CN100427266C

CN100427266C - 一种用于镜结构的化学机械抛光方法

Info

Publication number: CN100427266C
Application number: CNB2004100249129A
Authority: CN
Inventors: 俞昌; 杨春晓
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: CN1704204A

Abstract

一种对镜结构进行化学机械抛光的方法。该方法包括，形成一个覆盖在半导体衬底，例如硅晶圆，之上的第一电介质层，并且形成一个覆盖在该第一电介质层之上的铝层。使用微接触抛光工艺来处理在铝层的上表面之上的区域，以将铝层的上表面的表面粗糙度降低到5埃以下，以在该铝层上形成高反射率镜面。形成一个保护层覆盖在铝层的镜面之上。图案化该铝层以暴露该电介质层的部分，进而形成由该已暴露区域形成的边界定义的多个像素区域。形成一个覆盖在图案化铝层和第一电介质层的已暴露部分之上的第二电介质层。去除第二电介质层的一部分以暴露出保护层，其中保护层充当抛光停止层。

Description

一种用于镜结构的化学机械抛光方法

技术领域

本发明一般地涉及集成电路以及制造电子器件的集成电路加工方法。更具体地说，本发明涉及用于制造用作显示器的硅上液晶(LCOS)器件的电极结构的方法。

背景技术

本发明一般地涉及集成电路以及制造电子器件的集成电路加工方法。更具体地说，本发明提供了一种用于制造用作显示器的硅上液晶(LCOS)器件的电极结构的方法。但是应当认识到，本发明具有更宽泛的适用范围。

近年来，电子显示技术已经得到迅速发展。在早期的传统电视中，阴极射线管技术(通常称作CRT)将选定的像素输出到一个玻璃屏幕上。这些电视机最初输出黑白移动图像。很快彩色电视取代了全部或绝大多数黑白电视机。尽管CRT极为成功，但是CRT通常很笨重，很难作到很大并且还有其它的限制。

CRT很快被液晶平板显示器取代或至少部分取代。这些液晶平板显示器(通常称作LCD)使用耦合到液晶材料和彩色过滤器的晶体管元件阵列来输出彩色移动图像。许多计算机终端和较小的显示设备经常使用LCD输出视频、文本和其它视觉特征。令人遗憾的是，液晶平板通常具有低成品率并且很难按比例做到很大尺寸。这些LCD通常不适于用作经常为电视等所需要的大显示器。

因此，已经开发了投影显示单元。这些投影显示单元除了别的以外还包括配对(counterpart)液晶显示器，其将光从选定的像素通过透镜输出到大显示器上以产生移动图像、文本和其它视觉图像。另一种技术称作“数字光处理(Digital Light Processing，DLP)”，其是美国德州仪器公司(TI)的商业名称。DLP通常被用来称为“微镜(micro-mirror)”。DLP依靠数十万个微小的镜子，这些微小的镜子排成800行，每行有600个镜子。每个镜子都装有转轴。一个制动器被安装到每个转轴上。该制动器通常具有静电能，它能够以高频绕轴倾斜每个镜子。活动的镜子可以调制光，经调制的光可以通过透镜进行传输，并且随后显示在显示屏上。尽管DLP已经很成功，但它通常很难制造并且成品率很低。

另一种技术称作LCOS。LCOS使用施加到反光镜衬底的液晶。随着液晶“打开”或“关闭”，光被反射或阻挡以对光进行调制，进而产生显示图像。与传统的透射式LCD相比，反射式LCOS显示器允许更多的光通过光学系统，从而提供了较高的亮度。通常在一个投影系统中至少具有三个LCOS芯片，分别对应于红色通道、绿色通道和蓝色通道中的光。然而LCOS有很多局限性。仅仅作为示例来说，LCOS通常很难制造。此外，LCOS需要至少三个芯片，这使得投影器大而笨重，并且导致大的开销。

传统的LCOS还使用铝材料作为电极的反射薄膜。传统的LCOS相对来说具有低反射率和粗糙的表面。通常使用蚀刻工艺来图案化铝镜。而一种新的方法是用化学机械抛光来平坦铝镜面。(称作Al CMP工艺)。然而，CMP工艺会产生许多不希望有的问题，例如点蚀、微划痕和铝表面的氧化。下文将详细描述这些以及其它缺陷。

