專利名稱：生物兼容電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物兼容電極及其制造方法。
背景技術(shù)：
用于生物應(yīng)用的電極正逐漸變得需要包括在利用現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝制造的半導(dǎo)體器件中，尤其是使用CMOS工藝技術(shù)制造的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q器件。在 Eversmann 等人的 2003 年 12 月在 IEEE Journal of Solid-state Circuits, 第 38 卷第 12 期的 CMOS Biosensor Array for Extracellular Recording of Neural Activity中描述了制作生物傳感器電極的現(xiàn)有工藝。在完成標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝以形成器件之后，兩個金屬層具有氮化物鈍化物和鎢通孔， 將附加的工藝用于形成附加的傳感器電極。對所述表面進(jìn)行平面化，沉積50nm厚的Ti/Pt 疊層并使用剝離工藝對其進(jìn)行構(gòu)圖。將所述疊層用作傳感器電極以及用于結(jié)合焊盤的粘附層。通過濺射形成40nm的Ti02、ZrO2, TiO2^ZrO2和TW2的傳感器電介質(zhì)，以保護(hù)所述生物兼容電極。去除所述結(jié)合焊盤上的所述傳感器電介質(zhì)。在Hofmann 等人 2003 年9 月 16-18 日的 33rd European conference on European Solid-State Device Research 2003 的第 167 至 170頁的Technology Aspects of a CMOS Neuro-Sensor =Back End Process and Packaging中提出了用于制作電極的替代工藝。在這一工藝中，使用傳統(tǒng)CMOS工藝，并且以二氧化硅層上的氮化物鈍化層結(jié)束。 然后為了制造所述電極，在金屬化頂部層上形成通孔，并且用Ti/TiN阻擋層和鎢填充所述通孔。然后，將CMP工藝用于回蝕所述氮化物鈍化層。Cr粘附層后面是Pt電極層，并且使用剝離工藝進(jìn)行構(gòu)圖。然后通過濺射沉積打02和/或&02。在所述接觸焊盤而不是在所述生物兼容電極處，刻蝕掉TW2并且蒸發(fā)金觸點。這些工藝的不利方面是要求附加的光刻和刻蝕步驟來制造所述生物兼容電極，導(dǎo)致昂貴的制造成本。另外，一些金屬的使用與現(xiàn)代CMOS工藝并不兼容。這特別適用于鉬和金。具體地，使用鉬的工藝通常只可以用于晶片直徑最大至6英寸的雙極性工藝的老式工廠(older fabs) ο因此，需要替代的工藝來制造與CMOS工藝兼容的生物兼容電極。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出了根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法。通過使用根據(jù)本發(fā)明的方法，(在形成通孔之后)根本無需光刻步驟就形成了所述生物兼容電極，因此所述工藝比前述工藝廉價。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到在上述現(xiàn)有技術(shù)方法中用于對生物兼容電極進(jìn)行構(gòu)圖的光刻步驟會產(chǎn)生另外的問題。如果所述光刻稍微與所述觸點未對準(zhǔn)，那么在制造電極之后可能會暴露出一些觸點，可能導(dǎo)致沾污問題。相反，使用本發(fā)明所提出的方法，所述方法是自對準(zhǔn)的。這使得沾污和涂覆問題最小化。所述方法與現(xiàn)代CMOS工藝兼容，包括利用銅基互連和鋁基互連的工藝。另外的益處在于所述電極完全是平面的。這避免了在沉積后續(xù)電介質(zhì)的角落處的應(yīng)力，提高了可靠性。本發(fā)明也涉及根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件。


現(xiàn)在將參考附圖只作為示例描述本發(fā)明的實施例，其中圖1至圖6示出了在根據(jù)本發(fā)明的第一實施例制造半導(dǎo)體器件時的步驟；圖7和圖8示出了在根據(jù)本發(fā)明的第二實施例制造半導(dǎo)體器件時的步驟；以及圖9示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體器件。附圖沒有按比例繪制。在不同的圖中，相似或類似的部件賦予相同的參考數(shù)字，并且不會重復(fù)相應(yīng)的描述。
