专利名称：应用于半导体元件工艺中的平坦化方法以及栅极构造的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平坦化方法，尤指可应用于半导体元件工艺中的平坦化方法。
背景技术：
随着半导体元件近年来的迅速发 展，至今元件尺寸已进入纳米等级，因此金属氧化物半导体晶体管元件中的栅极绝缘层(Gate Dielectric Layer)厚度势必随着沟道尺寸的缩小而相对变薄，但是过薄的绝缘层厚度势必诱发严重的栅极漏电流，而此漏电流将会影响到元件的特性，导致产品的耗能增加。因此，导入高介电常数(以下简称High-k)材料来完成栅极绝缘层，用以减少栅极漏电流的产生是必要的手段。此外，High-k工艺常常会与金属栅极(metalgate)工艺搭配,用以降低栅极电极的阻值。而为能提高热稳定性，防止金属栅极和高介电常数栅极绝缘层发生反应，通常在金属栅极和高介电常数栅极绝缘层之间皆增设阻障层，此阻障层通常可用氮化钛(TiN)来完成。但在上述栅极构造的制造过程中，常因元件表面的平坦化不佳而产生问题，如何改善此等不足，为发展本发明的主要目的。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种平坦化方法，可应用于集成电路工艺上，用以改善已知手段平坦化不佳的不足。本发明提出一种平坦化方法，应用于半导体元件工艺中，该方法包括下列步骤提供基板；于该基板上形成介电层，其中介电层中具有沟槽；于该沟槽中依序形成阻障层与金属层；利用第一反应剂来对金属层进行第一平坦化工艺，用以除去部分的金属层而露出阻障层，其中第一反应剂对金属层的蚀刻速率大于对阻障层的蚀刻速率；以及利用第二反应剂来对阻障层与金属层进行第二平坦化工艺，用以除去部分的阻障层与金属层而露出介电层，其中第二反应剂对阻障层的蚀刻速率大于对金属层的蚀刻速率。在本发明的优选实施例中，上述的平坦化方法还包括形成栅极介电层于该介电层下方。本发明的优选实施例中，上述的平坦化方法于形成阻障层之前还包括形成栅极介电层于沟槽中。在本发明的优选实施例中，上述的栅极介电层为高介电常数介电层，阻障层为栅极阻障层，金属层为栅极金属层。在本发明的优选实施例中，上述的高介电常数介电层可由氧化铪(HfO2)、氮氧化硅铪(HfSiON)或氧化硅铪(HfSiO)等材料来完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的阻障层可由氮化钛(TiN)、碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、氮化钽(TaN)、氮化钛铝(TiAlN)等材料完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的金属层可由氮化钛(TiN)、钨(W)、招(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)Ai (Co)、铜(Cu)或是镍(Ni)等材料完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的第一平坦化工艺与该第二平坦化工艺可分别为第一化学机械抛光工艺与第二化学机械抛光工艺，而该第一反应剂与该第二反应剂可分别为第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂。第一平坦化工艺与第二平坦化工艺可在单一机台上完成，或是分开在提供不同化学机械抛光剂的多个机台上完成，而第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂还可包括有二氧化硅、二氧化铈或是氧化铝粉末的粘着材料。在本发明的优选实施例中，上述的第一化学机械抛光剂与该第二化学机械抛光剂中皆可包括有氧化剂(oxidizer)，第一化学机械抛光剂的氧化剂浓度可低于第二化学机械抛光剂中的氧化剂浓度。在本发明的优选实施例中，上述的氧化剂可为过氧化氢。在本发明的优选实施例中，上述的第一化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围可为0% I %，该第二化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围可大于1%。
