CN117954317A - 半导体结构的制备方法及半导体结构 - Google Patents

半导体结构的制备方法及半导体结构 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种半导体结构的制备方法及半导体结构。所述半导体结构的制备方法包括提供介质层和金属层，形成介质‑金属的复合结构，所述介质层中形成有至少一个开口，所述金属层填充所述开口并覆盖所述介质层的表面；提供研磨混合溶液，所述研磨混合溶液包括带正电荷的研磨颗粒；采用所述研磨混合溶液对所述介质‑金属的复合结构执行化学机械研磨处理，以露出所述介质层的上表面并且使得所述介质层的上表面不高于所述金属层的上表面。实现了使用一种混合研磨液体，在同一个研磨盘中对一种以上的半导体结构的材料进行研磨，以得到预期的介质‑金属的复合结构。

Description

半导体结构的制备方法及半导体结构
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体结构的制备方法及半导体结构。
背景技术
随着半导体技术的发展，其制程工艺也在不断进步。例如，化学机械研磨CMP(Chemical Mechanical Polishing)工艺既可以用于对晶圆表面的平整度的精细加工以改善晶圆表面的均匀度，又可以用于半导体产品的结构调整，例如经过CMP工艺改变半导体产品中对应的凹凸结构或是台阶高度等等。
相关技术中，为了达到特殊的结构需求，在CMP工艺中，使用不同的研磨液进行研磨以满足产品的不同结构的要求。若在同一研磨盘中使用多种研磨液体进行研磨，会造成流场不均，导致研磨速率不稳定，造成半导体产品缺陷或异常。若使用多个磨盘对应多种不同的研磨液进行研磨，则会造成产量成本以及生产成本的增加。
发明内容
以下是对本公开详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本公开提供一种半导体结构的制备方法及半导体结构。
根据本公开的第一方面，提供一种半导体结构的制备方法，所述制备方法包括：
提供介质层和金属层，形成介质-金属的复合结构，所述介质层中形成有至少一个开口，所述金属层填充所述开口并覆盖所述介质层的表面；
提供研磨混合溶液，所述研磨混合溶液包括带正电荷的研磨颗粒；
采用所述研磨混合溶液对所述介质-金属的复合结构执行化学机械研磨处理，以露出所述介质层的上表面并且使得所述介质层的上表面不高于所述金属层的上表面。
根据本公开的一些示例性实施例，所述化学机械研磨处理中，对所述介质层和对所述金属层的去除选择比为1:0.1～1:10。
根据本公开的一些示例性实施例，所述介质层的去除速率为0.1～5nm/s，所述金属层的去除速率为1～50nm/s。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨混合溶液的流量为25-500ml/min。
根据本公开的一些示例性实施例，所述金属层的上表面与所述介质层的上表面的高度差为0-50nm。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨混合溶液包括：
研磨液，所述研磨液的pH≦3；
添加剂，所述添加剂包括至少一种如式1所示的化合物；
X-HaRb (式1)；
其中，X为VA族元素，a为0、1或2，b为1、2或3，a+b＝3，R选自碳原子数为1-10的取代或未取代烷基、碳原子数为2-10的取代或未取代烯基、碳原子数为3-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代芳基。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨液的pH≦2.5。
根据本公开的一些示例性实施例，以所述研磨混合溶液为基准，所述添加剂的质量百分比浓度为0.5％～10％。
根据本公开的一些示例性实施例，以所述研磨混合溶液为基准，所述添加剂的质量百分比浓度为1％～5％。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨混合溶液还包括氧化剂，以所述研磨混合溶液为基准，所述氧化剂的质量百分比浓度为0.5％～5％。
根据本公开的一些示例性实施例，所述添加剂选自PH2-R、PHR2、PR3、NH2-R、NHR2和NR3中的至少一种，其中R选自碳原子数为5-10的取代或未取代烷基、碳原子数为5-10的取代或未取代烯基、碳原子数为5-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代苯基。
