(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
置換金属ゲート構造体を形成するための研磨方法であって、
オーバーバーデンを除去し、最上層を平坦化して、平坦化された厚さの最上層をゲート構造体の上に残す、第１の化学機械研磨ステップと、
前記平坦化された厚さの最上層を除去して、前記ゲート構造体の誘電体を含む下層被覆の表面を露出させることを含む第２の化学機械研磨ステップであって、前記最上層及び前記下層被覆の表面を等しく研磨するよう構成されたスラリを用い、平坦なトポグラフィを達成する、第２の化学機械研磨ステップと、
前記ゲート構造体の前記下層被覆の誘電体を除去してその下のゲート導電体を露出させる、第３の化学機械研磨ステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記平坦化された厚さが、３００乃至６００Åである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最上層は酸化物を含み、前記下層被覆は窒化物及びポリシリコンを含み、前記第２の化学機械研磨ステップは、酸化物：窒化物の選択性が１：１であるスラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の化学機械研磨ステップは、水溶液中に分散させた０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤を有するスラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記スラリは、０．０１乃至３０ｇ／Ｌの範囲の有機酸を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記スラリは、０．０１乃至１０ｇ／Ｌの範囲の酸性ｐＨ調整剤を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記スラリは、０乃至１５ｇ／Ｌの範囲のアルカリ性ｐＨ調整剤を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スラリは、１乃至１１のｐＨ範囲を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の化学機械研磨ステップは、５Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨材、０．５乃至５０ｇ／Ｌの、２つ又はそれ以上のカルボン酸基を有する有機酸、０．２５乃至０．３５ｇ／Ｌの無機酸、０．１乃至１．０ｇ／Ｌの無機塩基、及び２−５の範囲のｐＨを有するスラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の化学機械研磨ステップは、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第１の部分と、
０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤、及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第２の部分と
の組成を有する二部式スラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
スラリを二成分として研磨台に供給して前記研磨台上で混合し、最終組成物を作り出すことと、同じ又は異なるスラリ流量を用いて、研磨中にスラリ組成を変化させるようにすることとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の化学機械研磨ステップは、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第１の部分と、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤、及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第２の部分と
の組成を有する二部式スラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ゲート構造体の前記誘電体上から前記最上層が確実に完全に除去されるようにする湿式エッチングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第３の化学機械研磨ステップは、前記ゲート構造体の前記誘電体に対するより高い研磨速度と、前記最上層及び前記ゲート導電体に対するより低い研磨速度とを可能にするスラリを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第３の化学機械研磨ステップは、５乃至１０Ｗ％のコロイド状シリカ研磨剤、０．１乃至１０ｇ／Ｌの無機酸、及び２乃至６の範囲のｐＨのスラリ組成物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
置換金属ゲート構造体を研磨して、ゲート構造体上の酸化物層を平坦化し、ゲート構造体の窒化物層及びポリシリコン層を露出させるための方法であって、
