專利名稱：有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平坦化制法(Planarization)，且特別是有關(guān)一種有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)平坦化方法。
隨著半導(dǎo)體線幅的持續(xù)縮小，高速、多功能、高集成度、低功率消耗及低成本的超大型集成電路晶片得以大量生產(chǎn)制造。由于元件的微型化與集成度的增加，所以內(nèi)連線的密度亦不斷提高，使得元件的電阻電容延遲(RCDelay)現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，進(jìn)而降低元件的速率。因此，如在多重內(nèi)連線間形成具有更低介電常數(shù)的導(dǎo)線間絕緣層，則可以有效地降低導(dǎo)線之間的寄生電容，而能夠提升元件的操作速率。
現(xiàn)在大多數(shù)的低介電常數(shù)材料皆為有機(jī)高分子化合物，其中包括具有Si-Rn(R為有機(jī)基團(tuán)，n為1或2)鍵的有機(jī)硅類化合物，即常見的聚硅氧烷類化合物，其可通過旋涂(Spin Coating)再烘干與固化(Curing)的方式在基底上形成。例如，具有Si-CH3鍵、且介電常數(shù)約為2.6～2.8的MSQ(Methylsilsequioxane)即被廣泛地應(yīng)用在先進(jìn)的半導(dǎo)體制法中。另一方面，由于元件尺寸微型化所造成的曝光深度的縮減，使得晶片表面的平坦化成為多層內(nèi)連線制法中的關(guān)鍵步驟。由于在現(xiàn)有的平坦化技術(shù)中，化學(xué)機(jī)械研磨法是達(dá)到全區(qū)域平坦化(Global Planarization)的最佳方法，所以低介電常數(shù)的有機(jī)硅類材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法即成為后段IC制法中的關(guān)鍵技術(shù)。
然而，由于有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料是一種含碳的高分子聚合物，故在采用本領(lǐng)域常用于研磨二氧化硅薄膜的研磨液(Slurry)來研磨有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料時，此材料中的碳含量將明顯降低CMP的研磨速率，從而會使研磨后薄膜表面產(chǎn)生很多刮傷及不均勻性。最近雖然提出一些新式研磨液，但使用時仍需借助許多實驗資料來決定其研磨條件，因此很不方便。
為此，最近已提出一種在進(jìn)行CMP之前，先使用氧電漿處理欲研磨的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的方法。此方法是以氧電漿將部分的材料中的碳元素去除，接著再使用本領(lǐng)域用于研磨二氧化硅的研磨墊與研磨液，即可快速地將欲磨除的薄膜厚度移除。舉例來說，參照

圖1，經(jīng)過氧電漿前處理與未經(jīng)氧電漿前處理的MSQ薄膜的研磨速率相差約三倍。不過，由于氧電漿處理會損害此種材料的特性，故當(dāng)氧電漿前處理的深度與CMP移除的深度不一致時，不足的研磨將會使受到氧電漿破壞的部分的薄膜留下，而會造成很大的薄膜漏電流與非常高的介電常數(shù)，如圖2與圖4(曲線第一點)所示。
本發(fā)明提出一種有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其可用來解決上述氧電漿前處理后有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的特性劣化的問題。此方法適用于基底，其步驟如下。首先在基底上形成有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層，再使用氧電漿處理該基底，以去除部分的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層中的碳元素。接著進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨步驟，以使經(jīng)過氧電漿前處理后的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層平坦化，然后再使用氨氣電漿處理基底，以修補(bǔ)受損的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層。
如上所述，在本發(fā)明的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法中，是在氧電漿前處理與化學(xué)機(jī)械研磨的步驟后，再對受破壞的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料進(jìn)行氨氣電漿處理。因此，使用本發(fā)明既可達(dá)到增加研磨速率并減少刮傷的效果，又可修復(fù)因氧電漿前置處理而被破壞的材料的表面，從而達(dá)到降低薄膜漏電流與介電常數(shù)的目的。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下
圖2為經(jīng)過氧電漿前處理及CMP的MSQ薄膜，與未經(jīng)氧電漿前處理及CMP的薄膜漏電流比較圖。
圖3為經(jīng)過氧電漿前處理、CMP與不同時間的氨氣電漿處理的MSQ薄膜、只經(jīng)過氧電漿前處理與CMP，以及未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的薄膜漏電流比較圖。
圖4為經(jīng)過氧電漿前處理、CMP與不同時間的氨氣電漿處理的MSQ薄膜、只經(jīng)過氧電漿前處理與CMP，以及未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的介電常數(shù)比較圖。
較佳實施例說明此較佳實施例中是以MSQ薄膜的平坦化制法為例，以說明本發(fā)明的功效。
首先以旋涂法將MSQ涂布在晶圓上。接著以較低的溫度烘烤一段時間，使大部分的溶劑揮發(fā)；再以較高的溫度加以烘烤，以使溶劑完全揮發(fā)。此兩段式加熱的目的是為避免溶液揮發(fā)過快而產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)受到破壞。接下來將晶圓放入溫度約400℃以上的爐管中作固化處理(CuringProcess)，以使MSQ薄膜固化。此烘烤與固化時間是由薄膜的涂布厚度與溶劑含量而定。
接著，以氧電漿處理固化的MSQ薄膜，此氧電漿的氧氣流速介于300sccm至500sccm之間，壓力介于400mtorr至600mtorr之間，能量介于100W至140W之間，溫度介于150℃至350℃之間，而處理時間則取決于所欲去除的薄膜厚度。接著再以CMP法研磨MSQ薄膜，其中可使用本領(lǐng)域常用于研磨二氧化硅的研磨墊與研磨液。
最后，對CMP研磨后的MSQ薄膜進(jìn)行氨氣電漿處理，即完成此平坦化制程。此氨氣電漿的氨氣流速介于600sccm至80sccm之間，壓力介于200mtorr至40mtorr之間，能量介于150W至250W之間，溫度介于150℃至350℃之間，而反應(yīng)的時間則約介于3分鐘至12分鐘之間，優(yōu)選約介于9分鐘至12分鐘之間。
此處須特別說明的是，雖然本較佳實施例中僅舉有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料中，聚硅氧烷類化合物中的MSQ的平坦化制法為例，但對具有Si-Rn(R為有機(jī)基團(tuán)，n為1或2)的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料而言，由于其經(jīng)過氧電漿處理后的鍵結(jié)情形皆與MSQ材料類似，故其經(jīng)過CMP處理后，亦可使用本發(fā)明所提出的氨氣電漿處理方法進(jìn)行修補(bǔ)。
表1
參照圖3，為經(jīng)過氧電漿前處理、CMP與不同時間的氨氣電漿處理的MSQ薄膜、只經(jīng)過氧電漿前處理與CMP，以及未經(jīng)氧電漿前處理與CMP者的薄膜漏電流比較圖，其中三組處理時間各為3分鐘、6分鐘與9分鐘。如圖3所示，與未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜相比，只經(jīng)過氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜的漏電流密度大幅增加了1至2個數(shù)量級。然而，經(jīng)過氨氣電漿處理3分鐘后，即可發(fā)現(xiàn)MSQ薄膜的漏電流密度大幅降低；而經(jīng)過氨氣電漿處理9分鐘后，即可發(fā)現(xiàn)MSQ薄膜的漏電流密度更低，幾乎與未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜的漏電流密度相同。