根据本公开的一些示例性实施例，R中的取代基选自卤素基团、氰基、醛基和羧基中的至少一种。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨液包括研磨颗粒和去离子水；其中：以所述研磨混合溶液为基准，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为1％～15％。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨液还包括辅助剂，以所述研磨混合溶液为基准，所述辅助剂的质量百分比浓度不大于3％；所述辅助剂包括pH调节剂、分散剂和杀菌剂中的至少一种。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨颗粒的zeta电位为15～50mV。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨颗粒的平均粒径为20～200nm。
根据本公开的一些示例性实施例，所述研磨颗粒包括二氧化硅和二氧化铈中的至少一种。
根据本公开的一些示例性实施例，所述介质层包括氧化物；所述金属层包括金属钨。
根据本公开实施例的第二方面，提供了一种半导体结构，所述半导体结构由上述的方法制备得到。
本公开实施例提供的半导体结构的制作方法至少具有如下优点：
本公开示例性的实施例中，通过使用带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行化学机械研磨，实现了使用一种混合研磨液体，在同一个研磨盘中对一种以上的半导体结构的材料进行研磨，以得到预期的介质-金属的复合结构。避免了使用多个研磨盘对应多种研磨液对半导体结构进行化学机械研磨所造成安全性和稳定性的问题，也降低了产量成本和生产成本。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释本公开实施例的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本公开的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是对于不同的研磨液使用不同研磨盘进行产品研磨的示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种半导体结构的制备方法流程图。
图3为金属钨的电势-pH图。
图4是根据一示例性的实施例示出的在酸性条件下、在进行化学机械研磨处理的初期阶段的带正电荷的添加剂在金属层表面的状态的示意图。
图5是根据一示例性的实施例示出的在酸性条件下、在进行化学机械研磨处理，覆盖介质层100表面的金属层被研磨掉并露出介质层之后，带正电荷的添加剂被吸附在金属层200的表面的状态的示意图。
图6是根据一示例性的实施例示出的在酸性条件下使用带正电荷的研磨颗粒以及带正电荷的添加剂的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行研磨后所得到的结构的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在相关技术中，为了能够同时兼顾缺陷成本、电性成本、以及良率成本，当采用多种研磨液在对半导体产品进行CMP工艺研磨时，对于不同的研磨液会使用不同的研磨盘进行研磨。如图1所示，图1是对于不同的研磨液使用不同研磨盘进行产品研磨的示意图。在图1中，先使用第一种研磨液01’通过第一研磨盘001’对半导体产品100’进行研磨以去预设高度的第一材料层，然后将经第一次研磨后的半导体产品101’移动至第二研磨盘002’，通过第二种研磨液02’对经第一次研磨后的半导体产品101’进行再次研磨，以去除第二预设高度的第二材料层，以形成经过第二次研磨后的半导体产品102’，进而达到通过CMP工艺实现对半导体产品不同结构的形成。但是，在使用不同研磨液对半导体产品进行研磨时，对应使用不同的研磨盘，为了确保在不同研磨盘之间的转移的安全性和稳定性，增加了产量成本和生产成本。
有鉴于此，考虑到形成半导体结构的材料自身的特性，例如在由介质层和金属层所形成的介质-金属复合结构中，介质层可以包括绝缘体材料，例如氧化物；金属层可以包括过渡性金属，例如钨。发明人通过大量实验惊奇发现，在满足特定pH值和电势的情况下(如本申请提供的研磨混合溶液环境中)，金属钨的表面通常会形成钝化层的氧化钨，例如二氧化钨或者三氧化钨。而钝化层氧化钨很容易被研磨掉。因此，在通过化学机械研磨方式对介质-金属复合结构进行研磨时，可以根据介质层和金属层中各个材料的特性，提供具有相对应特性的研磨混合溶液，例如可以提供一种带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液，对介质-金属复合结构进行研磨，可以提高对金属层的研磨效率。
因此，本公开示例性的实施例提供了一种半导体结构的制备方法，通过提供包括带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液，对半导体结构进行研磨，以获得相应的半导体结构。
下面结合附图及具体实施例进行说明。本公开示例性的实施例提供了一种半导体结构的制备方法。
如图2所示，图2是根据一示例性实施例示出的一种半导体结构的制备方法流程图。该制备方法包括：
步骤S101，提供介质层和金属层，形成介质-金属的复合结构，介质层中形成有至少一个开口，金属层填充开口并覆盖介质层的表面；
步骤S102，提供研磨混合溶液，研磨混合溶液包括带正电荷的研磨颗粒；
