專利名稱：介電層回蝕刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件的制造工藝，尤指改善平坦化程序后介電層厚度不均的制造流程技術(shù)，采用一回蝕刻技術(shù)，最佳化其使用的蝕刻氣體比例，以提升蝕刻后介電層一致性并達(dá)成平坦化目的的半導(dǎo)體制造流程，可具體改善化學(xué)機(jī)械研磨后的介電層厚度不一致的問題，特別適用在內(nèi)層二介電層(inter-layer dielectric；ILD)及金屬層間介電層(inter-metal dielectric；IMD)的平坦化制造流程。
背景技術(shù)：
隨著集成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，在半導(dǎo)體基底(如硅基底)上所形成的結(jié)構(gòu)層數(shù)越來越多。額外所增加的膜層進(jìn)而造成其結(jié)構(gòu)形態(tài)的不平整，對(duì)于后續(xù)的微影制造流程中，關(guān)于其聚焦深度(depth offocus)及小尺寸影像的分辨率方面，均有負(fù)面的影響。
而集成電路制造流程中，在晶圓上制作出元件結(jié)構(gòu)(例如為MOS晶體管)或圖案化的金屬導(dǎo)線后，會(huì)先在基底上沉積一層介電材料，然后再進(jìn)行后續(xù)金屬層的沉積，依功能上的不同，這層用來隔離金屬導(dǎo)線與元件的介電層通常被稱為內(nèi)層介電層(Inter-Layer Dielectrics；ILD)，而用來隔離金屬導(dǎo)線與其他金屬導(dǎo)線的介電層通常被稱為金屬層間介電層(Inter-Metal Dielectrics；IMD)，此介電層結(jié)構(gòu)通常是由化學(xué)氣相沉積法所沉積的氧化層所組成，常見如二氧化硅(SiO2)、經(jīng)摻雜的二氧化硅(BSG、BPSG、PSG)，或?yàn)榻陙磔^新穎的低介電常數(shù)(low k)材料例如摻碳二氧化硅(SiOC)、摻氟二氧化硅(SiOF)等含氧(oxygen contained)的材料。由于此介電層并非完全平坦而是隨著晶圓表面的圖案高低起伏，因此通?？捎苫瘜W(xué)機(jī)械研磨法(CMP)加以平坦化之后，提升半導(dǎo)體基底表面的平坦度，以利后續(xù)的微影制造流程。
以隔離金屬導(dǎo)線與元件的內(nèi)層介電層為例，位于基底上的元件并非均勻地分布，通常位于元件分布數(shù)量較少的元件疏區(qū)及元件分布數(shù)量較多的元件密區(qū)。在元件疏區(qū)內(nèi)，元件間的相對(duì)距離較元件較多的元件密區(qū)為廣，并相對(duì)于元件密區(qū)內(nèi)元件間具有一較廣區(qū)域。而應(yīng)用化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)研磨基底上此內(nèi)層介電層材料時(shí)，常于此元件疏區(qū)內(nèi)的較廣區(qū)域發(fā)生有碟狀效應(yīng)(dishing)，而于元件密區(qū)的元件上常因此碟狀效應(yīng)(dishing)連帶導(dǎo)致的過度研磨(over polishing)效應(yīng)而破壞元件密區(qū)內(nèi)元件的結(jié)構(gòu)，故于CMP研磨后位于基底上各元件間的內(nèi)層介電層其厚度依然會(huì)有±300的差異(最大的高低差可達(dá)到1600的譜)，于化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)后，其研磨后介電層厚度不均，此基底上的平坦化目的便無法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種介電層回蝕刻方法以替代CMP制造流程，可改善介電層厚度不均問題，提供一較佳的平坦化結(jié)構(gòu)。
在常見的二氧化硅(SiO2)、經(jīng)摻雜的二氧化硅(BSG、BPSG、PSC)，或?yàn)榻陙磔^新穎的低介電常數(shù)(low k)材料例如摻碳二氧化硅(SiOC)、摻氟二氧化硅(SiOF)等含氧(oxygen contained)材料干蝕刻過程中，大多使用含有氟化碳的蝕刻氣體，例如早期的CF4至現(xiàn)在的C2F6、C3F8等蝕刻氣體，都可以用來作為提供碳原子與氟原子的反應(yīng)氣體，于二氧化硅(SiO2)蝕刻過程中，氧原子(O)為蝕刻過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，當(dāng)氧原子濃度開始下降，蝕刻過程便接近尾聲，故可借由蝕刻機(jī)臺(tái)檢測(cè)氧原子濃度以判定蝕刻終點(diǎn)(endpoint)，決定此蝕刻制造流程是否完成。