本发明还提出另一种平坦化方法，应用于半导体元件工艺中，该方法包括下列步骤提供基板，基板上方具有包括多晶硅假栅极与介电层的栅极构造；去除多晶硅假栅极而于介电层中形成至少沟槽；形成栅极阻障层于该沟槽侧壁与底部以及该介电层的表面上；形成栅极金属层于该栅极阻障层的表面上并填满该沟槽；利用第一反应剂来对该栅极金属层进行第一平坦化工艺，用以除去部分的该栅极金属层而露出该栅极阻障层，其中该第一反应剂对该栅极金属层的蚀刻速率大于对该栅极阻障层的蚀刻速率；以及利用第二反应剂来对该栅极阻障层与该栅极金属层进行第二平坦化工艺，用以除去部分的该栅极阻障层与该栅极金属层而露出该介电层，其中该第二反应剂对该栅极阻障层的蚀刻速率大于对该栅极金属层的蚀刻速率。在本发明的优选实施例中，上述的平坦化方法还包括形成栅极介电层于该介电层下方。本发明的优选实施例中，上述的平坦化方法于形成阻障层之前还包括形成栅极介电层于沟槽中。在本发明的优选实施例中，上述于除去部分的该栅极金属层而露出栅极阻障层的步骤前还可包括下列步骤利用第三反应剂来对栅极金属层进行第三平坦化工艺，用以减少栅极金属层的厚度至预设厚度，第三反应剂对该栅极金属层的蚀刻速率大于该第一反应剂对栅极金属层的蚀刻速率。在本发明的优选实施例中，上述的预设厚度可大于100埃。在本发明的优选实施例中，上述的栅极介电层为高介电常数介电层，此高介电常数介电层是由氧化铪(HfO2)、氮氧化硅铪(HfSiON)或氧化硅铪(HfSiO)等材料来完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的阻障层可由氮化钛(TiN)、碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、氮化钽(TaN)、氮化钛铝(TiAlN)等材料完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的金属层可由氮化钛(TiN)、钨(W)、招(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)Ai (Co)、铜(Cu)或镍(Ni)等材料完成的单层或多层结构。在本发明的优选实施例中，上述的第一平坦化工艺与该第二平坦化工艺分别可为第一化学机械抛光工艺与第二化学机械抛光工艺，而该第一反应剂与该第二反应剂分别可为第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂。第一平坦化工艺与第二平坦化工艺可在单一机台上完成，或 分开在提供不同化学机械抛光剂的多个机台上完成，而第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂还可包括有二氧化硅、二氧化铈或是氧化铝粉末的粘着材料。在本发明的优选实施例中，上述的第一化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比大于20，该第二化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比大于20。在本发明的优选实施例中，上述的该第一化学机械抛光剂与该第二化学机械抛光剂中皆可包括有氧化剂(oxidizer),该第一化学机械抛光剂的氧化剂浓度低于该第二化学机械抛光剂中的氧化剂浓度。在本发明的优选实施例中，上述的氧化剂可为过氧化氢。在本发明的优选实施例中，上述的第一化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围可为0% I %，该第二化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围可大于1%。本发明还提出另一种栅极构造，此构造包括基板、介电层、栅极阻障层以及栅极金属层。介电层位于基板上方并具有至少一沟槽。栅极阻障层位于沟槽中。栅极金属层位于栅极阻障层的表面上并填满沟槽。栅极金属层顶面低于沟槽侧壁，且两者的高度差小于50埃。
图I (a)、I (b)、I (C)，其为本发明为改善已知手段不足所发展出来关于平坦化方法的工艺步骤示意图。图2(a)、2(b)，其为本发明技术所完成的两种栅极构造示意图。附图标记说明基板10介电层101栅极介电层1010阻障层102金属层103沟槽104碟形凹陷1030