オーバーバーデンを除去し、３００乃至６００Åの酸化物が残るようにゲート構造体上の酸化物層を平坦化する、第１の化学機械研磨ステップと、
１：１：１乃至２：１：１の酸化物：窒化物：ポリシリコンの選択性を用いて、前記酸化物層を除去することと、ゲート構造体の窒化物層の表面を露出させることを含み、平坦なトポグラフィを提供する、第２の化学機械研磨ステップと、
前記窒化物層を除去してその下のポリシリコン層を露出させる、第３の化学機械研磨ステップと、
前記ポリシリコン層の少なくとも一部分を金属層で置換して、前記金属ゲート構造体を形成するステップと、を含む方法。
【請求項１７】
前記第２の化学機械研磨ステップは、水溶液中に分散させた０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤、０．０１乃至３０ｇ／Ｌの範囲の有機酸、０．０１乃至１０ｇ／Ｌの範囲の酸性ｐＨ調整剤、０乃至１５ｇ／Ｌの範囲のアルカリ性ｐＨ調整剤、及び１乃至１１のｐＨ範囲を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の化学機械研磨ステップは、５Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨材、０．５乃至５０ｇ／Ｌの、２つ又はそれ以上のカルボン酸基を有する有機酸、０．２５乃至０．３５ｇ／Ｌの無機酸、０．１乃至１．０ｇ／Ｌの無機塩基、及び２−５の範囲のｐＨを有するスラリを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の化学機械研磨ステップは、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第１の部分と、
０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤、及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第２の部分と
の組成を有する二部式スラリを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
スラリを二成分として研磨台に供給して前記研磨台上で混合し、最終組成物を作り出すことと、同じ又は異なるスラリ流量を用いて、研磨中にスラリ組成を変化させるようにすることとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の化学機械研磨ステップは、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第１の部分と、
０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤スラリ、０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤、及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤を有する第２の部分と
の組成を有する二部式スラリを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
ゲート構造体の前記窒化物層上から前記酸化物層が確実に完全に除去されるようにする湿式エッチングするステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記第３の化学機械研磨ステップは、前記ゲート構造体の前記窒化物に対するより高い研磨速度と、酸化物及びポリシリコンに対するより低い研磨速度とを可能にするスラリを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記第３の化学機械研磨ステップは、５乃至１０Ｗ％のコロイド状シリカ研磨剤、０．１乃至１０ｇ／Ｌの無機酸、及び２乃至６の範囲のｐＨのスラリ組成を含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の製造及びデバイスに関し、具体的には高度に平坦な最終構造体を達成するための高ｋ金属ゲート構造体の化学機械平坦化（ＣＭＰ）のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術の大きな成功は、トランジスタのスケーラビリティに帰することができる。四半世紀にわたり、基本的なトランジスタ設計は、寸法を除いてほとんど変化していない。スケーリングの概念は、全ての物理的寸法（長さ、幅及び厚さ）が同時に縮小されることを必要とする。これらの物理的寸法が分子のスケールに近づき始めると、単純なデバイス・スケーリングだけで性能向上を達成することが極めて困難になってきた。平面型トランジスタ設計を拡張し、〜５０ｎｍゲート長を超えるデバイス・スケーリングを維持しようとする試みにおいて、新規なデバイス構造及び材料の選択肢を伴う幾つかの方策が開発されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
