用于化学机械抛光和清洗的系统和方法.pdf

本发明提供了一种制造半导体器件的方法。该方法包括：提供半导体结构，该半导体结构包括形成为填充两个相邻的层间电介质(ILD)区之间的沟槽的金属栅极(MG)层；使用CMP系统实施化学机械抛光(CMP)工艺以平坦化MG层和ILD区；以及使用包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶液清洗平坦化的MG层。MG层形成在ILD区上。本发明涉及用于化学机械抛光和清洗的系统和方法。

权利要求书1.  一种制造半导体器件的方法，所述方法包括： 提供包括形成为填充两个相邻的层间电介质(ILD)区之间的沟槽的金 属栅极(MG)层的半导体结构，所述MG层形成在所述ILD区上； 使用CMP系统实施化学机械抛光(CMP)工艺以平坦化所述MG层 和所述ILD区；以及 使用包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶 液清洗平坦化的所述MG层。 2.  根据权利要求1所述的方法，还包括： 在清洗平坦化的所述MG层的同时，在所述MG层上形成金属氧化物 层。 3.  根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述O3/DIW溶液清洗平 坦化的所述MG层包括通过-CH2+3O3→CO2+3O2+3H2O的反应从CMP浆中 去除有机残留物，所述有机残留物包括官能团-CH2。 4.  根据权利要求1所述的方法，其中，通过连接至所述CMP系统的 抛光单元的O3/DIW生成器生成所述O3/DIW溶液，并且其中，清洗平坦化 的所述MG层包括使用磨光垫和所述抛光单元中的所述O3/DIW溶液来磨 光所述半导体结构的表面，所述抛光单元包括连接至所述O3/DIW生成器 以向所述磨光垫供给所述O3/DIW溶液的管道。 5.  根据权利要求1所述的方法，其中，O3/DIW生成器连接至所述CMP 系统的清洗单元以供给所述O3/DIW溶液。 6.  根据权利要求5所述的方法，其中，所述清洗单元包括连接至所述 O3/DIW生成器的水槽，并且其中，清洗平坦化的所述MG层包括在进一步 连接至兆声波生成器的所述水槽中清洗所述半导体结构的表面，所述兆声 波生成器配置成向包含在所述水槽中的所述O3/DIW溶液提供振荡。 7.  根据权利要求5所述的方法，其中，所述清洗单元包括连接至所述 O3/DIW生成器的喷嘴，并且其中，清洗平坦化的所述MG层包括使用进一 步连接至兆声波生成器的所述喷嘴清洗所述半导体结构的表面，所述兆声 波生成器配置成向所述O3/DIW溶液提供振荡以形成将从所述喷嘴喷射至 所述半导体结构的表面的O3/DIW雾。 8.  根据权利要求5所述的方法，其中，所述清洗单元包括： 刷子，配置成刷洗所述半导体结构的表面；以及 喷嘴，连接至所述O3/DIW生成器， 其中，清洗平坦化的所述MG层包括使用所述刷子和从所述喷嘴喷射 的所述O3/DIW溶液刷洗所述半导体结构的表面。 9.  一种化学机械抛光(CMP)系统，所述CMP系统包括： O3/DIW生成器，配置成产生包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气 体(O3)的O3/DIW溶液； 抛光单元，包括用于平坦化和磨光半导体结构的表面的组件，所述抛 光单元包括管道，所述管道连接至所述O3/DIW生成器以提供用于磨光的 所述O3/DIW溶液；以及 清洗单元，连接至所述O3/DIW生成器并且配置成使用所述O3/DIW溶 液清洗所述半导体结构的平坦化的所述表面。 10.  一种半导体器件，包括： 多个层间电介质(ILD)区； 金属栅极(MG)层，配置成填充两个相邻的ILD区之间的沟槽； 氧化物层，形成在所述MG层上；以及 蚀刻停止层(ESL)，沉积在所述氧化物层上， 其中，所述MG层和所述ILD区具有共平面的顶面， 其中，使用包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW 溶液清洗所述共平面的顶面，以及 其中，通过使用所述O3/DIW溶液氧化所述MG层中的金属形成所述 氧化物层。

说明书用于化学机械抛光和清洗的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于化学机械抛光和清洗的系统和方法。
背景技术
半导体集成电路(IC)工业已经经历了快速发展。IC材料和设计中的 技术进步已经产生几代的IC，其中，每一代IC均比前一代IC具有更小和 更复杂的电路。然而，这些进步已经增加了处理和制造IC的复杂度，并且 为了实现这些进步，需要IC处理和制造中的类似发展。
