CN110491790B - 半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
在一些实施例中,提供一种半导体装置的制造方法,包括:形成一材料层于一半导体基板之上;形成一开口于材料层中;沉积一金属层于开口中并延伸至材料层上;以及化学机械研磨一部分的金属层,其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:具有孤对电子的一有机碱;以及一氧化剂。
Description
技术领域
本发明实施例系有关于半导体装置的制造方法,且特别是有关于使用金属化学机械研磨工艺的半导体装置的制造方法。
背景技术
半导体集成电路(integrated circuits;IC)工业已历经快速发展的阶段。集成电路材料及设计在技术上的进步使得每一代生产的集成电路变得比先前生产的集成电路更小且其电路也变得更复杂。在集成电路发展的进程中,功能性密度(亦即,每一个晶片区域中内连线装置的数目)已经普遍增加,而几何尺寸(亦即,制程中所能创造出最小的元件或线路)则是普遍下降。这种微缩化的过程通常可通过增加生产效率及降低相关支出提供许多利益。但此种微缩化也增加了集成电路加工和制造上的复杂度,且为了实现这样的进展,集成电路加工和制造上也需要有相同的进步。
在集成电路的制造过程中,化学机械研磨(chemical mechanical polishing;CMP)为一种广泛使用的工艺,可提供晶片表面全面性的平坦化。举例而言,在半导体制造过程中,可利用化学机械研磨工艺对例如介电层、金属层、或半导体层等进行表面平坦化。
传统上,金属化学机械研磨(metal CMP)所使用的研磨液以无机碱做为pH调整剂。然而,在金属化学机械研磨工艺期间,被研磨掉的金属会变为离子态溶于研磨液中,这些金属离子容易与无机碱产生的氢氧基(OH基)反应形成不可溶的(insoluble)金属氧化物粒子(以下简称金属粒子),例如:氧化铜、氧化钴等。在金属化学机械研磨工艺期间或之后,这些金属粒子会再沉积(re-deposited)于集成电路表面,导致产品的良率下降。
因此,为了提高产品的良率,必须降低或避免在金属化学机械研磨工艺期间或之后,于集成电路表面产生的金属再沉积现象。
发明内容
根据一些实施例,提供一种半导体装置的制造方法,包括:形成一材料层于一半导体基板之上;形成一开口于材料层中;沉积一金属层于开口中并延伸至材料层上;以及化学机械研磨一部分的金属层,其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:具有孤对电子的一有机碱;以及一氧化剂。
根据一些实施例,提供一种半导体装置的制造方法,包括:形成一介电层于一半导体基板之上;形成一开口穿过介电层以暴露出半导体基板;沉积一阻隔层于开口中和介电层上;沉积一金属层于开口中并延伸至阻隔层上;以及化学机械研磨金属层直到暴露出阻隔层,其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:烷基胺(alkyl ammonium)、氨(ammonia)、或前述的组合;以及一氧化剂。其中,经化学机械研磨的金属层的一上表面与介电层的一上表面齐平。
根据一些实施例,提供一种半导体装置的制造方法,包括:沉积一金属层于一半导体基板之上;化学机械研磨一部分的金属层;其中化学机械研磨使用的一研磨液包括一氧化剂以及一有机碱。其中,有机碱包括具有下列式(I)的一级胺化合物、具有下列式(II)的二级胺化合物、具有下列式(III)的三级胺化合物、具有下列式(IV)的四级铵化合物、或前述的组合,
其中,R1~R10可相同或不同,且各自独立地包括未经取代或经取代的C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基,其中烷基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、羧基、或羟基,其中芳香基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、或C1-C8的烷硫基。其中,有机碱的重量%大于50重量%,以研磨液中有机碱及可选择性添加的一无机碱的总重量为基准。
附图说明
图1为根据一些实施例显示半导体装置的制造方法的流程图。
图2A~2D为根据一些实施例显示半导体装置于各个制造阶段的剖面图。
图3为根据一些实施例显示半导体装置的制造方法的流程图。
图4A~4E为根据一些实施例显示半导体装置于各个制造阶段的剖面图。
图5为根据一些实施例显示化学机械研磨设备的示意图。
其中,附图标记说明如下:
20a、20b~半导体装置
100、300~方法
102、104、106、108、302、304、306、308、310~步骤
200~半导体基板
202~材料层/介电层
204~开口
206~金属层
208~金属结构
405~阻隔层
500~化学机械研磨工具
502~旋转平台
504~研磨垫
506~基板夹持装置
508~研磨液提供器
510~研磨液
512~旋转手臂
514~喷嘴
520~中心转轴
530~研磨垫调节器
具体实施方式
