坦化处理(将在后面结合附图4C进一步详细描述)中保护半导体衬底401的表面405，还可以在形成隔离槽之前先在半导体衬底表面形成诸如氮化硅的保护层。氮化硅是坚固的掩模材料，有助于在后续的绝缘材料填充步骤(将在后面结合附图4B进一步详细描述)中保护半导体衬底表面。并且氮化硅还可以在化学机械平坦化(CMP)处理中充当CMP的阻挡材料。 进一步地，为了避免半导体衬底表面在后续处理中去掉氮化硅保护层时受到化学玷污，还可以在形成氮化硅保护层之前先生长或沉积诸如氧化硅的隔离氧化层。然后，如图4B所示，在隔离槽中填充绝缘材料404。其中绝缘材料404可以选择例如氧化物或氮氧化物。这里的氧化物可以为氧化硅、氮氧化物可以为例如氮氧化硅。绝缘材料404的填充可以采用本领域熟知的化学气相沉积(CVD)等方式来实现。采用CVD来填充绝缘材料404的一个优点是能够实现高产出率和高速沉积。接下来，如图4C所示，对绝缘材料404进行化学机械平坦化处理，去除多余的绝缘材料404，使得衬底401的表面405暴露出来。然而，由于化学机械平坦化本身的局限，并不能保证各个隔离槽中填充的绝缘材料的表面与衬底401的表面405完全平齐。例如由于第一隔离槽402比较窄，所以其中的绝缘材料的表面高于衬底401的表面405，而由于第二隔离槽403比较宽，所以其中的绝缘材料的表面低于衬底401的表面405。目前，通过控制化学机械平坦化的工艺，能够把隔离槽中填充的绝缘材料的表面与衬底401的表面405之间的高度差控制在例如-200A到+200A。如果在衬底401的表面预先沉积有诸如氮化硅等保护层，则经过CMP处理之后，作为CMP阻挡材料的氮化硅层仍然留在衬底401表面。因此，还需要在化学机械平坦化处理之后去除氮化硅等保护层，从而露出衬底401的表面。接下来，如图4D所示，在整个衬底表面上形成氧化物层406。该氧化物层406的厚度优选为IOA到100A。这一层氧化物将在以后作为栅极氧化物。其中，氧化物优选氧化硅。本领域人员应当理解，如果使用氧化硅作为栅极氧化物，则可以把硅衬底放入氧化炉中进行氧化处理，使得硅衬底的表面被氧化。但是，这种方式只能在硅衬底的表面形成氧化物层，却不能在隔离槽中的绝缘材料表面形成氧化物层。因此，如果半导体器件的设计中还需要在隔离槽上制作栅极，则可以通过例如化学气相沉积或溅射等方式在半导体衬底401和绝缘材料的表面上同时形成氧化物层。接下来，如图4E所示，在氧化物层406上形成多晶硅层407。多晶硅层407的厚度优选500A-1500A。由于衬底401的表面形貌凹凸不平，所以导致多晶硅层407的表面也凹凸不平。其中，多晶硅层407上与对应第一隔离槽402对应的第一区域408高于与衬底401表面对应的第三区域409，而与第二隔离槽403对应的第二区域410低于第三区域409。接下来，如图4F所示，对多晶硅层407进行化学机械平坦化处理，使得多晶硅层407的表面变得平坦。最后,利用该经过CMP处理的多晶娃层407形成栅极。在本实施例的基础上，本领域技术人员可以通过熟知的后续处理步骤，得到诸如CMOS等各种半导体器件。例如，在制备具有高k金属栅的半导体器件中，经过上述处理得到的栅极为多晶硅伪栅，该多晶硅伪栅将在后续处理中被金属栅极所取代。图4A-4F所示·的实施例中，因为用于制作栅极的多晶硅层407的表面变得平坦，所以基于该多晶硅层407得到的栅极能够保持在相同的高度上。从而在后续的ILDO的CMP处理过程中，不会出现氮化硅残留的问题。采用本发明的方法，还可以提高半导体器件的成品率，改善半导体器件性能，降低生产成本，减小能耗。本领域人员应当理解，对于多晶硅层407的化学机械平坦化处理，可以采用各种熟知的手段通过化学机械平坦化设备来进行。化学机械平坦化设备通常包括磨头、转盘和抛光垫等部件。其中，需要进行研磨的衬底被安装在磨头中，抛光垫设置在转盘上并且在转盘的带动下相对于磨头旋转。在磨头和抛光垫之间有磨料，并同时施加适当的向下压力，从而实现衬底的研磨。在本实施例中，作为一种优选方案，磨头的向下压力保持在lpsi_3psi。作为另一种优选方案，转盘的转速为50rpm至llOrpm。当然,本领域技术人员能够理解,更优选的方案是将上述两种优选方案结合起来，即磨头的向下压力保持在lpsi-3psi且转盘的转速为50rpm至llOrpm。针对多晶娃的研磨,优选使用基于氧化铺(CeO2)的研磨衆料。使用基于氧化铈的研磨浆料的一个好处是当多晶硅层407的表面变得平坦后，能够自动停止研磨。