在IC演变过程中，功能密度(即，在每一芯片面积内互连器件的数量) 通常已增大，但几何尺寸(即，通过使用制造工艺可以得到的最小部件或 线)却已降低。这种按比例缩小工艺通常通过提高生产效率和降低相关成 本而带来益处。这种按比例缩小工艺还产生了相对较高的功耗值，通过使 用诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的低功耗器件可以解决相对 较高的功耗值的问题。CMOS器件通常已经形成有栅极氧化物和多晶硅栅 电极。随着部件尺寸继续减小，希望使用高k栅极电介质和金属栅电极代 替栅极氧化物和多晶硅栅电极来提高器件性能。在金属集成的其他方案中， 可以涉及一些镶嵌处理的方式，其中，在电介质内蚀刻图案，然后通过毯 式沉积(例如，通过化学气相沉积(CVD))到晶圆表面上以金属层填充 图案。
化学机械抛光(CMP)已经成为实现亚微米先进半导体IC的局部或全 部晶圆平坦化的重要技术驱动因素。CMP工艺用于平坦化和去除电介质上 方的多余金属且用于产生平坦的半导体结构，其中，金属线或插塞、阻挡 金属、和暴露的电介质表面共平面。高度期望一种用于CMP和后清洗的改 进的方法和系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一 种制造半导体器件的方法，所述方法包括：提供包括形成为填充两个相邻 的层间电介质(ILD)区之间的沟槽的金属栅极(MG)层的半导体结构， 所述MG层形成在所述ILD区上；使用CMP系统实施化学机械抛光(CMP) 工艺以平坦化所述MG层和所述ILD区；以及使用包括溶解在去离子水 (DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶液清洗平坦化的所述MG层。
在上述方法中，还包括：在清洗平坦化的所述MG层的同时，在所述 MG层上形成金属氧化物层。
在上述方法中，使用所述O3/DIW溶液清洗平坦化的所述MG层包括 通过-CH2+3O3→CO2+3O2+3H2O的反应从CMP浆中去除有机残留物，所述 有机残留物包括官能团-CH2。
在上述方法中，通过连接至所述CMP系统的抛光单元的O3/DIW生成 器生成所述O3/DIW溶液，并且其中，清洗平坦化的所述MG层包括使用 磨光垫和所述抛光单元中的所述O3/DIW溶液来磨光所述半导体结构的表 面，所述抛光单元包括连接至所述O3/DIW生成器以向所述磨光垫供给所 述O3/DIW溶液的管道。
在上述方法中，O3/DIW生成器连接至所述CMP系统的清洗单元以供 给所述O3/DIW溶液。
在上述方法中，所述清洗单元包括连接至所述O3/DIW生成器的水槽， 并且其中，清洗平坦化的所述MG层包括在进一步连接至兆声波生成器的 所述水槽中清洗所述半导体结构的表面，所述兆声波生成器配置成向包含 在所述水槽中的所述O3/DIW溶液提供振荡。
在上述方法中，所述清洗单元包括连接至所述O3/DIW生成器的喷嘴， 并且其中，清洗平坦化的所述MG层包括使用进一步连接至兆声波生成器 的所述喷嘴清洗所述半导体结构的表面，所述兆声波生成器配置成向所述 O3/DIW溶液提供振荡以形成将从所述喷嘴喷射至所述半导体结构的表面 的O3/DIW雾。
在上述方法中，所述清洗单元包括：刷子，配置成刷洗所述半导体结 构的表面；以及喷嘴，连接至所述O3/DIW生成器，其中，清洗平坦化的 所述MG层包括使用所述刷子和从所述喷嘴喷射的所述O3/DIW溶液刷洗 所述半导体结构的表面。
在上述方法中，清洗平坦化的所述MG层包括：使用磨光垫和抛光单 元中的所述O3/DIW溶液磨光所述半导体结构的表面，所述抛光单元包括 管道，所述管道连接至配置成向所述磨光垫供给所述O3/DIW溶液的 O3/DIW生成器；以及在连接至兆声波生成器的水槽中清洗所述半导体结构 的表面，所述兆声波生成器配置成向包含在所述水槽中的所述O3/DIW溶 液提供振荡，所述水槽连接至配置成向所述水槽供给所述O3/DIW溶液的 所述O3/DIW生成器。
在上述方法中，清洗平坦化的所述MG层包括：使用磨光垫和抛光单 元中的所述O3/DIW溶液磨光所述半导体结构的表面，所述抛光单元包括 管道，所述管道连接至配置成向所述磨光垫供给所述O3/DIW溶液的 O3/DIW生成器；以及使用连接至兆声波生成器的喷嘴清洗所述半导体结构 的表面，所述兆声波生成器配置成向所述O3/DIW溶液提供振荡以形成将 从所述喷嘴喷射至所述半导体结构的表面的O3/DIW雾，所述喷嘴连接至 所述O3/DIW生成器。
在上述方法中，清洗平坦化的所述MG层包括：使用磨光垫和抛光单 元中的所述O3/DIW溶液磨光所述半导体结构的表面，所述抛光单元包括 管道，所述管道连接至配置成向所述磨光垫供给所述O3/DIW溶液的 O3/DIW生成器；以及使用刷子和从喷嘴喷射的所述O3/DIW溶液来刷洗所 述半导体结构的表面，所述喷嘴连接至所述O3/DIW生成器。
