CN1699015A

CN1699015A - 铝化学机械抛光的方法与结构

Info

Publication number: CN1699015A
Application number: CN 200410018564
Authority: CN
Inventors: 俞昌; 杨春晓; 任自如; 黄河
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2005-11-23
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: CN100534712C

Abstract

一种对镜结构进行化学机械抛光的方法，这种镜结构可以用于LCOS、DLP显示器、及光学器件等。该方法包括提供一个半导体衬底，例如硅晶圆。该方法形成一个覆盖在半导体衬底之上的第一介电层，并且形成一个覆盖在该介电层之上的铝层。该铝层具有大于20埃的RMS预定粗糙度。该方法图案化该铝层以暴露该介电层的一部分。该方法包括形成一个覆盖在图案化铝层和介电层的已暴露部分之上的第二介电层。该方法去除第二介电层的一部分。该方法使用润色抛光工艺来处理在图案化铝层上的区域，以将图案化铝的表面粗糙度降低到5埃以下并去除在图案化铝上残留的电介质以在该图案化铝上形成镜面。

Description

铝化学机械抛光的方法与结构

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。通常由蚀刻工艺来形成传统的铝镜。蚀刻及其后续工艺常常降低铝表面的质量。在铝镜上可能产生诸如凹陷和划痕等缺陷。此外，沉积铝的表面粗糙度通常超过20。并且还存在由薄膜沉积和蚀刻引起的晶圆从中央到边缘的不一致。

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，本发明提供了一种化学机械抛光镜结构的方法。这种镜结构可以用于显示器(例如，LCOS、DLP)、光学器件等等。所述方法包括提供一个半导体衬底，例如硅晶圆。所述方法形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一介电层，并且形成一个覆盖在所述介电层之上的铝层。所述铝层具有大于20埃的RMS(均方根)预定粗糙度。所述方法图案化所述铝层以暴露所述介电层的一部分。所述方法包括形成一个覆盖在图案化铝层和所述介电层的已暴露部分之上的第二介电层。所述方法去除所述第二介电层的一部分。所述方法使用润色(touch-up)抛光工艺来处理在所述图案化铝层上的区域，以将所述图案化铝的表面粗糙度降低到5埃以下，进而在所述图案化铝上形成镜面。词语“润色”指的是一种抛光工艺，在该工艺中去除了相对少量的材料(≤1000)。

在另一个具体实施例中，所述方法提供了一种化学机械抛光镜结构的方法。所述方法包括提供一个衬底例如硅晶圆。所述方法形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一介电层，并且形成一个覆盖在所述介电层之上的金属层。所述金属层的上表面具有以RMS测量的第一预定粗糙度。所述方法包括使用润色抛光工艺来处理在所述金属层之上的一个或多个区域，以将所述金属层的所述上表面的表面粗糙度从所述第一预定粗糙度降低到第二预定粗糙度，进而在所述金属层上形成镜面。

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。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，这种电极结构使用改进镜面的润色抛光技术。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。

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介电层111覆盖在MOS器件层上。LCOS器件在中间介电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对应于每个凹陷区域而形成相应的多个电极区域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可以是插塞(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基本没有诸如凹陷和划痕等表面缺陷，并且它是尽可能光滑的而且是高反射性的。在本发明中，使用化学机械抛光来满足上述的镜面要求。所使用的化学机械抛光工艺更为优选是一定条件下的润色抛光工艺。每个电极可以具有约从2000埃到约4000埃的厚度，并且可以是其它尺寸。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，液晶薄膜基本上处于不工作(off)状态，其不允许光穿过它。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93％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；