以下描述具体的元件及其排列的例子以简化本发明。当然这些仅是例子且不该以此限定本发明的范围。例如,在描述中提及第一个元件形成于第二个元件之上时,其可能包括第一个元件与第二个元件直接接触的实施例,也可能包括两者之间有其他元件形成而没有直接接触的实施例。此外,在不同实施例中可能使用重复的标号及/或符号,这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明,不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
此外,其中可能用到与空间相关的用词,像是“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词,这些关系词系为了便于描述图式中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。这些空间关系词包括使用中或操作中的装置的不同方位,以及图式中所描述的方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位),则其中使用的空间相关形容词也可相同地照着解释。
本发明说明书提供不同的实施例来说明不同实施方式的技术特征。举例而言,全文说明书中所指的“一些实施例”意味着在实施例中描述到的特定特征、结构、或特色至少包含在一实施例中。因此,全文说明书不同地方所出现的片语“在一些实施例中”所指不一定为相同的实施例。此外,特定的特征、结构、或特色可在一或多个的实施例中透过任何合适的方法结合。进一步地,对于在此所使用的用语“包括”、“具有”、“有”、“其中”或前述的变换,这些语意类似于用语“包括”来包含相应的特征。
本发明实施例最好配合图示及详细说明阅读以便了解。要强调的是,根据工业的标准做法,各元件符号将不会依照比例绘制。为了方便阐述及讨论,各图示的尺寸可能会任意的放大或缩小。
为了解决因集成电路表面的金属再沉积现象而导致的产品良率下降,可在化学机械研磨工艺之后,将形成于集成电路表面的金属再沉积予以移除。但是,将金属再沉积(金属粒子)移除的时候,由于无法精确掌握移除的范围,所以容易导致不必要的金属腐蚀(corrosion)。
本发明实施例系提供一种半导体装置的制造方法。本发明实施例针对金属化学机械研磨(metal CMP)工艺进行改良,提供为金属层进行化学机械研磨所使用的研磨液(slurry solution)。在此研磨液中,通过特定的有机碱部分地或完全地取代传统金属化学机械研磨液中所使用的无机碱,以降低或避免金属离子与无机碱产生的OH基进行反应而形成金属粒子。藉此,可解决因集成电路表面的金属再沉积现象所导致良率下降的问题。
图1为根据一些实施例显示半导体装置的制造方法100的流程图。以下结合图2A~2D描述方法100,图2A~2D为一示例半导体装置在各制程阶段的剖面图。
首先,在一些实施例中,进行方法100的步骤102,形成一材料层202于一半导体基板200之上,如图2A所示。在一些实施例中,半导体基板200可为块状半导体基板,像是一半导体晶片。例如,半导体基板200可为一硅晶片。在一些实施例中,半导体基板200可包括硅或其他元素半导体材料,像是锗。在一些实施例中,半导体基板200可包括一蓝宝石基板、一硅基板、或一碳化硅基板。例如,半导体基板200可由选自于Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、GaAsP、GaInP、SiC、SiGeC、InAs、和InP所组成群组中的至少一种半导体材料形成。在一些实施例中,半导体基板200也可包括一绝缘层上硅(silicon on insulator;SOI)。可利用氧植入隔离(SIMOX)工艺、晶片接合工艺、其他可应用的方式、或前述的组合形成绝缘层上硅(SOI)基板。在一些实施例中,半导体基板200也可由多层材料组成,例如:Si/SiGe、Si/SiC。
在一些实施例中,材料层202可包括介电层、金属层、或半导体层。在一些实施例中,材料层202可为一介电层。介电层可为一金属间介电(inter-metal dielectric;IMD)层或一层间介电(inter-layer dielectric;ILD)层,其可由一介电材料形成。例如,在一些实施例中,所述介电层可由氧化物形成,像是二氧化硅或高密度电浆氧化物。在一些实施例中,所述介电层可由硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass;BPSG)、旋涂式玻璃(spinon glass;SOG)、未掺杂硅酸盐玻璃(undoped silicate glass;USG)、氟化硅酸盐玻璃(fluorinated silicate glass;FSG)、其类似材料、或前述的组合形成。在一些实施例中,可以利用低温电浆增强原子层沉积(low-temperature plasma-enhanced atomic layerdeposition;PEALD)工艺或电浆增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition;PECVD)工艺来沉积介电层。
参照图2B,在一些实施例中,进行方法100的步骤104,形成一开口204于材料层202中。在一些实施例中,开口204可利用例如一个或多个微影和蚀刻工艺形成。
