化学机械平坦化的方法与流程

本公开实施例涉及一种平坦化的方法，特别涉及一种化学机械平坦化的方法。

背景技术：

一般来说，半导体装置包括形成在基板上的主动构件，像是晶体管。可以在基板上方形成任意数量的内连线层，内连线层将主动构件彼此连接并与外部装置连接。内连线层通常由包括金属沟槽/导孔的低k介电材料制成。

当形成装置的层时，可以执行平坦化制程以对层平坦化，以利于形成后续的层。例如，在基板或金属层中形成金属特征可能会导致不平整的形貌(topography)。这种不平整的形貌可能会使得难以形成后续的层。例如，不平整的形貌可能会干扰通常用于在装置中形成各种特征的微影制程。因此，在形成各种特征或层之后，对装置的表面进行平坦化可能是有利的。

化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing，cmp)是集成电路形成中的常见的实务。通常，化学机械研磨用于半导体晶圆的平坦化。化学机械研磨利用物理力以及化学力的协同效应来研磨晶圆。通过在晶圆放置在研磨垫上的同时向晶圆背面施加负载力来执行此操作。研磨垫相对着晶圆放置。然后旋转研磨垫以及晶圆，同时使包含研磨料以及反应性化学品的浆料在这之间通过。化学机械研磨是实现晶圆整体平坦化的有效方法。

技术实现要素：

根据本公开的一些实施例，提供一种化学机械平坦化的方法，包括在基板上方形成膜层，增加膜层的表面粗糙度，以及在增加表面粗糙度之后，使用第一化学机械平坦化制程将膜层平坦化。

根据本公开的一些实施例，提供一种化学机械平坦化的方法，包括增加设置在基板上方的层的表面粗糙度；以及在增加表面粗糙度之后，执行第一化学机械平坦化制程以平坦化层，其中第一化学机械平坦化制程使用的第一浆料包括多个研磨颗粒，研磨颗粒的尺寸小于约35纳米。

根据本公开的一些实施例，提供一种化学机械平坦化的方法，包括在基板上方形成一层，处理层以增加层的表面粗糙度，以及在处理层之后，使用第一浆料执行第一化学机械平坦化制程，第一浆料包括多个纳米研磨颗粒。

附图说明

以下将配合附图详述本公开的实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，多种特征并未按照比例示出且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本公开的特征。

图1示出了根据一些实施例的化学机械平坦化设备的立体图。

图2示出了根据一些实施例的图1的化学机械平坦化设备的俯视图。

图3示出了根据一些实施例的研磨头的剖面图。

图4示出了根据一些实施例的经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程将膜层平坦化的方法。

图5示出了根据一些实施例的在制造的各个阶段的半导体装置的剖面图。

图6示出了根据一些实施例的在制造的各个阶段的半导体装置的剖面图。

图7示出了根据一些实施例的在制造的各个阶段的半导体装置的剖面图。

图8示出了根据一些实施例的经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程将膜层平坦化的方法。

图9示出了根据一些实施例的经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程将膜层平坦化的方法。

图10示出了根据一些实施例的在处理膜层以增加其表面粗糙度之前以及之后的膜层的表面轮廓。

图11a示出了根据一些实施例的化学机械平坦化制程中涉及的化学力以及机械力。

图11b示出了根据一些实施例的化学机械平坦化制程中涉及的化学力以及机械力。

图11c示出了根据一些实施例的化学机械平坦化制程中涉及的化学力以及机械力。

图12示出了根据一些实施例的用于制造半导体装置的方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100：化学机械平坦化设备

105：平台

115：研磨垫

120：研磨头

125：载具

127：固定环

130：垫调节器臂

135：垫调节器头

137：垫调节器

140：浆料分配器

150：浆料

200，220，230：点

215，225，235，237：双箭头

300：晶圆

305：最底层

307：上覆层

310：薄膜

410，420，430，810，820，830，910，920，930，1010，1020，1030：操作

500：半导体装置

501：基板

503：栅极介电层

504：间隔层

505：栅极电极

507，509：硬遮罩层

511：蚀刻停止层

513：膜层

513a，513b：子层

521：等离子体制程

550a，550b：栅极结构

611：膜层

613：纳米颗粒

710，720，730：曲线

具体实施方式

以下的公开提供各种许多不同的实施例或范例以实行本公开的不同特征。以下叙述各个构件以及排列方式的特定范例，以简化本公开。当然，这些仅为范例且非意图作为限制。例如，若说明书叙述了第一特征形成于第二特征上方或之上，即表示可包括上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可包括有额外的特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可未直接接触的实施例。除此之外，在各种范例中，本公开可能使用重复的标号及/或标示。这样的重复是为了简化以及清楚的目的，并不表示所讨论的各种实施例及/或配置之间的关联。

此外，空间相关用词，如：“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”等等的类似用词，可在这里使用以便于描述附图中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中示出的方位外，这些空间相关用词意图涵盖使用中或操作中的装置的不同方位。设备可被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，且在此使用的空间相关用词亦可依此相同解释。

描述了各种关于经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程将层平坦化的代表性实施例，特别是对层的表面进行处理以改善化学机械平坦化制程的蚀刻速率。在一些实施例中，对层的表面进行处理包括使用等离子体制程对层的表面进行处理。在另一些实施例中，对层的表面进行处理包括在使用纳米研磨浆料执行化学机械平坦化制程之前，使用高压稀释的纳米研磨浆料执行其他化学机械平坦化制程。在又一些实施例中，对层的表面进行处理包括执行湿式蚀刻制程或清洁制程。用于对层的表面进行处理的各种实施例方法增加了层的表面粗糙度，以改善化学机械平坦化制程的蚀刻速率。

