(57)【要約】  半導体デバイスが、基板上に形成された複数のデバイス特徴と、基板上に及びデバイス特徴間の開口領域にわたって形成された複数のダミー特徴と、を備える。隣接するデバイス特徴は、１００ミクロン以上の距離だけ離間される。各デバイス特徴は、障壁島及び障壁島の上面上の金属層を含む。各ダミー特徴は、障壁島の構造に対応する構造を有する。この要約は、調査者または他の読み手が技術的開示の主題を迅速に把握することを可能にするような要約を要求する規則に従うように、提供される。要約は、それが特許請求の範囲または意味を解釈するためにも限定するためにも使用されないという理解の下で提示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された複数のデバイス特徴であって、各デバイス特徴が、障壁島及び前記障壁島の上面上の金属層を含み、隣接するデバイス特徴が、１００ミクロン以上の距離だけ離間される、複数のデバイス特徴と、
前記基板上に、ならびに前記複数の前記デバイス特徴間及び前記複数の前記デバイス特徴に囲まれた開口領域にわたって形成された、複数のダミー特徴であって、各ダミーの構造が前記障壁島の構造に対応する、複数のダミー特徴と、を備える、半導体デバイス。
【請求項２】
前記障壁島が、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作製される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記金属層が、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、または金（Ａｕ）から作製される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
２つの隣接するダミー特徴が、前記ダミー特徴の特性サイズにほぼ等しい距離だけ離間される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
各デバイス特徴が、前記金属層の上面上に形成されたエミッタ構造を更に含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記エミッタ構造が、カーボンナノチューブを含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記基板が、ドープされた半導体材料である、請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
隣接するデバイス特徴が、約１００ミクロン〜約１ミリメートル（１０００ミクロン）の距離だけ離間される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
隣接するデバイス特徴が、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの距離だけ離間される、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
基板上に障壁層を形成することと、
複数の第１の障壁島及び前記第１の障壁島と同一の第２の障壁島を形成するように前記障壁層をパターニングすることであって、前記第１の障壁島が、形成予定のデバイス特徴の位置に設けられ、前記第２の障壁島が、形成予定の前記デバイス特徴間の開口領域にわたって設けられる、パターニングすることと、
前記第１及び第２の障壁島ならびに前記基板の上に酸化物層を形成することと、
前記第１の障壁島を露出するように前記酸化物層をパターニングすることと、
前記露出した第１の障壁島及び前記酸化物層の上に金属層を成膜することと、
前記第１の障壁島の上面上の前記金属層の部分だけが残されて前記デバイス特徴を形成するように、前記金属層上で化学機械研磨（ＣＭＰ）を行うことと、を含む、方法。
【請求項１１】
前記障壁層が、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作製される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属層が、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、または金（Ａｕ）から作製される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
２つの隣接する第２の障壁島が、前記第２の障壁島の特性サイズにほぼ等しい距離だけ離間される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
２つの隣接するダミー特徴が、前記ダミー特徴の特性サイズにほぼ等しい距離だけ離間される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属層上にエミッタ構造を形成することを更に含み、前記金属層が、前記第１の障壁島のうちの１つ以上の上面上にある、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記エミッタ構造が、カーボンナノチューブを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板が、ドープされた半導体材料である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
隣接するデバイス特徴が、約１００ミクロン〜約１ミリメートル（１０００ミクロン）の距離だけ離間される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