具体实施例方式请参见图I (a)、I (b)、I (C)，其为本发明为改善已知手段不足所发展出来关于平坦化方法的工艺步骤示意图，可广泛应用于半导体元件工艺中。首先，先提供基板10，例如常见的硅基板，然后于该基板10上进行高介电常数/金属栅极(HKMG)工艺来完成金属氧化物半导体晶体管元件，如图1(a)所示，在该基板10上方形成介电层101，该介电层101中形成有沟槽104,而该沟槽104中形成有栅极介电层(gate dielectirc layer) 1010、阻障层(barrierlayer) 102与金属层103来完成栅极结构(gate structure)。该沟槽104可为将多晶硅假栅极(dummy poly，图中未示出)去除后所形成。至于栅极结构中的栅极介电层1010可以在沟槽104形成后再形成，进而完成如图1(a)所示的构造，但是也可在沟槽104形成前便已形成栅极介电层1010，如图2(a)的所示。而该栅极介电层1010可由高介电常数介电材料来完成。至于该阻障层可以是栅极构造中的栅极阻障层，而该金属层则可以是栅极构造中的栅极金属层。
接着利用第一反应剂来对该金属层103进行第一平坦化工艺，用以除去部分的该金属层103而露出该阻障层102，其中透过控制第一反应剂的成份，将对该金属层103的蚀刻速率调整大于对该阻障层102的蚀刻速率。如此一来，便可将蚀刻动作停在阻障层102之上，但也因金属层103的蚀刻较快，便产生如图1(b)所示的结构，阻障层102外露而金属层103产生些许的碟形凹陷(dishing) 1030。为能消除上述碟形凹陷1030，本发明便再利用第二反应剂来对外露的阻障层102与金属层103进行第二平坦化工艺，用以除去部分的阻障层102与部分的该金属层103而露出沟槽104开口外的介电层101，其中该第二反应剂对该阻障层102的蚀刻速率大于对金属层103的蚀刻速率。如此一来，蚀刻动作可停在介电层101之上，但因阻障层102的蚀刻较快而金属层103的蚀刻较慢，便产生如图1(c)所示的结构，金属层103原本具有的碟形凹陷1030将被消除，进而达成平坦的表面。金属层103的顶面低于沟槽104侧壁，也即低于两侧介电层101的顶面的高度差小于50埃。最后经过清洗后，便可送入下一道工艺，例如内层介电层的制作。 而根据上述步骤的说明可知，本发明透过两次蚀刻选择比不同的平坦化工艺，将可有效提升工艺完成后产品的平坦程度，进而改善已知手段的不足，达成发展本发明的主要目的。而上述第一平坦化工艺与第二平坦化工艺可分别为第一化学机械抛光工艺与第二化学机械抛光工艺，而第一反应剂与第二反应剂可分别为第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂。而这些平坦化工艺可在单一机台(Single pad CMP)上完成，或是分开在提供不同化学机械抛光剂的多个机台上完成(multi-pad CMP),而这些化学机械抛光剂中还可包括有粘着材料(abrasive material),例如二氧化娃(SiO2)、二氧化铺(CeO2)或是氧化招(Al2O3)粉末(powder)等。另外,该第一化学机械抛光剂与该第二化学机械抛光剂中皆包括有氧化剂(oxidizer),为调整出适当的蚀刻选择比,该第一化学机械抛光剂的氧化剂浓度将低于该第二化学机械抛光剂中的氧化剂浓度，而该氧化剂可为过氧化氢等，举例来说，第一化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围可为0% I %，该第二化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围则可大于1%，例如3%或5%，如此一来，第一化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比可控制在大于20，第二化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比则可控制在大于20。至于该栅极介电层(gate dielectirc layer) 1010,主要可由高介电常数介电层来完成，例如可以是氧化铪(HfO2)、氮氧化硅铪(HfSiON)或氧化硅铪(HfSiO)等材料来完成的单层或多层结构，主要是形成于阻障层102的下方，栅极介电层1010若是形成于沟槽104完成前(即所谓“HK First”)，栅极介电层1010就只会形成于沟槽104底部，而形成如图2(a)中所示的本发明技术所完成的栅极构造示意图，但若是除去多晶硅假栅极后再形成栅极介电层1010(即所谓“HK Last”)，栅极介电层1010则会形成于沟槽104底部与侧壁而呈U型剖面，形成如图2(b)中所示的栅极构造。