步骤S103，采用研磨混合溶液对介质-金属的复合结构执行化学机械研磨处理，以露出介质层的上表面并且使得介质层的上表面不高于金属层的上表面。
在步骤S101中，提供介质层，介质层100为半导体结构中的隔离结构。隔离结构的材料可以包括绝缘体材料，绝缘体材料包括氧化物材料。例如可以包括二氧化硅、二氧化铈等绝缘材料。
介质层100可以采用原子层沉积工艺、物理气相沉积工艺或者化学气相沉积工艺，在基底(未示出)上形成一定厚度的氧化物，以形成介质层100。
在介质层100中形成至少一个开口101；形成开口101的方法可以包括：可以在介质层100上形成掩膜层(未示出)，掩膜层包括至少一个开口图案；以掩膜层为掩膜，向下刻蚀介质层，形成开口101。去除掩膜层。
在介质层100上形成金属层200，金属层200填充开口101并覆盖介质层100，以形成介质-金属复合结构。金属层可以包括具备导电功能的金属，例如钨。金属层可以采用原子层沉积工艺或等离子体增强气相沉积等方法形成。形成金属层的金属可以包括过渡性金属，例如钨。
本公开示例性的实施例中，介质层可以包括氧化物，金属层可以包括金属钨。
在步骤S102中，提供研磨混合溶液，研磨混合溶液包括带正电荷的研磨颗粒。
对于介质-金属复合结构，考虑到金属层200覆盖在介质层100的表面。金属层的金属可以包括钨。在满足特定pH值和电势的情况下(如本申请提供的研磨混合溶液环境中)，金属钨的表面通常以钝化层的氧化钨的形式存在，且钝化层的氧化钨更容易被研磨掉。因此，在通过化学机械研磨方式对介质-金属复合结构进行研磨时，特提供一种带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液，对介质-金属复合结构进行研磨，可以提高对金属层的研磨效率。
研磨混合溶液可以为酸性，即研磨混合溶液的pH值小于7，在同时满足pH和电势的情况下，可以更容易使金属层的表面形成钝化层的氧化钨。
在研磨液中加入带正电荷的研磨颗粒，形成研磨混合溶液，可以在使用研磨混合溶液执行化学机械研磨处理时，对钝化层氧化钨进行研磨，加快对金属层(金属钨层在氧化剂的存在下易被氧化为氧化钨)的研磨。
在步骤S103中，采用研磨混合溶液对介质-金属的复合结构执行化学机械研磨处理，以露出介质层的上表面并且使得介质层的上表面不高于金属层的上表面。
在使用带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行化学机械研磨处理时，可以控制研磨混合溶液中带正电荷的研磨颗粒的质量百分比浓度、研磨混合溶液的流量、介质层的去除速率、金属层的去除速率、研磨液的搅拌速度等参数，以露出介质层的上表面，并使介质层的上表面不高于金属层的上表面。
本公开示例性的实施例中，通过使用带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行化学机械研磨，实现了使用一种混合研磨液体，在同一个研磨盘中对一种以上的半导体结构的材料进行研磨，以得到预期的介质-金属的复合结构。避免了使用多个研磨盘对应多种研磨液对半导体结构进行化学机械研磨所造成安全性和稳定性的问题，也降低了产量成本和生产成本。
在本公开示例性的实施例中，提供了带正电荷的研磨颗粒的研磨混合溶液，以能够使用一种混合研磨液体，以对介质-金属的复合结构进行研磨以得到预期的介质-金属的复合结构。在实际应用中，可以考虑半导体结构的结构特点，可以通过调整研磨混合溶液中带正电荷的研磨颗粒的质量百分比浓度、介质层的去除速度、金属层的去除速度、研磨混合溶液的流量、研磨液的搅拌速度、添加剂的质量百分比浓度(后续提及)等参数，可以实现对介质层和对金属层的不同的去除选择比例，例如不同的体积去除选择比。例如，在使用带正电荷的研磨颗粒的化学机械研磨处理中，对介质层和对金属层的去除选择比可以为1:0.1～1:10。
当对介质层和对金属层的去除选择比较大时，即去除介质层较多，去除金属层较少，则可以选择较大的介质层的去除速率，较小的金属层去除速率，以实现较大的对介质层和对金属层的去除选择比。
当对介质层和对金属层的去除选择比较小时，即去除介质层较少，去除金属层较多，则可以选择较小的介质层的去除速率，较大的金属层去除速率，以实现较小的对介质层和对金属层的去除选择比。
在实际研磨过程中，对于本申请中含有研磨颗粒和添加剂的研磨混合溶液，金属层200填充开口101(如图4所示)同时覆盖介质层100。在对覆盖在介质层上的金属层进行化学机械研磨时，主要是对金属层的研磨(添加剂的保护作用较小)，在这个阶段可以实现较小的对介质层和对金属层的去除选择比，即介质层去除较少，金属层去除多。换言之，实现较大的金属层去除速率，较小的介质层去除速率，以实现去除掉覆盖在介质层100上的金属层，以暴露出介质层100的上表面。在暴露出介质层100的上表面后，添加剂可以更好的发挥保护作用，从而可以实现调整对介质层和对金属层的去除选择比，即在这个阶段可以实现较大的对介质层和对金属层的去除选择比，即介质层去除较多，金属层去除较少。换言之，实现较小的金属层去除速率，较大的介质层去除速率，以使介质层100的上表面不高于金属层200的上表面，得到预期的介质-金属的复合结构。在实现上述对介质层和对金属层的去除选择比时，在调整金属层的去除速率、介质层的去除速率以及研磨混合液溶液中的带正电荷的研磨颗粒的质量百分比浓度、添加剂的质量百分比浓度(后续提及)等的同时，还可以考虑调整研磨混合溶液的流量，以实现对应的对介质层和对金属层的去除选择比。
