CN101584028A - 制造半导体器件的方法、由此获得的半导体器件和适合该方法中使用的浆料 - Google Patents

制造半导体器件的方法、由此获得的半导体器件和适合该方法中使用的浆料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制造具有衬底(11)和半导体本体(2)的半导体器件(10)的方法，所述半导体器件配置有至少一个半导体元件，并且所述半导体器件的表面由通过化学机械抛光工艺形成图案的铝层(3)覆盖，其中半导体器件(10)覆盖有铝层的一侧(3)压在抛光垫(5)上，并且半导体器件(10)和抛光垫(5)相对运动，将pH值小于12的包含研磨剂的浆料(6)设置在抛光垫(5)和半导体器件(10)之间，并且继续抛光工艺直至已经去除足够数量的铝层(3)。根据本发明，在器件(10)和抛光垫(5)之间的浆料(6)具有小于5的pH值，这通过只使用其铝盐能够很好地溶解在浆料(6)中的酸来获得。通过这种方法，可以以可重复的方式获得器件(10)，所述器件(10)具有包括反射的和没有缺陷的铝图案(3)。采用包括乳酸的浆料(6)，已经获得好的结果。

Description

制造半导体器件的方法、由此获得的半导体器件和适合该方法中使用的浆料
技术领域
本发明涉及具有衬底和半导体本体的半导体器件的制造方法，所述半导体器件配置有至少一个半导体元件，并且所述半导体器件的表面由通过化学机械抛光工艺形成图案的铝层覆盖，其中半导体器件以覆盖有铝层的一侧压在抛光布上，并且半导体器件和抛光布相对运动，将pH值小于12的包含研磨剂的浆料设置在抛光布(所谓的抛光垫)和半导体器件之间，并且继续抛光工艺直至已经去除足够数量的铝层。
这种方法尤其适用于制造集成电路(IC)。
背景技术
当使用32nm技术时，大约10％的串联电阻是由于接触面处CVD(化学气相沉积)沉积的钨所导致。这是由于高电阻率的钨所导致的。当使用22nm技术时，可以通过使用例如铜或铝这样的材料得到大于20％的串联电阻的降低。在几个技术中，在接触面处使用铜代替钨的尝试仅获得部分成功，这是因为必须通过PVD(物理气相沉积)沉积的铜成核层以及通过ECD(电化学沉积)沉积的铜层为接触设置高的宽高比。这是由于不能获得CVD沉积层而导致的。因此，结合这些技术，CVD TiN阻挡层和CVD铝层的组合构成具有吸引力的的替代技术，这也是由于低的接触电阻。铝图案也能够作为引线图案。使用CMP(化学机械平整或化学机械抛光)工艺形成铝层图案尤其适用于这种情形，该工艺已经应用在金属镶嵌(damascene)技术中。
美国专利US6,720,265公开了这种方法，其描述了如何通过CMP在IC的接触面平整铝层。将器件以其铝层固定在抛光垫上，同时在铝层和抛光垫之间的界面处加入浆料，该浆料包括SiO2颗粒形式的研磨剂，优选地，由表面活性物质、络合物质和氧化剂组成，并且该溶液具有小于大约12的pH值。抛光垫和器件相对于非同心旋转轴旋转。可以调节器件压在抛光垫上的力，并且此处通过器件的夹具边缘中的开口施加浆料，并且这些开口互相同心分组。
己知方法的一个缺点是在CMP工艺后不总是产生反射的铝表面。将出现铝层的损坏，这导致(表面)缺陷和/或腐蚀。已知方法的另一缺陷是CMP工艺中去除铝层的速度通常不能一直很好地重复。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，所述方法不具有上述缺点或至少程度较轻，这产生具有通过CMP形成图案的铝接触层的IC，该铝层是反射的、无缺陷的，并且具有可重复的去除速度。
