專利名稱：具有Au-Cu電極的半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與CMOS工藝兼容的半導(dǎo)體器件及其制造方法。具體地，本發(fā)明涉及可進(jìn)一步處理成為生物傳感器的半導(dǎo)體器件和制造生物傳感器的方法。
背景技術(shù)：
近來已經(jīng)研發(fā)了生物傳感器件，包括基于先進(jìn)CMOS工藝技術(shù)的半導(dǎo)體器件。傳統(tǒng)的生物傳感器件典型地依賴于諸如金或鉬之類的惰性金屬用于生物傳感器的電極，以便提供與通常為腐蝕性或者氧化性的環(huán)境之間的高兼容級(jí)別，可能在這樣的環(huán)境中使用這些生物傳感器，或者半導(dǎo)體器件的下游或者后續(xù)處理要求這樣的環(huán)境；然而近來的趨勢(shì)已經(jīng)轉(zhuǎn)向銅電極，以便使與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝步驟和設(shè)備的兼容性最大化。然而，已知銅在使用生物傳感器的條件下會(huì)經(jīng)受氧化和侵蝕。
根據(jù)美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)US2009/184，002已知一種生物傳感器件，其包括具有金屬電極的至少一個(gè)電子元件，所述金屬電極可以由銅或者包含銅的合金制成。 US2009/184, 002教導(dǎo)了 盡管通常在生物傳感器件中使用諸如金、銀和鉬之類的貴金屬， 但優(yōu)選地是使用銅，因?yàn)檫@與先進(jìn)半導(dǎo)體工藝兼容。銅易于氧化形成CuxOy，這可以在隨后的工藝中清除，具體地在準(zhǔn)備應(yīng)用自組裝單層時(shí)予以清除，自組裝單層然后可以用于保護(hù)電極免于侵蝕并且在頂部上與生物分子相耦合。
需要提供一種半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法，其結(jié)合了半導(dǎo)體器件內(nèi)的銅基電極技術(shù)以及用于后繼處理為生物傳感器件的惰性金屬電極的優(yōu)勢(shì)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件的制造方法，其與先進(jìn)CMOS 工藝且與用于生物傳感應(yīng)用的生物傳感器的另外工藝相兼容。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種制造生物傳感器半導(dǎo)體器件的方法，所述生物傳感器半導(dǎo)體器件在其主表面處具有Au-Cu合金電極，所述方法包括提供具有Cu電極的半導(dǎo)體器件，所述Cu電極位于主表面處并且延伸到所述器件中；在所述Cu電極上沉積Au層；對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理以使沉積的Au和所述Cu電極進(jìn)行合金化，從而形成Au-Cu合金電極；以及對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行拋光以露出所述Au-Cu合金電極。
通過首先提供銅電極，可以保持與CMOS工藝(標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝或者先進(jìn)CMOS工藝)的兼容性。此外，通過限制表面處自由銅的量(例如，提供金覆層的情況)，可以減輕露出銅的氧化問題(具有銅電極的傳統(tǒng)生物傳感器件會(huì)發(fā)生這種問題)。有益地，根據(jù)實(shí)施例，不要求光刻步驟來將金沉積與電極對(duì)齊。在電極是微電極使得電極的橫向尺寸是微米量級(jí)、或者是納米電極使得電極的尺寸小于I微米的應(yīng)用中，這是特別有益的。因此，金沉積不需要局限于僅僅位于銅電極上。也就是說，可以將金層沉積在銅電極上并且超過銅電極。應(yīng)該理解的是，銅電極的提供不需要包括它們的隔離和/或分離；具體地，可以沉積包括銅電極的銅層，并且可以執(zhí)行或者不執(zhí)行后續(xù)的化學(xué)機(jī)械拋光步驟以從表面的其他部分CN 102923640 A書明說2/7頁(yè)去除銅。
另外應(yīng)該理解的是與包含在銅上沉積金的傳統(tǒng)金屬化相反，因?yàn)樵诒臼纠薪鸷豌~的混合是必要的，而不需要通過阻擋層來防止這種混合，所以不要求諸如Ti之類的阻擋層。
