CN1168124C - 有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化的方法，适用于一基底，此方法的步骤如下：首先在基底上形成有机硅类低介电常数材料层，再使用氧电浆处理该基底，以去除部分有机硅类低介电常数材料层中的碳元素；接着进行化学机械研磨步骤，以使经过氧电浆前处理的有机硅类低介电常数材料层平坦化，然后再使用氨气电浆处理基底，以修补受损的有机硅类低介电常数材料层。
Description
技术领域
本发明涉及一种平坦化制程(Planarization)，且特别是有关一种有机硅类(Organic Silicon)低介电常数材料的化学机械研磨(Chemical MechanicalPolishing；CMP)平坦化方法。
背景技术
随着半导体线幅的持续缩小，高速、多功能、高集积度、低功率消耗及低成本的超大型积体电路晶片得以大量生产制造。由于元件的微型化与积集度的增加，所以内连线的密度亦不断提高，使得元件的电阻电容延迟(RCDelay)现象愈发严重，进而降低元件的速率。因此，如在多重内连线间形成具有更低介电常数(Dielectric Constant)的导线间绝缘层，则可以有效地降低导线之间的寄生电容(Stray Capacitance)，而能够提升元件的操作速率。
现在大多数的低介电常数材料皆为有机类的高分子化合物，其中包括具有Si-Rn(R为有机官能基，n为1或2)键结的有机硅类化合物，即常见的聚硅氧烷类(Polysiloxane)化合物，其可藉旋涂(Spin Coating)再烘干与固化(Curing)的方式形成在基底上。例如，具有Si-CH3键结，且介电常数约为2.6～2.8的甲基倍半硅氧烷(MSQ，Methylsisequioxane)即被广泛地应用在先进的半导体制程中。另一方面，由于元件尺寸微型化所造成的曝光深度的缩减，使得晶片表面的平坦化成为多层内连线制程中的关键步骤。由于在现有的平坦化技术中，化学机械研磨法是达成全区域平坦化(Global Planarization)的最佳方法，所以低介电常数的有机硅类材料的化学机械研磨平坦化方法即成为后段IC制程中的关键技术。
然而，由于有机硅类低介电常数材料是一种含碳的高分子聚合物，故在采用业界常用于研磨二氧化硅薄膜的研磨液(Slurry)来研磨有机硅类低介电常数材料时，此材料中的碳含量将明显降低CMP的研磨速率，而会使研磨后薄膜表面产生极大的刮伤(Scratching)及不均匀性。最近虽然有一些新式研磨液已被提出来，但使用时仍需藉助许多实验资料来决定其研磨条件，故甚为不便。
为此，最近已提出一种在进行CMP之前，先使用氧等离子体处理欲研磨的有机硅类低介电常数材料的方法。此方法系以氧等离子体将部分的材料中的碳元素去除，接着再使用业界用于研磨二氧化硅的研磨垫与研磨液，即可快速地将欲磨除的薄膜厚度移除。举例来说，请参照图1，经过氧等离子体前处理与未经氧等离子体前处理的MSQ薄膜的研磨速率相差约有三倍。不过，由于氧等离子体处理会损害此种材料的特性，故当氧等离子体前处理的深度与CMP移除的深度不一致时，不足的研磨将会使受到氧等离子体破坏的部分的薄膜留下，而会造成很大的薄膜漏电流与甚高的介电常数，如图2与图4(曲线第一点)所示。
发明内容
本发明提出一种有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其可用来解决上述氧等离子体前处理后有机硅类低介电常数材料的特性劣化的问题。此方法适用于一基底，其步骤如下。首先形成一有机硅类低介电常数材料层于基底上，再使用氧等离子体处理该基底，以去除部分的有机硅类低介电常数材料层中的碳元素。接着进行化学机械研磨步骤，以平坦化经过氧等离子体前处理后的有机硅类低介电常数材料层，然后再使用氨气等离子体处理基底，以修补受损的有机硅类低介电常数材料层。
如上所述，在本发明的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法中，是在氧等离子体前处理与化学机械研磨的步骤后，再对受破坏的有机硅类低介电常数材料进行氨气等离子体处理。因此，使用本发明既可达到增加研磨速率并减少刮伤的效果，又可修复因氧等离子体前置处理而被坏的材料的表面，从而达成降低薄膜漏电流与介电常数的目的。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
图1所绘示为经过氧等离子体前处理的MSQ薄膜与未经氧等离子体前处理者的研磨速率比较图。
图2所绘示为经过氧等离子体前处理及CMP的MSQ薄膜，与未经氧等离子体前处理及CMP者的薄膜漏电流比较图。
图3所绘示为经过氧等离子体前处理、CMP与不同时间的氨气等离子体处理的MSQ薄膜、只经过氧等离子体前处理与CMP者，以及未经氧等离子体前处理与CMP者的薄膜漏电流比较图。
图4所绘示为经过氧等离子体前处理、CMP与不同时间的氨气等离子体处理的MSQ薄膜、只经过氧等离子体前处理与CMP者，以及未经氧等离子体前处理与CMP者的介电常数比较图。
图式的标号说明：
无图式标号可说明
具体实施方式
此较佳实施例中系以MSQ薄膜的平坦化制程为例，以说明本发明的功效。
首先以旋涂法将MSQ涂布在晶圆上。接着以较低的温度烘烤一段时间，使大部分的溶剂挥发；再以较高的温度加以烘烤，以使溶剂完全挥发。此两段式加热的目的系为避免溶液挥发过快而产生气泡，导致材料结构受到破坏。接下来将晶圆放入温度约400℃以上的炉管中作固化处理(CuringProcess)，以使MSQ薄膜固化键结。此烘烤与固化时间系由薄膜的涂布厚度与溶剂含量而定。
接着，以氧等离子体处理固化的MSQ薄膜，此氧等离子体的氧气流速介于300sccm至500sccm之间，压力介于400mtorr至600mtorr之间，功率介于100W至140W之间，温度介于150℃至350℃之间，而处理时间则是由所欲去除的薄膜厚度而定。接着再以CMP法研磨MSQ薄膜，其中可使用业界常拿来研磨二氧化硅的研磨垫与研磨液。
最后，对CMP研磨后的MSQ薄膜进行氨气等离子体处理，即完成此平坦化制程。此氨气等离子体的氨气流速介于600sccm至80sccm之间，压力介于200mtorr至40mtorr之间，功率介于150W至250W之间，温度介于150℃至350℃之间，而反应的时间则约介于3分钟至12分钟之间，而较佳约介于9分钟至12分钟之间。
此处须特别说明的是，虽然本较佳实施例中仅举有机硅类低介电常数材料中，聚硅氧烷类化合物中的MSQ的平坦化制程为例，但对具有Si-Rn(R为有机官能基，n为1或2)的有机硅类低介电常数材料而言，由于其经过氧等离子体处理后的键结情形皆与MSQ材料类似，故其经过CMP处理后，亦可使用本发明所提出的氨等离子体处理方法进行修补。