介质层的去除速率可以为0.1～5nm/s，金属层的去除速率可以为1～50nm/s。
研磨混合溶液的流量可以为25-500ml/min。
在本公开示例性的实施例中，通过选择不同的介质层的去除速率、金属层的去除速率、带正电荷的研磨颗粒在混合研磨溶液中的质量百分比浓度，添加剂的质量百分比浓度(后续提及)、以及研磨混合溶液的流量，可以实现不同的对介质层和对金属层的去除选择比，以满足不同半导体结构的需求。
在本公开示例性实施例中，研磨混合溶液包括：
研磨液，研磨液的pH≦3；
添加剂，添加剂包括至少一种如式1所示的化合物；
X-HaRb (式1)；
其中，X为VA族元素，a为0、1或2，b为1、2或3，a+b＝3，R选自碳原子数为1-10的取代或未取代烷基、碳原子数为2-10的取代或未取代烯基、碳原子数为3-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代芳基。
考虑到半导体结构，例如介质-金属的复合结构的结构要求，研磨混合溶液中除了包括带正电荷的研磨颗粒的研磨液外，还可以包括官能基为带正电的添加剂，或者在研磨液的酸性状态下，官能基可以带正电的添加剂，例如在研磨液为酸性的条件下，可以使得官能基带正电的添加剂。因为金属层，例如钨金属层带负电荷，可以通过加入带正电的添加剂与金属钨的表面形成附着，以控制钨金属层的研磨速率，以形成所需的复合结构的要求。
在研磨液为酸性的条件下，添加剂可以包括上述式1的化合物。其中，X为VA族元素，例如可以为氮(N)或者磷(P)，N或者P的分子结构比较小，容易接触，容易结合，因此，所形成的化合物的吸附性更好，更容易与钨金属层的表面吸附。当X为N或者P时，根据元素特点，a可以为0、1或2，b可以为1、2或3，且a+b＝3。
R元素的选择，可以选择在酸性条件下，容易吸附氢离子，使得添加剂带正电荷的元素。例如。R可以选自碳原子数为1-10的取代或未取代烷基、碳原子数为2-10的取代或未取代烯基、碳原子数为3-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代芳基。
在一些示例性实施例中，添加剂可以选自PH2-R、PHR2、PR3、NH2-R、NHR2和NR3中的至少一种，其中R可以选自碳原子数为5-10的取代或未取代烷基、碳原子数为5-10的取代或未取代烯基、碳原子数为5-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代苯基。在一些示例性实施例中，R中的取代基可以选自卤素基团、氰基、醛基和羧基中的至少一种。R中的取代基所选择的基团，具有较强的吸附氢离子的特性。当化合物选择PH2-R、PHR2、PR3、NH2-R、NHR2和NR3中的至少一种时，由于其取代基具有较强的吸附氢离子的特性，可以比较容易生成PH3R+，PH2R2 +，PHR3 +，NH3R+，NH2R2 +或者NHR3 +，使得添加剂较快形成带正电荷的特性。例如，R可以选自-C5H11，-C6H13，-C7H15，-C8H17，-C9H19，-C10H21，-C5H9，-C6H11，-C7H13，-C8H15，-C9H17，-C10H19， -C5H10Cl，-C5H10COOH，-C5H10CHO，-C6H12Cl，-C6H12COOH，-C6H12CHO，-C7H14Cl，-C7H14COOH，-C7H14CHO，-C8H16Cl，-C8H16COOH，-C8H16CHO，-C10H20Cl，-C10H20COOH，-C10H20CHO。
在本公开示例性的实施例中，研磨液可以为酸性，添加剂包括式1的化合物。化合物可以在酸性条件下吸附氢离子，以使添加剂带正电荷。由于金属钨带负电荷，在使用研磨混合溶液对介质-金属复合结构进行化学机械研磨过程中，带正电荷的添加剂和钨金属层在正电荷和负电荷的之间的引力的作用下，使得带正电荷的添加剂吸附在钨金属层的表面，以控制钨金属层的研磨速率，以形成所需的复合结构的要求。
如图3所示，图3为金属钨的电势-pH图(布拜图(Pourbaix Diagram))示意图。其中，横坐标表示pH值，纵坐标表示电势(单位，伏特)。通过钨的电势-pH图可以看出，在满足pH值和电势的情况下，即在本申请的研磨混合溶液的存在条件下，钨可以以氧化钨的钝化状态存在，便于进行化学机械研磨，其他条件下，则会形成可溶性的氧化钨的状态，不利于化学机械研磨。
因此，在利用本公开示例性的实施例所提供的半导体结构的制备方式进行半导体结构制备时，可以将研磨液的pH值控制在3以下，即使研磨液的pH≦3。研磨液的pH值还可以控制在2.5以下，即使研磨液的pH≦2.5，在这种状态下，钨处于钝化状态，氧化钨层相对稳定，更有利于化学机械研磨。