从上面可以看出，需要一种改进的技术，用于处理半导体器件。

发明内容

根据本发明，提供了用于制造电子器件的集成电路加工技术。更具体的说，本发明提供了一种用于制造用作显示器的硅上液晶(LCOS)器件的电极结构的方法。但是应当认识到，本发明具有更宽泛的适用范围。

在一个具体实施例中，本发明提供了一种对镜结构进行化学机械抛光的方法。所述方法包括提供一个半导体衬底，例如硅晶圆。所述方法包括形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一电介质层，并且形成一个覆盖在所述电介质层之上的铝层。所述铝层具有大于20埃的RMS抛光前粗糙度的上表面。所述方法还包括使用微接触(touch-up)抛光工艺来处理在所述铝层的所述上表面之上的区域，以将所述铝层的所述上表面的表面粗糙度降低到5埃以下，进而在所述铝层上形成镜面。微接触抛光指一种化学机械抛光方法。在该方法中只有少量表面物质被抛掉。优选地形成一个保护层覆盖在所述铝层上的所述镜面之上。所述方法包括图案化所述铝层以暴露所述电介质层的多个部分，进而形成由所述已暴露部分的边界定义的多个像素区域。所述方法还包括形成一个第二电介质层覆盖在所述图案化铝层和所述第一电介质层的所述已暴露部分之上。所述方法包括去除所述第二电介质层的一部分以暴露所述保护层，其中所述保护层充当抛光停止层。在具体实施例中，所述保护层和所述第二电介质层之间的研磨速率比为1∶30或更高。词语“微接触”指的是在该抛光步骤中去除了相对少量的材料。

在另一个具体实施例中，所述方法提供了一种对LCOS器件的镜结构进行化学机械抛光的方法。所述方法包括提供一个半导体衬底，并且形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一电介质层。所述方法包括形成一个覆盖在所述第一电介质层之上的铝层。所述铝层具有大于20埃的RMS第一预定粗糙度的上表面。所述方法还包括使用微接触抛光工艺来处理在所述铝层的所述上表面之上的区域，以将所述铝层的所述上表面的表面粗糙度降低到5埃以下，进而在所述铝层上形成镜面。所述方法形成一个保护层覆盖在所述铝层上的所述镜面之上，并且图案化所述铝层以暴露所述电介质层的多个部分，进而形成由所述已暴露部分的边界定义的多个像素区域。所述方法形成一个第二电介质层覆盖在所述图案化铝层和所述第一电介质层的所述已暴露部分之上。所述第二电介质层填充在所述第一电介质层的所述已暴露区域之上的间隙。所述方法去除所述第二电介质层的一部分以暴露出所述保护层，其中所述保护层充当抛光停止层。此外，所述方法平坦化对应于所述第二电介质层部分和所述保护层的已暴露部分的上表面区域，以形成对应于所述图案化铝层的一部分的多个电极结构。每个电极结构对应于LCOS器件的一个像素。

通过本发明，实现了许多优于传统技术的优点。例如，本技术易于使用依赖于传统技术的工艺。在一些实施例中，本方法提高了每个晶圆上的芯片的器件成品率。此外，本方法提供了与传统工艺相兼容的工艺，而基本不用对现有的设备或工艺进行改动。对铝镜面增加了一层保护层，使得镜面无论在加工过程中还是加工后都受到了机械损伤和腐蚀的防护。而且，由于CMP可以在保护层上停止，工艺窗(process window)也得到了改进。本发明优选地提供了用于显示器的LCOS器件的改进的镜子或电极结构。这种电极结构使用可以提供改进的镜面的微接触抛光技术。根据实施例，可以实现一个或多个这些优点。在本说明书的下文中，将详细描述这些以及其它的优点。

参考下文详细的描述和附图，可以更全面地理解本发明的各种其它目的、特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的LCOS器件的简化横截面示图；

