用于化学机械抛光和清洗的系统和方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 半导体集成电路（1C)工业已经经历了快速发展。1C材料和设计中的技术进步已 经产生几代的1C，其中，每一代1C均比前一代1C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1C的复杂度，并且为了实现这些进步，需要1C处理和制造中的类 似发展。
[0003] 在1C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。
[0004] 化学机械抛光（CMP)已经成为实现亚微米先进半导体1C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】
[0005] 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（03)的03/0頂溶液清洗平坦化的所述MG层。
[0006] 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。
[0007] 在上述方法中，使用所述03/DIW溶液清洗平坦化的所述MG层包括通 过-CH2+303-CO2+302+3H20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-CH2〇
[0008] 在上述方法中，通过连接至所述CMP系统的抛光单元的03/DIW生成器生成所述03/ 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03/ 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03/DIW生成器以向 所述磨光垫供给所述o3/diw溶液的管道。
[0009] 在上述方法中，03/DIW生成器连接至所述CMP系统的清洗单元以供给所述03/DIW 溶液。
[0010] 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〇3/DIW溶液提供振荡。
[0011] 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〇3/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〇3/DIW雾。
[0012] 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，连接至所述〇3/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〇3/DIW溶液刷洗所述半导体结构的表面。
[0013] 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〇3/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〇3/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〇3/diw溶液的所述o3/diw生成 器。
[0014] 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〇3/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〇3/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〇3/diw雾，所述喷嘴连接至所述o3/diw生成 器。
[0015] 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〇3/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。
[0016] 在上述方法中，所述03/DIW溶液的pH值介于约4至约9的范围内。
[0017] 在上述方法中，溶解在所述03/DIW溶液中的03的浓度介于约5ppm至约70ppm的 范围内。
[0018] 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。
[0019] 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：03/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（03)的03/1)頂溶 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 接至所述〇3/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。
[0020] 在上述CMP系统中，所述清洗单元包括连接至所述03/DIW生成器并且配置成向所 述半导体结构供给所述〇3/DIW溶液的喷嘴。
[0021] 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。
[0022] 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 由所述〇3/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 导体结构的〇3/diw雾。
[0023] 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03/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〇3/diw溶液提供振荡。
[0024] 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（03)的03/0頂溶液清 洗所述共平面的顶面，以及其中，通过使用所述〇3/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】
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 图8C至图8D是使用H202或0 3(03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】
[0030] 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。
[0031] 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（