在本公开示例性的实施例中，研磨混合溶液包括研磨液和添加剂。研磨液为酸性，例如pH≦3。且研磨液中包括带正电荷的研磨颗粒。添加剂包括在酸性条件下可以吸附氢离子的化合物，使得添加剂在酸性条件下带正电荷。被化学机械研磨的介质-金属复合结构中，金属层，例如钨金属层中的金属钨带负电荷。
在初始阶段时，带正电荷的研磨颗粒分散在研磨混合溶液中，与带负电荷的金属层之间相互作用以发挥研磨效果，而带正电的添加剂在金属层表面处于分散状态而不能对金属层起到很好的保护作用。图4所示，图4是根据一示例性的实施例示出的在进行化学机械研磨处理的初期阶段的带正电荷的添加剂在金属层表面的状态的示意图。在这一阶段可以根据覆盖介质层100的金属层200的厚度，调整带正电荷的研磨颗粒在研磨混合溶液中的比例以及添加剂在研磨混合溶液中的比例，以能在带正电荷的添加剂被完全吸附在金属层表面之前，完成对覆盖在介质层100上的金属层200的研磨。
随着化学机械研磨过程的推进，在通过带正电荷的研磨颗粒对覆盖在介质层100表面的金属层进行研磨的过程中，在带正电荷的添加剂在与带负电荷的金属层之间的引力的作用下，逐渐汇聚在金属层200的表面。同时，在研磨掉覆盖介质层100表面的金属层露出介质层100之后，带正电荷的添加剂在金属层200的表面汇聚。如图5所示，图5是根据一示例性的实施例示出的在进行化学机械研磨处理，覆盖介质层100表面的金属层被研磨掉并露出介质层之后，带正电荷的添加剂被吸附在金属层200的表面的状态的示意图。在这个过程中，带正电荷的添加剂聚集在带负电荷的金属层上表面起到保护作用，使得在后续的化学机械研磨处理过程中降低了对金属层200的研磨速度，而是继续对介质层100进行研磨，以控制介质层100的上表面不高于金属层200的上表面。
如图6所示，图6是根据一示例性的实施例示出的使用带正电荷的研磨颗粒以及带正电荷的添加剂的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行研磨后所得到的结构的示意图。在图6所示的结构中，介质层100的上表面低于金属层200的上表面。也可以根据需要使得介质层100的上表面与金属层200的上表面平齐。金属层的上表面与介质层的上表面的高度差可以为0-50nm。
本公开示例性的实施例中，通过使用带正电荷的研磨颗粒以及带正电荷的添加剂的研磨混合溶液对介质-金属的复合结构进行化学机械研磨，实现了使用一种混合研磨液体，在同一个研磨盘中对一种以上的半导体结构的材料进行研磨，以得到预期的介质-金属的复合结构。避免了使用多个研磨盘对应多种研磨液对半导体结构进行化学机械研磨所造成安全性和稳定性的问题，也降低了产量成本和生产成本。
在本公开示例性实施例中，以研磨混合溶液为基准，添加剂的质量百分比浓度为0.5％～10％。通过控制添加剂的质量百分比浓度来获得不同需求的结构。例如：当需要介质层的上表面的高度与金属层的上表面的高度差较大时，可以增加添加剂的质量百分比浓度，添加剂的化合物的官能基团吸附氢离子后，与钨金属层的表面结合密度高，钨金属层的表面被添加剂覆盖，有效降低了钨金属层的去除速率。而介质层可以使得金属层相对介质层具有较大的高度差。当需要介质层的上表面的高度与金属层的高度的差不大或者需要平齐时，可以减少添加剂的质量百分比浓度。以研磨混合溶液为基准，添加剂的质量百分比浓度还可以为1％～5％。
在本公开示例性的实施例中，研磨混合溶液还可以包括氧化剂。对于介质-金属复合结构，金属层中的金属钨的表面通常以钝化层的氧化钨形式存在，且钝化层的氧化钨更容易被研磨。特别是在氧化剂存在条件下，金属钨更容易形成钝化层的氧化钨。在本公开示例性的实施例中，在酸性的研磨液的同时，还可以提供氧化剂，以使在化学机械研磨过程中，在通过研磨颗粒研磨掉金属层表面的钝化层的氧化钨之后，通过氧化剂进一步加快金属层表面的氧化，以使金属层的表面形成钝化层的氧化钨，然后再继续通过研磨颗粒对金属层的表面的钝化层的氧化钨进行研磨，周而复始，以实现对金属层的化学机械研磨。
以研磨混合溶液为基准，氧化剂的质量百分比浓度可以为0.5～5％。在实际进行化学机械研磨的过程中，可以根据介质-金属复合结构的要求，确定氧化剂对应的质量百分比浓度。以研磨混合溶液为基准，氧化剂的质量百分比浓度还可以为1～3％。氧化剂可以为任意可以使金属层的表面氧化，形成钝化层的氧化钨的氧化剂。例如可以为双氧水。
在本公开示例性实施例中，为了能在化学研磨的初期阶段，在带正电的添加剂被吸附覆盖金属层之前完成对覆盖在介质层100上的金属层200的研磨，可以根据覆盖介质层100的金属层200的厚度，调整带正电荷的研磨颗粒在研磨液中的比例。例如研磨液包括研磨颗粒和去离子水；以研磨混合溶液为基准，研磨颗粒的质量百分比浓度为1％～15％。此外，控制研磨颗粒的质量百分比浓度可以使研磨颗粒在去离水中稳定分散度良好，稳定分散度是指达到可直接使用研磨液的状态后，研磨颗粒分散在研磨液中的时间长，以避免在研磨过程中产生沉降。例如分散时长可以1小时以上。例如，可以根据需要研磨颗粒在研磨液中分散的时长可以为3小时以上，或者10小时以上。