化学机械平坦化(chemicalmechanicalplanarization，cmp)是一种将在制造半导体装置中产生的特征平坦化的方法。此制程一起使用在具有反应性的化学浆料中的研磨材料与研磨垫。研磨垫的直径通常大于半导体晶圆的直径。在化学机械平坦化制程期间将垫以及晶圆压在一起。此制程去除了材料并将不规则的形貌趋于平整，从而使晶圆变得平坦或实质上平面的。这将晶圆准备为用以形成额外的上覆电路元件。例如，化学机械平坦化可以让整个晶圆表面位在微影系统的给定景深内。典型的景深规格为例如埃(angstrom)等级。在一些实施例中，也可以采用化学机械平坦化以基于材料在晶圆上的位置来选择性地去除材料。

在化学机械平坦化制程中，将晶圆放置在载具头(carrierhead)(也称为载具)中，并在载具头中通过固定环将晶圆保持在适当的位置。然后，当向下的压力施加到晶圆以将晶圆压在研磨垫上时，载具头以及晶圆会进行旋转。将反应性化学溶液分配到研磨垫的接触表面上以帮助平坦化。晶圆的表面因此可以使用机械以及化学机制两者的组合而被平坦化。

图1示出了根据一些实施例的化学机械平坦化设备100的立体图。化学机械平坦化设备100包括平台105以及在平台105上方(例如，胶合到其上)的研磨垫115。在一些实施例中，研磨垫115包括材料的单层或复合层，例如毛毡(felt)、聚合物浸渍的毛毡(polymerimpregnatedfelt)、微孔聚合物膜层(microporouspolymerfilm)、微孔合成皮革、填充的聚合物膜层、未填充的纹理化聚合物膜层(unfilledtexturedpolymerfilm)、以及其组合等。代表性的聚合物包括聚氨酯(polyurethane)、聚烯烃(polyolefin)等。

如图1所示，研磨头120放置在研磨垫115上方。研磨头120包括载具125以及固定环127。固定环127使用机械紧固件(例如，螺丝等)或其他合适的附接方式装配到载具125。在代表性的化学机械平坦化制程中，工件(例如，半导体晶圆，未在图1中示出，但是随后在图3示出以及描述)放置在载具125内并且由固定环127保持。在一些实施例中，固定环127实质上是环形，并具有实质上空心的中心。工件放置在固定环127的中心，使得固定环127在化学机械平坦化制程期间将工件保持在适当位置。工件被定位使得待研磨的表面朝向研磨垫115的方向(例如，向下)。载具125被配置成施加向下的力或压力，促使工件与研磨垫115接触。研磨头120被配置成在化学机械平坦化制程期间，在研磨垫115上方旋转工件，从而给予机械研磨动作以影响工件的接触表面的平坦化或研磨。

在一些实施例中，化学机械平坦化设备100包括配置成将浆料150沉积到研磨垫115上的浆料分配器140。平台105配置成进行旋转，使浆料150经由固定环127中的多个凹槽分布在工件以及平台105之间。多个凹槽可以从固定环127的外侧壁延伸到固定环127的内侧壁。

浆料150的组成可以取决于要研磨或去除的材料的类型。例如，浆料150可包括反应物、研磨料、界面活性剂以及溶剂。反应物可以是例如氧化剂或水解剂之类的化学品，其与工件的材料发生化学反应以帮助研磨垫115研磨或去除材料。在其中要去除的材料包括例如钨的一些实施例中，反应物可以是例如过氧化氢、铬酸盐(cr2o7)、锰酸盐(mno4)、四氧化锇(oso4)。也可使用其他可配置成帮助去除材料的其他合适的反应物，例如可以替代地、结合地、或依顺序地采用羟胺(hydroxylamine)、过碘酸(periodicacid)、其他过碘酸盐(periodate)、碘酸盐(iodate)、过硫酸铵(ammoniumpersulfate)、过氧单硫酸盐(peroxomonosulfate)、过氧单硫酸(peroxymonosulfuricacid)、过硼酸盐(perborate)、丙二酰胺(malonamide)、相同组合等。在其他实施例中，其他反应物可以用于去除其他类型的材料。例如，在其中要去除的材料包括例如氧化物的实施例中，反应物可以包括例如硝酸(hno3)、氢氧化钾(koh)、氢氧化铵(nh4oh)、其组合等。

研磨料可以包括任何合适的颗粒，其结合研磨垫115的相对机械移动，而被配置成用来研磨或平坦化工件。在一些实施例中，研磨料包括胶体氧化铝(colloidalaluminumoxide)。在一些实施例中，研磨料包括氧化硅、氧化铝、氧化铈(ceriumoxide)、多晶钻石、聚合物颗粒(例如，聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)等)、其组合等。

界面活性剂可用于帮助将(一种或多种)反应物以及(一种或多种)研磨料分散在浆料150内，并且在化学机械平坦化制程期间防止(或减少)研磨料发生团聚(agglomeration)。在一些实施例中，界面活性剂可包括聚乙二醇(polyethyleneglycol，peg)、聚丙烯酸(polyacrylicacid)、聚丙烯酸的钠盐、油酸钾(potassiumoleate)、磺基琥珀酸酯(sulfosuccinate)、磺基琥珀酸酯衍生物、磺化胺(sulfonatedamine)、磺化酰胺(sulfonatedamide)、乙醇的硫酸盐(sulfatesofalcohol)、烷基戊基磺酸盐(alkylanylsulfonate)、羧化醇(carboxylatedalcohol)、烷基氨基丙酸(alkylaminopropionicacid)、烷基亚氨基二丙酸(alkyliminodipropionicacid)、其组合等。然而，这样的代表性实施例不旨在限制于所列举的界面活性剂。本领域技术人员将理解，可以替代地、结合地或依序地采用任何合适的界面活性剂。