在上述方法中，所述O3/DIW溶液的pH值介于约4至约9的范围内。
在上述方法中，溶解在所述O3/DIW溶液中的O3的浓度介于约5ppm 至约70ppm的范围内。
在上述方法中，还包括：干燥清洗的所述半导体结构；在所述ILD区 和所述MG层上方沉积蚀刻停止层(ESL)；以及形成穿过所述ESL和所 述ILD区的接触孔。
根据本发明的另一方面，还提供了一种化学机械抛光(CMP)系统， 所述CMP系统包括：O3/DIW生成器，配置成产生包括溶解在去离子水 (DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶液；抛光单元，包括用于平坦 化和磨光半导体结构的表面的组件，所述抛光单元包括管道，所述管道连 接至所述O3/DIW生成器以提供用于磨光的所述O3/DIW溶液；以及清洗单 元，连接至所述O3/DIW生成器并且配置成使用所述O3/DIW溶液清洗所述 半导体结构的平坦化的所述表面。
在上述CMP系统中，所述清洗单元包括连接至所述O3/DIW生成器并 且配置成向所述半导体结构供给所述O3/DIW溶液的喷嘴。
在上述CMP系统中，所述清洗单元包括配置成当所述喷嘴向所述半导 体结构喷射所述O3/DIW溶液时刷洗所述半导体结构的表面的刷子。
在上述CMP系统中，所述喷嘴连接至兆声波生成器，所述兆声波生成 器配置成向由所述O3/DIW生成器供给的所述O3/DIW溶液提供振荡以形成 要从所述喷嘴喷射至所述半导体结构的O3/DIW雾。
在上述CMP系统中，所述清洗单元包括连接至兆声波生成器和所述 O3/DIW生成器的水槽，所述兆声波生成器配置成向包含在所述水槽中的所 述O3/DIW溶液提供振荡。
根据本发明的又一方面，还提供了一种半导体器件，包括：多个层间 电介质(ILD)区；金属栅极(MG)层，配置成填充两个相邻的ILD区之 间的沟槽；氧化物层，形成在所述MG层上；以及蚀刻停止层(ESL)， 沉积在所述氧化物层上，其中，所述MG层和所述ILD区具有共平面的顶 面，其中，使用包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW 溶液清洗所述共平面的顶面，以及其中，通过使用所述O3/DIW溶液氧化 所述MG层中的金属形成所述氧化物层。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明 的各方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，没有按比例绘制各种 部件。实际上，为了清楚地讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。
图1是用于实施本发明的一个或多个实施例的化学机械抛光(CMP) 系统的框图。
图2是示出根据本发明的各个方面的使用图1的CMP系统制造半导体 器件的方法的流程图。
图3、图4A至图4B、图5、图6A至图6B、图7、图8A至图8B、图 9A至图9B和图10A至图10B是根据图1的方法的处于各个制造阶段的半 导体器件的各个实施例的截面图。
图8C至图8D是使用H2O2或O3(O3溶解在DIW中)作为清洗工艺 和/或磨光工艺中的清洗溶液所清洗的半导体结构的表面的X射线光电子 光谱(XPS)结果。
具体实施方式
应该理解，以下公开提供了多种用于实现本发明的不同特征的不同实 施例或实例。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这 些仅是实例并且不旨在限制本发明。此外，在以下描述中，在第二部件上 方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成 的实施例，也可以包括其他部件可以形成在第一部件和第二部件之间使得 第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简单和清楚，可以按照不 同比例任意绘制各种部件。此外，尽管本发明提供了可用于“后栅极”金 属栅极工艺中的实例，但是本领域普通技术人员可认识到，将本发明应用 于制造栅极结构的其他工艺，和/或在栅极结构中使用其他材料。
图1是用于实施本发明的一个或多个实施例的化学机械抛光(CMP) 系统100的框图。如图1所示，CMP系统100包括抛光单元102和清洗单 元104。抛光单元102和清洗单元104可连接至计算机110以控制抛光单 元102和/或清洗单元104实施可编程工艺。抛光单元102和清洗单元104 也可连接至臭氧(O3)/去离子水(DIW)生成器112，该生成器112配置 成生成O3/DIW且将O3/DIW提供给抛光单元102和清洗单元104。尽管未 示出，但是在一些实施例中，CMP系统100还可包括干燥单元和一个或多 个机械手，干燥单元配置成干燥包括半导体结构的清洗后的晶圆，一个或 多个机械手配置成同时或分别将一个或多个晶圆转移到CMP系统内并对 其进行处理或从CMP系统转移出一个或多个晶圆并对其进行处理，以及在 CMP系统的不同单元之间进行转移和处理。