デバイス・スケーリング問題を解決する１つの方法は、ゲート構造体に異なる材料を用いることである。ＳｉＯ２ゲート酸化膜は、過去において、ＣＭＯＳデバイスのスケーリングを可能にして性能の向上を獲得してきた材料である。トランジスタにおけるゲート酸化膜の物理的厚さは、ゲート長が短くなるにつれて着実に薄くなってきた。９０ｎｍノードの場合、例えばゲート酸化膜厚は約１２Åであり、８Åのゲート酸化膜を有する実験的なトランジスタが報告されている。しかし、物理的厚さが薄くなるにつれてＳｉＯ２におけるゲート酸化膜の漏れが増大するので、ゲート酸化膜の継続的なスケーリングは非常に困難になってきており、ＳｉＯ２はもはやゲート誘電体としての役割を効果的に果たすことができなくなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
置換金属ゲート構造体を形成するための研磨方法は、オーバーバーデン（ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ）を除去し、最上層を平坦化して平坦化された厚さをゲート構造体の上に残す、第１の化学機械研磨ステップを含む。第２の化学機械研磨ステップは、最上層と下層被覆表面を実質的に等しく研磨するように構成されたスラリを用いて、厚さを除去してゲート構造体の誘電体の下層被覆表面を露出させて、平坦なトポグラフィを達成することを含む。第３の化学機械研磨ステップは、ゲート構造体の誘電体を除去してゲート導電体を露出させる。
【０００５】
高ｋ金属ゲート構造体の平坦化のための方法を説明する。この方策は、ある特定の材料を他の材料に優先して研磨するのに適した選択性を有する巣ら理をモアいい手、高度に平坦な最終構造体を達成することである。高ｋ金属ゲートデバイスの場合には、３ステップＣＭＰプロセスが提供される。第１のステップは、酸化物選択性スラリを用いて行われ、３００乃至６００Åの酸化物を残して停止する平坦化ステップである。第２のステップは、酸化物、窒化物及びポリシリコン（ポリＳｉ）に関して１：１：１の選択性比を有するスラリを用いて研磨することを伴う。次のステップは、窒化物に対して高い研磨速度を有し、酸化物に対して非常に低い研磨速度を有するスラリが用いられる。種々の研磨ステップに対して用いられるスラリの組成物もまた開示される。
【０００６】
置換金属ゲート構造体を研磨して、酸化物層を平坦化し、下層の窒化物及びポリシリコン被覆領域を露出させるための方法は、オーバーバーデンを除去し、３００乃至６００Åの酸化物が残るように酸化物層を平坦化する、第１の化学機械研磨ステップと、約１：１：１乃至約２：１：１の酸化物：窒化物：ポリシリコンの選択性を用いて、酸化物層を除去すること、及び下層の窒化物及びポリシリコン被覆表面を露出させることを含み、平坦なトポグラフィを提供する、第２の化学機械研磨ステップと、窒化物層を除去してポリシリコン層を露出させる、第３の化学機械研磨ステップと、ポリシリコン層の少なくとも一部分を金属層で置換して、金属ゲート構造体を形成することとを含む。
【０００７】
これら及び他の特徴及び利点は、本発明の例証的な実施形態についての以下の詳細な説明から明らかとなり、この説明は添付の図面に関連して読まれるべきである。
【０００８】
本開示は、以下の図面を参照する好ましい実施形態の以下の説明において詳細を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図２】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図３】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図４】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図５】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図６】一実施形態による置換高ｋ金属ゲート構造体の製造のためのプロセスステップを示す断面図である。
【図７】本発明の原理による、置換高ｋ金属ゲート構造体の多重ステップ研磨プロセスを示すブロック／フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の原理により、高ｋ金属ゲート構造体の平坦化のための方法を説明する。１つの方策は、ある特定の材料を他の材料に優先して研磨するのに適した選択性を有するスラリを用いて、高度に平坦な最終構造体を達成することである。高ｋ金属ゲートデバイスの場合には、３ステップＣＭＰプロセスが提供される。一実施形態において、平坦化ステップは、選択性のスラリを用いて酸化物層に対して行われ、およそ３００乃至６００Åの酸化物を残して停止する。次のステップは、酸化物、窒化物及びポリシリコンに関して１：１：１の選択性比を有するスラリを用いて研磨することを含む。次いで、窒化物に対して高い研磨速度で研磨し、酸化物及びポリシリコンに対して非常に低い研磨速度で研磨するためのスラリが使用される。種々の研磨ステップに対して用いられるスラリの組成物を開示する。
【００１１】
図中の流れ図及びブロック図は、幾つかの代替的な実施においては、図中に示した順序とは異なる順序で行うことができることを理解されたい。例えば、連続的に示した２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行することもでき、又は、ブロックは、場合によっては、関与する機能に応じて、逆順で実行することもできる。
【００１２】