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介电层；

4.形成阻挡金属层覆盖在所述第一中间介电层上；

5.形成一个铝层覆盖在所述第一中间介电层上的阻挡金属层之上；

6.对所述铝层进行掩模；

7.对所述铝层进行图案化以形成多个电极区域，每个电极区域对应一个像素；

8.通过使用所述第一中间介电层的暴露区域，形成围绕每个像素的边界区域；

9.形成一个覆盖在每个所述像素和所述第一中间介电层的每个暴露区域之上的第二介电层；

10.对覆盖的所述第二介电层执行化学机械平坦化工艺以降低所述第二介电层的厚度；

11.继续降低所述第二介电层的厚度，直到暴露出每个所述电极区域的表面区域；

12.使用所述化学机械平坦化工艺来润色抛光每个所述电极区域的表面区域，以将所述表面区域的表面粗糙度从第一预定水平降低到第二预定水平；以及

13.形成一个保护层覆盖在所述图案化的铝层的表面区域之上；

14.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

15.执行预期的其它步骤。

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器件具有第一接触区域和第二接触区域。所述方法还包括形成一个中间介电层203覆盖在晶体管层上。该介电层可以由BPSG、FSG、氧化物或它们的任意组合等形成。该介电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介电层以形成平坦化的表面区域。该介电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介电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及以上的预定粗糙度。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，所述方法包括对铝层的上表面进行掩模。掩模被图案化并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305区域。每个电极区域对应一个像素。所述方法使用中间介电层的暴露区域303来形成围绕每个像素的边界区域301。每个像素的宽度约4微米到约50微米、厚度约2000到10000。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介电层401覆盖在每个像素和第一中间介电层的每个暴露区域之上，如图4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，该介电层可以由BPSG、FSG、氧化物、HDP及它们的任意组合等制成。该介电层优选地使用化学气相沉积工艺来形成。

所述方法随后对覆盖的第二介电层执行化学机械平坦化工艺501以降低第二介电层的厚度，如图5所示。所述方法继续降低第二介电层的厚度，直到暴露出每个电极区域的表面区域。所述方法优选地使用化学机械平坦化工艺来润色抛光每个电极区域的表面区域，以将所述表面区域的表面粗糙度从第一预定水平降低到第二预定水平。

根据应用，可以适当的参数进行对铝金属的润色抛光操作。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润色抛光工艺。润色抛光工艺的特征是采用一个头部转速为5到40RPM的抛光转头，润色抛光工艺包括在图案化铝层之上的区域之上采用一个含有软垫的抛光头(例如Rodel制造的Polytex)。润色抛光工艺优选地使用挑选的浆料(slurry)混合物。这样的浆料混合物的一个示例包含二氧化硅分布及用于铝表面氧化和钝化的化学添加组分。浆料混合物的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。抛光工艺优选地在具有平台速率从5到36RPM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)。优选地，润色抛光工艺的特征是铝去除速率50到1000/分钟。根据具体实施例，润色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2000埃的厚度。根据一个具体实施例，最终的镜面的特征是反射率大于等于93％和RMS表面粗糙度小于等于5。当然，可以有其它的替换、变化和修改。

如图5、6和7所示，所述方法可选地执行化学机械平坦化、回蚀(etch back)和润色抛光的结合。所述方法执行氧化物化学机械平坦化工艺551。所述方法在由LAM RESEARCH制造的TERES工具上使用经过选择的工艺条件。以抛光头的转速15到30RPM(转数/分钟)的特征是所述抛光。抛光工艺包括将含有聚氨脂材料的抛光垫(例如Rodel制造的IC1000)应用到氧化物层之上的区域之上。抛光工艺优选地使用经过选择的浆料混合物。这样的浆料混合物的一个示例是由美国的CabotMicroelectronics制造的SS-25(未经挑选)。浆料混合物的溶液含有很多二氧化硅颗粒，这些颗粒的直径从约80nm到200nm，所述溶液的PH值为10.8到11.2。优选地在具有带速率为275ft/分钟的旋转带上进行抛光工艺。根据某些实施例，抛光垫向衬底表面的下压力约为5.0PSI。优选地抛光工艺的特征是氧化物去除速率3000到4500/分钟。氧化物抛光工艺从氧化物层的上表面至少去除约5000以到达图案化铝层的上表面附近的一个区域。当然，可以有其它的变化、修改和替换。