图2-7是一系列简化横截面示图，用于图示根据本发明的实施例的制造LCOS器件的方法。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的LCOS器件100的简化横截面示图。该示图仅仅是一个示例，而不应作为对这里的权利要求的范围的限制。本领域普通技术人员将能看出许多变化、修改和替换。如所示，LCOS器件100具有一个半导体衬底101，例如硅晶圆。形成一个MOS器件层103覆盖在半导体衬底上。MOS器件层优选地具有多个MOS器件。每个MOS器件具有一个作为电极的接触区域107和一个作为电位的接触区域105。形成一个平坦化的中间电介质层111覆盖在MOS器件层上。LCOS器件在中间电介质层的一部分的内部还具有多个凹陷区域，并且还具有一个金属层(例如，铝)来填充每个凹陷区域以形成对应于每个凹陷区域的多个电极区域113。每个电极区域通过互连结构109分别耦合到多个MOS器件中的至少一个MOS器件。互连结构109可以是洞孔(plug)或其它类似结构。形成一个保护层覆盖在多个电极区域中的每个的表面区域上，以保护该表面区域。在每个表面区域上都有一个精加工镜面116。该精加工镜面优选地在化学机械抛光工艺之后基本没有凹陷和划痕以及其它形式的缺陷。所述化学机械抛光工艺更为优选是一定条件下的微接触抛光工艺。每个电极可以具有约从2000埃到约4000埃的厚度，并且可以是其它量级。每个电极代表LCOS器件的像素阵列中的一个像素。图中还示出了覆盖在电极之上的液晶薄膜115。LCOS器件还具有一个透明电极层(例如，铟锡氧化物)117和一个上覆的玻璃板119用于密封所述的多层结构。在本说明书及下文中可以找到对操作LCOS器件的方法的细节描述。

为了操作LCOS器件，光120穿过玻璃覆层、通过透明电极而到达液晶薄膜。当电极没有加偏压时，液晶薄膜必须处于不工作(off)状态，其不允许光穿过。更确切地说，光被阻挡并且不能从电极的镜面反射回来。当电极通过MOS器件加以偏压时，液晶薄膜处于工作(on)状态，其允许光穿过121。光从电极的表面反射并且穿过处于工作状态的液晶薄膜。镜面优选地基本没有缺陷。因此入射光的至少91％穿过121 LCOS器件而离开。在本说明书及下文中可以找到对制造LCOS器件的方法的细节描述。

根据本发明的实施例，用于制造LCOS器件的电极结构的方法可以简要描述如下：

1.提供一个衬底，例如硅晶圆；

2.形成一个覆盖在所述衬底之上的晶体管元件层；

3.形成一个覆盖在所述晶体管元件层之上的第一中间电介质层；

4.形成阻挡金属层覆盖在所述第一中间电介质层上；

5.形成一个铝层覆盖在所述第一中间电介质层上的阻挡金属层之上；

6.使用所述化学机械平坦化工艺来微接触抛光(touch up polishing)所述

铝金属层的上表面区域，以将所述上表面区域的表面粗糙度从抛光前一定水平降低到抛光后的一定水平；

7.形成一个保护层覆盖在所述铝层之上；

8.掩模所述铝层；

9.图案化所述铝层以形成多个电极区域，每个所述电极区域对应于一个像素；

10.形成一个第二电介质层覆盖在每个所述像素和所述像素之间的已暴露区域之上；

11.在所述第二电介质层上执行化学机械平坦化工艺以降低所述第二电介质层的厚度；

12.继续降低所述第二电介质层的厚度，直到暴露出每个所述电极区域的表面区域，同时使用所述保护层作为停止层；

13.提供一个液晶层覆盖在所述保护层之上，一个透明电极层覆盖在所述液晶层之上以及一个玻璃层覆盖在所述透明电极层之上，进而形成LCOS器件；以及

14.执行其它所需步骤。

上面的步骤序列提供了根据本发明的实施例的一种方法。如所示，本方法使用的步骤组合包括形成用于LCOS器件的电极结构的方法。在不脱离这里的权利要求的范围的条件下，可以增加步骤，去除一个或多个步骤或者以不同的次序规定一个或多个步骤。在本说明书以及下文的详细描述中可以发现本发明的其它细节。