本発明は、所与の例証的なアーキテクチャに関して説明するが、他のアーキテクチャ、構造、基板材料、並びにプロセスの機能及びステップを、本発明の範囲内で変更することができることも理解されたい。本開示を通して、酸化物、窒化物及びポリシリコン材料について説明する。しかし、これらの材料は例証的なものであり、他の材料もまた企図され、本発明の範囲内である。さらに、本開示を通して、厚さの寸法が説明される。これらの厚さ寸法は例証的なものであり、他の寸法も本発明の原理により用いることができる。
【００１３】
本明細書で説明するデバイスは、集積回路チップ設計の一部分とすることができる。チップ設計は、図形処理コンピュータ・プログラミング言語で作成し、コンピュータ記憶媒体（例えば、ディスク、テープ、物理ハード・ドライブ、又は仮想ハード・ドライブ、例えば記憶アクセス・ネットワーク内など）内にストアすることができる。設計者がチップ又はチップ製造用のフォトリソグラフィック・マスクを製造しない場合には、製造者は、結果として得られた設計を、物理的手段により（例えば、設計をストアした記憶媒体のコピーを提供することにより）又は電子的に（例えば、インターネットを通じて）そのような企業体に直接又は間接に送ることができる。次に、ストアされた設計は、フォトリソグラフィ・マスクの製造に適した形式（例えば、ＧＤＳＩＩ）に変換され、これは、典型的には、ウェハ上に形成される当該チップ設計の多重のコピーを含む。フォトリソグラフィ・マスクを利用して、エッチング又はそれ以外の処理を施されるウェハ（及び／又はその上の層）の領域が画定される。
【００１４】
本明細書で説明する方法は、集積回路チップの製造に用いることができる。結果として得られる集積回路チップは、製造者によって、未処理のウェハの形態（即ち、複数の未パッケージ化チップを有する単一のウェハ）、裸のダイ、又はパッケージ化された形態で配布することができる。後者の場合、チップは、単一チップ・パッケージ（例えば、マザーボード又は他の高レベル・キャリアに付けられるリードを有するプラスチック・キャリアなど）又はマルチチップ・パッケージ（例えば、表面相互接続又は埋込み相互接続のいずれか又は両方を有するセラミック・キャリアなど）内に取付けられる。いずれの場合にも、チップは次に、（ａ）マザーボードなどの中間製品又は（ｂ）最終製品の一部分として、他のチップ、別個の回路要素、及び／又は他の信号処理デバイスと集積化される。最終製品は、玩具又は他の低価格用途から、ディスプレイ、キーボード又は他の入力デバイス、及び中央処理装置を有する高性能のコンピュータ製品にまでわたる、集積回路チップを含む任意の製品とすることができる。
【００１５】
ハフニウム及びジルコニウム・ベースの酸化物及びシリケートなどの高誘電率（高ｋ）材料は、漏れ電流を顕著に（例えば１００×）減少させ、例えばＳｉＯ２よりも厚い厚さで用いることができる。しかし、ポリシリコンゲートにおいてＳｉＯ２を高ｋ材料で置換することは、２つの主要な問題をもたらす。ゲート誘電体／ポリシリコンゲート電極界面において形成される欠陥のため、トランジスタがスイッチングする電圧（閾値電圧Ｖｔ）は高くなり過ぎる。第２に、デバイスチャネル内の電子移動度は、表面フォノン散乱により激しく低下する。これらの問題は両方とも、トランジスタのスイッチング速度に影響を与える。適切な仕事関数を有する金属ゲートを使用することにより、適正な閾値電圧（Ｖｔ）をもたらすことができ、チャネル移動度の低下を著しく抑制することができる。高ｋゲート誘電体と金属ゲートとの組合せにより、トランジスタの性能を顕著に向上させることができ、〜５０ｎｍを下回るスケーリングが可能になる。
【００１６】
従来のＣＭＯＳ処理における金属ゲートデバイスの製造には、高温ドーパント活性化が用いられる。高い仕事関数を有するほとんどの金属は、それらの温度において安定である。しかし、高ｋ誘電体と仕事関数金属との間の界面は、高温処理に敏感であり、界面特性の顕著な変化が生じる。これは、Ｖｔの変動として現れ、デバイスの信頼性を低下させる。従って、金属ゲートスタック内で用いられる材料が、デバイスの集積における行程を決定することになる。
【００１７】
高温処理に耐えるスタック材料を用いた金属ゲート構造体は、従来のＣＭＯＳ処理に適合し得るゲート・ファースト製造手法で集積することができる。高温処理に耐えられないスタック材料を用いた金属ゲート構造体はいずれも、高温接合活性化を含む全てのフロントエンド処理ステップの後に構築する必要がある。この集積方法は、犠牲ポリシリコンゲートを作成することと、これらの犠牲ゲートを金属ゲートで置換することとを伴う（それゆえ、置換金属ゲートという名称である）。
【００１８】
次に、同様の数字が同じ又は類似の要素を表す図面を参照し、最初に図１−図６を参照すると、ゲート・ラスト又はダマシン金属ゲート・フローのための幾つかの化学機械研磨（ＣＭＰ）ステップを含むプロセスフローが、本発明の原理による高ｋ金属ゲート構造体の製造のために例証的に示されている。以下の説明は、シリコン基板上の酸化物、窒化物及びポリシリコンを用いたプロセスフローを例証的に説明する。しかし、他の材料を使用することができることを理解されたい。
【００１９】
