專(zhuān)利名稱(chēng)：集成電路研磨平坦化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)改善大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路工藝平坦化的方法。
在超大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中，已經(jīng)非常普遍利用多層金屬交聯(lián)垂直疊層方式來(lái)形成金屬繞線(xiàn)電路。多層制造技術(shù)已經(jīng)變成一種有效方式來(lái)提高電路性能與電路功能的復(fù)雜性。多層金屬交聯(lián)技術(shù)的其一缺點(diǎn)是由于層層疊加效應(yīng)因而喪失芯片平坦度。所謂平坦度差的芯片是指芯片上呈現(xiàn)高低起伏不平較大的表面。在高凸區(qū)域附近，這些導(dǎo)電或絕緣薄膜容易受到熱、電流或機(jī)械應(yīng)力而造成圖形不連續(xù)。這種圖形不連續(xù)性會(huì)引起組件某些特定功能失效。再者，不平坦表面在黃光光刻工藝處理中，無(wú)法被精確地對(duì)焦，因?yàn)閭鹘y(tǒng)黃光光刻步距機(jī)的對(duì)焦深度會(huì)因芯片表面不同高度而偏離。這種無(wú)法對(duì)焦問(wèn)題相對(duì)小組件更為嚴(yán)重。
現(xiàn)有技術(shù)的有些方法可用來(lái)減輕芯片表面不平坦程度，其中一種最為常用方法是旋轉(zhuǎn)涂抹玻璃(SOG)方法。這種旋轉(zhuǎn)涂抹玻璃(SOG)材質(zhì)一般由低粘滯性溶液組成，所以可利用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)涂抹技術(shù)將高低起伏表面的低凹部分迅速填滿(mǎn)。一般在旋轉(zhuǎn)涂抹SOG后會(huì)有一道烘烤程序用來(lái)蒸發(fā)含在SOG內(nèi)的溶劑而這層SOG薄膜變成稍硬化薄膜。另外再加進(jìn)爐管硬化處理(curing)工藝會(huì)使SOG薄膜更加硬化。然后進(jìn)行SOG回蝕處理蝕刻SOG薄膜來(lái)平坦化芯片。若在組件導(dǎo)電接觸位置上仍未被完全移除，則會(huì)產(chǎn)生所謂污損介層窗(poison via)問(wèn)題。這樣一來(lái)，不僅會(huì)造成高電阻值的介電層窗而且甚至形成非常低優(yōu)良率芯片。因?yàn)镾OG回蝕并非選擇性工藝，若要移除所有SOG，則在凹槽洞隙會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重低洼現(xiàn)象。這樣，芯片表面會(huì)更不平坦而平坦度變差。


圖1A與圖1B是描述現(xiàn)有技術(shù)SOG回蝕方法無(wú)法達(dá)到平坦芯片表面。圖1A描述旋轉(zhuǎn)涂布一層SOG材質(zhì)在有凹槽的半導(dǎo)體芯片上，而圖1B則顯示在使用SOG回蝕工藝后所形成的不平坦表面。如圖1A所示，SOG材質(zhì)11以旋轉(zhuǎn)涂布方法填入半導(dǎo)體基板14上的凸出圖形12的中間洞隙13。如圖1B所示，經(jīng)過(guò)SOG回蝕(etchback)處理后，會(huì)在中間洞隙13間形成低洼表面。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通常中間洞隙13其寬度愈大，這種低洼現(xiàn)象會(huì)愈嚴(yán)重。
另一種已有技術(shù)為了減輕低洼現(xiàn)象，多加一層光罩(photo mask)設(shè)計(jì)來(lái)遮住凹槽洞隙圖像。由于光阻覆蓋在凹槽洞隙上后再進(jìn)行傳統(tǒng)SOG回蝕處理，這時(shí)只有在高凸圖樣上的SOG未受到光阻覆蓋保護(hù)會(huì)被蝕刻掉。但是這項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)因多加一道黃光光刻工藝會(huì)增加工廠制造費(fèi)用成本。
基本上SOG回蝕處理只能達(dá)到部分平坦化，而化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝技術(shù)能達(dá)到全面平坦化。近年來(lái)，CMP工藝技術(shù)已被應(yīng)用到集成電路次微米(sub-micron)工藝上。目前CMP工藝主要是將半導(dǎo)體芯片支撐住放置在旋轉(zhuǎn)且研磨泥漿沾濕的大型圓墊上。在研磨過(guò)程中是利用含在泥漿中的碎硅石機(jī)械力學(xué)作用，與含在泥漿中的堿性或酸性化學(xué)溶液作用將芯片表面上的介電層或金屬層磨平。