隣接するデバイス特徴が、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの距離だけ離間される、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１３年９月１７日に出願され「ＤＵＭＭＹ  ＢＡＲＲＩＥＲ  ＬＡＹＥＲ  ＦＥＡＴＵＲＥＳ  ＦＯＲ  ＰＡＴＴＥＲＮＩＮＧ  ＯＦ  ＳＰＡＲＳＥＬＹ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ  ＭＥＴＡＬ  ＦＥＡＴＵＲＥＳ  ＯＮ  ＴＨＥ  ＢＡＲＲＩＥＲ  ＷＩＴＨ  ＣＭＰ」と題された、Ｔｏｍａｓ  Ｐｌｅｔｔｎｅｒらに対する譲受人共通の、同時係属中の米国仮特許出願第６１／８７８，６０６号の非仮出願であり、その仮特許出願の優先権の利益を主張するものであり、その開示全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示の態様は、半導体デバイス及びそれを製造するための方法、より具体的には、製造プロセスを改善するためのダミー特徴を備える半導体デバイス構造に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
平坦化は、半導体製造プロセスにおいて重要である。半導体デバイスのサイズが縮小するにつれ、高度に集積された半導体デバイスは、典型的には、積み重ねられた材料層及び関連する相互接続を含んでいる。基板または材料層の不均一性または不規則性は、最終的なデバイスにおいて望ましくない影響をもたらす場合がある。それゆえ、高精細な半導体特徴パターンを実現するために半導体ウェハの処理表面の平坦性の度合いについてのより厳格な制約が要求される。
【０００４】
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、半導体デバイス層のための、特に、複数階層設計及びより小さな半導体製作プロセスを有するデバイスのための平坦化プロセスとしてますます使用されている。ＣＭＰでは、研磨パッドが、「スラリー」として知られる研磨用及び腐食性化学物質と共に適用される。処理表面は、回転する研磨パッドに対して押圧される。パッドを通して加えられる圧力及びスラリーからの化学反応が、過剰材料を除去し、いかなる不規則なトポグラフィーも平らにして、ひいては処理表面を平らまたは平坦にさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５６３３１９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＭＰ平坦化は、典型的には、複数階層の半導体デバイスの製造におけるいくつかの異なる段階に使用され、覆っている層の後続処理のための全体的な平坦化を実現するために誘電体及び金属部分の両方を含有するデバイスの階層を平坦化することを含む。しかしながら、異なる研磨の割合（すなわち、それぞれの材料除去の割合）が、処理表面を形成する異なる材料について、または密に配列されたパターン及び疎に配列されたパターンの領域を備える処理表面について生じるときに、過剰研磨、過少研磨、または不均一な研磨が起こる場合がある。これらの状況下では、平らまたは平坦な表面が実現され得ず、最終的にはデバイス性能に影響を及ぼす。
【０００７】
本開示の態様が生じるのはこの関連においてである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の態様によれば、半導体デバイスが、基板上に形成された複数のデバイス特徴と、基板上に及びデバイス特徴間の開口領域にわたって形成された複数のダミー特徴と、を備える。隣接するデバイス特徴は、１００ミクロンを超えて離間される。各デバイス特徴は、障壁島と、障壁島の上面上の金属層と、を含む。各ダミー特徴は、障壁島の寸法に対応する寸法を有する。
【０００９】
いくつかの実現形態では、障壁島は、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作製され得る。
【００１０】
いくつかの実現形態では、金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、または金（Ａｕ）から作製され得る。
【００１１】
いくつかの実現形態では、２つの隣接するダミー特徴は、ダミー特徴の特性サイズにほぼ等しい距離だけ離間され得る。
【００１２】
いくつかの実現形態では、各デバイス特徴は、金属層の上面上に形成されたカーボンナノチューブを更に含む。
【００１３】
本開示の態様によれば、方法が、基板上に障壁層を形成することと、障壁層をパターニングして複数の第１の障壁島及び第１の障壁島と同一の第２の障壁島を形成することと、第１及び第２の障壁島ならびに基板の上に酸化物層を形成することと、酸化物層をパターニングして第１の障壁島を露出することと、露出した第１の障壁島及び酸化物層の上に金属層を成膜することと、第１の障壁島の上面上の金属層の部分だけが残されてデバイス特徴を形成するように、金属層上でＣＭＰ処理を行うことと、を含む。第１の障壁島が、形成予定のデバイス特徴の位置に設けられ、第２の障壁島が、形成予定のデバイス特徴間の開口領域にわたって設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
発明の目的及び利点は、以下の発明を実施するための形態を読む際、及び添付図面への参照の際に、明らかになるであろう。
【図１Ａ】疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための先行技術の方法を示す断面図である。
【図１Ｂ】疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための先行技術の方法を示す断面図である。
【図１Ｃ】疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための先行技術の方法を示す断面図である。