図１において、デバイス１０は、基板１２上に形成されたゲート酸化物層１４を含む。基板１２は、バルクシリコン材料、他のバルク材料を含むことができ、又は絶縁体上半導体（ＳＯＩ）構造体を含むことができる。他の材料又は構造を使用することができる。ポリシリコン層１６が酸化物１４の上に形成され、次いで窒化物層１８が形成される。層（酸化物１４、ポリシリコン１６及び窒化物１８）のスタックをパターン付けして、ゲートスタックを形成する。特に有用な実施形態において、層１４は、二酸化シリコン、又は他の高ｋ誘電体材料、例えば、ハフニウムなどのような金属の酸化物及びシリケートなどを含むことができる。
【００２０】
図２において、ゲートスタックの側壁上にスペーサ２０が形成される。スペーサは、ＳｉＮの急熱化学気相堆積（ＲＴＣＶＤ）又は同等のプロセスによって形成することができる。これに続いて、スペーサのエッチバックにより、スペーサ２０を完成させることができる。シリサイドプロセスを用いて、シリサイド化された接合部２２が形成される。
【００２１】
高ｋ金属ゲートデバイスのための平坦化プロセスをここで説明する。図３において、酸化物層２４が、ゲート構造体及び隣接するシリサイド化領域２２の上に形成される。図４において、過剰な酸化物オーバーバーデンが除去されて、表面２６が形成される。一実施形態において、研磨の後、およそ３００−６００Åの酸化物が窒化物１８の上に残る。この平坦化ステップのために、例えば４：１の酸化物対窒化物の選択性を有する酸化物研磨スラリ又はセリア／界面活性剤ベースのスラリを用いることができる。
【００２２】
図５において、およそ１：１の酸化物対窒化物研磨速度選択性を有するスラリを用いて、別の平坦化が行われる。これにより、構造体の種々の部分において酸化物及び窒化物に対する等しい研磨速度が達成され、これら２つの材料、例えば酸化物２４並びに窒化物１８及び２０の研磨速度の差異によるディッシング及び浸食が回避される。このステップの後、約１００乃至２００Åの窒化物１８が残り、表面２８が形成される。酸化物２４は、好ましくは完全にゲート構造体の上から除去され、窒化物１８及び２０がこのステップ後のチップ内のあらゆる場所で露出される。窒化物１８及び２０の上に酸化物２４が確実に存在しないようにするために、例えば希釈ＨＦを用いた、付加的な湿式エッチングを使用することができる。
【００２３】
図６において、次のステップは、窒化物１８を研磨してポリシリコン１６を露出させることである。これは、窒化物１８、２０に対して高い選択性を有し、酸化物２４及びポリシリコン１６に対して低い研磨速度を有するスラリによって達成される。このプロセスの１つの利点は、高度に平坦な研磨後トポグラフィ（表面３０）を達成するために、異なる選択性のスラリを用いる自由度を提供することである。このプロセスは、高度に平坦な研磨後トポグラフィを達成するように変化させることができる酸化物２４、窒化物１８、２０及びポリシリコン１６層に対する異なる研磨速度を与えることができるスラリを用いる。その後のステップにおいて、ポリシリコン１６は全体又は一部が除去され（犠牲ポリシリコンゲート）、ポリシリコンが除去されたところが金属で置き換えられる。金属は、金属ゲート構造体を形成する（それゆえ、置換メタルゲートという名称である）。銅、アルミニウム、銀、金などの金属を、ポリシリコン１６に位置に形成することができる。これは、金属ゲート導電体を有するゲート誘電体１４層（例えば、ＳｉＯ２又は高ｋ誘電体）をもたらす（高ｋ金属ゲート構造体に適合する構造体を形成する）。
【００２４】
高ｋ金属ゲート用途のための３ステップＣＭＰプロセスのためのスラリ組成物は、以下のものを含むことができる。図４を達成するために用いられるＣＭＰに関して、大部分の酸化物オーバーバーデンを除去すると同時に大きな初期トポグラフィが減らされ、半導体デバイス（ダイ）のあらゆる場所におよそ３００Åの平坦な酸化物層２４が残される。研磨の初期段階中には、高い酸化物除去速度が所望され、窒化物表面は事実上露出しないので、スラリの選択性は因子にはならない。これは、例えば、およそ４：１の酸化物対窒化物の選択性の酸化物研磨スラリによって達成することができる。この酸化物スラリは、水酸化カリウム又は水酸化アンモニウムのようなアルカリ性化合物と、ヒュームド・シリカ及びコロイド状シリカから選択されるシリカ研磨剤とを含むことができる。しかし、平坦性を向上させ、種々のパターン密度にわたって一様な酸化物厚を達成するためには、酸化物スラリに添加剤を配合する必要がある場合がある。所望の平坦性及び均一性を達成するために、セリア／界面活性剤系をこのステップにおいて用いることもできる。
【００２５】
図５及び／又は図６を達成するためのＣＭＰに関して、残りの〜３００Åの酸化物層２４が除去されて下層表面（窒化物１８、２０）が露出し、研磨のひっかき傷、くぼみ及びその他の汚点などの欠陥がない高度に平坦な最終表面２８が達成される。高い平坦性を達成するためには、酸化物２４、窒化物１８、２０及びポリシリコン１６で覆われた表面に対してほぼ同じ研磨速度を有することが必要である。酸化物、窒化物及びポリシリコンの研磨速度は非常に高くすべきではないが、その理由は、研磨速度を非常に高くすると必然的に可制御性が低下するからである。従って、それら３つの材料に対して３００乃至６００Å／分の範囲の研磨速度を有するスラリを有することが非常に望ましいことになる。これは、良好な可制御性を伴う適切な研磨時間を提供し、研磨するのが難しい構造体を平坦化するための過剰研磨マージンの余裕を見込むことになる。
【００２６】