为此目的，起始段落中提及的本发明的这种方法的特征在于，所述浆料具有小于5的pH值，并且通过排他性地使用其铝盐很好地溶解在浆料中的酸来获得pH值。令人意外地，一方面表明了，通过方法的这种组合，CMP处理的铝接触层的表面非常好地反射，并且不具有缺陷，也特别好地重复CMP期间去除铝层的速度。此处一个重要的理解是在CMP工艺期间，形成了不可溶或者几乎不可溶的铝盐，CMP工艺使用了用于铝的CMP工艺的常见的酸(obvious acid)以便设置pH值。一方面，这些不可溶产物的存在导致损坏铝层的表面，另一方面，这些产物在抛光垫的(毛状)表面积累。这导致抛光垫的效能相当快地减小，并且降低了CMP工艺期间铝层的去除速度。确实，CMP工艺期间浆料的温度的上升能够对此有所改善，但是这种温度的上升是CMP工艺所不希望的。抛光垫表面的(粗略)清洁也被认为能够获得所述的改善，但是这导致所述方法变得费时，并且由于抛光垫的使用增加而变得昂贵。
在一个优选的实施例中，浆料的pH值设定在2和4之间。将这种浆料用于平整IC已经获得了好的效果。优选地，浆料的pH值设定在2和3之间。可重复性特别地从这种pH值的选择中获益。
优选地，设定pH值的酸是乳酸。在本发明的方法中使用的(含水)浆料中的铝盐的溶解性是非常好的，与平整的铝表面质量和铝的去除速度的可重复性有关的实验结果相应地也是非常好的。
在一个有利的实施例中，没有氧化剂加入浆料中，至少没有特意加入。意外地，已经发现：通过使用本发明的方法，在不将氧化剂加入浆料的情况下，上述有利的结果是可能的。这意味着，并非必须将这种氧化剂加入浆料中，至少不必特意加入。这导致本发明的方法相对廉价，并且(使用的)浆料对环境几乎没有影响。不是特意意味着，例如，浆料中可能存在诸如氧气之类的氧化剂，这是因为当将料暴露在空气中时，依赖于浆料的温度和运动，通常存在溶解在浆料中的一定数量的氧气。
另一引起关注的实施例的特征在于：通过向具有大约为10的pH值、并且适用于氧化硅的化学机械抛光的浆料提供一定数量的酸，使得获得需要的pH值，而形成浆料。部分是因为在本发明的方法中不必特意加入氧化剂，能够应用适用于氧化硅的CMP的浆料(如上所述，不包括氧化剂)以获得益处。通过加入(乳)酸滴定过量的碱性溶液，合成盐(也易于溶解在浆料中)对环境具有相对小的影响。对于用于氧化硅的CMP和用于铝的CMP，能够使用一个和相同的初始溶液，提高了IC生产效率。
实验已经示出了当在本发明的一个方法中使用适用于氧化硅的CMP的浆料的非新鲜溶液时，获得的最好的结果。优选地，将适用于氧化硅的化学机械抛光浆料(pH值大约为10)的pH值减少到大约为9，在等待期间之后，pH值进一步减少。能够通过乳酸和将二氧化碳吹过浆料将pH值减少至9。在这些情况下，大约24小时的后续等待期间是合适的。然后，在由此获得的浆料已经制备好后，能够进一步减少浆料的pH值，例如，将pH值减小到大约为2。最终获得的浆料的有效寿命是大约一个星期。在这段时间之后，由于发生浆料的凝胶作用，浆料的使用寿命降低。
能够以各种方法将浆料插入半导体器件和抛光垫之间的相关位置。这能够通过己知方法，也能够通过将浆料滴在抛光垫上距离半导体器件较远的单个点处。然后，器件和抛光垫的相互运动将浆料运送到需要的位置。抛光工艺可伴随着器件或抛光垫或(优选地)两者的运动。例如，器件和抛光垫能够围绕轴旋转，此工艺期间，旋转轴不重合。也能够应用其中之一的所谓的轨道旋转以获得益处。
在一个重要的实施例中，光学地检测化学机械抛光工艺的终点。一方面，这是一种非常可靠的检测方式，另一方面，能够克服本发明的方法的“不利之处”，即，在铝层和包括(二)氧化硅的层的CMP的情况，不具有或具有相对小的选择性。而且，小的选择性的“不利之处”实际上是一种益处，当使用本发明的方法时，由于半导体器件的表面实际上包括铝层和二氧化硅层，半导体器件的表面不会或几乎不会形成轮廓。
本发明也包括通过使用本发明的方法获得的半导体器件。本发明还包括适用于本发明的方法的化学机械抛光浆料，浆料的特征是包含研磨剂，具有小于5的pH值，并且排他性地包含其铝盐易于溶解在浆料中的酸。当制备这种浆料时，能够有利地利用适合于(二)氧化硅层的CMP工艺的起始浆料。制备工艺期间的等待期间是获得需要的结果所必须的。
附图说明
下面参考实施例，阐明本发明的这些和其它方面。图中：
图1和2示出了在使用本发明的方法的制造工艺的连续阶段中，半导体器件垂直于厚度方向的示意性截面图；
图3示出了根据在本发明的方法中和在已知的方法中，去除铝层的速度作为器件数量的函数；