在實(shí)施例中，對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理以使沉積的Au和Cu電極合金化包括使Cu 電極完全合金化。通過消耗銅成為特定的AuxCuy化合物，從而“固定” 了銅，即，銅不再能夠遷移到電極表面、受侵蝕或者形成氧化物。應(yīng)該理解的是依賴于所使用的具體條件，沉積的金的全部或一部分可以合金化。在實(shí)施例中，沉積的Au層的厚度是至少50nm。這種厚度的沉積金層典型地足以確保存在過量的金以便允許消耗所有的銅，也就是說將銅“固定”到特定的AuxCuy化合物中。應(yīng)該理解的是,較薄的層(例如只有IOnm)也是可能的；然而為了實(shí)現(xiàn)這種薄層，通常要求不方便的熱預(yù)算，例如不適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)退火時(shí)間。
在實(shí)施例中，對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行拋光包括化學(xué)機(jī)械拋光。替代地，可以使用在工業(yè)領(lǐng)域通常開發(fā)稍差的其他拋光技術(shù)例如但非限制，純機(jī)械拋光或者電解拋光，電解拋光與電鍍相反，可以通過施加電場(chǎng)來對(duì)器件進(jìn)行拋光，用于去除不需要的金屬。
在實(shí)施例中，對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理包括將半導(dǎo)體器件加熱到350°C或450°C 上下50°C之內(nèi)的溫度保持一個(gè)小時(shí)上下15分鐘之內(nèi)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)表明這樣的熱處理提供了金和銅的足夠合金化，結(jié)果是高級(jí)別的抗侵蝕性。
因?yàn)楹辖鹬械你~濃度可以在器件上變化，典型地電極上方比其他地方的銅含量要高，優(yōu)選的是使用對(duì)金和銅的拋光速率進(jìn)行平衡的漿液來執(zhí)行CMP步驟。例如，可以將銅保護(hù)劑加入到金-CMP漿液中，以便減小電極上方拋光的加速(由于相對(duì)于器件上其他地方的較高銅濃度而導(dǎo)致)。
在實(shí)施例中，Cu電極包括多級(jí)大馬士革(Damascene)金屬化疊層的最終金屬層。 由于大馬士革金屬化疊層的多層結(jié)構(gòu)，可以限制金遷移到半導(dǎo)體器件的有源CMOS區(qū)附近， 這對(duì)于器件的操作是有害的。在實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件包括硅或者含硅材料。硅基材料系特別適用于商用生物傳感器應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冊(cè)诎雽?dǎo)體材料系中是最廣泛開發(fā)的。
該方法還可以包括在露出的Au-Cu合金電極上沉積自組裝單層。
該方法還可以包括在前步驟將半導(dǎo)體器件與從晶片上分離。因此，本發(fā)明不局限于可以在器件級(jí)別執(zhí)行的所述工藝。
在實(shí)施例中，電極在半導(dǎo)體主表面處具有在橫向不超過I微米的尺寸。在實(shí)施例中，生物傳感器適用于電容性傳感,并且Au-Cu合金電極包括傳感電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種生物傳感器半導(dǎo)體器件，所述生物傳感器半導(dǎo)體器件在其主表面處具有Au-Cu合金電極，Au-Cu合金電極延伸到所述器件中。Au-Cu電極已經(jīng)證明了在避免電極表面侵蝕方面特別有益，從而提高了沉積材料的吸附或者化學(xué)吸附，沉積材料例如生物傳感應(yīng)用中與生物受體相關(guān)聯(lián)使用或者作為生物受體使用的自組裝單層。
在實(shí)施例中，電極在器件的主表面處具有相對(duì)富Au的成分，并且遠(yuǎn)離主表面具有相對(duì)富Cu的成分。在主表面處具有相對(duì)富Au的成分有助于避免表面處的侵蝕；遠(yuǎn)離主表面具有相對(duì)富Cu的成分可以幫助限制金朝著器件有源區(qū)的后續(xù)擴(kuò)散。在實(shí)施例中，電極在半導(dǎo)體的主表面處具有沿橫向方向不超過I微米的尺寸。這些實(shí)施例與大量基于平行電容4的生物傳感器件兼容。在實(shí)施例中，相鄰電極之間的橫向間距是相鄰電極寬度的至少4倍。
根據(jù)下文所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得清楚明白，并且參考所述實(shí)施例得以闡述。