抛光单元102可包括用于平坦化晶圆中的金属层和/或介电层的组件， 诸如，配置成抛光和磨光晶圆的表面的一个或多个抛光垫。抛光单元102 还可包括一个或多个抛光头、抛光浆供应机构、水供应机构、晶圆加载机 构、和其他必要的组件。在一些实施例中，CMP浆可悬浮在诸如氢氧化钾 或氢氧化铵的温和蚀刻剂中。CMP浆可包括硝酸铁、过氧化氢、碘酸钾、 氨、二氧化硅、氧化铝、和/或其他适用的浆材料。在一些实施例中，CMP 浆还包括配置成在CMP工艺之后提供更好的形貌的有机添加剂。CMP浆 中的有机添加剂还可提高抛光的晶圆表面的抗腐蚀性能。在一些实施例中， 抛光单元102还可包括用于在使用CMP浆抛光之后磨光晶圆的表面的组 件。
清洗单元104可包括一个或多个模块，诸如，非接触模块106和接触 模块108。在一些实施例中，非接触模块106可包括能够使用兆声波能量 在水槽中清洗晶圆的表面的兆声波清洗器。非接触模块106还可包括喷嘴， 其具有连接至喷嘴的兆声波生成器。在一些实施例中，接触模块108可包 括配置成接触晶圆的表面和清洗晶圆的表面上的浆残留物的聚乙烯醇 (PVA)洗刷器(brush scrubbers)。将在本发明的下文中详细地讨论非接 触模块106和接触模块108。
计算机110包括处理器、存储器、和输入/输出端，借助它们，实施本 发明的下文中讨论的步骤和操作。计算机110可分布在各个位置，并且可 物理地整个或部分地包含在CMP系统100或不同的设备中。计算机文件可 包括CMP数据，诸如，CMP系统历史数据、清洗历史数据、计量工具数 据、和统计过程控制(SPC)数据。CMP数据可存储在计算机110上的计 算机可读介质中。计算机可读介质的一些常见形式包括，例如，软盘、可 折叠磁盘、硬盘、磁带、任意其他磁性介质、CD-ROM、任意其他光学介 质、打孔卡、纸带、具有孔图案的任意其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、 FLASH-EPROM、任意其他存储芯片或磁带盒、载波、或适于计算机从中 读取的任意其他介质。计算机110可控制抛光单元102和清洗单元104以 在CMP工艺期间实施一个或多个可编程操作。
O3/DIW生成器112可生成O3且使用任意合适的技术将生成的O3溶解 在DIW内以形成O3/DIW溶液。在一些实施例中，溶解在O3/DIW溶液中 的O3的浓度可介于约5ppm至约70ppm的范围内。O3/DIW溶液可提供给 包含在抛光单元102中的磨光模块103，诸如一个或多个连接至磨光垫的 管道。O3/DIW还可提供给清洗单元104的非接触模块106和/或清洗单元 104的接触模块108。在一些实施例中，O3/DIW生成器112可包括O3气体 生成器，该生成器提供将被溶解在DIW内的O3气体。溶解工艺可包括使 O3气体在一个或多个纤维膜内流动，以及将一个或多个纤维膜浸没在DIW 中，使得O3气体可从纤维膜内部扩散至外部以溶解在DIW内。
图2是根据本发明的各个方面的使用CMP系统100制造半导体器件的 方法200的流程图。应该理解，在图2的方法200之前、期间和之后可提 供额外的工艺，并且可以在本文中简洁地描述一些其他工艺。图3、图4A 至图4B、图5、图6A至图6B、图7、图8A至图8B、图9A至图9B和图 10A至图10B是根据图2的方法200的处于各种制造阶段的半导体结构300 的各种实施例的截面图。应该注意，半导体结构300可形成为半导体器件 的一部分且可通过CMOS工艺流程进行制造。在一些实施例中，半导体结 构300形成在衬底的上部中。在一些实施例中，半导体结构300包含在形 成在衬底上方的层中。例如，半导体结构300可形成在包括多层互连(MLI) 结构和与MLI结构集成的层间电介质(ILD)的半导体器件的层中。
参照图2和图3，方法200开始于步骤202，其中，提供包括金属栅极 (MG)层308的半导体结构300。如图3所示，半导体结构300包括设置 在衬底(未示出)上方的层间电介质(ILD)302。在一些实施例中，ILD 302 包含在半导体器件的衬底(未示出)中。在一些实施例中，衬底可为硅晶 圆。衬底还可包括诸如锗的另一元素半导体、包括碳化硅、砷化镓、磷化 镓、磷化铟、砷化铟、和/或锑化铟的化合物半导体、或包括SiGe、GaAsP、 AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、和/或GaInAsP的合金半导体。在一些 可选实施例中，衬底包括绝缘体上半导体(SOI)。在一些实施例中，半导 体衬底300还可包括形成在衬底上方的介电层。介电层可包括氧化硅。在 一些实例中，介电层可额外地或可选地包括氮化硅、氮氧化硅、或其他合 适的介电材料。在一些实施例中，ILD 302可包括氧化硅、氮氧化物或其他 合适的材料。ILD 302可包括单层或多层。可通过诸如CVD、ALD、和旋 转技术的合适技术形成ILD层。