由以上原理，本發(fā)明提供了一種介電層回蝕刻方法，對(duì)于內(nèi)層介電層(Inter-Layer Dielectrics ILD)材料的平坦化，本發(fā)明的回蝕刻方法包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多個(gè)元件分布于一元件疏區(qū)及一密區(qū)內(nèi)；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于元件疏區(qū)及元件密區(qū)內(nèi)的元件上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)(RIE)，以含有C5H8、CHF3與氬氣的蝕刻氣體，回蝕刻(etch back)上述介電層材料，并蝕刻停止于元件上，以形成一厚度均勻的內(nèi)層介電層于元件疏區(qū)及元件密區(qū)內(nèi)的元件間。
而對(duì)于金屬層間介電層(Inter-Metal Dielectrics；IMD)材料的平坦化，本發(fā)明的回蝕刻方法包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多條經(jīng)圖案化的金屬導(dǎo)線；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于金屬導(dǎo)線上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)(RIE)，以含有C5H8、CHF3與氬氣的蝕刻氣體，回蝕刻(etch back)介電層材料，并蝕刻停止于金屬導(dǎo)線上，以形成一厚度均勻的金屬層間介電層于該等金屬導(dǎo)線間。
一般來說，干蝕刻過程中，包含著蝕刻與沉積兩部份，蝕刻是將欲除去的部份帶走，而沉積則是把欲保留的部分由沉積一保護(hù)層而將其保護(hù)住而免受后續(xù)蝕刻的侵蝕。而本發(fā)明的回蝕刻方法中，不需如以往地依賴蝕刻機(jī)臺(tái)以檢測(cè)蝕刻終點(diǎn)，本發(fā)明的特征在于調(diào)整電漿中的蝕刻氣體比例(于本發(fā)明中為C5H8與CHF3)，而當(dāng)基底上的元件或金屬層仍為此含氧材料介電層材料所形成的內(nèi)層介電層(ILD)材料或金屬層間介電層(IMD)材料所坦覆時(shí)，氧原子濃度可保持于一穩(wěn)定濃度，整體制造流程仍以蝕刻過程為主。而于上述介電層材料蝕刻完畢而露出部份的元件或金屬導(dǎo)線，氧原子濃度便開始下降，而此蝕刻的過程中便開始有部份的保護(hù)層沉積，并于此回蝕刻過程中保護(hù)層的生成速率恰巧能與蝕刻過程中氧原子濃度的減低速率達(dá)成平衡，一旦蝕刻環(huán)境中氧濃度減少，整體反應(yīng)便趨向此保護(hù)層的沉積，最后環(huán)境中氧濃度降至最低，此回蝕刻程序便自動(dòng)地停止，其中上述的保護(hù)層是一氟碳?xì)渚酆衔?hydrofluorocarbonpolymer)，其厚度約為數(shù)十左右。
由本發(fā)明的方法可改善平坦化程序后介電層厚度不均問題，以提供一較佳的平坦化結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中內(nèi)層介電層平坦化前的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中利用化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)平坦化上述內(nèi)層介電層后的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中利用本發(fā)明的回蝕刻方法平坦化上述內(nèi)層介電層(ILD)后的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖4是說明本發(fā)明一較佳實(shí)施例中利用本發(fā)明的回蝕刻方法平坦化金屬層間介電層(IMD)后的結(jié)構(gòu)剖面圖。
具體實(shí)施例方式
在本實(shí)施例中，是依本發(fā)明的方法來平坦化內(nèi)層介電層以提供一較佳的平坦化結(jié)構(gòu)。如圖1所示，提供一半導(dǎo)體基底10，具有多個(gè)元件D分布于一元件數(shù)量較少的元件疏區(qū)40及一元件數(shù)量較多的元件密區(qū)20內(nèi)，元件D例如為MOS晶體管、電容結(jié)構(gòu)(capacitor)或其他邏輯元件(logic devices)，而元件D的表面是由如氮化硅(Si3N4)、多晶硅(poly-silicon)、非晶硅(amorphoussilicon)、金屬或金屬氮化物等非含氧(Oxygen free)材料所形成。接著形成一介電層材料，坦覆性(blanket)的覆蓋于元件疏區(qū)40及元件密區(qū)20內(nèi)的元件D上，其中該介電層材料為一含氧(oxygen contained)材料所形成，例如為二氧化硅、經(jīng)摻雜的二氧化硅(BSG、BPSG、PSG)，或?yàn)閾教级趸?SiOC)、摻氟二氧化硅(SiOF)等低介電常數(shù)(low k)材料。上述介電層厚度遠(yuǎn)超過元件D的高度，以作為元件D間的內(nèi)層介電層(ILD)12。