图2至图4图示了根据本发明的实施例的用于形成LCOS器件的方法。这些示图仅仅作为示例，而不应作为对这里的权利要求的范围的限制。本领域普通技术人员将能看出许多变化、替换和修改。参考图2，所述方法始于提供一个半导体衬底201(例如，硅晶圆)。所述方法包括形成一个覆盖在衬底上的晶体管层。晶体管层优选地具有多个MOS器件，每个MOS器件具有一个第一接触区域和一个第二接触区域。所述方法还包括形成一个中间电介质层203覆盖在晶体管层上。该电介质层可以由HDP、TEOS、BPSG、FSG、氧化物或它们的任意组合等形成。该电介质层优选地使用化学气相沉积工艺来形成。所述方法随后平坦化该中间电介质层以形成平坦化的表面区域。该电介质层可选地已经进行了平坦化。

仍然参考图2，所述方法包括形成一个阻挡金属层205覆盖在所述平坦化中间电介质层的平坦化表面区域上。阻挡金属层可以由诸如氮化钛、钛/氮化钛等合适的材料制成。所述方法包括形成一个金属层(例如，铝)207覆盖在阻挡金属层之上。诸如铝的金属层是通过溅射而形成的。金属层具有一个基本平坦的表面，但是其上具有某些缺陷例如表面粗糙以及其它不完整性。在一个具体实施例中，金属层具有通过使用溅射工艺而形成的20

及以上的抛光前粗糙度。每个电极区域分别耦合到多个MOS器件中的每个MOS器件。

参考图3，所述方法使用化学机械平坦化工艺来微接触抛光301铝层的上表面的表面区域，以将所述表面区域的表面粗糙度从抛光前水平降低到抛光后水平(≤5

)。根据应用，可以适当的参数进行对铝金属的微接触抛光操作。在一个具体实施例中，可以在诸如EBARA制造的EPO-222或其它的化学机械抛光工具上应用微接触抛光工艺。在微接触抛光工艺中只有少量表面物质例如(铝)被磨掉，抛光头的转速设定为20到40 RPM(转数/分钟)。微接触抛光工艺包括将一个含有软垫的抛光垫(例如Rodel制造的Polytex)应用到铝层的表面区域之上。微接触抛光工艺优选地使用经过挑选的研磨液(slurry)混合物。研磨液混合物在溶液中含有很多二氧化硅颗粒，这些颗粒的直径从约30nm到约200nm，所述溶液的PH值为小于等于3.5。研磨液还含有能够氧化和钝化铝表面的化学组分。抛光工艺优选地在具有平台速率从20到36 RPM的可旋转平台上执行。根据某些实施例，抛光垫向衬底表面的下压力约为1-3 PSI(磅/平方英寸)。微接触抛光工艺的特征优选地为铝去除速率100到1000

/分钟。根据一个具体实施例，微接触抛光工艺从图案化铝层的上表面至少去除约50埃的厚度，并且最多从上表面去除1000埃的厚度。根据一个具体实施例，最终镜面的特征是反射率大于等于93％。当然，可以有其它的替换、变化和修改。

接下来，所述方法形成一个保护层401覆盖在铝层的已抛光表面。该保护层是高度透明的。即，当光穿过该保护层时，将约有70％到约98％的光通过。在一个具体实施例中，保护层可以选自二氧化硅、氟化钙或氟化镁。此外在某些实施例中，该保护层还可由具有约500埃到2000埃厚度的氮化硅制成。可以使用气相沉积工艺或诸如旋涂式玻璃(spin-on-glass)的旋涂式工艺(spin on process)来沉积保护层。当然，可以有其它的变化修改和替代。

参考图4，所述方法包括对铝层的上表面进行掩模。掩模被图案化以暴露出铝层的某些区域。所述方法对铝层进行图案化以形成多个电极501区域。每个电极区域对应一个像素。所述方法使用中间电介质层的暴露区域507来形成围绕每个像素的边界区域503。每个像素的宽度约2微米到50微米、厚度约1000

到8000

当然，本领域普通技术人员将能看出其它变化、修改和替换。

根据一个具体的实施例，所述方法形成一个第二电介质层601覆盖在每个像素和第一中间电介质层的每个暴露区域之上，如图6的简化示图所图示的那样。第二电介质可以是任何适宜的材料或材料组合。即，该电介质层可以由BPSG、FSG、氧化物、TEOS，HDP及它们的任意组合等制成。该电介质层优选地使用化学气相沉积工艺来形成。该电介质层具有很好的沟槽603填充特性。第二电介质层优选地具有与保护层不同的蚀刻特性。在本说明书以及下文的详细说明中提供了对这种特性的进一步描述。