在一些实施例中，浆料150包括溶剂，溶剂可用于结合(一种或多种)反应物、(一种或多种)研磨料以及(一种或多种)界面活性剂，并允许上述混合物移动并且分散到研磨垫115上。在一些实施例中，溶剂包括例如去离子水(deionizedwater，diw)、乙醇或其共沸混合物(azeotropicmixture)，然而，亦可替代地、结合地或依顺序地采用其他合适的(一种或多种)溶剂。

此外，如果需要，也可以添加其他添加剂以帮助控制或以其他方式优化化学机械平坦化制程。例如，可以添加腐蚀抑制剂以帮助控制腐蚀。在一些实施例中，腐蚀抑制剂可以是氨基酸，例如甘氨酸(glycine)。然而，可以使用任何合适的腐蚀抑制剂。

在另一个实施例中，将(一种或多种)螯合剂(chelatingagent)添加到浆料150中。螯合剂可以是例如乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraaceticacid，edta)、柠檬酸(c6h8o7)、草酸(c2h2o4)、其组合等的试剂。然而，可以使用任何合适的螯合剂。

在又一个实施例中，浆料150包括(一种或多种)酸碱值(ph)调节剂以控制浆料150的酸碱值。例如，像是盐酸(hcl)、硝酸(hno3)、磷酸(h3po4)、顺丁烯二酸(c2h2(cooh)2)、氢氧化钾(koh)、氢氧化铵(nh4oh)、其组合等的酸碱值调节剂可以被添加到浆料150中，以增加或降低浆料150的酸碱值。

此外，也可以添加其他添加剂以帮助控制以及管理化学机械平坦化制程。例如，也可以添加下压力增强剂(down-forceenhancer)(例如，有机化合物)、研磨速率抑制剂等。可以使用可能对研磨制程有用的任何合适的添加剂，并且所有这样的添加剂完全旨在包括在实施例的范围内。

在一些实施例中，化学机械平坦化设备100包括附接到垫调节器头135上的垫调节器137。垫调节器头135被配置为在研磨垫115上方旋转垫调节器137。使用机械紧固件(例如，螺丝等)或通过其他合适的附接方式将垫调节器137装配到垫调节器头135。垫调节器臂130附接到垫调节器头135，并且被配置成在横跨研磨垫115的区域以扫除运动的方式移动垫调节器头135以及垫调节器137。在一些实施例中，使用机械紧固件(例如，螺丝等)或通过其他合适的附接装置将垫调节器头135装配到垫调节器臂130。垫调节器137包括基板，研磨颗粒的阵列接合在基板上方。垫调节器137在化学机械平坦化处理期间从研磨垫115去除堆积的晶圆碎片(debris)以及多余的浆料150。在一些实施例中，垫调节器137也用作研磨垫115的研磨料，以对工件可研磨的部分更新或产生所需纹理(例如，凹槽等)。

如图1所示，化学机械平坦化设备100具有单个研磨头(例如120)以及单个研磨垫(例如115)。然而，在其他实施例中，化学机械平坦化设备100可以具有多个研磨头或多个研磨垫。在化学机械平坦化设备100具有多个研磨头以及单个研磨垫的一些实施例中，可以同时研磨多个工件(例如，半导体晶圆)。在化学机械平坦化设备100具有单个研磨头以及多个研磨垫的其他实施例中，化学机械平坦化制程可以包括具有多个步骤的制程。在这样的实施例中，第一研磨垫可用于从晶圆去除大块的材料，第二研磨垫可用于晶圆的整体平坦化，并且第三研磨垫可用于例如磨光(buff)晶圆的表面。在一些实施例中，在化学机械平坦化制程的不同阶段可以使用不同的浆料组合物。在其他实施例中，在所有化学机械平坦化阶段可以使用相同的浆料组合物。

图2示出了根据一些实施例的图1的化学机械平坦化设备100的俯视图(或平面图)。平台105(位于图2中的研磨垫115下方)被配置成由双箭头215指示的顺时针方向或逆时针方向，绕延伸通过设置于中心的点200的轴旋转，此点200是平台105的中心点。研磨头120被配置成由双箭头225指示的顺时针或逆时针方向，绕延伸通过设置于中心的点220的轴旋转，此点220是研磨头120的中心点。通过点200的轴平行于通过点220的轴。在所示的实施例中，通过点200的轴与通过点220的轴彼此隔开。垫调节器头135被配置成由双箭头235指示的顺时针或逆时针方向，绕延伸通过设置于中心的点230的轴旋转，此点230是垫调节器头135的中心点。通过点200的轴平行于通过点230的轴。垫调节器臂130被配置成在平台105的旋转期间以例如由双箭头237所指示的有效弧形来移动垫调节器头135。

图3示出了根据一些实施例的研磨头120的剖面图。载具125包括被配置为在化学机械平坦化制程期间与晶圆300相接的薄膜310。在一些实施例中，化学机械平坦化设备100包括耦接至研磨头120的真空系统，并且薄膜310被配置为使用例如真空抽吸来拾取晶圆300，并将晶圆300保持在薄膜310上。