將參考附圖僅以示例方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖1(a)至1(c)示出了根據(jù)實(shí)施例提供半導(dǎo)體器件的方法的三個(gè)階段的半導(dǎo)體器件的不意圖2示出了具有大馬士革多層金屬化的半導(dǎo)體器件部分的截面圖3示出了 Au-Cu相圖4示出了在熱處理之前和之后的Au-Cu層的XRD分析；
圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的流程圖。
應(yīng)該注意的是附圖只是示意性的并且沒有按比例繪制。為了附圖中的清楚和便利，已經(jīng)在尺寸上放大或者縮小地示出了這些附圖部件的相對(duì)尺寸和比例。相同的附圖標(biāo)記通常用于表示修改和不同的實(shí)施例中相應(yīng)或類似的特征。
具體實(shí)施方式
圖I (a)至I (C)示出了根據(jù)實(shí)施例的提供半導(dǎo)體器件的方法的三個(gè)階段的半導(dǎo)體器件的示意圖。圖1(a)示出了穿過半導(dǎo)體器件100 (主表面105)的示意性截面圖，并且包括位于主表面處并且延伸進(jìn)入半導(dǎo)體器件中的銅電極120。在半導(dǎo)體器件的本體110內(nèi)，具有與標(biāo)準(zhǔn)或先進(jìn)CMOS工藝相關(guān)聯(lián)的各種區(qū)域、層和特征。直到制造的這一階段，該器件與標(biāo)準(zhǔn)或者先進(jìn)CMOS工藝完全兼容。
圖1(b)示出了在器件的主表面上沉積金層130之后的半導(dǎo)體器件100。如圖I所示，通常將金層沉積為遍布在器件上，也就是說不需要光刻或者其他掩模階段來限制只將金沉積到銅電極上。金層130可以是相對(duì)較厚，或者銅電極相對(duì)較寬地間隔開，使得與銅電極中的銅量相比，較大量的金沉積在器件上。濺射是用于金層130的特別方便的沉積方法。 然而，可以使用諸如蒸發(fā)之類的替代類型真空沉積。應(yīng)該注意的是，本發(fā)明不局限于此，也可以使用在半導(dǎo)體器件的表面上提供金層的其他方式(例如通過電鍍)。
在工藝的下一個(gè)階段(未示出)，對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理，以便促進(jìn)金層130與銅電極120的合金化。具體的合金條件可以依賴于不同的器件和所使用的層厚度而變化； 然而發(fā)現(xiàn)將半導(dǎo)體器件加熱到350°C周圍50°C范圍內(nèi)45分鐘到I小時(shí)15分鐘、并且特別是將半導(dǎo)體器件加熱到350°C I小時(shí)可以提供銅和金的合適程度的合金化。在其他實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將半導(dǎo)體器件加熱到450°C周圍50°C的范圍內(nèi)45分鐘到I小時(shí)15分鐘、并且特別是將半導(dǎo)體器件加熱到450°C I小時(shí)也可以提供銅和金的適當(dāng)量的合金化，盡管在這種情況下，所形成的具體AuCu化合物和相與在350°處或350°周圍形成的AuCu化合物和相不同。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是銅金的相圖是非平凡的(nontrivial),并且甚至在室溫下也可以發(fā)生這兩種金屬的擴(kuò)散。在圖3中示出了銅和金的相圖。通常，銅外擴(kuò)散(out-diffuse)到金中，并且金內(nèi)擴(kuò)散(in-diffuse)到銅中。從圖中可以看出Au_Cu合金可以包括幾種具體的化合物，例如可以存在于兩種結(jié)晶相中的AuCu3、可以存在于單一結(jié)晶相中的Au3Ciu以及也可以存在于兩種結(jié)晶相中的AuCu。另外，在相對(duì)富Au的成分中， 可以在特定AuxCuy化合物的基體(matrix)中存在金的固溶體；相反，在富Cu的環(huán)境中，在特定AuxCuy化合物的基體中存在銅的固溶體。
有利的是，可以消耗銅電極120中的所有銅，形成一種或多種特定的銅-金AuxCuy 化合物，例如Au3CiuAuCu3和AuCu。即使沒有消耗所有的銅，由于相對(duì)較厚的沉積金層而導(dǎo)致可用于合金化工藝的過量的金可以使得在熱處理結(jié)束時(shí)在金層表面處存在相對(duì)低或者甚至可忽略量的自由銅(也就是說，銅處于固溶體狀態(tài)而不是處于諸如Au3Cu之類的具體合金相)。典型地，為了提供良好的抗蝕性(隨時(shí)間穩(wěn)定)，可能要求電極頂部金與銅原子的一定最小比率、并且在幾個(gè)原子層(例如，電極的頂部50nm)上沒有成分梯度。另外，由于相對(duì)較厚的沉積金層而導(dǎo)致可用于合金化工藝的過量的金可以使得在電極的頂部處(即， 半導(dǎo)體器件的主表面105處)存在相對(duì)低或者甚至可忽略量的自由銅(也就是說，銅處于固溶體狀態(tài)而不是諸如Au3Cu之類的具體合金相)。