種々異なる材料の研磨速度は、実際の回路レイアウト内の線幅、パターン密度及び構造部サイズによって変化する。パターン付き構造体における種々異なる材料の局所的な研磨速度は、ブランケット・ウェハにおける同じ材料の研磨速度の非常に複雑な関数である。従って、パターン付きウェハを研磨して平坦度を経験的に計測することによってスラリ選択性を最適化して、確実に所望の目標が達成されるようにすることが必要である。ダイのレイアウトは技術ノード間で異なり、さらには同じ技術ノードの異なる製品間でも異なるので、スラリ内の成分の濃度を変えることにより研磨速度選択性を変更することができることが非常に望ましい。従って、スラリ系が広範囲の製品及び技術ノードにわたって使用可能となるように、研磨速度選択性は、ある範囲内で「調整可能」とすべきである。研磨速度選択性を調整する能力は、本発明の方法を用いて高度に平坦な最終表面を達成する際の図５及び図６に関する研磨ステップにおける因子である。
【００２７】
本実施形態によるスラリは、以下の成分、即ち、ａ）研磨剤、ｂ）ｐＨ調整剤、c）有機酸を含むことができる。ａ）研磨剤：研磨剤は、無機及び／又は有機材料から選択される少なくとも１つの種類の研磨粒子とすることができる。無機研磨粒子の例としては、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリアなどが挙げられる。シリカの例としては、ヒュームド・シリカ、ゾル・ゲル法で合成されたシリカ、及びコロイド状シリカを挙げることができる。ヒュームド・シリカは、気相中で四塩化ケイ素を酸素及び水と反応させることにより得ることができる。ゾル・ゲル法で合成されるシリカは、アルコキシケイ素化合物の加水分解及び／又は縮合によって得ることができる。コロイド状シリカは、溶液相内での精製ケイ素化合物の加水分解によって得ることができる。有機粒子の例としては、ポリ塩化ビニル、スチレン（コ）ポリマー、ポリアセタール、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、オレフィン（コ）ポリマー、フェノキシ樹脂、及びアクリル（コ）ポリマーを挙げることができる。オレフィン（コ）ポリマーの例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−１−ブテン、及びポリ−４−メチル−１−ペンテンが挙げられる。アクリル（コ）ポリマーの例としては、ポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。研磨剤の平均粒径は、５乃至５００ｎｍ、より好ましくは２０乃至１５０ｎｍの範囲とすることができる。適切な研磨速度は、この範囲内の平均粒径を有する研磨粒子を用いて達成することができる。コロイド状シリカは、例えば３５ｎｍの一次粒径を有する市販品を（例えば、日本の扶桑化学工業株式会社から）入手することができる。このコロイド状シリカ研磨剤は、市販のシリカ研磨剤の一例であり、本明細書で言及する実施例において、その容量で用いられる。
【００２８】
ｂ）ｐＨ調整剤：本実施形態によるスラリのｐＨは、１乃至１１、好ましくは２乃至６の範囲である。適切な研磨速度は、スラリのｐＨをこの範囲内に調整することによって達成することができる。ｐＨ調整剤の例としては、有機塩基、無機塩基、及び無機酸を挙げることができる。有機塩基の例としては、水酸化テトラメチルアンモニウム、トリエチルアミンなどが挙げられる。無機塩基の例としては、水酸化アンモニウム、水酸化カリウム、及び水酸化ナトリウムを挙げることができる。無機酸の例としては、硝酸、硫酸、リン酸、及び塩酸を挙げることができる。
【００２９】
ｃ）有機酸：有機酸は、窒化物研磨の促進剤として用いられる。一塩基酸（例えば、モノカルボン酸）、二塩基酸（例えば、ジカルボン酸）、多塩基酸（例えば、ポリカルボン酸）、及び置換基（ヒドロキシル、アミン）を有するカルボン酸などの、種々の有機酸を用いることができる。そのような有機酸の例として、飽和酸、不飽和酸、芳香族散、脂肪酸を挙げることができる。飽和酸の例としては、ギ酸、酢酸、酪酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、及びアジピン酸を挙げることができる。ヒドロキシル基を含有する酸の例としては、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、及びクエン酸を挙げることができる。不飽和酸の例としては、マレイン酸及びフマル酸が挙げられる。芳香族酸の例としては、安息香酸及びフタル酸を挙げることができる。高い窒化物研磨速度を得るためには、２つ又はそれ以上のカルボン酸基を有する有機酸を用いることが好ましい。これらの有機酸のカリウム塩又はアンモニウム塩を用いることもできる。
【００３０】