参照图2C,在一些实施例中,进行方法100的步骤106,沉积一金属层206于开口204中并延伸至材料层202上,形成半导体装置20a。在一些实施例中,可通过例如化学气相沉积(chemical vapor deposition;CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition;PVD)、其他可应用的工艺、或前述的组合工艺,将金属层206填充于开口204中并沉积于半导体基板200上的材料层202上。
在一些实施例中,所述金属层206的材料可包括:过渡金属、金属、或前述的混合物。在一些实施例中,过渡金属的例子包括:钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、锕(Ac)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、炉(Rf)、铈(Ce)、钍(Th)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锰(Mn)、鎝(Tc)、铼(Re)、铁(Fe)、钌(Ru)、锇(Os)、钴(Co)、铑(Rh)、铱(Ir)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锌(Zn)、镉(Cd)、或前述的组合。金属的例子包括:锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、鍅(Fr)、铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、钋(Po)、或前述的组合。
参照图2D,在一些实施例中,进行方法100的步骤108,化学机械研磨一部分的金属层206。在一些实施例中,可对金属层206进行一化学机械研磨,直到曝露出材料层202的一上表面。
如图2D所示,在一些实施例中,经化学机械研磨的金属层206形成一金属结构208。在一些实施例中,金属结构208的一上表面与材料层202的一上表面齐平。在一些实施例中,金属结构208可例如为接触或金属线路。
在一些实施例中,化学机械研磨使用的一研磨液包括:具有孤对电子的一有机碱以及一氧化剂。在一些实施例中,在所述研磨液中,有机碱可做为pH调整剂。
在一些实施例中,所述具有孤对电子的有机碱可包括烷基胺、氨、或前述的组合。在一些实施例中,所述烷基胺可包括:一级(1°)胺(primary amines)化合物、二级(2°)胺(secondary amines)化合物、三级(3°)胺(tertiary amines)化合物、四级(4°)铵化合物(quaternary ammonium compounds)、或前述的组合。
在一些实施例中,一级胺化合物可具有下列化学式(I):
其中,R1可包括未经取代或经取代的烷基(alkyl group)或芳香基(aryl group)。在一些实施例中,特定的例子可包括C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基、以及经取代的衍生物。在一些实施例中,烷基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基(alkoxy group)、C1-C8的烷基(alkyl group)、硝基(nitro group)、卤素原子(halogen atom)、羧基(carboxyl group)、以及羟基(hydroxyl group)。在一些实施例中,芳香基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基(alkoxycarbonyl group)、C1-C8的卤烷基(haloalkyl group)、C5-C8的环烷基(cycloalkyl group)、以及C1-C8的烷硫基(alkylthio group)。
举例而言,在一些实施例中,一级胺化合物可例如为甲胺(methylamine)、乙胺(ethylamine)、环己胺(cyclohexylamine)、2-胺乙醇(2-aminoethanol;MEA)、或前述的组合。
在一些实施例中,二级胺化合物可具有下列化学式(II):
其中,R2、R3可相同或不同,且可各自独立地包括未经取代或经取代的烷基或芳香基。在一些实施例中,特定的例子可包括C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基、以及经取代的衍生物。在一些实施例中,烷基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、羧基、以及羟基。在一些实施例中,芳香基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、以及C1-C8的烷硫基。
举例而言,在一些实施例中,所述二级胺化合物可为二甲胺(dimethylamine)、二乙胺(diethylamine)、甲乙胺(methylethylamine)、或前述的组合。