在本公开示例性实施例中，研磨液还可以包括辅助剂，以研磨混合溶液为基准，辅助剂的质量百分比浓度不大于3％；辅助剂包括pH调节剂、分散剂和杀菌剂中的至少一种。为了确保研磨液的pH值的稳定性，可以在研磨液中增加pH调节剂，为了使研磨液中的研磨颗粒具有良好的分散度，可以在研磨液中增加分散剂。为了使研磨液本身的质量，还可以增加杀菌剂，以避免在研磨液中包含影响研磨效率的细菌等有害物质。
在本公开示例性实施例中，分散剂的材料包括但不限于聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、黄原胶、聚氨酯、阿拉伯胶、聚乙烯吡咯维酮、海藻酸酯钠、磷酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、硅酸镁铝、及膨润土等中的至少一种或其组合；杀菌剂的材料包括但不限于异构噻唑啉酮等；pH调节剂的材料可以包括硝酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、醋酸、乳酸、磺酸等中的一种或多种。在去离子水与研磨颗粒的混合物中加入pH调节剂以调节混合物的pH值。
在本公开示例性的示例性实施例中，研磨颗粒带正电荷，且研磨混合溶液中研磨颗粒的zeta电位为15～50mV。当研磨混合溶液确定后，研磨颗粒的zeta电位也即确定。例如研磨混合溶液中的研磨液、添加剂、氧化剂以及其他辅助成分确定后，研磨混合溶液中的研磨颗粒的zata电位也即确定了。通过控制研磨颗粒的zeta电位，可以调节通过带正电荷的研磨颗粒对介质-金属层的研磨速率，从而获得不同的需求结构。
在本公开示例性实施例中，研磨颗粒的平均粒径为20～200nm。通过控制研磨粒的平均粒径可以控制化学机械研磨过程中对介质-金属复合结构的研磨速率，以能达到所需的复合结构。
在本公开示例性实施例中，研磨颗粒包括二氧化硅和二氧化铈中的至少一种。例如，可以选择二氧化铈颗粒作为研磨颗粒。使用包含铈系化合物的粒子作为研磨颗粒的研磨液，具有在被研磨的研磨表面上产生的研磨损伤较少的特点。
在本公开示例性的实施例中，研磨混合溶液包括研磨液和添加剂，研磨液包括带正电的研磨颗粒，且pH值小于等于3，呈酸性。添加剂在酸性状态下，可以吸附氢离子使得添加剂可以带正电。形成介质-金属的复合结构的金属层的表面通常以钝化层的氧化钨的形式存在，且氧化钨更容易被研磨掉。在实际应用中，可以考虑半导体结构的结构特点，可以通过调整研磨液带正电荷的研磨颗粒的质量百分比浓度、研磨颗粒的平均粒径、添加剂的质量百分比浓度、介质层的去除速度、金属层的去除速度、研磨混合溶液的流量等参数，可以实现对介质层和对金属层的不同的去除选择比例，例如不同的体积去除选择比。例如，在使用带正电荷的研磨颗粒的化学机械研磨处理中，对介质层和对金属层的去除选择比可以为1:0.1～1:10。
在实现上述对介质层和对金属层的去除选择比时，在调整金属层的去除速率、介质层的去除速率、研磨混合液溶液中的带正电荷的研磨颗粒的质量百分比浓度、研磨颗粒的平均粒径以及添加剂的质量百分比浓度的同时，还可以考虑调整研磨混合溶液的流量以及研磨液的搅拌速度，以实现对应的对介质层和对金属层的去除选择比。
实施例1
提供介质层和金属层，形成介质-金属的复合结构，介质层中形成有至少一个开口，金属层填充开口并覆盖介质层的表面；其中，介质层为氧化硅，金属层为金属钨。
提供研磨混合溶液，研磨混合溶液包括：
研磨液，研磨液pH＝2；和
添加剂为NH2-C5H11；
氧化剂为H2O2；
其中，以所述研磨混合溶液为基准，添加剂的质量百分比浓度为2％，氧化剂的质量百分比浓度为2％，研磨颗粒的质量百分比浓度为10％，研磨颗粒的平均粒径为120nm，辅助剂的质量百分比浓度为3％，去离子水质量百分比为83％。辅助剂为pH调节剂、分散剂和杀菌剂。其中，pH调节剂为柠檬酸(调节pH用)、分散剂为聚乙烯醇(质量百分比浓度为1％)、杀菌剂为异构噻唑啉酮(辅助剂余量)。带正电荷的研磨颗粒为带正电荷的二氧化硅粒子。
采用上述研磨混合溶液对介质-金属的复合结构执行化学机械研磨处理，在研磨过程中，研磨混合溶液的流量为200ml/min，研磨时间为120s，通过化学机械研磨处理使得露出介质层的上表面并且使得介质层的上表面与金属层的上表面之间的高度差为20nm。
实施例2-6与实施例1采用了类似的方法，并且同样获得了介质层的上表面不高于金属层的上表面的半导体结构，制备方法中的参数选择请参见表1。
表1
实施例7-11与实施例1采用了类似的方法，在这些实施例中，添加剂的类型不同，添加剂的百分比也不同，以获得介质层的上表面不高于金属层的上表面的半导体结构，制备方法中的参数选择请参见表2。
表2
由表2可以看出，实施例7中NH2-R中的R是烷基，实施例8中的R为烯基。相较于R为烯基，由于当R为烷基结构时，较容易产生NH3R+，因此，实施例7中的添加剂，可以更好的吸附在金属层上。因此，在形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)更大。