如圖2所示，為利用現(xiàn)有技術(shù)中常用的化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)平坦化內(nèi)層介電層12材料的圖示，化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)常因CMP終點(diǎn)不易檢測(cè)，而造成如元件疏區(qū)40中的平坦區(qū)域的碟狀效應(yīng)(dishing)，以及元件密區(qū)20中因碟狀效應(yīng)連帶造成的過度研磨(over polishing)效應(yīng)，進(jìn)而造成元件D外部結(jié)構(gòu)受損，影響產(chǎn)品功能，而在元件密區(qū)20與元件疏區(qū)40中經(jīng)平坦化后的內(nèi)層介電層12具有一厚度差H1，通常介于300-800，平坦化后的內(nèi)層介電層12厚度一致性(uniformity)差，平坦化效果不佳。
如圖3所示，為依據(jù)本發(fā)明的回蝕刻(Etch Back)方法平坦化內(nèi)層介電層12的圖示，本發(fā)明的方法采用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)(Reactive Ion Etch；RIE)，以含有C5H8、CHF3與氬氣(Ar)的蝕刻氣體、氣體比例約為C5H8∶CRF3＝10.5∶10，而其中C5H8氣體流量介于9-10.5sccm(立方公分/分鐘，standardcubic centimeters per minute)，CHF3氣體流量介于9-10sccm而氬氣(Ar)的氣體流量介于400-800sccm，蝕刻源(source)功率介于1100-1900W，蝕刻壓力介于35-85毫托(mTorr)，回蝕刻(etch back)內(nèi)層介電層12材料，由于此介電層材料由含氧材料形成，故于回蝕刻過程中，所產(chǎn)生副產(chǎn)品“氧原子”便維持于一穩(wěn)定濃度，而當(dāng)元件D上方內(nèi)層介電層12材料蝕刻完畢并露出元件D時(shí)，氧原子濃度便開始下降，而此蝕刻的過程中便開始有部份的保護(hù)層(未顯示于圖中)沉積，并于此回蝕刻過程中保護(hù)層的生成速率恰巧能與蝕刻過程中氧原子濃度的減低速率達(dá)成平衡，一旦蝕刻環(huán)境中氧濃度減少，整體反應(yīng)便趨向此保護(hù)層的沉積，最后環(huán)境中氧濃度降至最低，此回蝕刻程序便自動(dòng)地停止，其中上述的保護(hù)層是為一氣碳?xì)渚酆衔?hydrofiuorocarbonpolymer)，其厚度約為絢為數(shù)十左右。而利用此回蝕刻方法平坦化此內(nèi)層介電層12后，于元件密區(qū)20與元件疏區(qū)40中的內(nèi)層介電層12具有一厚度差H2，通常介于0-100，內(nèi)層介電層12厚度一致性(uniformity)佳，平坦化效果優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的CMP法。
此外，本發(fā)明的回蝕刻方法還可用于平坦化金屬層間介電層(IMD)的制造流程。如圖4所示，提供一覆蓋有更多元件與膜層的半導(dǎo)體基底20，具有多條經(jīng)圖案化的金屬導(dǎo)線M，金屬導(dǎo)線M例如由鋁、鎢、銅或由金屬/金屬的氮化物(如鈦/氮化鈦等)所組成的復(fù)合層材料。接著形成一介電層材料，坦覆性(blanket)地覆蓋于金屬導(dǎo)線M上，上述介電層的厚度遠(yuǎn)超過金屬導(dǎo)線M的高度，以作為金屬導(dǎo)線M間的金屬層間介電層(IMD)22，其中該介電層材料為一含氧(oxygen contained)材料所形成，例如為二氧化硅、經(jīng)摻雜的二氧化硅(BSG、BPSG、PSG)，或?yàn)閾教级趸?SiOC)、摻氟二氧化硅(SiOF)等低介電常數(shù)(low k)材料。
接著，利用本發(fā)明的回蝕刻(Etch Back)方法，采用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)(Reactive Ion Etch；RIE)，以含有C5H8、CHF3與氬氣(Ar)的蝕刻氣體，氣體比例約為C5H8∶CHF3＝10.5∶10，而其中C5H8氣體流量介于9-10.5sccm，CHF3氣體流量介于9-10sccm而氬氣(Ar)的氣體流量介于400-800sccm，當(dāng)蝕刻源(source)功率介于1100-1900W，蝕刻壓力介于35-85毫托(mTorr)，回蝕刻(etch back)，回蝕刻(etch