優(yōu)選地，在還原氣氛(例如，成分為5%HJP95%N2的合成氣體)中執(zhí)行熱處理， 以便避免或者限制任意露出銅的氧化。還發(fā)現(xiàn)，有益的是確保使樣品冷卻至最多100°C同時(shí)保持在還原氣氛中。
在工藝的后續(xù)階段中，通過CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行平坦化，以從半導(dǎo)體器件去除過量的金。在CMP步驟結(jié)束時(shí)，半導(dǎo)體器件如圖1(c)所示。應(yīng)該理解的是，該圖與圖1(a)所示的類似，然而從主表面延伸到半導(dǎo)體器件中的原始銅電極120現(xiàn)在被Au-Cu合金電極140代替。應(yīng)該理解的是具體存在合金化銅電極的哪一或哪些相不如在半導(dǎo)體器件的主表面處電極的表面115處具有相對(duì)少量的自由銅重要。優(yōu)選地，電極表面包括小于2%的自由銅，并且理想地根本不包括自由銅。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)明白CMP的效率和均勻性嚴(yán)重地依賴于所使用的拋光化合物或漿液的選擇。在當(dāng)前情況下，有益地將整個(gè)表面用Au基材料(金、金化合物或者銅在金中的固溶體)覆蓋，并且應(yīng)該適當(dāng)?shù)剡x擇衆(zhòng)液。合適的衆(zhòng)液示例是(由Eminess供應(yīng)的)UltraSol A15。有利地，當(dāng)與非合金的金覆層比較時(shí)，CMP平坦化要均勻的多，并且不會(huì)受到與利用金的CMP所發(fā)生的相同程度的碟形凹陷(dishing)效應(yīng)。當(dāng)在與較硬材料(例如，在半導(dǎo)體器件的表面處典型地存在的SiOx或者其他電介質(zhì)材料)相鄰地對(duì)諸如金之類的軟材料CMP拋光時(shí)發(fā)生“碟形凹陷”。利用諸如Au-Cu合金這樣的較硬材料更易于實(shí)現(xiàn)均勻的拋光。
實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在諸如UltraSol A15之類的金-CMP漿液中添加銅保護(hù)劑(例如BTA，也就是1，2，3苯并三唑)改善了 CMP工藝的均勻性因?yàn)殡姌O上的Cu濃度通常比器件其余部分上的銅濃度要高，令人驚訝地觀察到金_漿液在電極上比在器件的其他部分上具有更高的拋光率。這意味著，在金CMP工藝中銅溶解是重要的機(jī)制；實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)引入銅保護(hù)劑可以大大改進(jìn)平坦化的均勻性。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解因?yàn)镃MP步驟應(yīng)該停止于半導(dǎo)體器件的表面處，CMP 漿液優(yōu)選地應(yīng)該是對(duì)于諸如氮化硅或氧化硅之類的電介質(zhì)具有高選擇性的漿液。
在存在大電極(例如鍵合焊盤電極)的情況下碟形凹陷尤其是個(gè)問題。在接近 CMP結(jié)束時(shí)，因?yàn)殒I合焊盤處的金比半導(dǎo)體器件的表面上其他位置處的相對(duì)較硬材料(典6型地，氧化物或者其他電介質(zhì)材料)容易去除得多，金被優(yōu)先去除，導(dǎo)致在鍵合焊盤區(qū)域中相對(duì)于表面的其余部分相對(duì)較低的表面或者“碟形凹陷”。而這種效應(yīng)對(duì)于較大的鍵合焊盤特別顯著，在其他電極處也可以發(fā)生較低的程度，例如橫向尺寸小于微米量級(jí)的納米電極， 典型地在生物傳感器應(yīng)用中可以按照大陣列使用納米電極。
如果使用金覆層而不進(jìn)行熱合金化工藝，那么在后續(xù)的CMP中，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀察到了可能露出下方的原始電極的銅，特別是在接近鍵合焊盤的中心區(qū)域。這可能導(dǎo)致另外的問題，例如在金和銅之間產(chǎn)生電化學(xué)電池，結(jié)果是銅的快速腐蝕和侵蝕。
另外，對(duì)于金-銅合金的CMP，有利地是可以使用水基漿液而不是諸如IPA (異丙醇)之類的不導(dǎo)電漿液，IPA包含純金的CMP拋光所要求的氧化鈰顆粒。與基于諸如IPA之類的其他溶劑的漿液相比，水基漿液不太昂貴，并且有益于環(huán)境。因此，根據(jù)實(shí)施例的CMP 工藝窗口比針對(duì)純金的情況寬得多。