在一些实施例中,三级胺化合物可具有下列化学式(III):
其中,R4、R5、R6可相同或不同,且可各自独立地包括未经取代或经取代的烷基或芳香基。在一些实施例中,特定的例子可包括C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基、以及经取代的衍生物。在一些实施例中,烷基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、羧基、以及羟基。在一些实施例中,芳香基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、以及C1-C8的烷硫基。
举例而言,在一些实施例中,所述三级胺化合物可为三甲胺(trimethylamine;TMA)、三乙胺(triethylamine;TEA)、N-甲基-N-乙基苯胺(N-methyl-N-ethylaniline)、或前述的组合。
在一些实施例中,四级铵化合物可具有下列化学式:
其中,R7、R8、R9、R10可相同或不同,且可各自独立地包括未经取代或经取代的烷基或芳香基。在一些实施例中,特定的例子可包括C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基、以及经取代的衍生物。在一些实施例中,烷基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、羧基、以及羟基。在一些实施例中,芳香基上取代基的例子可包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、以及C1-C8的烷硫基。
举例而言,在一些实施例中,所述四级铵化合物可为四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide;TMAH)、四乙基氢氧化铵(tetraethylammoniumhydroxide;TEAH)、四丙基氢氧化铵(tetrapropylammonium hydroxide;TPAH)、四丁基氢氧化铵(tetrabutylammonium hydroxide;TBAH)、或前述的组合。
应注意的是,上述一级胺化合物、二级胺化合物、以及三级胺化合物除了连接三个基团之外,还具有一对孤对电子,所以使用这些胺类化合物做为有机碱,可吸引化学机械研磨期间所产生的金属离子。然而,虽然上述四级铵化合物不具有孤对电子,但依据本技术领域的通常知识可理解,四级铵化合物和三级胺化合物在实际反应过程中会呈现动态平衡,因此四级铵化合物同样具有吸引金属离子的能力,适合于本发明实施例中做为有机碱使用。
另外,值得一提的是,传统金属化学机械研磨液使用的无机碱解离出OH基后,容易与化学机械研磨期间所产生的金属离子反应而形成金属粒子沉积。然而,在本发明实施例中,当上述具有孤对电子的有机碱吸引化学机械研磨期间所产生的金属离子后,由于所形成的烷基铵根离子或铵根离子可溶于研磨液中并在后续的化学机械研磨(CMP)清洗步骤中被移除,因此,金属离子不会形成不可溶的金属粒子而沉积。这样的结果有利于降低或避免过去金属化学机械研磨工艺期间或之后于集成电路表面所产生的金属再沉积现象。
在一些实施例中,所述研磨液可只包括上述有机碱做为pH调整剂。在一些实施例中,当研磨液只包括上述有机碱时,相当于以本发明实施例所揭示的有机碱完全地取代传统金属化学机械研磨液所使用的无机碱。此时,研磨液中不存在由无机碱所产生的OH基,所有在金属化学机械研磨期间所产生的金属离子都会与有机碱反应。因此,在金属化学机械研磨期间或之后可达到无金属粒子(metal particles free)形成的效果,故没有金属再沉积于集成电路表面。
在一些实施例中,所述研磨液可更包括一无机碱。在一些实施例中,无机碱可包括但不限于:氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化钡、氢氧化铵、或前述的组合。
在一些实施例中,当所述研磨液包括上述有机碱以及无机碱时,相当于以本发明实施例所揭示的有机碱部分地取代传统金属化学机械研磨液所使用的无机碱。此时,虽然研磨液中仍会存在由无机碱所产生的OH基,但因为可与OH基反应的金属离子的一部分已被具有孤对电子的有机碱吸引并形成烷基铵根离子或铵根离子,所以在做为形成金属粒子的反应物(即金属离子)减少的情况下,金属粒子的形成也随之减少。因此,此时也可在金属化学机械研磨期间或之后达到降低金属粒子形成的效果,进而减少金属再沉积于集成电路表面。
在一些实施例中,所述有机碱在研磨液中的浓度可为大于10ppm且小于等于10000ppm。举例而言,在一些实施例中,所述有机碱在研磨液中的浓度可例如为:大于1000ppm且小于等于10000ppm。在一些实施例中,所述有机碱在研磨液中的浓度约为10ppm,此时,相当于以有机碱取代50重量%的无机碱做为pH调整剂。在一些实施例中,所述有机碱在研磨液中的浓度约为10000ppm,此时,相当于以有机碱取代100重量%的无机碱做为pH调整剂。