back)金屬層間介電層22，由于此金屬層間介電層22材料含氧材料形成，故于回蝕刻過程中，所產(chǎn)生副產(chǎn)品“氧原子”便會(huì)維持一穩(wěn)定濃度，而當(dāng)金屬導(dǎo)線M上方金屬層間介電層22材料蝕刻完畢并露出金屬導(dǎo)線M時(shí)，氧原子濃度便開始下降，而此蝕刻的過程中便開始有部份的保護(hù)層(未顯示于圖中)沉積，并于此回蝕刻過程中保護(hù)層的生成速率恰巧能與蝕刻過程中氧原子濃度的減低速率達(dá)成平衡，一旦蝕刻環(huán)境中氧濃度減少，整體反應(yīng)便趨向此保護(hù)層的沉積，最后環(huán)境中氧濃度降至最低，此回蝕刻程序便自動(dòng)地停止，其中上述的保護(hù)層是一氟碳?xì)渚酆衔?hydrofluorocarbonpolymer)，其厚度約為約為數(shù)十左右。利用此回蝕刻方法平坦化此金屬層間介電層22后，也可得到一厚度一致性(uniformity)佳的此金屬層間介電層22位于上述經(jīng)圖案化的金屬導(dǎo)線間。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，但是并非用以限定本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所做出的等效變換，均包含在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種介電層回蝕刻方法，可改善介電層厚度不均問題，其特征在于，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多個(gè)元件分布于一元件疏區(qū)及一元件密區(qū)內(nèi)；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于該元件疏區(qū)及該元件密區(qū)內(nèi)的該多個(gè)元件上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)，以含有C5H8與CHF3的蝕刻氣體，回蝕刻該介電層材料，并蝕刻停止于該多個(gè)元件上，以形成一厚度均勻的該介電層于該元件疏區(qū)及該密區(qū)內(nèi)的該多個(gè)元件間。
2.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的多個(gè)元件的表面是由一非含氧材料所形成。
3.如權(quán)利要求2所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的非含氧材料為氮化硅、多晶硅、非晶硅、金屬或金屬氮化物。
4.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層材料為一含氧材料所形成。
5.如權(quán)利要求4所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的一含氧材料為二氧化硅、經(jīng)摻雜的二氧化硅或?yàn)楹醯牡徒殡姵?shù)材料。
6.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體比例約為C5H8∶CHF3＝10.5∶10。
7.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的C5H8氣體流量介于9-10.5sccm，CHF3氣體流量介于9-10sccm。
8.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層為一內(nèi)層介電層。
9.如權(quán)利要求1所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體還包含氬氣。
10.如權(quán)利要求9所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的氬氣的流量介于400-800sccm。
11.一種介電層回蝕刻方法，可改善介電層厚度不均問題，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多個(gè)元件分布于一元件疏區(qū)及一元件密區(qū)內(nèi)；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于該元件疏區(qū)及該元件密區(qū)內(nèi)的該多個(gè)元件上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)，以含有C5H8與CHF3的蝕刻氣體，于蝕刻壓力介于35-85毫托及蝕刻源功率介于1100-1900W，回蝕刻該介電層材料，并蝕刻停止于該多個(gè)元件上，以形成一蝕刻厚度均勻的該介電層于該元件疏區(qū)及該元件密區(qū)內(nèi)的該多個(gè)元件間。
12.如權(quán)利要求11所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的多個(gè)元件的表面是由非含氧材料所形成。