由实施例1、实施例9和实施例10可以看出，实施例9中的添加剂N(C5H11)3由于带有三个提供电子的烷基，在酸性条件下形成了相对更稳定的NHR3+，添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)最大。实施例10中的添加剂NH-(C5H11)2中带两个提供电子的烷基，在酸性条件下也能形成较稳定的NH2R2+，可以较好地吸附在金属层上。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)次之。在实施例1中的添加剂NH2-C5H11只带一个提供电子的烷基，在酸性条件下形成了NH3R+，添加剂吸附在金属层的能力较弱。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)最小。
比较实施例4和实施例11可以看出，实施例4中的添加剂中的VA族元素为N，实施例11中的添加剂中的VA族元素为P。由于N比P更容易与质子结合形成NH3R+。因此，在实施例4中的添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)较大。在实施例11中的添加剂吸附在金属层的能力较弱，因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)较小。
实施例12-19与实施例1采用了类似的方法。仅在R上增加了取代基，同样获得了介质层的上表面不高于金属层的上表面的半导体结构，制备方法中的参数选择请参见表3。
表3
表3(续)
由表3可以看出，在添加剂的R上增加了吸电子取代基-Cl、-COOH和-CHO。在酸性条件下，容易形成NH3R+，添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)较大。在酸性条件下，容易形成NH3R+，添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)较大。
通过对比实施例1、实施例14和实施例15，对比实施例12和实施例13以及实施例16和实施例17可以看出，R的取代基不同，呈现出不同的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)。相较于R的取代基为-Cl，R的取代基为-COOH时，较容易产生NH3R+，对应的添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，在形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)更大，即通过R的取代基为-COOH的研磨混合溶液进行化学机械研磨所形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差大于通过R的取代基为-Cl的研磨混合溶液进行化学机械研磨所形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差。
对比实施例5、实施例18和实施例19可知，相较于R的取代基为-COOH，R的取代基为-CHO时，较容易形成NH3R+，对应的添加剂可以更好的吸附在金属层上。因此，在形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差(nm)更大，即通过R的取代基为-CHO的研磨混合溶液进行化学机械研磨所形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差大于通过R的取代基为-COOH的研磨混合溶液进行化学机械研磨所形成的介质-金属复合结构中的金属层的上表面与介质层的上表面的高度差。
在本公开示例性的实施例中，提供了一种根据本公开示例性的实施例所提供的半导体结构的制备方法所制备的半导体结构。
半导体结构包括介质-金属复合结构，介质-金属复合结构的介质层的上表面不高于金属层的上表面。
在一些示例性的实施例中，金属层的上表面与介质层的上表面的高度差为0-50nm。
在一些示例性的实施例中，介质层包括氧化物；金属层包括金属钨。
本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
可以理解的是，本公开所使用的术语“第一”、“第二”等可在本公开中用于描述各种结构，但这些结构不受这些术语的限制。这些术语仅用于将第一个结构与另一个结构区分。
在一个或多个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的多个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的结构。在下文中描述了本公开的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本公开。但正如本领域技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本公开。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (19)

1.一种半导体结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供介质层和金属层，形成介质-金属的复合结构，所述介质层中形成有至少一个开口，所述金属层填充所述开口并覆盖所述介质层的表面；