他の成分：酸化物対窒化物（対ポリシリコン）の選択性を調整するために、他の成分のスラリへの添加を施すことができる。これらの実施形態によるスラリは、必要であれば界面活性剤を含むことができる。界面活性剤の例としては、陰イオン性、非イオン性、及び陽イオン性の界面活性剤を挙げることができる。陰イオン界面活性剤の例としては、カルボキシル基（−ＣＯＯＸ）、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｘ）、及びリン酸基（−ＨＰＯ４Ｘ）（ここで、Ｘは、水素、アンモニウム又は金属を表す）から選択された少なくとも１つの官能基を含有する界面活性剤を挙げることができる。陰イオン界面活性剤の例としては、脂肪族及び芳香族の硫酸塩及びスルホン酸塩、並びにリン酸塩を挙げることができる。例えば、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸アンモニウム、アルキルナフタレンスルホン酸ナトリウム、スルホコハク酸アルキルエステル、アルケニルコハク酸カリウムなどのような化合物を用いることができる。オレイン酸カリウムのような飽和脂肪酸塩を使用することができる。これらの陰イオン界面活性剤は、独立して用いることもでき、又は他の界面活性剤と組み合せて用いることもできる。非イオン性界面活性剤の例としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、エチレンオキシド−プロピレンオキシドブロック共重合体、アセチレングリコール、アセチレングリコールのエチレンオキシド付加生成物、アセチレンアルコールなどが挙げられる。例えば、ポリビニルアルコール、シクロデキストリン、ポリビニルメチルエーテル、又はヒドロキシエチルセルロースなどの非イオン性ポリマーを用いることもできることに留意されたい。陽イオン界面活性剤の例としては、脂肪族アミン塩及び脂肪族アンモニウム塩を挙げることができる。さらに、ポリ（アクリル酸）、及びそれらのナトリウム塩、カリウム塩及びアンモニウム塩などの塩のような高分子電解質を研磨中に添加して、選択性を制御することができる。本実施形態は、実施例として以下でさらに説明するスラリの成分の機能を含むことができる。本発明は、以下の実施例に限定されるものではないことに留意されたい
【実施例】
【００３１】
実施例１：図５を達成するのに適したスラリは、０．５乃至３０重量％の範囲、好ましくは５乃至１０重量％の範囲のシリカ研磨剤、０．５乃至５０ｇ／Ｌの範囲、好ましくは３乃至２５ｇ／Ｌの範囲の有機酸、０．０１乃至５ｇ／Ｌの範囲、好ましくは０．１乃至２．０ｇ／Ｌの範囲の酸性ｐＨ調整剤、０乃至５ｇ／Ｌの範囲、好ましくは０乃至２ｇ／Ｌの範囲のアルカリ性ｐＨ調整剤、１乃至１１の範囲、好ましくは２乃至６の範囲のスラリのｐＨを含む。
【００３２】
実施例２：実施例１の配合の一例は、５Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨剤、５ｇ／Ｌのクエン酸、０．２５乃至０．３５ｇ／Ｌのリン酸、０．１乃至０．５ｇ／Ｌの水酸化アンモニウム、２−５の範囲のｐＨ、好ましくは〜４のｐＨを含む。
【００３３】
実施例３：実施例１の配合の別の例は、１０Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨剤、１０ｇ／Ｌのクエン酸、１乃至２ｇ／Ｌのリン酸、０．１乃至２．０ｇ／Ｌの水酸化アンモニウム、２−５の範囲のｐＨを含む。
【００３４】
別の実施形態において、スラリは、２つの部分、即ち、部分１−シリカ研磨剤スラリ、有機酸及び酸性ｐＨ調整剤と、部分２−アルカリ性ｐＨ調整剤及び酸性ｐＨ調整剤とを含む。スラリを二成分として研磨台上に供給し、研磨台上で混合させて所望の最終組成を有するスラリが作成されるようにすることができる。同じ又は異なるスラリ流量を用いることによってスラリ組成を研磨中に変更して、異なる研磨段階における酸化物及び窒化物に対する所望の研磨速度を得ることができる。別の実施例において、当初は、部分１及び部分２を用い、特定の時間後に部分２のスイッチを切って当初の配合とは異なる酸化物対窒化物選択性を有するスラリを作り出す。同様の効果は、一方の成分の流量を一定に保ち、研磨が進展するにつれて他方の成分の流量を変化させることによって達成することができる。
【００３５】
別の実施形態において、スラリは、２つの部分、即ち、部分１−シリカ研磨剤スラリ、有機酸及び酸ｐＨ調整剤と、部分２−シリカ研磨剤スラリ、アルカリ性ｐＨ調整剤及び酸性ｐＨ調整剤とを含む。スラリを二成分として台上に供給し、研磨台上で混合させて所望の最終組成を有するスラリが作成されるようにすることができる。同じ又は異なるスラリ流量を用いることによって、スラリの組成を研磨中に変更して、異なる研磨段階における酸化物及び窒化物に対する所望の研磨速度を得ることができる。当初は、部分１を用い、特定の時間後に部分１のスイッチを切って部分２のスイッチを入れて、当初の配合とは異なる酸化物対窒化物の選択性を有するスラリを作り出す。
【００３６】
図６を達成するのに適したスラリは、高い窒化物対酸化物の選択性を有し、顕著な酸化物及びポリシリコンの研磨速度を有さないものであるべきである。
【００３７】
実施例４：図６を達成するためのスラリは、５Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨剤、５ｇ／Ｌのクエン酸、０．２５乃至０．３５ｇ／Ｌのリン酸、２−３の範囲のｐＨを含む。
【００３８】
実施例５：実施例４の配合の例は、５乃至１０Ｗ％のコロイド状シリカ研磨剤、０．１乃至１０ｇ／Ｌの無機酸、２乃至６の範囲のｐＨを含む。好ましい無機酸は、リン酸である。
【００３９】