13.如權(quán)利要求12所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的非含氧材料為氮化硅、多晶硅、非晶硅、金屬或金屬氮化物。
14.如權(quán)利要求12所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層材料為一含氧材料所形成。
15.如權(quán)利要求14所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的一含氧材料為二氧化硅、經(jīng)摻雜的二氧化硅或?yàn)楹醯牡徒殡姵?shù)材料。
16.如權(quán)利要求11所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體比例約為C5H8∶CHF3＝10.5∶10。
17.如權(quán)利要求11所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的C5H8氣體流量介于9-10.5sccm，CHF3氣體流量介于9-10sccm。
18.如權(quán)利要求11所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層為一內(nèi)層介電層。
19.如權(quán)利要求11所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體還包含氬氣，其流量介于400-800sccm。
20.一種介電層回蝕刻方法，可改善介電層厚度不均的問題，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多條經(jīng)圖案化的金屬導(dǎo)線；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于該多條金屬導(dǎo)線上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)，以含有C5H8與CHF3的蝕刻氣體，于蝕刻壓力介于35-86毫托及蝕刻源功率介于1100-1900W，回蝕刻該介電層材料，并蝕刻停止于該多條金屬導(dǎo)線上，以形成一厚度均勻的該介電層于該多條金屬導(dǎo)線間。
21.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的多條金屬導(dǎo)線材料為鋁、鎢、銅或由該金屬與該金屬的氮化物所組成的復(fù)合層材料。
22.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層材料為含氧材料所形成。
23.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的含氧材料為二氧化硅、經(jīng)摻雜的二氧化硅或?yàn)楹醯牡徒殡姵?shù)材料。
24.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體比例約為C5H8∶CHF3＝10.5∶10。
25.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的C3H8氣體流量介于9-10.5sccm，CHF3氣體流量介于9-10sccm。
26.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的介電層為一金屬層間介電層。
27.如權(quán)利要求20所述的介電層回蝕刻方法，其特征在于，所述的蝕刻氣體還包含氬氣，其流量介于400-800sccm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種介電層回蝕刻方法，適用于半導(dǎo)體元器件制造流程中，內(nèi)層介電層(inter－layer dielectric；ILD)及金屬層間介電層(inter－metaldielectric；IMD)的平坦化工序，可具體改善化學(xué)機(jī)械研磨后的介電層厚度不一致的問題，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，具有多個(gè)元件或經(jīng)圖案化的金屬導(dǎo)線；形成一介電層材料，均勻地覆蓋于元件或金屬導(dǎo)線上；利用反應(yīng)性離子蝕刻技術(shù)(RIE)，以含有C
文檔編號(hào)H01L21/02GK1494118SQ0214706
公開日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2002年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月28日
發(fā)明者孫玉琪, 黃則堯 申請(qǐng)人:南亞科技股份有限公司