目前所使用的氧化層研磨泥漿是無(wú)法研磨聚合物這類(lèi)材質(zhì)，所以必需使用特別的研磨泥漿，且仔細(xì)控制來(lái)研磨聚合物這類(lèi)硬度不高且稍有彈性材質(zhì)。使用不相同的幾種研磨泥漿可能會(huì)造成工廠機(jī)臺(tái)安排調(diào)度不便及控制處理問(wèn)題。另一方面，傳統(tǒng)CMP技術(shù)對(duì)于寬凹槽圖樣設(shè)計(jì)仍會(huì)造成所謂低洼現(xiàn)象(dishing effects)。這種低洼現(xiàn)象是指在凹槽洞隙中有低陷情形，尤其愈寬凹槽其低陷愈深。
本發(fā)明的目的在于提供一種可施行的工藝技術(shù)方法及半導(dǎo)體組件，以改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到芯片全面平坦化而提高工廠制造的優(yōu)良率。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種使用化學(xué)機(jī)械研磨將半導(dǎo)體芯片平坦化的方法，它包括下列步驟將一種含有聚合物材質(zhì)的溶液涂布在一片有不平坦表面的半導(dǎo)體芯片上；以熱處理硬化所述聚合物材質(zhì)以形成一層硬化的聚合物層；對(duì)所述硬化的聚合物層進(jìn)行一氣體等離子體處理，使所述聚合物層一部分成為一二氧化硅類(lèi)待研磨層；沉積一氧化層薄膜在所述二氧化硅類(lèi)層上，且所述氧化層薄膜具有比所述二氧化硅層類(lèi)較低的化學(xué)機(jī)械研磨速率；以及使用化學(xué)機(jī)械研磨工藝研磨所述低化學(xué)機(jī)械研磨速率的氧化層薄膜與所述二氧化硅層類(lèi)。
然后再使用N2O氣體等離子體處理所述硬化的聚合物層表面。因?yàn)樗鲇不木酆衔飳右呀?jīng)過(guò)N2O氣體等離子體處理步驟，所以至少有部分聚合物材質(zhì)會(huì)變成為二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)材質(zhì)而且可被傳統(tǒng)CMP氧化層研磨泥漿所研磨。在N2O氣體等離子體處理之后，接著直接(in-situ)在反應(yīng)室(chamber)內(nèi)沉積一層PETEOS薄膜在二氧化硅類(lèi)聚合物層上。若適當(dāng)?shù)乜刂芅2O氣體等離子體處理過(guò)程，則在凸出表面圖樣上的所有聚合物材質(zhì)將會(huì)全部轉(zhuǎn)變成二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)材質(zhì)。而PETEOS薄膜層可做為一蝕刻終止層效用。之后，使用CMP工藝技術(shù)加入傳統(tǒng)CMP氧化層研磨泥漿研磨所述二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)材質(zhì)與所述PETEOS薄膜。一般傳統(tǒng)CMP氧化層研磨泥漿含有氫氧化鉀與硅石混合溶液。
依照本發(fā)明的制作方法可達(dá)成芯片使用聚合物層全面的平坦化。本發(fā)明的其中一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是不需要特別的CMP研磨泥漿。在芯片上旋轉(zhuǎn)涂抹聚合物薄膜和爐管熱處理(curing)硬化后，再用N2O氣體等離子體處理聚合物薄膜層，這樣一來(lái)，只要使用傳統(tǒng)CMP氧化層泥漿就可研磨所述聚合物薄膜層。對(duì)于窄凹槽洞隙圖樣設(shè)計(jì)，CMP研磨工藝一般不會(huì)移除留在凹槽洞隙內(nèi)的聚合物材質(zhì)而能達(dá)到全面平坦化。若芯片有相當(dāng)寬凹槽洞隙圖樣設(shè)計(jì)，CMP研磨時(shí)會(huì)將移除一些留在寬凹槽洞隙內(nèi)的聚合物材質(zhì)而造成所謂低洼現(xiàn)象。本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是加入一層PETEOS薄膜通過(guò)不同CMP研磨速率而消除或減輕所謂低洼現(xiàn)象。另一方面，在N2O氣體等離子體處理后，聚合物材質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)變成二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)薄膜層。根據(jù)傅立葉近紅外線(xiàn)光譜分析資料，這種氧化層類(lèi)薄膜是會(huì)吸收水汽。因此在等離子體反應(yīng)室內(nèi)直接沉積一層PETEOS薄膜在氧化層類(lèi)薄膜的上，這樣可防止水汽進(jìn)入類(lèi)氧化層薄膜內(nèi)。所以PETEOS薄膜一方面是研磨用的終止層，另一方面可做為防止水汽的保護(hù)層。