図７を参照すると、ブロック／フロー図は、置換高ｋ金属ゲート構造体を形成するための研磨の方法を示す。１つの実施形態において、酸化物層を平坦化し、下層の窒化物及びポリシリコン被覆領域を露出させるために、３つの研磨ステップが使用される。ブロック１０２において、ゲートスタックが設けられる。ゲートスタックは、金属ゲート導電体に有利に置換されることになる材料を含むことが好ましい。ブロック１０４において、オーバーバーデンを除去して、例えば３００乃至６００Åの厚さを残しておくように最上層（例えば酸化物層）を平坦化するための、第１のステップの化学機械研磨（ステップ１）が行われる。この研磨は、シリカ研磨剤を含む酸化物スラリ又はセリア研磨剤及び界面活性剤を含むスラリによって行うことができる。
【００４０】
ブロック１０６において、第２の化学機械研磨（ステップ２）は、約１：１：１から約２：１：１までの酸化物：窒化物：ポリシリコンの選択性により、最上層（酸化物）の残った部分を除去して下層（窒化物、又は存在する場合にはポリシリコン）表面を露出させ、高度に平坦なトポグラフィを達成する。１つの実施形態において、下層は、ゲートスタック上に形成された誘電体層（窒化物）である。ステップ２の研磨のためのスラリは、水溶液中に分散された０．５乃至３０Ｗ％のシリカ研磨剤、０．０１乃至３０ｇ／Ｌの範囲の有機酸、０．０１乃至１０ｇ／Ｌの範囲の酸性ｐＨ調整剤、０乃至１５ｇ／Ｌの範囲のアルカリ性ｐＨ調整剤を含む。ステップ２のためのスラリのｐＨ範囲は、１乃至１１である。
【００４１】
ステップ２のためのスラリの好ましい組成物は、５Ｗ％の水中分散コロイド状シリカ研磨剤、０．５乃至５０ｇ／Ｌの、２つ又はそれ以上のカルボン酸基を有する有機酸、０．２５乃至０．３５ｇ／Ｌの無機酸、０．１乃至１．０ｇ／Ｌの無機塩基、２−５の範囲のｐＨを含み、好ましいｐＨは約４である。
【００４２】
一実施形態において、スラリは、ブロック１０８において、以下の組成の二部式スラリ、即ち、部分１−０．５乃至３０％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤と、部分２−０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤として用いることができる。スラリを二成分として研磨台上に供給し、研磨台上で混合させて所望の最終組成を有するスラリが作成されるようにすることができる。同じ又は異なるスラリ流量を用いることによって、スラリ組成を研磨中に変更して、異なる研磨段階における酸化物及び窒化物に対する所望の研磨速度を得ることができる。
【００４３】
別の実施形態において、スラリは、以下の組成を有する二部式スラリ、即ち、部分１−０．５乃至３０％のシリカ研磨剤スラリ、０．５乃至５０ｇ／Ｌの有機酸、及び０．０１乃至５ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤と、部分２−０．５乃至３０％のシリカ研磨剤スラリ、０．０１乃至５ｇ／Ｌのアルカリ性ｐＨ調整剤、及び０．０１乃至５０ｇ／Ｌの酸性ｐＨ調整剤として用いることができる。スラリを二成分として研磨台上に供給し、研磨台上で混合させて所望の最終組成を有するスラリが作成されるようにすることができる。同じ又は異なるスラリ流量を用いることによって、スラリ組成を研磨中に変更して、異なる研磨段階における酸化物及び窒化物に対する所望の研磨速度を得ることができる。その後、ブロック１１０において、構造体（窒化物表面）の全ての場所に確実に完全に酸化物が存在しないようにするために、希釈ＨＦ湿式エッチングを用いることができる。
【００４４】
ブロック１１２において、第３の化学機械研磨が、（ゲートの）窒化物層を除去して、ゲート導電体（ゲートスタックのポリシリコン層）を露出する。ステップ３のためのスラリは、窒化物に対して高い研磨速度を提供し、酸化物及びポリシリコンに対して低い研磨速度を提供することが可能である。このようなスラリの組成は、５乃至１０Ｗ％のコロイド状シリカ研磨剤、０．１乃至１０ｇ／Ｌの無機酸、２乃至６の範囲のｐＨを含む。ブロック１１３において、二部式スラリを使用することができる（ブロック１０８参照）。
【００４５】
ブロック１１４において、ゲート導電体（犠牲ポリシリコン）が金属層で置換される。ブロック１１６において、処理を続けてデバイスを完成させる。
【００４６】
置換金属ゲートデバイス（これは例証のためであり、限定を意図したものではない）の製造のためのシステム及び方法の好ましい実施形態を説明したが、当業者であれば上記の教示に鑑みて修正及び変更を施すことができることに留意されたい。従って、開示した特定の実施形態において、添付の特許請求で概説される本発明の範囲内の変更を行うことができることを理解されたい。このように、特許法によって要求される細部及び詳細性をもって本発明の態様を説明したが、特許請求され、特許によって保護されることが所望される事項は、添付の特許請求の範囲において述べられる。
【符号の説明】
【００４７】
１０：デバイス
１２：基板
１４：ゲート酸化物層
１６：ポリシリコン層
１８：窒化物層
２０：スペーサ（窒化物）
２２：シリサイド化接合部
２４：酸化物層
２６、２８、３０：表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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