在本发明实施例中,研磨液的有机碱含量越多,亦即,以有机碱取代无机碱的比例越高,则抑制金属再沉积的效果越好。根据一些实施例,相较于仅以无机碱做为pH调整剂,当以上述有机碱取代50重量%的无机碱做为pH调整剂时,所检测到的金属粒子数量减少为原本金属粒子数量的约40%。在一些实施例中,相较于仅以无机碱做为pH调整剂,当以上述有机碱取代100重量%的无机碱做为pH调整剂时,则检测不到金属粒子。在一些实施例中,以上述有机碱取代100重量%的无机碱做为pH调整剂。
虽然本发明实施例列举数个特定的有机碱含量做为示例,然而,本领域技术人员可根据实际需要调整有机碱和无机碱的比例,例如:针对不同的金属层材料、或是不同的半导体装置系统等,以适当比例的有机碱部分地或完全地取代传统金属化学机械研磨液中的无机碱做为pH调整剂来达到减少金属粒子数量的效果。在一些实施例中,本发明实施例所揭示的研磨液只要在有机碱存在的情况下,即可达到降低或避免于集成电路的表面产生金属再沉积的现象,进而提高产品的良率。
在一些实施例中,所述研磨液可更包括一酸。在一些实施例中,所述酸可以使用本技术领域中常用的酸,例如像是盐酸、硫酸、硝酸、硼酸、碳酸、次磷酸、亚磷酸、磷酸等无机酸,或者像是柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、苯甲酸、柳酸、甘油酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、顺丁烯二酸、邻苯二甲酸、苹果酸、酒石酸、乳酸等有机酸,或前述的组合。
在一些实施例中,当所述研磨液包括碱和酸做为pH调整剂时,所述酸可为上述有机酸、无机酸、或前述的混合物。在一些实施例中,搭配适当种类和比例的酸和碱可使研磨液成为一个缓冲溶液,使得研磨液的pH值呈现稳定的状态并具有一特定的范围。
在一些实施例中,本领域技术人员可根据不同的金属层材料适当地调整研磨液的pH值。举例而言,在一些实施例中,当进行化学机械研磨的对象为钨金属层时,将研磨液的pH值调整为小于7。在一些实施例中,当进行化学机械研磨的对象为铜金属层时,将研磨液的pH值调整为大于7。在一些实施例中,所述研磨液的pH值可约介于1~10,例如介于1~9。
在一些实施例中,研磨液中所使用的氧化剂可包括过氧化物、过锰酸盐、过硫酸盐、单过硫酸盐、或前述的组合。举例而言,氧化剂可包括但不限于:过氧化氢、过氧化苯(benzoyl peroxide)、过氧乙酸(peracetic acid)、过氧化二(三级丁铵)(di-t-butylperoxide)、过氧化钠(sodium peroxide)、过锰酸钾(potassium permanganate)、过硫酸钾(potassium peroxydisulfate)、过硫酸铵(ammonium peroxydisulfate)、过硫酸钠(sodium peroxydisulfate)、过硫酸氢钾(potassium peroxymonosulfate)、硝酸铁、碘酸钾、或前述的组合。在一些实施例中,使用过氧化氢做为氧化剂。
在一些实施例中,本发明实施例所揭示的研磨液更包括一溶剂。在一些实施例中,所使用的溶剂可包括水,例如:去离子水或蒸馏水。
在一些实施例中,本发明实施例所揭示的研磨液可更包括其他具有特定功能的添加剂。在一些实施例中,所述添加剂可包括但不限于:螯合剂、分散剂、界面活性剂、抑菌剂、或前述的组合。
在一些实施例中,化学机械研磨使用的研磨液可更包括:一研磨粒子(abrasive)。在一些实施例中,所述研磨粒子的材料可包括但不限于:氧化硅(silicon oxide)、氧化铝(aluminum oxide)、氧化钛(titanium oxide)、氧化铈(cerium oxide)、氧化锆(zirconiumoxide)、碳化硅(silicon carbide)、氮化硅(silicon nitride)、或前述的组合。
在一些实施例中,所述研磨粒子本身可具有不同的电性,例如:带有正电荷、带有负电荷、或者不带电。本领域技术人员可根据实际情况选择具有适合电性的研磨粒子,只要研磨粒子不与浆料组合物中的成分产生聚集即可使用于本发明实施例中。
在一些实施例中,当所揭示的研磨液包括研磨粒子时,研磨液以及研磨粒子可分别透过化学力和机械力来进行平坦化。在一些实施例中,当所揭示的研磨液不包括研磨粒子时,研磨液则单纯以化学力来进行平坦化。然而,由于同样都具有有机碱的成分,因此,无论是本发明实施例所揭示的研磨液是否包括研磨粒子,皆可在金属化学机械研磨工艺之后,达到降低或避免集成电路表面产生金属再沉积的效果。
本发明实施例所述的金属化学机械研磨工艺可包括半导体装置各制程阶段中对于不同金属层所进行的化学机械研磨工艺。同样地,本发明实施例所揭示的研磨液可应用在各种不同金属层的化学机械研磨工艺中。
图3为根据一些实施例显示半导体装置的制造方法300的流程图。以下结合图4A~4E描述方法300,图4A~4E为一示例半导体装置在各制程阶段的剖面图。
首先,在一些实施例中,进行方法300的步骤302,形成一介电层202于一半导体基板200之上,如图4A所示。半导体基板200的材料可参照本说明书前述的相关段落,不在此重复叙述。