在一些实施例中，晶圆300是半导体晶圆，包括例如半导体基板(例如，包括硅、三五族半导体材料等)、形成在半导体基板中或上的主动装置(例如，晶体管等)、以及各种内连线结构。代表性的内连线结构可以包括导电特征，导电特征将主动装置电性连接以形成功能电路。在各种实施例中，可以在制造的任何阶段期间将化学机械平坦化制程施加于晶圆300，以将特征平坦化或去除晶圆300的材料(例如，介电材料、半导体材料、导电材料等)。晶圆300可以包括上述特征的任何子集以及其他特征。

在图3的示例中，晶圆300包括(一个或多个)最底层305以及(一个或多个)上覆层307。最底层305在化学机械平坦化制程期间接受研磨/平坦化。在最底层305包括钨的一些实施例中，可以研磨最底层305以形成例如与晶圆300的各种主动装置进行接触的接触栓塞。在最底层305包括铜的实施例中，可以研磨最底层305以形成例如晶圆300的各种内连线结构。在最底层305包括介电材料的实施例中，可以研磨最底层305以在晶圆300上形成例如浅沟槽隔离(shallowtrenchisolation，sti)结构。

在一些实施例中，最底层305可具有在最底层305的沉积期间经历的制程变化而导致的不均匀的厚度(例如，展现出最底层305的暴露表面的局部或整体的形貌变化)。例如，在被平坦化的最底层305包括钨的实施例中，可以经由使用化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)制程将钨沉积到穿过介电层的开口中来形成最底层305。由于化学气相沉积制程的变化或其他下覆的结构，最底层305可具有不均匀的厚度。

在一些实施例中，可以使用椭圆仪(ellipsometry)、干涉仪(interferometry)、反射仪(reflectometry)、皮秒超声波(picosecondultrasonic)、原子力显微镜(atomicforcemicroscopy，afm)、扫描式穿隧显微镜(scanningtunnelingmicroscopy，stm)、扫描式电子显微镜(scanningelectronmicroscopy，sem)、穿透式电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy，tem)等测量最底层305的厚度轮廓。在一些实施例中，厚度测量设备(未图示)可以位在化学机械平坦化设备100的外部，并且可以在将晶圆300装载到化学机械平坦化设备100中之前测量或确定最底层305的厚度轮廓。在其他实施例中，厚度测量装置可以是化学机械平坦化设备100的一部分，并且可以在将晶圆300装载到化学机械平坦化设备100中之后测量或确定最底层305的厚度分布。

在测量之后，可以通过化学机械平坦化设备100平坦化最底层305。在特定实施例中，可以降低研磨头120，使得晶圆300的最底层305与研磨垫115实体接触。此外，也将浆料150引入到研磨垫115上，使得浆料150与最底层305的暴露的表面接触。例如，可由约100立方厘米/分钟(cc/min)至约500立方厘米/分钟之间的流速注入浆料150，例如约250立方厘米/分钟。因此可以使用机械力以及化学力的组合将晶圆300的表面(例如，最底层305)平坦化。

随着特征尺寸在先进的半导体制程节点中持续缩小，对晶圆300上各个层的平坦度的要求变得更加严格。在一些先进的技术节点中，化学机械平坦化制程的浆料中使用了纳米尺寸的研磨料。纳米尺寸的研磨料(也称为纳米颗粒或纳米研磨颗粒)的尺寸(例如直径)可以在例如约0.5纳米至约35纳米之间，例如在3纳米至约5纳米之间。使用纳米研磨颗粒的浆料也称为纳米研磨浆料。相反地，其他浆料中的研磨料的尺寸(例如，直径)可以大于35纳米，例如在约50纳米至约100纳米之间。

尽管使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程可以实现更好的平坦度，但是仍然存在许多挑战。例如，如果通过简单地将具有大尺寸的(例如，大于35纳米)研磨料的浆料替换为纳米研磨浆料来执行化学机械平坦化制程，则使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程的蚀刻速率(也称为去除速率)可能会非常慢，例如每分钟约小于200埃。由于需要长的化学机械平坦化制程时间，所以在制造中使用这种缓慢的蚀刻速率可能是不切实际的。本公开披露了各种实施例方法用于处理晶圆300的表面(例如，最底层305)上的层(也可以称为膜层)，以让使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程具有更快的蚀刻速率。

图4示出了一种经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程将膜层平坦化的方法。图5至图7示出了使用图4所示的方法在制造的各个阶段的半导体装置500的剖面图，其中图5、图6以及图7中的制程操作分别对应于图4中的制程操作410、420以及430。

参考图4，在操作410，沉积膜层。例如，参考图5，在栅极结构550(例如550a以及550b)上方形成膜层513，其中栅极结构550形成在基板501上方。膜层513可以是介电层，例如氧化物(例如，氧化硅)或氮化物(例如，氮化硅)。膜层513也可以是半导体材料，例如硅或多晶硅。在图5的示例中，膜层513包括两个子层，例如子层513a以及子层513b。在所示的实施例中，子层513a是例如通过流动式化学气相沉积(flowablechemicalvapordeposition，fcvd)制程形成的氧化硅层，并且子层513b是例如通过等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)制程形成的氧化硅层。在以上示例中，尽管子层513a以及513b两者都是氧化硅，但是不同的形成方法可以导致子层513a以及513b的物理特性(例如密度、硬度)不同。在其他实施例中，子层513a以及子层513b包括通过不同的形成方法形成的不同的材料(例如，分别为氧化物以及氮化物)。在其他实施例中，膜层513是包括通过相同制程操作形成的相同材料的单层。