為更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1A及圖1B為現(xiàn)有技術(shù)的回蝕方法說(shuō)明圖；圖2A至圖2F是描述本發(fā)明一較佳實(shí)施例的使用改進(jìn)的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝將聚合物層平坦化的過(guò)程示意圖；圖3根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料結(jié)果顯示以N2O氣體等離子體處理(gas plasmatreatment)的聚合物層在浸泡在氫氟酸(HF)溶液后，其厚度變化的曲線(xiàn)圖；圖4根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料結(jié)果顯示以N2O氣體等離子體處理的聚合物在使用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝后，其厚度變化的曲線(xiàn)圖；圖5說(shuō)明聚合物材質(zhì)經(jīng)過(guò)N2O氣體等離子體處理前后所分析的傅立葉近紅外線(xiàn)光譜圖。
本發(fā)明較佳實(shí)施例是以應(yīng)用在半導(dǎo)體金屬交聯(lián)平坦化為例。如圖2A所示，一薄氧化層3形成在芯片表面用于避免SOG材質(zhì)直接與金屬圖樣接觸而引起金屬被侵蝕現(xiàn)象。所述芯片表面包含有分隔寬凹槽洞隙的金屬構(gòu)件2所造成的不平坦圖樣在半導(dǎo)體基底上1。如圖2B所示，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)涂布與爐管熱硬化(curing)工藝處理后，一硬化的聚合物層4形成在不平坦圖樣的金屬構(gòu)件2上。若兩金屬構(gòu)件2中間凹槽洞隙愈寬，則愈易形成有中間低凹狀聚合物材質(zhì)4留在凹槽洞隙中，而兩金屬構(gòu)件2上仍有聚合物材質(zhì)。如圖2C所示，經(jīng)過(guò)數(shù)百瓦的射頻電力(RF power)與溫度大約400度的N2O氣體等離子體適當(dāng)處理后，在兩金屬構(gòu)件2上的聚合物材質(zhì)可全部轉(zhuǎn)變成二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)材質(zhì)5。這層二氧化硅類(lèi)(SiO2-like)材質(zhì)5也就是CMP的待研磨層。
如圖2D所示，以等離子體加強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積一層PETEOS薄膜6在二氧化硅類(lèi)聚合物層5上。圖2E顯示在CMP研磨初始階段會(huì)移除PETEOS薄膜6和二氧化硅類(lèi)聚合物層5上。根據(jù)CMP工藝原理，位在不平坦圖樣高點(diǎn)的物質(zhì)會(huì)以較快的研磨速率被移除。所以一開(kāi)始CMP研磨后，位在圖樣高點(diǎn)的二氧化硅類(lèi)聚合物層5，會(huì)比在凹槽內(nèi)的二氧化硅類(lèi)聚合物先被曝露出。其中所述二氧化硅類(lèi)聚合物在控片上的研磨速率大約是一分鐘4000埃厚度，而PETEOS薄膜在控片上的研磨速率大約是一分鐘2300埃厚度。所以具有相對(duì)低的研磨速率性質(zhì)PETEOS薄膜可做為CMP有效的研磨終止層。最后，圖2F顯示在完成CMP研磨工藝后，使用本發(fā)明實(shí)施例以達(dá)到平坦表面。
如圖3所示，曲線(xiàn)3a代表聚合物薄膜經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的N2O氣體等離子體處理后，其聚合物薄膜厚度變化情形。在1分鐘N2O氣體等離子體處理后，其聚合物薄膜厚度變化快接近厚度飽和狀況。雖經(jīng)過(guò)3分鐘N2O氣體等離子體處理，相對(duì)聚合物薄膜厚度只改變大約500埃。曲線(xiàn)3b代表其相對(duì)應(yīng)等離子體處理過(guò)的聚合物薄膜在進(jìn)行100∶1濃度氫氟酸(HF)溶液浸泡30秒后，被蝕刻掉所剩下的薄膜厚度變化情形。