不同的研磨浆料稀释比具有不同的自动停止性能。图5示出了多晶硅的移除速率(removalrate)与研磨浆料(氧化铈)之间的关系曲线。如图5所示，当研磨浆料的质量百分比小于40% (即去离子水研磨浆料> 1.5 : I)时，具有良好的自动停止性能。此外，由于化学机械平坦化处理不可避免的会使衬底表面受到污染，所以经过化学机械平坦化处理后，衬底表面的清洗也是非常重要的步骤。通过清洗，可以去除衬底表面残留的研磨浆料等杂质，得到干净的衬底。在采用基于氧化铈的研磨浆料的实施例中，研磨浆料表现出正的表面电荷。因此，研磨浆料将吸引表面活性剂(阴离子)。下面的表I示出了在某种氧化铈研磨浆料中，氧化铈研磨颗粒表面电荷的电性以及多晶硅表面的电性。表I
薄膜层/研磨颗粒氧化铈研磨浆料(PH = 5. I)
CeO2 研磨颗粒(IEP = 6. 8)+
吸附有表面活性剂的CeO2研磨颗粒
多晶硅薄膜(IEP = 9. 8)T
上面的表I中还标识出了 CeO2研磨颗粒和多晶硅薄膜的等电点(IEP，IsoElectric Point)。CeO2研磨颗粒和多晶娃薄膜所带的表面电荷的电性随着外界溶液的PH值而改变。当外界溶液的PH值大于等电点时，所带的表面电荷为负电荷；当外界溶液的PH值小于等电点时，所带的表面电荷为正电荷。
具体地说，对于例如氧化铈研磨浆料而言，其PH值为5. 1，小于多晶硅薄膜的IEP值，所以多晶硅薄膜表面带有正电荷。CeO2研磨颗粒的IEP值为6. 8，同样大于研磨浆料的PH值，所以CeO2研磨颗粒的表面也带有正电荷。但是，由于CeO2研磨颗粒的表面吸附有表面活性剂(阴离子)，所以CeO2研磨颗粒与所吸附的表面活性剂一起对外表现出带有负电荷。这对于化学机械平坦化之后的清洗处理是不利的，因为带有正电荷的多晶硅表面将与表现出负电荷的CeO2研磨颗粒相互吸引，使得衬底表面残留的研磨颗粒增加。为了检查衬底表面残留的研磨颗粒使用表面缺陷检测设备对经过常规清洗方式清洗后的衬底表面进行扫描。该表面缺陷检测设备被设置为例如当扫描到2000个缺陷后自动停止扫描。扫描结果如图6A所示，当该表面缺陷检测设备只扫描了区域601，就达到了预定的2000个缺陷。这表明常规清洗之后，衬底表面仍然残留有许多CeO2研磨颗粒(图中的黑点)，粗略的估算表明，衬底表面的缺陷数量大于3000个/片。本领域人员应当理解，在这种情况下检测到的缺陷绝大部分都是衬底表面残留的研磨颗粒。对此，本发明还特别采用了如下方式来对衬底表面进行清洗。即采用碱性溶液对经过化学机械平坦化处理的衬底表面进行清洗。所采用的碱性溶液例如氨水、双氧水、氨水与双氧水的混合溶液(SCl)等。当然，本领域人员应当理解，在上述各种溶液的配制中，还需要加入适量去离子水。通过加入碱性溶液(例如氨水和双氧水的混合溶液)，将衬底表面环境的PH值提高到6. 8到9. 8之间。这样，CeO2研磨颗粒将带负电荷。但是，由于自身带负电荷的CeO2研磨颗粒进一步吸附阳离子，从而对外表现出带正电荷。由于衬底表面环境的PH值仍然低于多晶硅薄膜的IEP值，所以多晶硅薄膜仍然带有正电荷。由于同性电荷彼此排斥，因此能够更加容易清洗掉残留在多晶硅薄膜表面上的CeO2研磨颗粒。在另一个实施例中，把温度大于60°C的氨水与双氧水的混合溶液作为清洗液，得到了更好的清洗效果。通常，氨水与双氧水的混合溶液中，氨水、双氧水和去离子水的体积比例为I : I : 40-1 3 100。在一个更具体的示例中，氨水、双氧水和去离子水的体积比例为I : 2 : 50。通常情况下，用来配置清洗液的氨水的浓度为29%，双氧水的浓度为30%。当然，本领域技术人员还可以根据实际需要选择适当浓度的氨水和双氧水。在又一个实施例中，在使用温度大于60°C的氨水与双氧水的混合溶液作为清洗液的同时，还对衬底表面进行超声处理。这种超声处理的频率范围通常在例如20KHz-100KHz，功率范围通常控制在80W-500W。图6B示出了使用本实施例的方式对衬底进行清洗之后的结果。表面缺陷检测设备仍然被设置为当检测到2000个缺陷时自动停止扫描。扫描结果如图6B所示，当完成对整个衬底表面的扫描时，检测到的缺陷数量仍然没有达到预设的2000个。经过粗略估计，使用本发明上述实施例中的清洗方式，衬底表面上残留的CeO2研磨颗粒减小到大约9个/片。至此，已经详细描述了根据本发明的制造半导体器件的方法和所形成的半导体器件。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技 术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种制作半导体器件的方法，包括以下步骤 在半导体衬底上形成隔离槽； 在半导体衬底上沉积绝缘材料层； 去除半导体衬底表面的绝缘材料，仅留下所述隔离槽中的绝缘材料； 在半导体衬底上形成栅极氧化物； 在所述栅极氧化物上沉积多晶硅层； 对所述多晶硅层进行化学机械平坦化处理，使得所述多晶硅层表面变得平坦； 利用所述多晶硅层形成多晶硅栅极。