参考图5，基板501可以是半导体基板，例如掺杂或未掺杂的硅，或者绝缘体上半导体(semiconductor-on-insulator，soi)基板的主动层。半导体基板可以包括其他半导体材料，例如锗、化合物半导体、合金半导体、或其组合。化合物半导体包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、氮化镓、磷化铟、砷化铟以及/或锑化铟。合金半导体包括硅锗(sige)、磷化镓砷(gaasp)、砷化铝铟(alinas)、砷化铝镓(algaas)、砷化镓铟(gainas)、磷化镓铟(gainp)以及/或磷化镓铟砷(gainasp)。也可以使用其他基板，例如多层或梯度基板。

每个栅极结构550包括栅极介电层503以及栅极电极505。尽管未在图5中示出，但是通常知识者可理解可以在基板501中并在栅极结构550的两侧上形成源极/漏极区。图5进一步示出了硬遮罩层，例如栅极电极505上方的第一硬遮罩层507(例如，氮化硅层)以及第二硬遮罩层509(例如，氧化硅层)。图5也示出了沿栅极结构550的侧壁形成的间隔层504(例如，氮化硅层)。此外，蚀刻停止层511形成在栅极结构550以及硬遮罩层(例如，507/509)上方，蚀刻停止层511由例如氮化物(例如，氮化硅、氮氧化硅或碳氮化硅)的合适材料形成。在图5的示例中，例如由于半导体装置500的设计规格，栅极结构550a的宽度小于栅极结构550b的宽度。当然，这是非限制性示例，栅极结构550a以及550b的宽度可以具有任何适当的关系，例如具有相同的宽度。

接下来，在图4的操作420中，使用等离子体制程来处理沉积的膜层。参考图6，通过等离子体制程521来处理膜层513。等离子体制程521增加了膜层513的表面粗糙度。特别是，增加了膜层513的上表面的表面粗糙度。在图6的示例中，膜层513具有两个子层513b以及513a，等离子体制程521增加了子层513b的表面粗糙度，而没有增加子层513a的表面粗糙度。

在一些实施例中，使用包括有机气体以及载气的气体源执行等离子体制程521。有机气体可以是合适的气体，例如烷烃、烯烃、炔烃等。载气可以是合适的气体，例如氦气(he)、氖气(ne)、氩气(ar)、氪气(kr)、氙气(xe)、氡气(rn)等。在其他实施例中，使用包括无机气体以及载气的气体源执行等离子体制程521，其中无机气体可以是例如氢气、氧气、氯气等，并且载气可以是例如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等。

在一些实施例中，有机气体(或无机气体)的流速与载气的流速之间的比值在0与大约0.5之间。等离子体制程的功率(例如，用于产生等离子体的射频源的功率)可以在大约500瓦至大约2000瓦之间，并且等离子体制程521的持续时间可以在大约5秒至大约300秒之间。例如，可以使用流速为每分钟8标准立方厘米(sccm)的丁烯(c4h8)有机气体以及流速为每分钟300标准立方厘米、功率为1300瓦的氩气载气执行持续时间约30秒的等离子体制程521。

在一些实施例中，在用于沉积膜层513的沉积腔室中执行等离子体制程521。换句话说，用于执行等离子体制程521的等离子体制程工具可以整合(例如，装配)在沉积腔室中，使得在沉积膜层513之后执行等离子体制程521，作为沉积之后的后处理(post-treatment)。在其他实施例中，在化学机械平坦化工具中执行等离子体制程521。换句话说，用于执行等离子体制程521的等离子体制程工具可以整合在化学机械平坦化工具中，以在化学机械平坦化制程之前执行等离子体制程521，而作为化学机械平坦化之前的前处理(pre-treatment)。在又一些实施例中，在单独的等离子体制程工具中执行等离子体制程521(例如，与化学机械平坦化工具以及沉积工具分开)，使得半导体装置500被移入单独的等离子体制程工具中以通过等离子体制程521进行处理。

等离子体制程521增加了膜层513的表面粗糙度。暂时参考图10，其示出了在处理膜层513之前以及之后的膜层513(的一部分)的表面轮廓。特别是，曲线710示出了刚沉积的膜层513的示例性表面轮廓(例如，在任何表面处理之前)，而曲线730示出了通过等离子体制程521处理后的膜层513的示例性表面轮廓。此外，曲线720示出了在下文参考图8讨论的处理制程之后的膜层513的示例性表面轮廓。应注意的是，膜层513的表面轮廓以及表面粗糙度是指在图6中的膜层513的上表面(例如，最上表面)测量的表面轮廓。如曲线710/720/730所示，膜层513的上表面具有许多峰(例如，远离膜层513的下表面延伸的部分)以及谷(例如，靠近膜层513的下表面延伸的部分)。

在图10中，x轴对应于沿着膜层513的上表面的距离，y轴对应于膜层513的上表面相对于参考位置的偏移量(例如，距离)。应注意的是，为了便于比较，图10中的三个曲线被移位(例如，向上或向下)以避免重叠。因此，图10中的每个曲线可能对应于不同的参考位置。由于表面粗糙度的测量使用每个数据点与表面轮廓的平均线(例如，平均值)之间的垂直距离，因此移动曲线不会影响表面粗糙度的测量。