至于该阻障层102可由氮化钛(TiN)、碳化钽(TaC)、碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、氮化钽(TaN)、氮化钛铝(TiAlN)等材料完成的单层或多层结构，该阻障层102可用以在栅极构造中扮演功函数金属层(Work Functionmetal layer)、应力层(strained layer)、功函数微调金属层(Work Function tuningmetal layer)、内衬层(liner layer)或是封合层(sealantlayer)等角色。至于金属层103可以是由氮化钛(TiN)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、钴(Co)、铜(Cu)或是镍(Ni)等金属或金属性材料完成的单层或多层结构。另外，为能增加产能，在利用第一反应剂来除去部分的该栅极金属层而露出该栅极阻障层的步骤前，还可先利用第三反应剂来对该金属层103进行第三平坦化工艺，用以减少该栅极金属层的厚度至预设厚度后停下再转换至该第一平坦化工艺。预设厚度可设为接近100埃但大于100埃，而由于第三反应剂可调整成对该金属层103具有的较快蚀刻速率，意即该第三反应剂对该金属层103的蚀刻速率大于该第一反应剂对该金属层103的蚀刻速率，因此金属层103的厚度将可以很快被缩减而减少工艺时间。综上所述，在本发明对技术进行改良后，已可有效消除已知手段中平坦化不佳的问题。虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域一般技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定为准。
权利要求
1.一种平坦化方法，应用于半导体元件工艺中，该方法包括下列步骤 提供基板； 于该基板上形成介电层，其中该介电层中具有沟槽； 于该沟槽中依序形成阻障层与金属层； 利用第一反应剂来对该金属层进行第一平坦化工艺，用以除去部分的该金属层而露出该阻障层，其中该第一反应剂对该金属层的蚀刻速率大于对该阻障层的蚀刻速率；以及 利用第二反应剂来对该阻障层与该金属层进行第二平坦化工艺，用以除去部分的该阻障层与该金属层而露出该介电层，其中该第二反应剂对该阻障层的蚀刻速率大于对该金属层的蚀刻速率。
2.如权利要求I所述的平坦化方法，其中还包括下列步骤形成栅极介电层于该介电层下方。
3.如权利要求I所述的平坦化方法，其中于形成该阻障层之前还包括下列步骤形成栅极介电层于该沟槽中。
4.如权利要求3所述的平坦化方法，其中该栅极介电层为高介电常数介电层，该阻障层为栅极阻障层，该金属层为栅极金属层。
5.如权利要求4所述的平坦化方法，其中该高介电常数介电层是由氧化铪、氮氧化硅铪或氧化硅铪等材料来完成的单层或多层结构。
6.如权利要求I所述的平坦化方法，其中该阻障层是由氮化钛、碳化钽、碳化钨、碳化钛、氮化钽、氮化钛铝等材料完成的单层或多层结构。
7.如权利要求I所述的平坦化方法，其中该金属层是由氮化钛、钨、铝、钛、钽、氮化钽、钴、铜或是镍等材料完成的单层或多层结构。
8.如权利要求I所述的平坦化方法，其中该第一平坦化工艺与该第二平坦化工艺分别为第一化学机械抛光工艺与第二化学机械抛光工艺，而该第一反应剂与该第二反应剂分别为第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂，这些平坦化工艺可在单一机台上完成，或是分开在提供不同化学机械抛光剂的多个机台上完成，而这些化学机械抛光剂中还可包括有二氧化硅、二氧化铈或是氧化铝粉末的粘着材料。
9.如权利要求8所述的平坦化方法，其中该第一化学机械抛光剂与该第二化学机械抛光剂中皆包括有氧化剂，该第一化学机械抛光剂的氧化剂浓度低于该第二化学机械抛光剂中的氧化剂浓度。
10.如权利要求9所述的平坦化方法，其中该氧化剂为过氧化氢。
11.如权利要求10所述的平坦化方法，其中该第一化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围为0% 1%，该第二化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围为大于1%。
12.—种平坦化方法，应用于半导体元件工艺中，该方法包括下列步骤 提供基板，该基板上方具有包括多晶硅假栅极与介电层的栅极构造； 去除该多晶硅假栅极而于该介电层中形成至少一沟槽； 形成栅极阻障层于该沟槽侧壁与底部以及该介电层的表面上； 形成栅极金属层于该栅极阻障层的表面上并填满该沟槽； 利用第一反应剂来对该栅极金属层进行第一平坦化工艺，用以除去部分的该栅极金属层而露出该栅极阻障层，其中该第一反应剂对该栅极金属层的蚀刻速率大于对该栅极阻障层的蚀刻速率；以及 利用第二反应剂来对该栅极阻障层与该栅极金属层进行第二平坦化工艺，用以除去部分的该栅极阻障层与该栅极金属层而露出该介电层，其中该第二反应剂对该栅极阻障层的蚀刻速率大于对该栅极金属层的蚀刻速率。