如图3所示，沟槽306可形成在两个相邻ILD 302之间，并且间隔件 304可形成在沟槽306的壁上。然后，金属栅极(MG)层308可沉积在衬 底上以填充沟槽306。在一些实施例中，多余的MG层可沉积在ILD 302 上。MG层308可包括通过CVD、物理汽相沉积(PVD)、电化学镀(ECP)、 或其他合适的工艺沉积的铝(Al)、钨(W)、铜(Cu)、或其他合适的 金属材料。然后，通过CMP工艺可去除多余的金属以产生如本发明的下文 中所讨论的半导体结构的平坦表面。
在一些实施例中，可在后栅极工艺(也称为替换多晶硅栅极工艺)中 制造半导体结构300。在后栅极工艺中，可首先形成伪电介质和伪多晶硅 栅极结构，然后进行标准的CMOS工艺流程直到沉积层间电介质(ILD)。 然后，可去除伪电介质和伪多晶硅栅极结构且用高k栅极电介质/金属栅极 结构替换伪电介质和伪多晶硅栅极结构。
参照图2和图4A至图4B，方法200进行至步骤204，其中，使用抛 光单元102实施化学机械抛光(CMP)工艺以使MG层308的表面变平。 如图4A所示，在一些实施例中，对金属层308、ILD 302和间隔件304实 施CMP工艺以去除多余的金属(例如，沟槽306外部的金属)，从而暴露 金属层308、间隔件304和ILD 302的顶面并且使金属层308、间隔件304 和ILD 302的顶面基本上共平面。常见的CMP处理可包括将包括半导体结 构的晶圆安装在旋转托架上并且将晶圆降至在相反方向上旋转的垫或转台 头表面上。然后，可将诸如氢氧化钾或氢氧化铵的悬浮在温和蚀刻剂中的 CMP浆应用至抛光垫。常见的CMP浆可用于CMP工艺，诸如包括硝酸铁、 过氧化氢、碘酸钾、氨、二氧化硅、和/或氧化铝的浆，但是，其他浆材料 也可使用。旋转晶圆面朝下被压在旋转抛光垫上并且浆通过垫被压在晶圆 的表面上。组合的化学和物理效果从晶圆表面去除了一些部件。常见的CMP 处理包括：(1)包括氢氧离子侵蚀氧化硅的化学作用、导致表面软化和化 学溶解、以及氧化剂增强金属溶解；以及(2)包括抛光旋转和压力的机械 作用。
参照图4A，在一些实施例中，因为CMP浆可包括有机添加剂以提高 抗腐蚀性能，CMP工艺之后，来自CMP浆的阻蚀剂310可以单层形式或 聚集体形式仍保留在抛光的表面上。在一些实施例中，MG层308的表面 上残留的阻蚀剂310可降低抛光的MG层和后续的沉积膜(诸如，将被沉 积在MG层308上方的蚀刻停止层(ESL))之间的界面粘附。例如，在 高温下的后续的膜沉积工艺期间，残留的阻蚀剂310可被蒸发掉，这样可 导致膜剥离问题。通过随后的化学工艺，诸如用于硅化物工艺的选择性开 沟，残留的阻蚀剂310还可导致不期望的金属腐蚀。
参照图4B，在CMP工艺之后的一些实施例中，ILD 302上的金属残留 物在随后的工艺中可提供化学侵蚀路径。例如，蚀刻以形成接触孔/通孔之 后，可沉积镍(Ni)晶种层，并且可实施硅化物工艺以形成作为密封层的 镍硅化物(NiSi2)层。然后，诸如H2SO4的选择性蚀刻溶液可用于清洗多 余的镍(Ni)。由于在ILD 302上留有金属残留物312，所以，酸溶液可通 过与金属残留物312反应而穿过化学侵蚀路径损害MG层308。
参照图2和图5，方法200进行至步骤206，其中，使用抛光单元102 磨光半导体结构300的表面。在一些实施例中，为了去除残留的阻蚀剂310 和金属残留物312，O3/DIW生成器112可连接至抛光单元102。在一些实 施例中，抛光单元102可包括一个或多个管道，管道配置成向抛光垫供给 CMP浆以在步骤204中实施抛光工艺。在一些实施例中，抛光单元102中 的一个或多个管道可连接至O3/DIW生成器112且被配置成向磨光垫供给 包括O3/DIW溶液的磨光溶液以磨光半导体结构300的表面。例如，如图5 所示，磨光模块103的一个管道314可连接至O3/DIW生成器112以在磨 光工艺期间向相应的磨光垫提供O3/DIW溶液。
参照图2、图6A至图6B和图7，方法200进行至步骤208，其中，在 步骤206中的磨光工艺之后使用O3/DIW溶液清洗MG层308和ILD 302 的表面。在一些实施例中，清洗工艺可包括刷洗、兆声波清洗和/或旋转- 冲洗循环。在清洗工艺期间，O3/DIW溶液被提供给清洗单元104以去除本 发明中之前讨论的残留的阻蚀剂310和金属残留物312。