在一些实施例中,介电层202可为一金属间介电(IMD)层或一层间介电(ILD)层,其可由一介电材料形成。例如,在一些实施例中,所述介电层202可由氧化物形成,像是二氧化硅或高密度电浆氧化物。在一些实施例中,所述介电层202可由硼磷硅玻璃(BPSG)、旋涂式玻璃(SOG)、未掺杂硅酸盐玻璃(USG)、氟化硅酸盐玻璃(FSG)、其类似材料、或前述的组合形成。在一些实施例中,可以利用低温电浆增强原子层沉积(PEALD)工艺或电浆增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积介电层202。
参照图4B,在一些实施例中,进行方法300的步骤304,形成一开口204穿过介电层202以暴露出半导体基板200。在一些实施例中,开口204可利用例如一个或多个微影和蚀刻工艺来形成。
参照图4C,在一些实施例中,进行方法300的步骤306,沉积一阻隔层405于开口204中和介电层202上。在一些实施例中,阻隔层405可由包含金属的材料组成。包含金属的材料可包括氮化钛、氮化钽、其他合适的材料、或前述的组合。在一些实施例中,阻隔层405可包括多层。在一些实施例中,阻隔层405可通过原子层沉积(ALD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、电镀工艺、无电解电镀工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、其他可应用的工艺、或前述的组合形成。
参照图4D,在一些实施例中,进行方法300的步骤308,沉积一金属层206于开口204中并延伸至阻隔层405上,形成半导体装置20b。在一些实施例中,可利用例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、其他可应用的工艺、或前述的组合工艺,将金属层206填充于开口204中并沉积于半导体基板200和介电层202上的阻隔层405上。
在一些实施例中,所述金属层206的材料可参照本说明书前述的相关段落,不在此重复叙述。
参照图4E,在一些实施例中,进行方法300的步骤310,化学机械研磨一部分的金属层206直到暴露出阻隔层405。在一些实施例中,可对金属层206进行一化学机械研磨,直到曝露出阻隔层405的一上表面。
如图4E所示,在一些实施例中,经化学机械研磨的金属层206形成一金属结构208。在一些实施例中,金属结构208的一上表面与阻隔层405的一上表面齐平。在一些实施例中,金属结构208可例如为接触或金属线路。
在一些实施例中,化学机械研磨使用的一研磨液包括:烷基胺、氨、或前述的组合;以及一氧化剂。在所述研磨液中,烷基胺、氨、或前述的组合可做为pH调整剂。有关烷基胺的详细内容可参照本说明书前述的相关段落,不在此重复叙述。此外,有关化学机械研磨使用的研磨液,可参照本说明书前述的相关段落,不在此重复叙述。
在一些实施例中,方法300的步骤310可更包括:提供所述研磨液至一研磨垫上的一研磨表面;以及旋转研磨垫并使金属层与研磨表面接触以移除一部分的金属层,直到暴露出阻隔层。以下,结合图5描述利用本发明实施例所揭示的研磨液对金属层进行化学机械研磨的工艺步骤。
图5为根据一些实施例显示化学机械研磨设备500的示意图。
如图5所示,在一些实施例中,化学机械研磨设备500可包括一旋转平台502、一研磨垫504、一基板夹持装置506、以及一研磨液提供器508。研磨垫504是固定地设置于旋转平台502上并连接于旋转平台502,研磨垫504是被配置以被旋转平台502带动而绕着中心转轴520同步旋转。基板夹持装置506是设置于研磨垫504上方,被配置以夹持一半导体装置20a沿着平行于中心转轴520的方向移动。研磨液提供器508具有一液体出口,位于研磨垫504上方,配置以提供一研磨液510至研磨垫504上。
在一些实施例中,在进行研磨的过程中,基板夹持装置506也可带动其上的半导体装置20a进行旋转。基板夹持装置506用以将半导体装置20a倒挂收藏(house),以使半导体装置20a的顶面面向旋转的研磨垫504。在一些实施例中,半导体装置20a为如图2C所示的装置。在一些实施例中,半导体装置20a也可利用如图4D所示的半导体装置20b取代。半导体装置20a、20b中的各元件、其材料及形成方法可参照本说明书前述的相关段落,不在此重复叙述。
在进行化学机械研磨的过程中,研磨液提供器508可提供研磨液510至研磨垫504上的一研磨表面。在一些实施例中,研磨液提供器508连接于容载有研磨液510的一槽体或一储存器(图中未显示)。在一些实施例中,研磨液提供器508可包括一旋转手臂512以及一喷嘴514(例如可做为前述的液体出口),喷嘴514设置于旋转手臂512的一端,并且旋转手臂512可控制喷嘴514靠近或远离研磨垫504。
在一些实施例中,所述研磨液510可为本发明上述实施例所揭示的不包括研磨粒子的研磨液,其单纯利用化学组成以化学力与半导体基板200上的金属层206产生反应。在一些实施例中,所述研磨液510可为本发明上述实施例所揭示的包括研磨粒子的研磨液,其可进一步利用研磨粒子以机械力对半导体基板200上的金属层206进行研磨。