提供研磨混合溶液，所述研磨混合溶液包括带正电荷的研磨颗粒；
采用所述研磨混合溶液对所述介质-金属的复合结构执行化学机械研磨处理，以露出所述介质层的上表面并且使得所述介质层的上表面不高于所述金属层的上表面。
2.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述化学机械研磨处理中，对所述介质层和对所述金属层的去除选择比为1:0.1～1:10。
3.根据权利要求2所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述介质层的去除速率为0.1～5nm/s，所述金属层的去除速率为1～50nm/s。
4.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨混合溶液的流量为25-500ml/min。
5.根据权利要求1所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述金属层的上表面与所述介质层的上表面的高度差为0-50nm。
6.根据权利要求1-5任一所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨混合溶液包括：
研磨液，所述研磨液的pH≦3；
添加剂，所述添加剂包括至少一种如式1所示的化合物；
X-HaRb(式1)；
其中，X为VA族元素，a为0、1或2，b为1、2或3，a+b＝3，R选自碳原子数为1-10的取代或未取代烷基、碳原子数为2-10的取代或未取代烯基、碳原子数为3-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代芳基。
7.根据权利要求6所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨液的pH≦2.5。
8.根据权利要求6所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，以所述研磨混合溶液为基准，所述添加剂的质量百分比浓度为0.5％～10％。
9.根据权利要求8所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，以所述研磨混合溶液为基准，所述添加剂的质量百分比浓度为1％～5％。
10.根据权利要求6所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨混合溶液还包括氧化剂，以所述研磨混合溶液为基准，所述氧化剂的质量百分比浓度为0.5％～5％。
11.根据权利要求6所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述添加剂选自PH2-R、PHR2、PR3、NH2-R、NHR2和NR3中的至少一种，其中R选自碳原子数为5-10的取代或未取代烷基、碳原子数为5-10的取代或未取代烯基、碳原子数为5-10的取代或未取代环烷基、或者碳原子数为6-10的取代或未取代苯基。
12.根据权利要求11所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，R中的取代基选自卤素基团、氰基、醛基和羧基中的至少一种。
13.根据权利要求6所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨液包括研磨颗粒和去离子水；其中：
以所述研磨混合溶液为基准，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为1％～15％。
14.根据权利要求13所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨液还包括辅助剂，以所述研磨混合溶液为基准，所述辅助剂的质量百分比浓度不大于3％；所述辅助剂包括pH调节剂、分散剂和杀菌剂中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨颗粒的zeta电位为15～50mV。
16.根据权利要求13所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨颗粒的平均粒径为20～200nm。
17.根据权利要求13所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述研磨颗粒包括二氧化硅和二氧化铈中的至少一种。
18.根据权利要求1-5任一所述的半导体结构的制备方法，其特征在于，所述介质层包括氧化物；所述金属层包括金属钨。
19.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构由权利要求1-18任一项所述的方法制备得到。
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