使用由iso4287：1997标准定义的ra粗糙度参数测量三条曲线(例如，710/720/730)中每条曲线的表面粗糙度。可以通过计算所评估的表面轮廓的算术平均偏差(arithmeticmeandeviation)来推算ra粗糙度参数。在图10的例子中，刚沉积的(as-deposited)膜层513的ra粗糙度参数为0.268。在等离子体制程521之后，膜层513的ra粗糙度参数为0.349，表示膜层513的表面粗糙度增加。此外，当通过图8所示的制程处理刚沉积的膜层513时，实现了增加的ra粗糙度参数0.495。

用于测量表面粗糙度的另一个标准可以是表面轮廓的平均深宽比。如图10所示，表面轮廓的深宽比可计算为表面轮廓的谷的深度d(例如，谷的底部与相邻峰的顶部之间的距离)与谷的两个相邻峰之间的宽度w之间的比值。表面轮廓的深宽比的平均值可以用来测量表面粗糙度。在图10的例子中，刚沉积的膜层513的表面轮廓的平均深宽比(见曲线710)为0.295。在通过等离子体制程521处理之后，膜层513的表面轮廓的平均深宽比(见曲线730)增加至0.832。如果使用图8的表面处理方法，则膜层513的表面轮廓的平均深宽比(见曲线720)增加至0.701。图10所示的平均深宽比的值仅是非限制性示例。对于在此公开的各种实施例方法(例如，图4、图8以及图9)，在处理膜层513以增加其表面粗糙度之后，膜层513的表面轮廓的平均深宽比为约0.5至约2。在一些实施例中，在通过所公开的方法处理之后，ra粗糙度参数可以在大约0.03至大约1之间的范围内。

调整表面处理制程(例如，等离子体制程521)的参数(例如，等离子体制程的功率、等离子体制程的持续时间、以及/或气体源的流速)以实现用于处理膜层513的表面粗糙度的目标范围(对于平均深宽比而言，在约0.5至约2之间)，以实现改善的蚀刻速率。如果处理后的膜层513的表面粗糙度低于所公开的范围，则表面粗糙度的增加可能不足以实现有意义的蚀刻速率的改善。另一方面，如果处理过的膜层513的表面粗糙度高于所公开的范围，则表面处理制程(例如，经由等离子体的轰击)可能在膜层513的表面上造成太多的孔，这可能不利地影响蚀刻速率。这是因为在处理过的膜层513的表面上有太多的孔，大部分纳米研磨颗粒会团聚在孔中而不参与化学机械平坦化制程，结果，可能会降低浆料的有效性。

在一些实施例中，膜层513的增加的表面粗糙度改善了使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程的蚀刻速率。例如，通过所公开的方法实现了每分钟400埃或更高的蚀刻速率，此蚀刻速率是不执行表面处理方法的两倍或更多倍。不限于特定的理论，相信当已知的当膜层513的表面粗糙度增加时，膜层513的表面处的峰被以更大的压力压在研磨垫115下(见图3)。这是因为研磨头120以预定的力将晶圆300压向研磨垫115，并且增加的表面粗糙度可以对应于较小的峰的表面积。研磨垫115以及晶圆300的膜层513之间的增加的压力可导致用于研磨膜层513的材料的切向力(tangentforce)增加，其细节随后参考图11a至图11c进行讨论。

图11a至图11c示出了化学机械平坦化处理中涉及的一些化学力以及机械力。在图11a至图11c的示例中，通过使用具有纳米颗粒613的纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程研磨为氧化硅层的膜层611，前述纳米颗粒是氧化铈(ceo2)颗粒。图11a示出了化学机械平坦化制程的活化阶段，在前述阶段由于浆料中的水，在膜层611的表面形成si-oh键，并且在纳米颗粒613的表面形成ce-oh键。由于电子的移动，si-oh键呈现负电位，而ce-oh键呈现正电位。图11b示出了键合阶段，其中在纳米粒子613以及膜层611之间形成了ce-o-si键。图11c示出了去除阶段，其中通过膜层611以及纳米颗粒613之间的相对移动给予的沿箭头方向的切向力f去除了膜层611的一部分。如上所述，在进行处理之后，膜层(例如611)的表面粗糙度增加，其可导致膜层与研磨垫115之间的压力增加。增加的压力可转而导致更大的切向力f，此切向力f有利于去除膜层的表面部分(例如611)，从而改善化学机械平坦化制程的蚀刻速率。

再次参考图4，在操作430，使用化学机械平坦化制程将处理过的膜层平坦化，此化学机械平坦化制程使用非研磨浆料。参考图7，由于因膜层513的增加的表面粗糙度而提高了化学机械平坦化制程的蚀刻速率，在表面处理制程(例如，等离子体制程521)之后立即执行使用非研磨浆料的化学机械平坦化制程，而无需执行额外的制程以补偿缓慢的蚀刻速率，例如，之前使用了大尺寸的研磨料(例如，直径大于35纳米)的浆料的化学机械平坦化操作，下面将对其进行详细讨论。

为了理解本公开方法的优点，考虑使用纳米研磨浆料，但是不使用在此公开的表面处理方法的参考化学机械平坦化制程的状况。为了补偿使用纳米研磨浆料的缓慢的化学机械平坦化去除速率(例如，在没有表面处理的情况下小于每分钟200埃)，参考的化学机械平坦化制程可以包括两个操作。在第一操作中，使用具有尺寸(例如直径)大于35纳米，例如在约50纳米至约100纳米之间的研磨料的浆料执行第一化学机械平坦化制程。作为主要研磨操作执行第一化学机械平坦化制程，以更快的去除速率来研磨目标膜层，直到目标膜层的厚度接近最终目标值。接下来，在第二操作中，使用纳米研磨浆料作为磨光研磨操作执行第二化学机械平坦化制程。然而，上述具有两步操作的参考化学机械平坦化制程需要两种不同类型的浆料，由于更复杂的系统要求(例如，所使用的两种不同的浆料)以及第二化学机械平坦化操作的缓慢去除速率，这可能增加制造成本。相反地，本公开使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程实现了更高的去除速率，因此可以从头到尾执行使用纳米研磨浆料的单次操作化学机械平坦化制程，直到实现膜层513的目标厚度。这简化了制造制程，节省了制造时间，并降低了制造成本。