2.根据权利要求I所述的方法，其中还包括在形成所述隔离槽之前，形成保护层的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，所述保护层包括第一保护层和位于所述第一保护层之上的第二保护层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一保护层为氧化硅。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二保护层为氮化硅。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述绝缘材料为氧化物或氮氧化物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述氧化物为氧化硅。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述氮氧化物为氮氧化硅。
9.根据权利要求I所述的方法，还包括在后续步骤中，将所述多晶硅栅极作为伪栅，使用金属替代所述多晶硅栅极，从而形成金属栅极的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述金属为铝或钨。
11.根据权利要求I所述的方法，所述隔离槽为浅沟槽隔离槽。
12.根据权利要求I所述的方法，还包括在所述衬底上通过离子注入定义有源区的步骤。
13.根据权利要求I所述的方法，还包括在对所述多晶硅层进行化学机械平坦化处理之后，对多晶硅层表面进行清洗的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述清洗步骤包括 使用温度大于60°C的碱性溶液对所述对多晶硅层表面进行清洗，从而去除残留在所述多晶硅层表面的颗粒。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述颗粒为Ce02。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述碱性溶液的PH值大于6.8且小于9. 8。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述碱性溶液为氨水、双氧水和去离子水的混合溶液。
18.根据权利要求17所述的方法，其中氨水、双氧水和去离子水的体积比为1:1: 40-1 3 100。
19.根据权利要求17所述的方法，其中氨水、双氧水和去离子水的体积比为I: 2 : 50。
20.根据权利要求17所述的方法，其中氨水的浓度为29%。
21.根据权利要求17所述的方法，其中双氧水的浓度为30%。
22.根据权利要求14所述的方法，还包括在清洗的同时，对所述多晶硅层表面进行超声处理。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述超声处理的功率范围为80W-500W。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述超声处理的频率范围为20KHz-100KHz。
全文摘要
本发明公开了一种用于制作半导体器件的方法。该方法中在制作多晶硅栅极之前加入了对多晶硅层的化学机械平坦化处理步骤，从而使得后续制作得到的多晶硅栅极都在相同的高度上，避免了现有技术中的氮化硅残留问题。因此，能够提高半导体器件的成品率，改善器件性能。
文档编号H01L21/336GK102956450SQ20111023504
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月16日 优先权日2011年8月16日
发明者蒋莉, 黎铭琦 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司