【図２】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴を備える半導体デバイスを示す上面図である。
【図３Ａ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｂ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｃ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｄ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｅ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｆ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【図３Ｇ】本開示の一実施形態に係る疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の発明を実施するための形態では、参照が添付図面に対して行われ、それらの図面は、本明細書の一部を成し、それらの図面において、発明が実施され得る特定の実施形態が例示目的のために示される。図面は、本明細書において「実施例」とも称される実施形態の実施例に従って図解を示す。図面は、当業者が本発明の主題を実施することを可能にするように十分詳細に描かれる。本発明の実施形態の構成要素はいくつかの異なる配向に位置付けられ得るので、方向上の用語は、例示の目的のために使用され、決して限定するものではない。他の実施形態が利用され得、構造上または論理上の変更が、本発明の範囲から逸脱すること無く行われ得ることが理解されることになる。
【００１６】
この文書において、用語「ａ」及び「ａｎ」は、特許文書において一般的であるように、１つまたは１つよりも多くを含むように使用される。この文書において、用語「または」は、非排他的な「または」を指すように使用され、これにより、「ＡまたはＢ」は、別途示されない限り、「ＢではなくてＡ」、「ＡではなくてＢ」、ならびに「Ａ及びＢ」を含むことになる。したがって、以下の発明を実施するための形態は、限定する意味に取られるものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【００１７】
序論
電界放出デバイスなどのいくつかの半導体デバイスに関して、基板上の特徴は、離間されるよう要求される。１つの用途として、電界放出デバイスは、高解像度電子顕微鏡のための明るい電子の供給源を提供し得る。従来の電界放出デバイスは、陰極と、陰極から間隔を置かれた陽極と、を備える。陰極は、複数の電界エミッタを含む電界エミッタアレイであり得る。陽極と陰極との間に印加された電圧は、陽極の方へ電子の放出を誘発する。カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、それらの高電気伝導率、最適な幾何学的電場拡大のための高アスペクト比の「針状」形状、及び顕著な熱安定性という理由で、電子電界エミッタのための材料としてますます利用されている。２つの電界エミッタが互いに過度に近接して配置されると、電場が縮小されることになる。それゆえ、電界エミッタアレイにおける２つの隣接する電界エミッタは、例えば１００ミクロンを超えて、離間される必要がある。デバイス特徴（すなわち、エミッタ）間に大きな間隔が存在するので、それは、ＣＭＰ処理の間に不均一な処理表面を結果としてもたらすことになる。
【００１８】
図１Ａ〜１Ｃは、疎に分散されたデバイス特徴をパターニングするための先行技術の方法を示す。図１Ａでは、障壁島１０６の上に金属１０４で作製されたデバイス特徴（例えば、１０２ａ及び１０２ｂ）が疎に分散される。２つの隣接するデバイス特徴１０２ａ〜１０２ｂの距離は、１００ミクロンを超える。図１Ｂでは、ＣＭＰ処理が、図１Ｂに示されるように金属層１０４の部分を除去して酸化物層１０８を露出するように行われる。その後、露出した酸化物層１０８が、図１Ｃに示されるように酸化物エッチングによって除去される。しかしながら、デバイス特徴間に大きな間隔が存在するので、デバイス特徴を備える範囲及び２つの隣接する特徴間の範囲のための研磨の割合は異なる。それゆえ、ＣＭＰ処理は、一様でない場合があり、制御された厚さまたは形状でデバイス特徴を形成するように制御可能ではない場合がある。
【００１９】
不均一なＣＭＰ負荷を克服するための１つの提案された方法は、酸化物層１０８の上に全面的な障壁層を提供する。金属成膜後、障壁層の部分が次いでエッチング除去される。しかしながら、エッチング後にレジストを取り去る際に問題が生じ得る。
【００２０】
本開示に係る半導体デバイスは、金属特徴間の全開口領域にわたる障壁島の一様な密集アレイを含む。この構造は、ＣＭＰ処理のためにダイにわたって一様な負荷を提供し、それゆえ、疎に分散されたデバイス特徴からの不均一なＣＭＰ負荷によって引き起こされる非一様性を改善する。
【００２１】
実施形態
図２は、本開示のある態様に係る半導体デバイスの上面図である。図２の半導体デバイス２００は、基板２０１上に複数のデバイス特徴２０２及び１つ以上のダミー特徴２０５を含む。例として、デバイス２００において、隣接するデバイス特徴２０２が、１００ミクロンを超える距離、例えば、約１００ミクロン〜約１ミリメートル（１０００ミクロン）の距離だけ離間される。一実現形態において、２つの隣接するデバイス特徴間の間隔は、約１００ミクロン〜約５００ミクロンの間にある。各デバイス特徴２０２は、障壁島２０６と、障壁島の上面２０６上に形成された金属層２０４と、を含む。１つ以上のダミー特徴は、２つの隣接するデバイス特徴間に形成される。１つ以上のダミー特徴のそれぞれは、障壁島２０６と同一のダミー島２０８を含む。
【００２２】