如图6所示，所述方法执行回蚀工艺601。回蚀工艺可以是干法、湿法或二者的结合。执行回蚀工艺直到暴露出图案化铝层的上表面为止。如图7所示，所述方法随后执行润色抛光工艺701。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执行润色抛光工艺。润色抛光的特征是抛光头的旋转速率为5到40RPM。润色抛光工艺包括将一个含有软材料(例如Rodel制造的Polytex)的抛光垫应用到图案化铝层之上的区域之上。润色抛光工艺优选地使用挑选的浆料混合物。浆料混合物的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。抛光工艺优选地在具有平台速率从5到36RPM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为约1-3PSI。优选地润色抛光工艺的特征是铝去除速率50到1000/分钟。根据具体实施例，润色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2000埃的厚度。根据一个具体实施例，所得的镜面的特征是反射率大于等于93％和RMS表面粗糙度小于等于5。当然，可以有其它的替换、变化和修改。

所述方法还包括形成一个保护层覆盖在多个电极区域中的每个电极区域的表面区域之上，以保护每个电极区域的具有精加工镜面的表面区域。优选的，在制作完成的LCOS器件中，至少91％的光从精加工镜面反射回来。可以通过将裸露的铝层表面用诸如双氧水、BTA、臭氧/水混合物等氧化性液体来处理而形成保护层。氧化性液体基本上是洁净的并且可在裸露的铝层之上形成一个钝化层。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介电层；

形成一个覆盖在所述介电层之上的铝层，所述铝层具有大于20埃的均方根预定粗糙度；

图案化所述铝层以暴露所述介电层的一部分，所述已暴露部分形成了围绕所述图案化铝层的复数个图案之一的边界，所述复数个图案之一对应一个像素；

形成一个覆盖在所述图案化铝层和所述介电层的已暴露部分之上的第二介电层；

去除所述第二介电层的一部分以到达图案化铝层的上表面附近的一个区域；

通过使用润色抛光工艺，处理覆盖在所述图案化铝层上的区域，以将所述图案化铝的所述上表面的表面粗糙度降低到5埃以下，进而在所述图案化铝的所述上表面之上形成一个镜面，所述镜面对应于所述像素。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺的特征是其抛光头的旋转速率为5到40转数/分钟。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺包括将一个软垫(Rodel Polytex垫)应用到所述图案化铝层之上的区域。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺包括将一个浆料混合物应用到所述正在处理的区域。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述润色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5到36转数/分钟旋转所述衬底。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺的特征是使用下压力1-3磅/平方英寸。

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

8.如权利要求1所述的方法，其中所述镜面的特征是具有大于或等于91％的反射率，以及小于或等于5埃的均方根表面粗糙度。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述图案化铝层的特征是其反射率从约83％到约91％，并且所述镜面的特征是具有大于91％的反射率。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺包括在PH值小于等于3.5的溶液中的多个二氧化硅颗粒，所述多个二氧化硅颗粒的直径从约30纳米到约200纳米。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述润色抛光工艺从所述图案化铝层的所述上表面至少去除约50埃的厚度，并且最多从所述上表面去除1000埃的厚度。

12.一种对镜结构进行化学机械抛光的方法，所述方法包括：

提供一个衬底；

形成一个覆盖在所述半导体衬底之上的第一介电层；

形成一个覆盖在所述介电层之上的金属层，所述金属层的上表面具有以均方根测量的第一预定粗糙度；以及

使用润色抛光工艺来处理在所述金属层之上的一个或多个区域，以将所述金属层的所述上表面的表面粗糙度从所述第一预定粗糙度降低到第二预定粗糙度，进而在所述金属层上形成一个镜面。