在使用纳米研磨浆料的其他参考化学机械平坦化制程中，为了补偿缓慢的去除速率，研磨头120可发挥更大的力以将晶圆300压在研磨垫115上，或可以增加浆料的流速以提升化学机械平坦化制程的蚀刻速率。然而，通过研磨头120施加的较大压力可能会在化学机械平坦化制程期间损坏晶圆300(例如，造成刮痕或晶圆碎裂)，并且更高的浆料流速增加了制造成本。相反地，本公开的方法无需增加研磨头的压力或浆料的流速就可以实现高蚀刻速率。

仍然参考图7，尽管未通过等离子体制程521处理子层513a，但是随着化学机械平坦化制程在去除子层513b之后继续去除子层513a的部分，也增加了对于子层513a的蚀刻速率(例如，每分钟大于400埃)。不限于特定的理论，相信在子层513b的处理过的表面上开始化学机械平坦化制程之后，浆料的温度可由于化学机械平坦化制程的摩擦产生的热量而增加，温度增加可以有助于增加子层513a的蚀刻速率。

在图4的操作430的化学机械平坦化制程中使用的纳米研磨浆料可包括溶剂、酸碱值调节剂、纳米尺寸研磨料(例如，具有在3纳米至5纳米之间的直径)、以及一种或多种如上所述的添加剂。在一个示例性实施例中，纳米研磨浆料包含作为溶剂的纯水(h2o)、作为酸碱值调节剂的乙酸(c2h4o2)、作为纳米尺寸研磨料的氢氧化铈(ce(oh)4)、以及作为添加剂的咪唑(c3h4n2)。此外，水溶性聚合物可以用作为额外的添加剂。

图8示出了使用纳米研磨浆料经由化学机械平坦化制程来平坦化膜层的另一种方法。在图8中，在操作810沉积膜层之后，使用操作820的制程，通过表面处理制程来处理沉积的膜层以增加其表面粗糙度，并且在操作830执行使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程以平坦化处理过的膜层。在图8的实施例中，通过使用稀释的纳米研磨浆料进行预定时间段的另一道化学机械平坦化制程来完成膜层的表面处理，其中通过去离子水稀释纳米颗粒来形成稀释的纳米研磨浆料。在一些实施例中，稀释的纳米研磨浆料的流速在每分钟约5公升至每分钟约20公升之间，这远高于在操作830的化学机械平坦化制程中的纳米浆料的流速(例如，每分钟约0.1公升至每分钟约0.5公升)。由于其高流速，稀释的纳米研磨浆料也可以称为高压稀释的纳米研磨浆料。在操作830使用的纳米研磨浆料可以与图4的操作430相同或相似，并且在操作830使用的纳米研磨浆料可以通过去离子水稀释以形成在操作820使用的稀释的纳米研磨浆料。

在一些实施例中，为了形成稀释的纳米研磨浆料，纳米浆料的流速与去离子水的流速之间的比值为约0.001至约0.1。在一些示例性实施例中，纳米浆料的流速为每分钟约0.25公升，而去离子水的流速为每分钟约10公升。表面处理的持续时间可以介于约10秒至约20秒之间。在使用高压稀释的纳米研磨浆料进行表面处理之后，与未处理过的膜层相比，膜层的ra粗糙度参数可以增加例如约0.03至约1，并且化学机械平坦化制程的蚀刻速率(见操作830)可以加倍，达到改善的蚀刻速率，例如每分钟400埃或更高。在一些实施例中，在膜层被处理以增加其表面粗糙度之后，膜层的表面轮廓的平均深宽比为在约0.5至约2之间。

将表面处理制程的参数(例如，稀释的纳米研磨浆料的流速、纳米研磨浆料与去离子水之间的流速的比值、以及/或表面处理的持续时间)调整为达到处理过的膜层的表面粗糙度的目标范围(平均深宽比在约0.5至约2之间)以实现改善的蚀刻速率。如果处理后的膜层的表面粗糙度低于所公开的范围，则表面粗糙度的增加可能不足以实现有意义的蚀刻速率的改善。另一方面，如果处理过的膜层的表面粗糙度高于所公开的范围，则如上所述，表面处理制程可能在膜层的表面上造成太多的孔，这可能不利地影响化学机械平坦化制程的蚀刻速率。

图9示出了另一种经由使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程平坦化膜层的方法。在图9中，在操作910沉积膜层。在操作920，通过湿式蚀刻制程或清洁制程来处理沉积的膜层以增加其表面粗糙度。在操作930，执行使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程以平坦化处理过的膜层。

在其中使用湿式蚀刻制程处理膜层的实施例中，湿式蚀刻制程可以使用合适的蚀刻剂，例如四甲基氢氧化铵(tetraethylammoniumhydroxide，teah)、氢氧化铵(nh4oh)等。在使用清洁制程处理膜层的实施例中，清洁制程可以使用合适的蚀刻剂，例如spm(h2so4以及h2o2的混合物)、sc1(nh4oh以及h2o2的混合物)、sc2(hcl、h2o2、以及h2o的混合物)、氢氟酸(hf)等。