图4示出了在根据本发明的方法中，对于使用的浆料的不同pH值，去除铝层的速度与器件数量的函数；
图5示出了适用于在本发明的方法中使用的浆料的pH值作为加入的酸的数量的函数。
具体实施方式
附图并非等比例绘制，为了清楚放大了一些尺寸。相应的区域或部分已经给出相同的阴影线，并且尽可能使用相同的参考数字。
图1和2是使用本发明的方法制造工艺的连续阶段中，半导体器件垂直于厚度方向的示意性的截面图。在这种情况下，器件10包括(如图1所示)衬底11，所述衬底11是硅本体2的一部分，其中，在这种情况下，已经以IC的形式产生了大量的半导体元件。在半导体本体2的表面上，在这种情况下，例如，通过CVD施加绝缘层4，并且该层通过光刻和刻蚀形成图案。例如，通过蒸发或CVD在该层上叠加铝层3；在该实例中，设置有开口的层3的表面和二氧化硅层4的表面的侧面形成图形。
将器件10容纳在夹具中(图中未示出)，并且抛光垫5相对器件10放置。与附图不同，在该实例中，将具有器件10的夹具设置在抛光垫5上，而且进一步部分地侧向延伸到器件10外。在抛光垫5上以滴的形式设置浆料6。当器件10和抛光垫5的旋转运动不重合时，将浆料6传送到器件10和抛光垫5之间。因此，器件10位于诸如来自Applied Materials的MIRRA或REFLEXION之类的化学机械抛光机器中。能够调节施加在抛光垫5和器件10上施加的力。
在该实例中，浆料6是基于适用于包括(二)氧化硅层的化学机械抛光的浆料。这种浆料包含研磨剂(例如，以加工的二氧化硅颗粒形式)，并且具有为10至11的pH值，这是由于加入了诸如KOH之类的碱。对于这种浆料，能够使用来自Syton的浆料或来自Cabot的(IC等级)的浆料，例如，SS12/SSW12，如果需要，以软水(demi water)稀释。通过将乳酸加入这种浆料或将二氧化碳通过这种浆料，浆料的pH值减少到大约为9的值。接着，将浆料6存储大约24小时。然后，将乳酸(hydroxypropion acid＝CH3C(OH)CO2H)(再次)加入浆料6直至其达到小于5的pH值。在该实例中，将pH值设定为大约2.5。然后，将因此获得的浆料6(能够保持大约一个星期)插入器件10和抛光垫5之间，如上所述。
然后，(如图2所示)在去除部分铝层3期间，执行化学机械抛光工艺。继续该工艺直至绝缘图案4的顶部没有铝；光检测方式是一种确定该情况的良好方法。在这种方式中，金属镶嵌工艺在二氧化硅图案内形成铝3图案，铝3的表面是反射的，没有缺陷，并且和二氧化硅4的上表面共平面。
图3示出了本发明的方法与例如使用已经使用磷酸酸化的浆料的方法相比，各自的有效性和可重复性。
图3示出了在本发明的方法和现有技术方法中，铝层的去除速度(r)作为处理的器件的数量(N)的函数。应指出数量N表示实际上处理的半导体单片的数量。每个半导体单片包括大量的诸如ICs之类的半导体器件，而且，每个半导体器件包括大量的诸如晶体管之类的半导体元件。通常同时处理单片内的IC。曲线30示出了上述的本发明的方法的结果。曲线31和32示出了其中使用以下方法的结果：在这种方法中，浆料通过磷酸酸化，然后将浆料分别应用到其中抛光垫5已经被刷过和没有被刷过的实验中。当比较这些结果时，这将变得清楚，即根据本发明的方法不仅导致高的铝去除速度，而且去除速度也具有良好的可重复性。这与使用磷酸的方法形成对比，在使用磷酸的方法中，铝去除的速度更慢，并且重复性更差。对铝层的表面的检查表明，与已知的方法相比，根据本发明的方法处理的铝表面是反射性的，并且没有缺陷。类似地，对于单片数N从15变到20，也可以得到很好的结果。
可以如下示出根据本发明的方法中浆料的pH值的影响。
图4示出了对于使用的浆料的不同pH值，根据本发明的方法中铝层的去除速度作为处理的器件数(N)的函数。曲线41、42和43分别示出了采用第一抛光垫5A，对于pH值为4.5、3.5和2.5的结果。曲线44和45分别示出了使用第二抛光垫5B，对于浆料的pH值为2.4和1.9的结果。这些结果表明，在较低的pH值具有最好可重复性，如曲线43、44和45所示，它们具有范围在2到3的pH值。