圖4為經(jīng)過氧電漿前處理、CMP與不同時間的氨氣電漿處理的MSQ薄膜、只經(jīng)過氧電漿前處理與CMP，以及未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的介電常數(shù)比較圖。如圖4所示，與未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜(介電常數(shù)2.7)相比，經(jīng)過氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜的介電常數(shù)大幅增加至3.57。然而，經(jīng)過氨氣電漿處理3分鐘后，即可發(fā)現(xiàn)MSQ薄膜的介電常數(shù)大幅降低至2.92；而經(jīng)過氨氣電漿處理9分鐘后，即可發(fā)現(xiàn)MSQ薄膜的介電常數(shù)再降至2.81，其更接近未經(jīng)氧電漿前處理與CMP的MSQ薄膜的介電常數(shù)。
如上所述，在本發(fā)明較佳實施例的MSQ薄膜的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法中，是在氧電漿前處理與化學(xué)機(jī)械研磨的步驟后，再對受破壞的MSQ薄膜進(jìn)行氨氣電漿處理。因此，使用本發(fā)明既可達(dá)到增加MSQ薄膜研磨速率并減少刮傷的效果，又可修復(fù)因氧電漿前置處理而被破壞的MSQ薄膜表面，從而達(dá)到降低MSQ薄膜漏電流與介電常數(shù)的目的。
雖然本發(fā)明已以一較佳實施例說明如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的變動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種適用于基底的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，該方法包括下列步驟在基底上形成有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層；使用氧電漿處理該基底，以去除部分該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層中的碳元素；進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨步驟，以使經(jīng)過該氧電漿處理后的該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層平坦化；以及使用氨氣電漿處理該基底，以修補(bǔ)該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該化學(xué)機(jī)械研磨步驟中所使用的研磨液是用來研磨二氧化硅的研磨液。
3.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中形成該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層的方法包括旋涂步驟與其后的烘干固化步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層的材質(zhì)包括一聚硅氧烷類化合物。
5.如權(quán)利要求4所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該聚硅氧烷類化合物包括MSQ。
6.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氨氣電漿的氨氣流速介于600sccm至800sccm之間。
7.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氨氣電漿的壓力介于200mtorr至400mtorr之間。
8.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氨氣電漿的能量介于150W至250W之間。
9.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氨氣電漿的溫度介于150℃至350℃之間。
10.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中使用該氨氣電漿處理該基底的時間介于3分鐘至12分鐘之間。
11.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中使用該氨氣電漿處理該基底的時間介于9分鐘至12分鐘之間。
12.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氧電漿的氧氣流速介于300sccm至500sccm之間。
13.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氧電漿的壓力介于400mtorr至600mtorr之間。
14.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氧電漿的能量介于100W至140W之間。
15.如權(quán)利要求5所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該氧電漿的溫度介于150℃至350℃之間。
16.一種適用于基底的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，該方法包括下列步驟在該基底上形成有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層；對該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層進(jìn)行氧電漿處理；進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨步驟，以使經(jīng)過該氧電漿處理后的該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層平坦化；以及對該研磨后的該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層進(jìn)行氨氣電漿處理。
17.如權(quán)利要求16所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層的材質(zhì)包括聚硅氧烷類化合物。
18.如權(quán)利要求17所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該聚硅氧烷類化合物包括MSQ。
19.如權(quán)利要求17所述的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化方法，其中該聚硅氧烷類化合物包括具有Si-Rn(R是有機(jī)基團(tuán)，n為1或2)的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料。
全文摘要
一種有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料的化學(xué)機(jī)械研磨平坦化的方法,適用于一基底,此方法的步驟如下:首先在基底上形成有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層,再使用氧電漿處理該基底,以去除部分有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層中的碳元素;接著進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨步驟,以使經(jīng)過氧電漿前處理的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層平坦化,然后再使用氨氣電漿處理基底,以修補(bǔ)受損的有機(jī)硅類低介電常數(shù)材料層。
文檔編號H01L21/02GK1353452SQ00132398
公開日2002年6月12日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者張鼎張, 劉柏村 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司