图6A至图6B是使用非接触模块106清洗半导体结构的磨光表面的示 例性实施例。在图6A所示的一些实施例中，清洗单元104的非接触模块 106可包括水槽316，水槽316连接至兆声波生成器315以提供频率介于约 10Hz至约500MHz之间的振荡或脉动液体以清洗半导体结构的抛光的表 面。在一些实施例中，水槽316可连接至O3/DIW生成器112以接收O3/DIW 溶液。半导体结构300可浸没在包含在水槽316中的兆声波能量化的 O3/DIW浴液中。
参照图6B，在一些可选实施例中，清洗单元104的非接触模块106可 包括喷嘴318，其连接至兆声波生成器315以提供将被喷射在半导体结构 300的表面上的振荡或脉动O3/DIW雾以实现清洗目的。可在介于约10Hz 至约500MHz之间的频率下产生O3/DIW雾。喷嘴318可连接至O3/DIW生 成器112以接收用于清洗的O3/DIW溶液。
图7是使用接触模块108清洗半导体结构的抛光的表面的示例性实施 例。在一些实施例中，接触模块108可包括刷子321，以刷洗半导体结构 的表面。可从喷嘴320喷出清洗溶液，同时刷子321旋转以刷洗掉来自抛 光工艺的残留物。常见的洗刷机可包括一个或多个旋转的圆柱刷(例如， 图7中的刷子321)，其接触且刷洗浆残留物、颗粒、和来自半导体结构 表面的其他污染物。双面洗刷机可使用两个旋转圆柱刷同时刷洗晶圆的顶 面和底面。每个晶圆可平坦地放置在传送机构上，该传送机构将晶圆移动 到刷子中和之间。当正在刷洗晶圆的表面时，传送机构、滚轮、和刷子可 水平地或垂直地支撑和保持晶圆。一个或多个滚轮可啮合半导体晶圆的边 缘以旋转晶圆，同时通过刷子刷洗晶圆的一个或两个表面。在一些实施例 中，喷嘴320可连接至O3/DIW生成器112以接收将被喷射至晶圆的表面 上的O3/DIW溶液，同时使用接触模块108以实现清洗目的。应当理解， 在步骤208中，在清洗工艺期间，可以任意合适的配置和顺序实施非接触 模块106和接触模块108的各个实施例。
如本发明的之前讨论，O3/DIW溶液在抛光和/或清洗工艺期间可去除 残留的阻蚀剂310和金属残留物312。溶解在O3/DIW溶液中的O3可与残 留的阻蚀剂310中的官能团(例如，官能团-CH2)反应，如化学式(1)所 示：
-CH2+3O3→CO2+3O2+3H2O  (1)
由O3/DIW生成器112产生并且提供给抛光单元102和清洗单元104 的O3/DIW溶液的溶液中的O3浓度可介于约5ppm至约70ppm的范围内。 提供给抛光单元102和/或清洗单元104的O3/DIW溶液的温度可介于约 15℃至约60℃的范围内。O3/DIW溶液的pH值可介于约4至约9的范围内。 在一些实例中，O3/DIW溶液的pH值可被调整至约6，使得MG层中的金 属能够在MG层表面上形成稳定的氧化物涂层。O3/DIW溶液可通过抛光单 元102和/或清洗单元104应用至半导体结构300并且持续介于约5秒至约 240秒的时间段。在一些实施例中，连接至抛光单元102和清洗单元104 的计算机110可通过使用一个或多个可编程应用来控制O3/DIW溶液的浓 度、流速、温度和/或pH值。
参照图8A至图8B，在一些实例中，当使用具有介于约4至约9的范 围内的pH值的O3/DIW溶液对半导体结构300的表面实施抛光工艺和/或 清洗工艺时，MG层中的铝(Al)可在MG层308的表面上形成氧化铝(Al2O3) 层322以防止MG层308在随后工艺中被腐蚀。在一些实施例中，本发明 中讨论的原位CMP工艺包括在使用O3/DIW溶液的磨光和/或清洗工艺期间 同时形成Al2O3层322。在一些实施例中，在使用O3/DIW溶液的磨光或清 洗工艺期间形成的Al2O3层322可具有介于约至约的范围内的 厚度，该厚度可厚于通过将Al金属暴露于空气中形成的天然Al2O3层的厚 度。此外，当使用O3/DIW溶液时形成的Al2O3层322的密度可大于天然 Al2O3层的密度。形成的Al2O3层322可增强MG层308和后续沉积层(诸 如，ESL层)之间的界面粘附。此外，如图8B所示，图4B中所示的ILD  302上的金属残留物312也可被氧化以形成阻挡化学侵蚀路径的Al2O3层 322，并且以防止随后工艺中的酸蚀刻化学物质损坏MG层308。
参照图8C至图8D，比较在磨光和/或清洗工艺中使用H2O2或O3(溶 解在DIW中的O3)作为清洗溶液清洗的半导体结构300的表面的X射线 光电子光谱(XPS)结果。在图8C中，碳(C1s)信号的强度可反映半导 体结构300的表面上的包括阻蚀剂310的有机残留物的量。图8C示出了使 用H2O2清洗的半导体结构300的表面的XPS结果中的碳(Cls)强度大于 使用O3/DIW溶液清洗的半导体结构300的表面的XPS结果中的碳(Cls) 强度，其反映了当使用O3/DIW溶液时改进了有机残留物的去除效果。此 外，当使用O3/DIW溶液清洗半导体结构300的表面更长时间(例如，120 秒)时，与清洗较短的时间段(例如，30秒)相比，碳(Cls)强度或有机 残留物的量降低了。图8C中示出的XPS结果说明了O3/DIW溶液是在CMP 工艺之后的磨光工艺和清洗工艺期间用于去除有机残留物的有效清洗溶 液。