最后，图5示出了适合用于根据本发明的方法中的浆料的pH值作为添加的酸的数量的函数。起始的材料是碱性的浆料，例如来自Syton或Cabot的浆料，它们适合于氧化硅层的CMP，并且通过乳酸为它们提供低的pH值。曲线50示出了这种浆料的pH值作为添加的乳酸的摩尔数(n)的函数。如曲线50所示，pH值的变化在从2到5的范围具有平坦的分布。这意味着，在这个范围可以相当精确的设定pH值。
在权利要求中的参考数字并不限制权利要求的保护范围。本发明并不限于给出的例子，对于本领域的技术人员，在本发明的范围内，存在多种变型和修正的可能。例如，本发明不仅可以应用在IC中，也可以应用在分立半导体器件中。
对于根据本发明的方法，多种变型都是可能的。例如，可以使用其它的沉积技术，并且也可以选择实例中以外的材料。而且，铝层不必包括完全纯的铝，也可以加入其它元素以提高电学特性。
还应注意到，也可以通过在水中进行稀释来获得合适的浆料和方法。当然，铝的去除速度将会有些降低，但是浆料的成本可以显著地降低。
最后，应当注意到，也可以使用乳酸溶液清洁抛光垫，当抛光垫未在使用时，比如在CMP设备中运输半导体单片时，可以进行这个操作。

Claims (11)

1、一种制造具有衬底(11)和半导体本体(2)的半导体器件(10)的方法，所述半导体器件配置有至少一个半导体元件，并且所述半导体器件的表面由通过化学机械抛光工艺形成图案的铝层(3)覆盖，其中半导体器件(10)以覆盖有铝层的一侧(3)压在抛光垫(5)上，并且半导体器件(10)和抛光垫(5)相对运动，将pH值小于12的包含研磨剂的浆料(6)设置在抛光垫(5)和半导体器件(10)之间，并且继续抛光工艺直至已经去除足够数量的铝层(3)，其特征在于，浆料(6)具有小于5的pH值，这通过只使用其铝盐能够容易地溶解在浆料(6)中的酸来获得。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，浆料(6)的pH值设定在2至4之间。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浆料(6)的pH值设定在2至3之间。
4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，用于设定浆料(6)的pH值的酸是乳酸。
5、根据前述任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，浆料(6)中没有加入氧化剂，至少没有特意加入。
6、根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，通过向具有大约为10的pH值、并且适合于氧化硅(4)的化学机械抛光的浆料提供以下数量的酸来形成浆料(6)：该数量使得获得需要的pH值。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，适合于氧化硅(4)的CMP并且具有大约为10的pH值的浆料(6)，首先设置为大约为9的pH值，经过一段等待期间后，设置为更低的pH值。
8、根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，在抛光垫(5)上，将浆料(6)涂覆在半导体器件(10)的附近。
9、根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，化学机械抛光工艺的终点是光学检测的。
10、一种半导体器件(10)，所述半导体器件通过前述权利要求中任何一项所述的方法得到。
11、一种化学机械抛光浆料(6)，所述浆料(6)适合于用在根据权利要求1至9中任何一项权利所述的的方法中，其特征在于，浆料包含研磨剂，具有小于5的pH值，并且只包含其铝盐易溶于浆料(6)中的酸。
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