所述方法随后对覆盖的第二电介质层执行化学机械平坦化工艺以降低第二电介质层的厚度，如图7所示。所述方法继续降低第二电介质层的厚度，直到暴露出每个电极区域的表面区域。保护层优选地充当抛光停止层。如图所示，第二电介质层701的一部分仍旧留在每个电极区域之间。在保护层和第二电介质层之间的研磨速率选择性在1∶30以上。最终的电极层，包括镜面，基本没有诸如点蚀、表面粗糙等缺陷。根据实施例，可以有其它的变化、修改和替换。

为了完成LCOS器件，所述方法形成一个含有液晶材料的夹层。这里，形成的液晶薄膜覆盖在电极之上。形成一个透明电极结构覆盖在液晶薄膜之上。所述方法形成一个玻璃板覆盖在透明电极上。这个夹层结构通常作为一个配件而形成，其稍后安置在LCOS器件的电极的表面之上。当然，本领域普通技术人员将能看出许多变化、替换和修改。

还应当理解，这里所描述的示例和实施例只是为了说明的目的，本领域的普通技术人员可以根据上述实施例对本发明进行各种修改和变化。这些修改和变化都在本申请的精神和范围内，并且也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种对镜结构进行化学机械抛光的方法，所述方法包括：

提供一个半导体衬底；

形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一电介质层；

形成一个覆盖在所述第一电介质层之上的铝层，所述铝层的上表面在抛光前具有大于20埃的均方根粗糙度；

通过使用微接触抛光工艺，处理所述铝层的所述上表面的表面区域，以将所述铝层的所述上表面的表面粗糙度降低到5埃以下，进而在所述铝层之上形成一个镜面；

形成一个保护层覆盖在所述铝层上的所述镜面之上，以避免颗粒划痕和腐蚀所引起的缺陷，所述缺陷可能在随后的工艺步骤中引起；

图案化所述铝层以暴露所述第一电介质层的部分，以形成由所述已暴露部分为边界定义的所有像素区域；

形成一个覆盖在所述图案化铝层和所述第一电介质层的已暴露部分之上的第二电介质层；

去除所述第二电介质层的一部分以暴露出所述保护层，其中所述保护层充当一个抛光停止层。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺的特征是采用抛光头的旋转速率为20到40转数/分钟。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺包括在所述铝层之上的区域上使用一个软抛光垫。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺包括在被处理的所述区域上使用一个研磨液混合物。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺包括将所述半导体衬底置于一个可旋转平台上，所述可旋转平台以平台速率20到36转数/分钟旋转所述衬底。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺的特征是抛光垫向衬底表面的下压力为1-3磅/平方英寸。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺的特征是铝去除速率50到1000埃/分钟。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述镜面的抛光后特征是大于等于91％的反射率。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述铝层的抛光前特征是反射率从83％到91％，并且所述镜面的抛光后特征是大于91％的反射率。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺包括在PH值小于等于3.5的研磨液中有大量直径从30纳米到200纳米的二氧化硅颗粒，所述研磨液中的化学组分含有能够氧化和钝化铝表面的化学成分。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述微接触抛光工艺从所述铝层的所述上表面至少去除50埃的厚度，并且最多从所述上表面去除1000埃的厚度。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述保护层是透明的。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述保护层选自二氧化硅，氟化钙或氟化镁。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述保护层包括氮化硅。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述保护层包括具有500埃到2000埃厚度的氮化硅。

16.一种对硅上液晶器件的镜结构进行化学机械抛光的方法，所述方法包括：

提供一个半导体衬底；

形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一电介质层；

形成一个保护层覆盖在所述铝层上的所述镜面之上；

形成一个覆盖在所述图案化铝层和所述第一电介质层的已暴露部分之上的第二电介质层，所述第二电介质层填充了在所述第一电介质层的所述已暴露部分之上的间隙；

去除所述第二电介质层的一部分以暴露出所述保护层，其中所述保护层充当一个抛光停止层；以及

对第二电介质层进行抛光平坦化以完全暴露图案化铝层上的保护层表面区域，从而形成各个相同电极结构；

其中每个所述电极结构对应于硅上液晶器件的一个像素。