在其他實(shí)施例中，可以使用諸如純機(jī)械拋光之類的其他拋光技術(shù)來代替化學(xué)機(jī)械拋光。
圖4示出了合金化工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖上按照任意單位繪制了金和銅電極成分的X-射線衍射(XRD)測(cè)量結(jié)果，在曲線410處繪制了熱處理之前的XRD測(cè)量，在曲線420 和430處分別繪制了在250°C和350°C下進(jìn)行兩個(gè)半小時(shí)的熱處理之后的XRD測(cè)量，以及在曲線440處繪制了在450°C下進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的熱處理之后的XRD測(cè)量。從圖中可以看出 針對(duì)未處理電極、以及加熱到250°C兩個(gè)半小時(shí)的電極的曲線都表現(xiàn)出了元素金(在450和 452)·和元素銅(在峰值454)的明顯峰值。相反，在高溫下進(jìn)行熱處理之后的曲線430和 440中，這些峰值幾乎完全消失；代替地，在曲線430的情況下在AuCu的位置處存在顯而易見的峰值，并且在曲線440中存在AuCu3的峰。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了已經(jīng)在合金化工藝中消耗了元素銅。因?yàn)榻?銅合金比元素銅遠(yuǎn)不易受侵蝕，也就是說氧化，所得到的電極表面更穩(wěn)定，并且與自組裝單層的良好粘附性更加兼容，自組裝單層例如可以在生物傳感器件的進(jìn)一步處理中使用。
在合金化步驟以及通過CMP的平坦化之后的電極表面成分的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析已經(jīng)說明了 在350°C下一小時(shí)的合金化步驟之后，表面包含原子百分比43±3的金，并且在 450°C下一小時(shí)的合金化步驟之后，表面包含原子百分比35±1的金。
實(shí)驗(yàn)上，已經(jīng)通過使用生理緩沖液中的侵蝕測(cè)試說明了相對(duì)于裸銅電極的改進(jìn)侵蝕保護(hù)。具體地，已經(jīng)施加了 150mM的含氯化物鹽，以及酸化為pH值為2的IOmM甘氨酸溶液CMP金-銅合金電極表現(xiàn)了相對(duì)較少的侵蝕；在一種情況下，在IOmM甘氨酸溶液中30 分鐘之后或者在150mM氯化物溶液中4小時(shí)之后通過SEM沒有觀察到明顯的損壞。
圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的流程圖500。在步驟510，提供半導(dǎo)體器件100，銅電極位于其主表面并且延伸進(jìn)入到器件中。一直到這一階段，器件的處理完全是常規(guī)的。隨后在步驟520，在器件上沉積金層。金的沉積不限于剛好在銅電極上；因此不要求涉及與電極精確對(duì)齊的光刻步驟。應(yīng)該注意的是盡管金沉積不限于在銅電極上，也不必將金沉積到整個(gè)器件上。另外，可以在器件級(jí)別執(zhí)行沉積，也就是說在已經(jīng)將單獨(dú)的器件從加工后的半導(dǎo)體晶片上分離之后進(jìn)行沉積；然而通常將是這樣的情況在晶片級(jí)別進(jìn)行金沉積，也就是說在將晶片分離成單獨(dú)的器件或者切片之前進(jìn)行金沉積。
接下來在步驟530，對(duì)管芯或者晶片進(jìn)行熱處理，典型地在還原氛圍下，以便促進(jìn)銅和金的相互擴(kuò)散以產(chǎn)生金-銅合金。盡管銅可以從主表面橫向或者向上擴(kuò)散，來自沉積金層的金擴(kuò)散到銅電極中并且遠(yuǎn)離主表面向下或者進(jìn)入器件。由于相對(duì)過量的金(典型地由于沒有將沉積的金層限制為只在銅電極上)，可以將來自電極的銅顯著地或者完全地消耗或者吸收到合金中，而典型地金不是這樣。
隨后在步驟S540，對(duì)器件或者在晶片級(jí)別上執(zhí)行沉積和合金化情況下對(duì)晶片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，以便從器件上除了電極之外的地方去除剩余的過量金(已經(jīng)至少部分地轉(zhuǎn)換為金-銅合金)。從而露出合金化的金-銅電極。