具體實施例方式參考圖1，傳統(tǒng)CMOS工藝的結(jié)果是具有襯底10的半導(dǎo)體器件，所述襯底內(nèi)或所述襯底上形成晶體管或者其他器件。為了清楚起見，沒有示出這些器件。然后形成多個互連層。第一互連層由絕緣體12構(gòu)成，典型地是二氧化硅，具有穿過填充有插頭16 (這里是鎢)的絕緣體形成的通孔14。將第一層鋁互連18設(shè)置在所述插頭16上面。所述鋁互連18在襯底10上延伸。類似地，按照相同的方式形成第二互連層，即具有絕緣體22、通孔對、插頭沈和互連觀。在所述實施例中，所述第二層中的互連觀是最高的互連，并且因此將其稱作上部互連層。然后在所述第二互連層的上表面31上形成鈍化層30。所述鈍化層30是絕緣的，并且可以是二氧化硅、氮化硅、碳化硅或其組合。在優(yōu)選實施例中，所述鈍化層實際上是Sic、 接著是SiO2、接著是Si3N4的疊層；可以將這種疊層稱作鈍化疊層。這產(chǎn)生了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。然后通過形成穿過所述鈍化層至所述上部互連層觀的通孔32來開始用于形成生物兼容電極的工藝。這包括光刻步驟以限定所述通孔。典型地，可以沉積光致抗蝕劑、并且對其構(gòu)圖以暴露出鈍化層的一部分，并且執(zhí)行干法刻蝕步驟以刻蝕至鋁。然后，去除所述光致抗蝕劑，如圖2所示。然后使用具有良好臺階覆蓋的工藝，在鈍化層30的整個表面上和通孔32中沉積阻擋層34。所述阻擋層34可以是例如Ti/TiN阻擋層或者Ti/W阻擋層，這二者均與CMOS
工藝兼容。然后在包括通孔34中的整個表面上沉積填充金屬46，在所述實施例中是鎢。然后使用CMP工具的傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)步驟通過刻蝕和拋光所述鈍化層30上面的填充金屬36和阻擋層34、留下只在所述通孔中存在的阻擋層34和填充金屬，來平面化所述表面。這一步驟使得填充金屬插頭16的頂部與所述鈍化層30的頂部齊平，如圖3所示。然后執(zhí)行另外的選擇性刻蝕以刻蝕掉所述通孔中的填充金屬，在所述上表面31
5的水平面下面產(chǎn)生如圖4所示的凹槽38。在該實施例中，所述選擇性刻蝕不會刻蝕掉阻擋層34。在該實施例中選擇的具體刻蝕步驟是H2A (雙氧水)刻蝕。通常，這將給出較低的刻蝕率，極大地減小了工藝速度。然而在所述實施例中，在先前用于CMP步驟的CMP工具中提供H202。CMP工具的使用允許將恒定的新鮮H2A遞送至晶片表面，并且允許恒定地去除溶解的W。因此，發(fā)明人能夠使用這種H2A刻蝕實現(xiàn)90nm/min及以上的刻蝕速率，使用H2A可以預(yù)期比傳統(tǒng)濕法刻蝕步驟高得多的刻蝕速率。此外，使用與前一個步驟相同的工具相當(dāng)高效，因為根本不要求移動所述器件。另外可以注意到，通過在這一階段避免干法刻蝕，不存在損壞鈍化層30中的電介質(zhì)的風(fēng)險。接下來如圖5所示，在所述器件的整個表面上沉積電極金屬40，包括在所述鈍化層30上和凹槽38中。所述電極金屬可以是單層，例如Ta或Ti的單層；氮化物，例如TaN 或TiN的單層；或者多層，例如Ta/TaN或Ti/TiN的多層。在沉積電極金屬40之后，將另一個CMP工藝用于從鈍化層30上面刻蝕和/或拋光掉所述電極金屬40，并且因此只在所述通孔頂部處的凹槽38中留下所述電極金屬，如圖 6所示與鈍化層30的表面齊平(水平)，形成最終的電極42。然后在整個表面上沉積生物兼容電介質(zhì)層44。例如，所述電介質(zhì)層可以是Ti02、 Ta2O5, SiO2, SiN或HfO2或這些材料的組合或者其他材料。這樣，將大馬士革工藝用于在所述通孔頂部處的凹槽中形成生物兼容電極。該工藝是自對準(zhǔn)工藝，并且因此確保了所述電極42具有實際上與下面的W觸點相同的尺寸。這避免了由生物兼容電極和所述插頭的未對準(zhǔn)引起的沾污的可能性。避免使用Au和Pt的可能性使得能夠?qū)⑺龇椒ㄅc現(xiàn)有CMOS處理制造工藝集成， 包括使用銅互連的那些CMOS工藝。圖7和圖8示出了第二實施例。根據(jù)第二實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法按照與第一實施例相同的方式執(zhí)行到圖3所示的階段。下一個步驟是執(zhí)行選擇性刻蝕以形成凹槽38，但是參考圖7和圖8所示的工藝中， 選擇性刻蝕對阻擋層34和填充金屬36都進(jìn)行刻蝕以形成凹槽38。然后進(jìn)行與第一實施例所示的工藝以形成電極42和電介質(zhì)44，得到了如圖8所示的最終半導(dǎo)體器件。上述實施例涉及使用鋁互連的半導(dǎo)體器件。然而，本發(fā)明也可以應(yīng)用于使用諸如銅之類的其他形式互連的CMOS器件。圖9示出了使用銅互連的第三實施例。在該實施例中，制造過程與圖1至6所示實施例的實質(zhì)上相同，除了第一和第二互連18、觀的材料是銅。然而應(yīng)該注意一處區(qū)別將第二互連觀用于附加地填充第二通孔對，并且在所述第二互連層不存在分離的插頭(就是所謂的雙大馬士革工藝)。在圖9所示的實施例中，填充金屬36的材料也是銅。在這種情況下，阻擋層34的選擇不只包括Ti或者TiN，還包括I1a或TaN/ta。盡管在圖9的實施例中，將銅填充金屬36和銅互連一起使用，也存在填充金屬36 其他可能，例如鎢。