在一些实施例中,研磨垫504是以足够硬的物质制成,以允许在研磨液510中的研磨粒子可透过机械力对半导体基板200上的金属层206进行研磨。另一方面,研磨垫504也要够软,以避免刮伤半导体基板200上的金属层206。在一些实施例中,研磨垫504是以可拆卸并可黏贴的方式附着于旋转平台502上,举例来说,研磨垫504可通过一黏接膜(adhesivefilm)或胶水等连接至旋转平台502上。在研磨过程中,旋转平台502可通过一第一驱动机构(例如一马达,图中未显示)驱动而旋转,使得固定于其上的研磨垫504可随着旋转平台502旋转。
接着,旋转研磨垫504,并使形成于半导体基板200上的金属层206与研磨垫504的研磨表面接触,以化学机械研磨移除一部份的金属层206。
如图5所示,在一些实施例中,基板夹持装置506与研磨垫504是以相同方向旋转(顺时针方向或逆时针方向)。在一些实施例中,基板夹持装置506与研磨垫504可以相反方向旋转。在研磨垫504与基板夹持装置506旋转时,研磨液510可流到半导体装置20a/20b与研磨垫504之间。透过机械力以及研磨液510中的化学组成与半导体基板200上的金属层206产生反应,半导体基板200上的金属层206可以被平坦化。在一些实施例中,基板夹持装置506是由一第二驱动机构(图中未显示)所驱动。
再者,如图5所示,在一些实施例中,研磨设备500可进一步包括一研磨垫调节器(pad conditioner)530,设置于研磨垫504上方,研磨垫调节器530是配置以去除在研磨过程中所产生不需要的副产物。在一些实施例中,研磨垫调节器530为一钻石盘(diamonddisk),具有一基板以及嵌入或封装的切割钻石粒子于基板上。当研磨垫504需要被调整时,研磨垫调节器530可接触研磨垫504的表面,并且研磨垫504与研磨垫调节器530进行旋转,使得钻石盘上的凸出物或边缘相对于研磨垫504的表面移动,从而对研磨垫504进行抛光以及组织更新(re-texturizing)。
另外,在一些实施例中,研磨垫调节器530上也可设置有耐隆(nylon)材质的毛刷,用以清洁并去除在研磨制程后在研磨垫504上残留的残渣物质。在去除残留的残渣物质后,研磨垫504可以恢复原有的粗糙度,以再次对相同或另一半导体基板进行研磨处理。
在一些实施例中,图5中的化学机械研磨设备500可更包含一液体分布器(图中未显示),配置以分布一清洗液体,例如去离子水(de-ionized water)至研磨垫504的表面,使得在研磨工艺后残留在研磨垫504表面上研磨液510可以被清洗干净。再者,在一些实施例中,化学机械研磨设备500也可包括其他工作站(station),例如一清洁站、一干燥站或其他类型的工作站。因此,在化学机械研磨工艺之后,半导体基板200可以在清洁站执行清洁处理以及在干燥站进行干燥处理。
在本发明实施例所揭示的半导体装置制造方法中,通过具有孤对电子的有机碱部分地或完全地取代无机碱来吸引化学机械研磨期间所产生的金属离子,以有机碱与金属离子的反应取代无机碱与金属离子的反应,进而降低金属粒子的形成或达到无金属粒子(metal particles free)形成的效果。
此外,在半导体装置制造方法中使用本发明实施例所揭示的研磨液进行金属化学机械研磨工艺,有助于降低或避免在金属化学机械研磨工艺期间或之后于集成电路表面所产生的金属再沉积现象。由于不需要在金属化学机械研磨工艺之后,再将形成于集成电路表面的金属再沉积予以移除,故可避免不必要的金属腐蚀,达到无金属腐蚀(metalcorrosion free)的效果。
在一些实施例中,半导体装置的制造方法包括:形成一材料层于一半导体基板之上;形成一开口于材料层中;沉积一金属层于开口中并延伸至材料层上;以及化学机械研磨一部分的金属层;其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:具有孤对电子的一有机碱;以及一氧化剂。
在一些实施例中,半导体装置的制造方法包括:形成一介电层于一半导体基板之上;形成一开口穿过介电层以暴露出半导体基板;沉积一阻隔层于开口中和介电层上;沉积一金属层于开口中并延伸至阻隔层上;以及化学机械研磨金属层直到暴露出阻隔层,其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:烷基胺、氨、或前述的组合;以及一氧化剂。其中,经化学机械研磨的金属层的一上表面与介电层的一上表面齐平。
在一些实施例中,半导体装置的制造方法包括:沉积一金属层于一半导体基板之上;化学机械研磨一部分的金属层;其中化学机械研磨使用的一研磨液包括:一氧化剂;以及一有机碱。其中,有机碱包括具有下列式(I)的一级胺化合物、具有下列式(II)的二级胺化合物、具有下列式(III)的三级胺化合物、具有下列式(IV)的四级铵化合物、或前述的组合,
其中,R1~R10可相同或不同,且各自独立地包括未经取代或经取代的C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基。在一些实施例中,烷基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、羧基、或羟基。在一些实施例中,芳香基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、或C1-C8的烷硫基,其中有机碱的重量%大于50重量%,以研磨液中有机碱及可选择性添加的一无机碱的总重量为基准。