図３Ａ〜３Ｇは、本開示のある態様に係る疎に分散されたデバイス特徴を備えるデバイスを形成するための方法を示す断面図である。図３Ａを参照にして、基板３０１が提供される。一実現形態において、基板３０１は、軽くドープされたケイ素から作製される。障壁層３０６が、一括成膜によって基板３０１の上面上に形成される。電界放出デバイスでは、障壁層は、通常、拡散を防止するために設けられる。一実現形態において、障壁層３０６は、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から作製される。図３Ｂにおいて、障壁層３０６は次いで、エッチングプロセスによっていくつかの同一の障壁島３０６ａ及び３０６ｂを形成するようにパターン化される。障壁島は、デバイス特徴（例えば、障壁島３０６ａ）の位置のみに形成されるのではなく、デバイス特徴（例えば、障壁島３０６ｂ）間の全ての空の領域にわたっても形成される。一実現形態において、障壁島３０６ａ及び３０６ｂは、約１ミクロンサイズにある。デバイス特徴間の空の領域にわたって設けられた障壁島３０６ｂを用いて、ＣＭＰ上の負荷が一様になる。障壁層３０６がアレイ形態でパターン化される必要はないことに留意されたい。更に、障壁島３０６ａ及び３０６ｂは、障壁島３０６ａ及び３０６ｂが１つの層のように連続的ではない限り、いかなる形状でもあり得る。連続的な障壁層は、大きな表面張力を誘発するので、島３０６ａと３０６ｂとの間に溝または他の不連続部を含んで表面応力を緩和することが望ましい。
【００２３】
図３Ｃを参照にすると、酸化が、図３Ｂの構造の上にマスク層３０８を形成するために行われる。一実現形態において、マスク層３０８は、ＳｉＯ２から作製される。他の材料が、代替の実現形態において使用されてもよい。図３Ｄでは、マスク層３０８は、デバイス特徴の位置に障壁島３０６ａの部分のみを露出するようにパターン化される。図３Ｅは、金属層３０４が次いで、障壁島３０６ａ及びマスク層３０８の上に成膜されることを示す。電界放出デバイスの実施例では、金属層は、図３Ｇに示されるように、カーボンナノチューブ３１０、またはそれの上面上の電界エミッタのための他のナノ構造を成長させるための触媒として使用される。限定としてではなく例として、金属層３０４が、ナノチューブのためのニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、または他のナノ構造のための金（Ａｕ）から作製され得る。金属層３０４は、隣接する障壁島３０６ｂ間の間隔または障壁島と隣接するデバイス特徴間の間隔に金属が存在しないように形成される。ＣＭＰプロセスが次いで、図３Ｆに示されるように金属層３０４の部分を除去するように実行される。マスク層３０８は次いで、ウェットエッチングによって除去される。デバイス特徴３０２ａ及び３０２ｂは、それゆえ、図３Ｇに示されるように形成される。障壁島３０６ｂは、過剰または過少研磨を防止するように一様な機械的負荷をＣＭＰに与える、デバイス特徴間に形成されたダミー特徴として機能する。隣接するダミー特徴（すなわち、障壁島３０６ｂ）間の間隔は、ダミー特徴のサイズとほぼ同じ、例えば１ミクロンである。限定としてではなく例として、障壁島３０６ａの上面上の金属特徴３０４のサイズは、限界寸法（ＣＤ）、例えば幅または直径が約１００ｎｍである。金属特徴３０４を支持する障壁島３０６ａは、金属特徴と同程度に小さいまたはそれらよりも大きくすることができることに留意されたい。電界放出デバイスの適用において、カーボンナノチューブまたは他のナノ構造が、金属特徴３０４の上面上に形成されてもよい。
【００２４】
特定の実現形態において、上記した方法は、デバイス特徴の障壁島と実質的に同じ構造のものであるダミー特徴を利用してもよい。なおその上に、ダミー特徴は、デバイス特徴の障壁島と同じ製造段階で形成されてもよい。それゆえ、ダミー特徴を組み込むために障壁層のパターンレイアウトの修正を用いて、方法は、疎に配列されたデバイス特徴を形成するパターンレイアウト及びパターニングプロセスを大きく変更されないままにする。ダミー特徴は、疎に分散されたデバイス特徴のためのＣＭＰプロセスに一様な機械的負荷を提供する。それゆえ、本開示の態様は、製造の中間段階におけるＣＭＰの使用によって、例えば電界エミッタなどのデバイスの疎なアレイの経済的な製造を可能にする。
【００２５】
上記は、本発明の好適な実施形態の完全な記載を含むが、様々な代替形態、修正形態、及び均等物を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は、上記を参照してではなく、代わりに、添付の特許請求の範囲を、それらの均等物の全範囲と共に参照して、決定されるべきである。
【００２６】
添付の特許請求の範囲は、「〜ための手段」という表現を使用してミーンズ・プラス・ファンクションの限定が所与の特許請求の範囲に明示的に記載されない限り、そのような限定を含むように解釈されるものではない。特定の機能を実行する「ための手段」を明示的に述べていない特許請求の範囲におけるいずれの要素も、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）に規定されるような「手段」または「ステップ」条項として解釈されるものではない。特に、本明細書における特許請求の範囲での「〜のステップ」の使用は、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）の規定を行使することを意図されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
2016533041.tif 000011
【図３Ｆ】
2016533041.tif 000012
【図３Ｇ】
2016533041.tif 000013
【国際調査報告】
2016533041.tif 000014
2016533041.tif 000015