参照图8D，氧(Ols)信号的强度可反映Al2O3的量，其与形成在MG 层308的表面上的Al2O3层的厚度相关。如图8D所示，使用O3/DIW溶液 清洗的半导体结构300的氧(Ols)信号的强度大于使用H2O2清洗的半导 体结构300的氧(Ols)信号的强度。此外，随着使用O3/DIW溶液清洗半 导体结构300的时间的延长，氧(Ols)信号的强度增大。图8D中示出的 XPS结果说明了O3/DIW溶液是在CMP工艺之后的磨光工艺和清洗工艺期 间在MG层上生长更厚的金属氧化物层的有效清洗溶液。
参照图2，在步骤208中的清洗工艺之后，方法200进行至步骤210， 其中，干燥半导体结构且将半导体结构转移出CMP系统用于以用于后续的 工艺。在清洗工艺之后的一些实施例中，可使用任意合适的干燥方法干燥 晶圆。例如，可在惰性气体环境中对晶圆实施真空烘焙。然后，可将干燥 的晶圆转移出CMP系统以供进一步的处理。
参照图2和图9A至图9B，方法200进行至步骤212，其中，在半导 体结构300的平坦化的表面上沉积蚀刻停止层(ESL)330。在一些实施例 中，ESL 330可包括氮化硅(Si4N3)。如本发明中之前所讨论，通过具有 在磨光工艺和/或清洗工艺中使用O3/DIW溶液形成的Al2O3层322可增强 MG层308和ESL 330之间的界面粘附。还可在ESL 330上进一步沉积另 一个ILD层332。可使用任意合适的技术(诸如，CVD、PVD、原子层沉 积(ALD)、或外延生长工艺)沉积ESL 330和ILD层332。
参照图2和图10A至图10B，方法200进行至步骤214，其中，实施 后续的蚀刻工艺以形成多层互连部件，诸如接触孔/通孔334。可形成穿过 ESL 330和ILD 302的接触孔/通孔334。在一些实施例中，蚀刻工艺可包 括任意合适的干蚀刻和/或湿蚀刻方法。应该理解，包括半导体结构300的 晶圆可经历进一步的处理以形成各种部件，诸如阻挡层、金属接触件、金 属塞等。在一些实施例中，MG层308可形成在半导体衬底上、或半导体 衬底上的介电层上。如图10A至图10B所示，使用O3/DIW溶液形成的Al2O3层322可提供ESL 330和MG层308之间的增强的界面粘附。此外，形成 的Al2O3层322可有效地防止MG层308在以下工艺中被酸蚀刻化学物质 损坏。
尽管不旨在限制，但是，本发明提供了CMP和清洗工艺的一个或多个 益处。例如，如化学式(1)所示，因为使用O3/DIW溶液磨光和清洗包括 半导体结构300的晶圆的副产物包括O2和H2O，所以，其为环保工艺。在 本发明中，未使用强氧化剂来去除有机残留物或氧化金属层。因此，多余 的痕量金属离子，诸如NaClO4、NaClO3、NaClO2、NaClO、KMnO4、K2Cr2O7中的碱离子或Fenton试剂中的Fe2+，不可能降低器件电性能。此外，通过 控制O3/DIW溶液中O3的浓度可调整MG层和/或ILD层的表面上的金属 的氧化效率，使得可获得最佳的处理时间以提高清洗效果和高产量。此外， 可将O3/DIW溶液的pH值控制为适合于MG层中的金属以在MG层表面上 形成稳定的氧化物涂层。可降低随后工艺中的腐蚀。
本发明提供了制造半导体器件的方法。该方法包括：提供包括形成为 填充两个相邻的层间电介质(ILD)区之间的沟槽的金属栅极(MG)层的 半导体结构；使用CMP系统实施化学机械抛光(CMP)工艺以平坦化MG 层和ILD区；以及使用包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3) 的O3/DIW溶液清洗平坦化的MG层。MG层形成在ILD区上。
在一些实施例中，该方法还包括在清洗平坦化的MG层的同时，在MG 层上形成金属氧化物层。
在一些实施例中，使用O3/DIW溶液清洗平坦化的MG层包括通过 -CH2+3O3→CO2+3O2+3H2O的反应从CMP浆去除有机残留物，有机残留物 包括官能团-CH2。
在一些实施例中，通过连接至CMP系统的抛光单元的O3/DIW生成器 产生O3/DIW溶液。在一些实施例中，清洗平坦化MG层包括使用磨光垫 和抛光单元中的O3/DIW溶液磨光半导体结构的表面。抛光单元包括连接 至O3/DIW生成器以向磨光垫提供O3/DIW溶液的管道。
在一些实施例中，O3/DIW生成器连接至CMP系统的清洗单元以供给 O3/DIW溶液。