若未加入N2O氣體等離子體工藝，100∶1濃度氫氟酸(HF)溶液則是無(wú)法蝕刻所述聚合物材質(zhì)。但經(jīng)過(guò)1分鐘N2O氣體等離子體處理聚合物材質(zhì)表面，再經(jīng)由劣F溶液浸泡30秒可以蝕刻所述聚合物材質(zhì)而其厚度被蝕刻后只剩下大約2000埃。曲線(xiàn)3c代表其相對(duì)應(yīng)等離子體處理過(guò)的聚合物薄膜進(jìn)行100∶1濃度氫氟酸(HF)溶液浸泡60秒后，被蝕刻掉所剩下的薄膜厚度變化情形。若經(jīng)過(guò)2分鐘N2O氣體等離子體處理后，然后繼續(xù)在HF溶液浸泡60秒會(huì)發(fā)現(xiàn)所述聚合物材質(zhì)厚度被蝕刻后只剩下大約800埃。
如圖4所示，曲線(xiàn)4a代表聚合物材質(zhì)并未加入N2O氣體等離子體工藝，在進(jìn)行不同時(shí)間CMP研磨后，其厚度變化情形。明顯地發(fā)現(xiàn)CMP工藝幾乎無(wú)法研磨所述聚合物材質(zhì)，其研磨速率大約是一分鐘200埃。所以所述聚合物薄膜厚度即使在CMP研磨60秒后厚度仍是大約4500埃。相反地，只要加入N2O氣體等離子體處理聚合物表面后，CMP工藝使用傳統(tǒng)的硅石混合溶液的氧化層研磨泥漿就可以研磨所述聚合物材質(zhì)。曲線(xiàn)4b代表聚合物薄膜經(jīng)過(guò)30秒的N2O氣體等離子體處理，在隨著不同CMP研磨時(shí)間后，其聚合物薄膜厚度變化情形。在30秒CMP研磨的后，發(fā)現(xiàn)所述聚合物材質(zhì)厚度只剩下大約2200埃。類(lèi)似地，曲線(xiàn)4c代表聚合物薄膜經(jīng)過(guò)60秒的N2O氣體等離子體處理，在隨著不同CMP研磨時(shí)間后，其聚合物薄膜厚度變化情形。在45秒CMP研磨的后，所述聚合物材質(zhì)厚度只剩下大約1600埃。其研磨速率大約是一分鐘4000埃。因此，經(jīng)過(guò)N2O氣體等離子體處理的聚合物材質(zhì)具有很高的CMP研磨速率，大約是比未進(jìn)行等離子體處理的聚合物材質(zhì)高出20倍。
如圖5所示，曲線(xiàn)5d代表聚合物材質(zhì)的傅立葉近紅外線(xiàn)光譜只經(jīng)過(guò)爐管處理(curing)但未加入N2O氣體等離子體工藝。曲線(xiàn)5c代表進(jìn)行N2O氣體等離子體處理1分鐘后聚合物材質(zhì)的傅立葉近紅外線(xiàn)光譜。曲線(xiàn)5b代表進(jìn)行N2O氣體等離子體處理2分鐘后聚合物材質(zhì)的傅立葉近紅外線(xiàn)光譜。曲線(xiàn)5a代表進(jìn)行N2O氣體等離子體處理3分鐘后聚合物材質(zhì)的傅立葉近紅外線(xiàn)光譜。明顯地，在經(jīng)過(guò)N2O氣體等離子體處理后，傅立葉近紅外線(xiàn)光譜曲線(xiàn)顯示在波數(shù)(wave number)大約3500cm-1附近有水汽的吸收光譜波峰(peak)。
本發(fā)明的應(yīng)用范圍不只限于目前所列舉的較佳金屬層實(shí)施例。實(shí)際上，在芯片上淺凹槽隔絕(shallow trench isolation)圖樣或使用低介電質(zhì)是數(shù)的聚合物材質(zhì)等也可利用本發(fā)明來(lái)達(dá)到全面平坦的芯片。
權(quán)利要求
1.一種使用化學(xué)機(jī)械研磨使半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，所述方法包括下列步驟將一種含有聚合物材質(zhì)的溶液涂布在一片有不平坦表面的半導(dǎo)體芯片上；以熱處理硬化所述聚合物材質(zhì)以形成一層硬化的聚合物層；對(duì)所述硬化的聚合物層進(jìn)行一氣體等離子體處理，使所述聚合物層一部分成為一二氧化硅類(lèi)待研磨層；沉積一氧化層薄膜在所述二氧化硅類(lèi)層上，且所述氧化層薄膜具有比所述二氧化硅層類(lèi)較低的化學(xué)機(jī)械研磨速率；以及使用化學(xué)機(jī)械研磨工藝研磨所述低化學(xué)機(jī)械研磨速率的氧化層薄膜與所述二氧化硅層類(lèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述氣體等離子體是選自由氧化氮(N2O)，氮?dú)?N2)，氧氣(O2)或氬氣(Argon)所組成的單一或混合氣體等離子體。