13.如权利要求12所述的平坦化方法，其中还包括下列步骤形成栅极介电层于该介电层下方。
14.如权利要求12所述的平坦化方法，其中于形成该阻障层之前还包括下列步骤形成栅极介电层于该沟槽中。
15.如权利要求12所述的平坦化方法，其中于除去部分的该栅极金属层而露出该栅极阻障层的步骤前还包括下列步骤 利用第三反应剂来对该栅极金属层进行第三平坦化工艺，用以减少该栅极金属层的厚度至预设厚度，该第三反应剂对该栅极金属层的蚀刻速率大于该第一反应剂对该栅极金属层的蚀刻速率。
16.如权利要求15所述的平坦化方法，其中该预设厚度大于100埃。
17.如权利要求14所述的平坦化方法，其中该栅极介电层为高介电常数介电层，该高介电常数介电层是由氧化铪、氮氧化硅铪或氧化硅铪等材料来完成的单层或多层结构。
18.如权利要求12所述的平坦化方法，其中该阻障层是由氮化钛、碳化钽、碳化钨、碳化钛、氮化钽、氮化钛铝等材料完成的单层或多层结构。
19.如权利要求12所述的平坦化方法，其中该金属层是由氮化钛、钨、铝、钛、钽、氮化钽、钴、铜或是镍等材料完成的单层或多层结构。
20.如权利要求12所述的平坦化方法，其中该第一平坦化工艺与该第二平坦化工艺分别为第一化学机械抛光工艺与第二化学机械抛光工艺，而该第一反应剂与该第二反应剂分别为第一化学机械抛光剂与第二化学机械抛光剂，这些平坦化工艺可在单一机台上完成，或是分开在提供不同化学机械抛光剂的多个机台上完成，而这些化学机械抛光剂中还可包括有二氧化硅、二氧化铈或是氧化铝粉末的粘着材料。
21.如权利要求20所述的平坦化方法，其中该第一化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比大于20，该第二化学机械抛光剂对于该栅极金属层与该栅极阻障层的蚀刻选择比大于20。
22.如权利要求20所述的平坦化方法，其中该第一化学机械抛光剂与该第二化学机械抛光剂中皆包括有氧化剂，该第一化学机械抛光剂的氧化剂浓度低于该第二化学机械抛光剂中的氧化剂浓度。
23.如权利要求22所述的平坦化方法，其中该氧化剂为过氧化氢。
24.如权利要求23所述的平坦化方法，其中该第一化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围为0% 1%，该第二化学机械抛光剂中的过氧化氢浓度范围为大于1%。
25.一种栅极构造，包括 基板； 介电层，位于该基板上方并具有至少一沟槽； 栅极阻障层，位于该沟槽中；以及 栅极金属层，位于该栅极阻障层的表面上并填满该沟槽，该栅极金属层顶面低于该沟槽侧壁，且两者的高度差小于50埃。
26.如权利要求25所述的栅极构造，其中还包括栅极介电层，位于该介电层下方或位于该沟槽中的该阻障层下方。
27.如权利要求26所述的栅极构造，其中该栅极介电层为高介电常数介电层。
28.如权利要求27所述的栅极构造，其中该高介电常数介电层是由氧化铪、氮氧化硅铪或氧化硅铪等材料来完成的单层或多层结构。
29.如权利要求25所述的栅极构造，其中该栅极阻障层为由氮化钛、碳化钽、碳化钨、碳化钛、氮化钽、氮化钛铝等材料完成的单层或多层结构，该栅极阻障层可作为功函数金属层、应力层、功函数微调金属层、内衬层或是封合层。
30.如权利要求25所述的栅极构造，其中该栅极金属层是由氮化钛、钨、铝、钛、钽、氮化钽、钴、铜或镍等材料完成的单层或多层结构。
全文摘要
本发明公开一种应用于半导体元件工艺中的平坦化方法以及栅极构造。该方法包括提供上方具有包括多晶硅假栅极与介电层的栅极构造的基板；去除多晶硅假栅极而形成沟槽；形成栅极阻障层于沟槽中；形成栅极金属层于栅极阻障层的表面上并填满沟槽；利用第一反应剂来对栅极金属层进行第一平坦化工艺，用以除去部分的栅极金属层，第一反应剂对栅极金属层的蚀刻速率大于对栅极阻障层的蚀刻速率；利用第二反应剂来对栅极阻障层与栅极金属层进行第二平坦化工艺，用以除去部分的栅极阻障层与栅极金属层，第二反应剂对栅极阻障层的蚀刻速率大于对栅极金属层的蚀刻速率。
文档编号H01L21/28GK102646580SQ201110040219
公开日2012年8月22日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者吕宏源, 曹玮哲, 杨智钦, 林仁杰, 林文钦, 蔡腾群, 许信国, 谢雅雪, 陈志仙, 黄任鹏 申请人:联华电子股份有限公司