在一些实施例中，清洗单元包括连接至O3/DIW生成器的水槽。在一 些实施例中，清洗平坦化的MG层包括在进一步连接至兆声波生成器的水 槽中清洗半导体结构的表面，其中，兆声波生成器配置成向包含在水槽中 的O3/DIW溶液提供振荡。
在一些实施例中，清洗单元包括连接至O3/DIW生成器的喷嘴。在一 些实施例中，清洗平坦化的MG层包括使用进一步连接至兆声波生成器的 喷嘴清洗半导体结构的表面，其中，兆声波生成器配置成向O3/DIW溶液 提供振荡以形成要从喷嘴喷射向半导体结构的表面的O3/DIW雾。
在一些实施例中，清洗单元包括配置成刷洗半导体结构的表面的刷子 以及连接至O3/DIW生成器的喷嘴。在一些实施例中，清洗平坦化的MG 层包括使用刷子和从喷嘴喷射的O3/DIW溶液刷洗半导体结构的表面。
在一些实施例中，清洗平坦化的MG层包括使用磨光垫和抛光单元中 的O3/DIW溶液磨光半导体结构的表面；以及在连接至兆声波生成器的水 槽中清洗半导体结构的表面，其中，兆声波生成器配置成向包含在水槽中 的O3/DIW溶液提供振荡。抛光单元包括管道，管道连接至配置成向磨光 垫供给O3/DIW溶液的O3/DIW生成器。水槽连接至配置成向水槽供给 O3/DIW溶液的O3/DIW生成器。
在一些实施例中，清洗平坦化的MG层包括使用磨光垫和抛光单元中 的O3/DIW溶液磨光半导体结构的表面、以及使用连接至兆声波生成器的 喷嘴清洗半导体结构的表面，其中，兆声波生成器配置成向O3/DIW溶液 提供振荡以形成要从喷嘴喷射向半导体结构的表面的O3/DIW雾。抛光单 元包括连接至配置成向磨光垫供给O3/DIW溶液的O3/DIW生成器的管道。 喷嘴连接至O3/DIW生成器。
在一些实施例中，清洗平坦化的MG层包括使用磨光垫和抛光单元中 的O3/DIW溶液磨光半导体结构的表面；以及使用刷子和从喷嘴喷射的 O3/DIW溶液刷洗半导体结构的表面。喷嘴连接至O3/DIW生成器。抛光单 元包括连接至配置成向磨光垫供给O3/DIW溶液的O3/DIW生成器的管道。
在一些实施例中，O3/DIW溶液的pH值介于约4至约9的范围内。溶 解在O3/DIW溶液中的O3的浓度介于约5ppm至约70ppm的范围内。
在一些实施例中，制造半导体器件的方法还包括干燥清洗的半导体结 构；在ILD区和MG层上方沉积蚀刻停止层(ESL)；以及形成穿过ESL 和ILD区的接触孔。
本发明还提供了一种化学机械抛光(CMP)系统。CMP系统包括配置 成产生包括溶解在去离子水(DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶液 的O3/DIW生成器；包括用于平坦化和磨光半导体器件的表面的组件的抛 光单元；以及连接至O3/DIW生成器且配置成使用O3/DIW溶液清洗半导体 结构的平坦化的表面的清洗单元。抛光单元包括连接至O3/DIW生成器以 提供用于磨光的O3/DIW溶液的管道。
在一些实施例中，清洗单元包括连接至O3/DIW生成器且配置成向半 导体结构供给O3/DIW溶液的喷嘴。清洗单元包括配置成当喷嘴向半导体 结构喷射O3/DIW溶液时刷洗半导体结构的表面的刷子。喷嘴连接至兆声 波生成器，该兆声波生成器配置成向由O3/DIW生成器提供的O3/DIW溶液 提供振荡，从而形成将从喷嘴喷射向半导体结构的O3/DIW雾。
在一些实施例中，清洗单元包括连接至兆声波生成器和O3/DIW生成 器的水槽。兆声波生成器配置成向包含在水槽中的O3/DIW溶液提提供振 荡。
本发明还公开了一种半导体器件，该半导体器件包括多个层间电介质 (ILD)区；配置成填充两个相邻的ILD区之间的沟槽的金属栅极(MG) 层；形成在MG层上的氧化物层；以及沉积在氧化物层上的蚀刻停止层 (ESL)。MG层和ILD区具有共平面的顶面。使用包括溶解在去离子水 (DIW)中的臭氧气体(O3)的O3/DIW溶液清洗共平面的顶面。通过使 用O3/DIW溶液氧化MG层中的金属来形成氧化物层。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域的普通技术人员可以更好 地理解本发明的各个方面。本领域的普通技术人员应该理解，可以很容易 地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相 同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域的普通技术人员也应该 意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发 明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、更换以及改变。