虽然本发明已以数个实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明之精神和范围内,当可作任意之更动与润饰,因此本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。
Claims (8)
1.一种半导体装置的制造方法,包括:
形成一材料层于一半导体基板之上;
形成一开口于该材料层中;
沉积一金属层于该开口中并延伸至该材料层上;以及
化学机械研磨一部分的该金属层;
其中该化学机械研磨使用的一研磨液包括:具有孤对电子的一有机碱;以及一氧化剂;
其中该有机碱包括烷基胺、氨或前述的组合,该烷基胺包括:具有下列式(I)的一级胺化合物、具有下列式(II)的二级胺化合物、具有下列式(III)的三级胺化合物、具有下列式(IV)的四级铵化合物或前述的组合,
其中,R1~R10相同或不同,且各自独立地包括未经取代或经取代的C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基,
其中该烷基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、或羧基,该芳香基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基或C1-C8的烷硫基。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法,其中该有机碱包括:甲胺、乙胺、环己胺、二甲胺、二乙胺、甲乙胺、三甲胺、三乙胺、N-甲基-N-乙基苯胺、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵或前述的组合物。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法,其中该有机碱在该研磨液中的浓度为大于10ppm且小于等于10000ppm。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法,其中该研磨液更包括一无机碱,其中该无机碱包括:氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化钡、氢氧化铵或前述的组合。
5.根据权利要求1所述的半导体装置的制造方法,其中该研磨液更包括一酸,其中该酸包括:盐酸、硫酸、硝酸、硼酸、碳酸、次磷酸、亚磷酸、磷酸、柠檬酸、甲酸、乙酸、丙酸、苯甲酸、柳酸、甘油酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、顺丁烯二酸、邻苯二甲酸、苹果酸、酒石酸、乳酸或前述的组合。
6.一种半导体装置的制造方法,包括:
形成一介电层于一半导体基板之上;
形成一开口穿过该介电层以暴露出该半导体基板;
沉积一阻隔层于该开口中和该介电层上;
沉积一金属层于该开口中并延伸至该阻隔层上;以及
化学机械研磨该金属层直到暴露出该阻隔层,
其中该化学机械研磨使用的一研磨液包括:烷基胺、氨或前述的组合;以及一氧化剂,
其中经化学机械研磨的该金属层的一上表面与该介电层的一上表面齐平;
其中该烷基胺包括:具有下列式(I)的一级胺化合物、具有下列式(II)的二级胺化合物、具有下列式(III)的三级胺化合物、具有下列式(IV)的四级铵化合物或前述的组合,
其中,R1~R10相同或不同,且各自独立地包括未经取代或经取代的C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基,
其中该烷基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、或羧基,该芳香基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基或C1-C8的烷硫基。
7.根据权利要求6所述的半导体装置的制造方法,其中该化学机械研磨该金属层直到暴露出该阻隔层的步骤包括:
提供该研磨液至一研磨垫上的一研磨表面;以及
旋转该研磨垫并使该金属层与该研磨表面接触以移除一部分的该金属层,直到暴露出该阻隔层。
8.一种半导体装置的制造方法,包括:
沉积一金属层于一半导体基板之上;
化学机械研磨一部分的该金属层;
其中该化学机械研磨使用的一研磨液包括:一氧化剂;一有机碱;以及一无机碱,
其中该有机碱包括具有下列式(I)的一级胺化合物、具有下列式(II)的二级胺化合物、具有下列式(III)的三级胺化合物、具有下列式(IV)的四级铵化合物或前述的组合,
其中,R1~R10相同或不同,且各自独立地包括未经取代或经取代的C1-C6的烷基、C6-C14的芳香基,
其中该烷基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、C1-C8的烷基、硝基、卤素原子、或羧基,该芳香基上取代基包括:C1-C8的烷氧基、羧基、烷氧羰基、C1-C8的卤烷基、C5-C8的环烷基、或C1-C8的烷硫基,
其中该有机碱的重量%大于50重量%,以该研磨液中该有机碱及该无机碱的总重量为基准。
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