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述氣體等離子體是N2O氣體等離子體。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述氣體等離子體是由低壓及在數(shù)百瓦射頻電力所產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)是聚硫亞氨化合物或聚氨基化合物。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)是聚氨基硫亞氨化合物。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)是聚硫亞氨化合物。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械研磨泥漿可有效研磨氧化硅層。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械研磨泥漿含有氫氧化鉀與硅石混合溶液。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片平坦化的工藝方法，其特征在于，所述具有低化學(xué)機(jī)械研磨研磨速率的氧化層薄膜是一種PETEOS薄膜。
11.一種多層半導(dǎo)體組件，它包括有不平坦表面的半導(dǎo)體芯片；在所述芯片上設(shè)有一層硬化的聚合物層；所述硬化的聚合物層上設(shè)有一經(jīng)氣體等離子體處理而成的待研磨層；在化學(xué)機(jī)械研磨平坦化研磨后，在所述待研磨層部分區(qū)域上設(shè)有氧化層薄膜，它具有比所述待研磨層較低的化學(xué)機(jī)械研磨速率。
12.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述氣體等離子體是選自由氧化氮(N2O)，氮?dú)?N2)，氧氣(O2)或氬氣(Argon)所組成的單一或混合氣體等離子體。
13.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述氣體等離子體是N2O氣體等離子體。
14.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述氣體等離子體是由低壓及在數(shù)百瓦射頻電力所產(chǎn)生。
15.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)是聚硫亞氨化合物或聚氨基化合物。
16.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)可以是聚氨基硫亞氨化合物。
17.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述聚合物材質(zhì)是聚硫亞氨化合物。
18.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械研磨泥漿可有效研磨氧化硅層。
19.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械研磨泥漿是含有氫氧化鉀與硅石混合溶液。
20.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，其特征在于，所述低化學(xué)機(jī)械研磨速率的氧化層薄膜是一種PETEOS薄膜。
21.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，含有多層硬化的聚合物層用來(lái)平坦化。
22.如權(quán)利要求11所述的多層半導(dǎo)體組件，含有硬化的聚合物層，經(jīng)過(guò)氣體等離子體處理而成的待研磨層是為一種種二氧化硅類(lèi)材質(zhì)。
全文摘要
一種半導(dǎo)體芯片表面平坦化方法包括:涂布一層聚合物材質(zhì)在凹槽圖樣的半導(dǎo)體芯片上,熱硬化處理聚合物材質(zhì)而形成一硬化的聚合物層并進(jìn)行N
文檔編號(hào)H01L21/02GK1387249SQ0111977
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月22日
發(fā)明者劉萍 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司