在上述工藝流程中，假設(shè)已經(jīng)對(duì)生物傳感器半導(dǎo)體器件進(jìn)行了常規(guī)處理，直到主表面處唯一露出的銅是在電極處的階段。也就是說，完成了常規(guī)電極的制造。然而在其他實(shí)施例中，工藝可以略有不同在用于產(chǎn)生頂部銅電極的典型工藝中，例如大馬士革工藝， 將金屬(在這種情況下是銅)沉積到整個(gè)器件上，包括沉積到所形成的部分通孔中。(部分通孔是這樣的通孔，其從主表面延伸到器件中，但是通常不會(huì)完全穿透器件)。在常規(guī)處理中，然后通過CMP對(duì)器件進(jìn)行平坦化，以便從不需要的區(qū)域去除金屬并且只保留部分通孔中的金屬。在實(shí)施例中，不對(duì)銅層進(jìn)行平坦化，而是在沉積該層之后在步驟520沉積金層 130。換句話說，相對(duì)于上述工藝流程，將步驟510修改為不包括銅的任何CMP平坦化。然后，工藝如上所述進(jìn)行，區(qū)別在于金不僅僅在電極處、而是在整個(gè)器件上相互擴(kuò)散到銅中。 為了提供優(yōu)選的金過量，當(dāng)與上述工藝流程相比較時(shí)必須沉積相對(duì)較厚的金層。然而，這種修改的工藝流程具有以下優(yōu)點(diǎn)金和銅之間的相互擴(kuò)散在器件上均勻的多，這可以導(dǎo)致對(duì)于后續(xù)CMP階段540的更寬工藝窗口。
于是，從一種觀點(diǎn)看，在此公開了一種制造生物傳感器半導(dǎo)體器件的方法，其中對(duì)半導(dǎo)體器件主表面處的銅電極進(jìn)行改進(jìn)以形成Au-Cu合金電極。通過在器件上沉積(典型地通過濺射)金層，然后對(duì)器件進(jìn)行熱處理以促進(jìn)金和電極銅之間的相互擴(kuò)散，并且使它們合金化，來實(shí)現(xiàn)上述改進(jìn)。典型地通過CMP從器件的表面去除合金化的金-銅，使電極露出。因?yàn)榻餩銅合金比金硬，所以CMP工藝窗口比純金的情況要寬；此外，因?yàn)橐呀?jīng)將電極銅轉(zhuǎn)換為金-銅合金，比傳統(tǒng)銅電極更加抗侵蝕。因此，電極比傳統(tǒng)銅電極的情況更易于與生物傳感器件的進(jìn)一步處理相兼容，并且工藝窗口比金覆蓋銅電極要寬。還公開了一種具有Au-Cu合金電極的生物傳感器半導(dǎo)體器件。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解這里使用的術(shù)語(yǔ)“生物傳感器”表示能夠感測(cè)生物活性分子或復(fù)合體(complex)的傳感器。生物活性分子典型地是大有機(jī)分子。
通過閱讀本公開，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將清楚其他改變和修改。這些改變和修改可以包含在生物傳感半導(dǎo)體器件領(lǐng)域已知的等價(jià)和其他特征，這些特征可以代替或者結(jié)合在此已經(jīng)描述的特征來使用。
盡管所附權(quán)利要求涉及特征的具體組合，應(yīng)該理解的是本發(fā)明公開的范圍也包括在此明示或暗示公開特征的任何新穎特征或者在此明示或暗示公開特征的任何新穎組合， 或者在此明示或暗示公開特征的概括，而不論其是否涉及在任意權(quán)利要求中當(dāng)前要求保護(hù)的相同發(fā)明，也不論其是否減輕了本發(fā)明所針對(duì)的任一或全部相同技術(shù)問題。
在分離實(shí)施例的上下文中描述的特征也可以在單一的實(shí)施例中組合提供。相反， 為了簡(jiǎn)明起見，在單一實(shí)施例中描述的各種特征可以分離地提供或者按照任意合適的子組合的方式提供。
申請(qǐng)人因此需要提指出的是在本申請(qǐng)或者由本申請(qǐng)得出的任意另外申請(qǐng)的審查期間，可以針對(duì)這些特征和/或這些特征的組合撰寫新的權(quán)利要求。
為了完整性，還需要指出的是術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其他元件或者步驟，術(shù)語(yǔ)“一” 或“一個(gè)”不排除多個(gè)，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)該解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造生物傳感器半導(dǎo)體器件的方法，所述生物傳感器半導(dǎo)體器件在其主表面處具有Au-Cu合金電極,所述方法包括 -提供具有Cu電極的半導(dǎo)體器件，所述Cu電極位于主表面處并且延伸到所述器件中； -在所述Cu電極上沉積Au層； -對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理以使沉積的Au和所述Cu電極進(jìn)行合金化，從而形成所述Au-Cu合金電極；以及 -對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行拋光以露出所述Au-Cu合金電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理以使沉積的Au和所述Cu電極合金化包括使所述Cu電極完全合金化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述沉積的Au層的厚度是至少50nm。