所述实施例可以实现各种优点。例如，各种表面处理方法增加了沉积膜层的表面粗糙度，这允许使用纳米研磨浆料的化学机械平坦化制程改善了蚀刻速率。所公开的化学机械平坦化制程可用于从头到尾研磨目标膜层(例如，作为研磨目标膜层的单次操作化学机械平坦化制程)，而无需额外的制程，例如之前使用具有较大尺寸的研磨料的浆料的化学机械平坦化制程。这简化了制程流程并降低了制造成本。可以执行所公开的化学机械平坦化制程而无需增加将晶圆压在研磨垫的力，这减少了晶圆中的刮痕或碎裂。此外，所公开的化学机械平坦化制程可以在不需要增加浆料流量的情况下执行，这降低了与浆料相关的材料成本。

图12示出了根据一些实施例的制造半导体结构的方法的流程图。应理解的是，图12所示的实施例方法仅仅是许多可能的实施例方法的示例。本领域中技术人员可理解许多变化、替代以及修改。例如，可以添加、去除、替换、重新安排以及重复如图12所示的各个操作。

参考图12，在操作1010，在基板上方形成膜层。在操作1020，增加膜层的表面粗糙度。在操作1030，在增加表面粗糙度之后，使用第一化学机械平坦化(cmp)制程将膜层平坦化。

根据一些实施例，本公开实施例提供一种化学机械平坦化的方法，包括在基板上方形成膜层，增加膜层的表面粗糙度，以及在增加表面粗糙度之后，使用第一化学机械平坦化制程将膜层平坦化。在一些实施例中，第一化学机械平坦化制程使用纳米研磨浆料，纳米研磨浆料包括多个研磨料，研磨料的直径约小于35纳米。在一些实施例中，第一化学机械平坦化制程的去除速率大于每分钟约400埃。在一些实施例中，增加表面粗糙度的操作包括使用等离子体制程处理膜层。在一些实施例中，等离子体制程使用气体源，气体源包括有机气体。在一些实施例中，有机气体包括烷烃、烯烃或炔烃。在一些实施例中，气体源还包括载气。在一些实施例中，增加表面粗糙度的操作包括使用纳米研磨浆料以及去离子水的混合物执行第二化学机械平坦化制程，其中用于第二化学机械平坦化制程的纳米研磨浆料以及去离子水的混合物的流速在每分钟约5公升至每分钟约20公升之间。在一些实施例中，用于第二化学机械平坦化制程的纳米研磨浆料的流速与去离子水的流速之间的比值在约0.001至约1之间。在一些实施例中，其中用于第一化学机械平坦化制程的纳米研磨浆料的流速在每分钟约0.15公升至每分钟0.5公升之间。在一些实施例中，增加表面粗糙度的操作包括执行湿式蚀刻制程或清洁制程。在一些实施例中，湿式蚀刻制程或清洁制程使用蚀刻剂，蚀刻剂包括teah、nh4oh、hf、spm、sc1或sc2。

在一些实施例中，本公开实施例提供一种化学机械平坦化的方法，包括增加设置在基板上方的层的表面粗糙度；以及在增加表面粗糙度之后，执行第一化学机械平坦化制程以平坦化层，其中第一化学机械平坦化制程使用的第一浆料包括多个研磨颗粒，研磨颗粒的尺寸约小于35纳米。在一些实施例中，增加表面粗糙度的操作包括用等离子体制程处理层。在一些实施例中，增加表面粗糙度的操作包括使用第二浆料执行第二化学机械平坦化制程，其中第二浆料是被去离子水稀释的第一浆料，其中用于第二化学机械平坦化制程的第一浆料的流速与去离子水的流速之间的比在约0.001至约1之间，并且用于第二化学机械平坦化制程的第二浆料的流速在约每分钟5公升至约每分钟20公升之间。在一些实施例中，层包括第一子层以及第二子层，第一子层设置在基板以及第二子层之间，其中增加表面粗糙度的操作包括增加第二子层的表面粗糙度，同时第一子层的表面粗糙度保持不变。在一些实施例中，在增加表面粗糙度的操作之后，层的表面轮廓的多个深宽比的平均值在约0.5至约2之间，其中表面轮廓的深宽比被计算为表面轮廓的谷的深度与邻近于谷的表面轮廓的两个峰之间的距离之间的比值。

在一些实施例中，本公开实施例提供一种化学机械平坦化的方法，包括在基板上方形成一层，处理层以增加层的表面粗糙度，以及在处理层之后，使用第一浆料执行第一化学机械平坦化制程，第一浆料包括多个纳米研磨颗粒。在一些实施例中，纳米研磨颗粒的直径约小于35纳米，并且第一化学机械平坦化制程具有大于每分钟约400埃的蚀刻速率。在一些实施例中，处理层的操作包括用等离子体制程处理层，在等离子体制程之后执行第一化学机械平坦化制程，且在等离子体制程以及第一化学机械平坦化制程之间不具有其他的制程。

前面概述数个实施例的特征，使得本技术领域中技术人员可更好地理解本公开的各方面。本技术领域中技术人员应理解的是，可轻易地使用本公开作为设计或修改其他制程以及结构的基础，以实现在此介绍的实施例的相同目的及/或达到相同优点。本技术领域中技术人员亦应理解的是，这样的等效配置并不背离本公开的精神以及范围，且在不背离本公开的精神以及范围的情形下，可对本公开进行各种改变、替换以及更改。