以上實施例全部是參考具有兩個金屬層的半導(dǎo)體器件描述的。然而，本發(fā)明也同樣可以應(yīng)用于只具有單獨的金屬層的半導(dǎo)體器件，并且應(yīng)用于具有多于兩個金屬層的半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體器件上制造生物兼容電極的方法，所述半導(dǎo)體器件在至少一個金屬化層上具有電介質(zhì)層，所述方法包括在所述電介質(zhì)層中刻蝕通孔(32)，暴露出所述金屬化層08)； 沉積填充金屬(36)；使用化學(xué)機(jī)械拋光回蝕所述填充金屬，以從所述電介質(zhì)層的表面去除所述金屬，并且留下所述通孔中的金屬；執(zhí)行另外的刻蝕以回蝕所述通孔中的填充金屬(36)，以在所述通孔中形成凹槽(38)； 在所述電介質(zhì)的表面上以及所述通孔中的凹槽中沉積電極金屬GO)；以及使用化學(xué)機(jī)械拋光回蝕所述電極金屬GO)，以從所述電介質(zhì)層的表面去除所述電極金屬，并且留下所述通孔中的電極金屬，以形成所述生物兼容電極G2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中執(zhí)行另外的刻蝕以回蝕所述通孔中的填充金屬 (36)的步驟包括執(zhí)行濕法刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，使用雙氧水的濕法刻蝕溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中在化學(xué)機(jī)械拋光工具中執(zhí)行所述濕法刻蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中使用化學(xué)機(jī)械拋光回蝕所述填充金屬(36)的步驟使用化學(xué)機(jī)械拋光工具；以及執(zhí)行另外的刻蝕以回蝕所述通孔中的金屬的步驟包括通過所述化學(xué)機(jī)械拋光工具提供濕法刻蝕溶液。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，還包括在所述生物兼容電極0 上形成電介質(zhì)層(44)。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述電極金屬GO)至少是以下之一Ta、 Ti、TaN 禾Π TiN。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述至少一個金屬化層08)是銅或銅合金，并且所述填充金屬(36)是鎢或者銅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其中所述至少一個金屬化層08)是鋁或鋁合金，并且所述填充金屬(36)是鎢。
10.一種半導(dǎo)體器件，包括 上部金屬化層08)；覆蓋所述金屬化層08)的絕緣層(30)，所述絕緣層具有上表面(31)； 通孔(32)，通過所述絕緣層延伸至所述金屬化層； 所述通孔中的填充金屬(36)；所述填充金屬上面的所述通孔中的金屬生物兼容電極(42)，所述生物兼容電極02) 具有與所述絕緣層的上表面齊平的上表面^幻；以及所述絕緣層和所述電極金屬上面的電介質(zhì)層G4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體器件是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，還包括所述通孔中的阻擋金屬(34)，延伸至所述絕緣層的上表面(31)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其中所述阻擋金屬包括至少以下之一Ti、Ta、W、TiN 禾口 TaN。
14.根據(jù)權(quán)利要求10、11、12或13所述的半導(dǎo)體器件，其中所述電極金屬至少是以下之一 Ta、Ti、TaN 禾口 TiN。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14中任一項所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體器件具有多個金屬化層(18二8)，所述多個金屬化層包括上部金屬化層08)。
全文摘要
通過沉積填充金屬36并且將所述填充金屬36回蝕至周圍絕緣體30的表面來制造生物兼容電極。然后，另外的刻蝕在所述通孔32的頂部處形成凹槽38。然后沉積電極金屬40并且對其回蝕以填充凹槽38，并且形成生物兼容電極42。這樣，實現(xiàn)了平面生物兼容電極?？涛g以形成凹槽的步驟可以在用于回蝕填充金屬36的相同CMP工具中執(zhí)行?？梢允褂秒p氧水刻蝕。
文檔編號H01L21/768GK102203935SQ200980142146
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者羅埃爾·達(dá)門, 馬蒂亞斯·梅茲 申請人:Nxp股份有限公司