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行拋光包括化學(xué)機(jī)械拋光。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中對(duì)所述半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱處理包括將所述半導(dǎo)體器件加熱到350°C或450°C上下50°C之內(nèi)的溫度保持一個(gè)小時(shí)上下15分鐘之內(nèi)的時(shí)間。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述Cu電極包括多級(jí)大馬士革金屬化疊層的最終金屬層。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述半導(dǎo)體器件包括硅或者含硅材料。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，還包括下述步驟中至少之一在露出的Au-Cu合金電極上沉積自組裝單層；以及在前步驟將半導(dǎo)體器件與從晶片上分離。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述電極在半導(dǎo)體主表面處具有在橫向不超過I微米的尺寸。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述生物傳感器適用于電容性傳感，并且所述Au-Cu合金電極包括傳感電極。
11.一種生物傳感器半導(dǎo)體器件，所述生物傳感器半導(dǎo)體器件在其主表面處具有Au-Cu合金電極,所述Au-Cu合金電極延伸到所述器件中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的生物傳感器半導(dǎo)體器件，其中所述電極在器件的主表面處具有相對(duì)富Au的成分，并且遠(yuǎn)離所述主表面具有相對(duì)富Cu的成分。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的生物傳感器半導(dǎo)體器件，其中所述電極在半導(dǎo)體主表面處具有在橫向不超過I微米的尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的生物傳感器半導(dǎo)體器件，其中相鄰電極之間的橫向間距是相鄰電極寬度的至少4倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的生物傳感器半導(dǎo)體器件，其中所述生物傳感器適用于電容性傳感，并且所述Au-Cu合金電極包括傳感電極。
全文摘要
公開了一種制造生物傳感器半導(dǎo)體器件的方法，其中改進(jìn)半導(dǎo)體器件主表面處的銅電極以形成Au-Cu合金電極。通過在器件上沉積(典型地濺射)金層，然后對(duì)器件進(jìn)行熱處理以促進(jìn)金和電極銅之間的相互擴(kuò)散，并使它們合金化，來實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)。典型地通過CMP從器件表面去除合金化的金-銅，使電極露出。因?yàn)榻?銅合金比金硬，CMP工藝窗口比純金的情況寬；此外，因?yàn)橐呀?jīng)將電極銅轉(zhuǎn)換為金-銅合金，比傳統(tǒng)銅電極更加抗侵蝕。因此，電極比傳統(tǒng)銅電極的情況更能與生物傳感器件的進(jìn)一步處理相兼容，并且工藝窗口比金覆蓋銅電極寬。還公開了一種具有Au-Cu合金電極的生物傳感器半導(dǎo)體器件。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102923640SQ20121028072
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者戴維·斯滕溫克爾, 托馬斯·梅雷勒, 弗朗斯·韋德肖翁, 菲特·恩古耶恩, 迪米特里·索科爾, 揚(yáng)·弗蘭薩爾 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司