实施例
此范例中氧等离子体与氨气等离子体的产生条件如表1所示，CMP步骤中采用的研磨垫型号为Rodel.Corp.的IC 1400，而研磨液为业界常用来研磨二氧化硅的SS-25
表1
| 反应气体 | 处理时间(分钟) | 流量(sccm) | 压力(mtorr) | 功率(W) | 温度(℃) |
| O2 | 依薄膜厚度而定 | 400 | 500 | 120 | 250 |
| NH3 | 3，6，& 9 | 700 | 300 | 200 | 300 |
请参照图3，其所绘示为经过氧等离子体前处理、CMP与不同时间的氨气等离子体处理的MSQ薄膜、只经过氧等离子体前处理与CMP者，以及未经氧等离子体前处理与CMP者的薄膜漏电流比较图，其中三组处理时间各为3分钟、6分钟与9分钟。如图3所示，与未经氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜相较，只经过氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜的漏电流密度大幅增加了1至2个数量级。然而，经过氨气等离子体处理3分钟后，即可发现MSQ薄膜的漏电流密度大幅降低；而经过氨气等离子体处理9分钟后，即可发现MSQ薄膜的漏电流密度更为降低，几乎与未经氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜的漏电流密度相同。
图4所绘示为经过氧等离子体前处理、CMP与不同时间的氨气等离子体处理的MSQ薄膜、只经过氧等离子体前处理与CMP者，以及未经氧等离子体前处理与CMP者的介电常数比较图。如图4所示，与未经氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜(介电常数2.7)相较，经过氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜的介电常数大幅增加至3.57。然而，经过氨气等离子体处理3分钟后，即可发现MSQ薄膜的介电常数大幅降低至2.92；而经过氨气等离子体处理9分钟后，即可发现MSQ薄膜的介电常数再降至2.81，其更为靠近未经氧等离子体前处理与CMP的MSQ薄膜的介电常数。
如上所述，在本发明较佳实施例的MSQ薄膜的化学机械研磨平坦化方法中，是在氧等离子体前处理与化学机械研磨的步骤后，再对受破坏的MSQ薄膜进行氨气等离子体处理。因此，使用本发明既可达到增加MSQ薄膜研磨速率并减少刮伤的效果，又可修复因氧等离子体前置处理而被坏的MSQ薄膜表面，从而达成降低MSQ薄膜漏电流与介电常数的目的。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权要求范围所界定者为准。
Claims (16)
1.一种有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，适用于一基底上，该方法包括下列步骤：
形成一有机硅类低介电常数材料层于该基底上；
使用一氧等离子体处理该基底，以去除部分的该有机硅类低介电常数材料层中的碳元素；
进行一化学机械研磨步骤，以平坦化经过该氧等离子体处理后的该有机硅类低介电常数材料层；以及
使用一氨气等离子体处理该基底，以修补该有机硅类低介电常数材料层。
2.如权利要求1所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该化学机械研磨步骤中所使用的研磨液系为用来研磨二氧化硅的研磨液。
3.如权利要求1所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中形成该有机硅类低介电常数材料层的方法包括旋涂法与其后的烘干固化步骤。
4.如权利要求1所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该有机硅类低介电常数材料层的材质包括聚硅氧烷类化合物。
5.如权利要求4所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该聚硅氧烷类化合物包括甲基倍半硅氧烷。
6.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氨气等离子体的氨气流速介于600sccm至800sccm之间。
7.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氨气等离子体的压力介于200mtorr至400mtorr之间。
8.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氨气等离子体的功率介于150W至250W之间。
9.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氨气等离子体的温度介于150℃至350℃之间。
10.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中使用该氨气等离子体处理该基底的时间介于3分钟至12分钟之间。
11.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中使用该氨气等离子体处理该基底的时间介于9分钟至12分钟之间。
12.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氧等离子体的氧气流速介于300sccm至500sccm之间。
13.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氧等离子体的压力介于400mtorr至600mtorr之间。
14.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氧等离子体的功率介于100W至140W之间。
15.如权利要求5所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该氧等离子体的温度介于150℃至350℃之间。
16.如权利要求4所述的有机硅类低介电常数材料的化学机械研磨平坦化方法，其中该聚硅氧烷类化合物包括具有Si-Rn的有机硅类低介电常数材料，式中R是有机官能基，n为1或2。
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