經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1290347 at B7 五、發明説明（) 發明領域： 本發明係與一種半導體製程有關，特別是有關於一 種於氮化矽保護層中消除內應力的製程方法，本發明可減 少晶圓斷裂問題。 發明背景： 在半導體製程中，一旦積體電路（1C)完成後，一保護 製程是必要的。保護層一般最常見的作用，是用來保護其 下的各半導體層，防止濕氣入侵造成元件的失效。此一保 護製程是沉積保護層於晶片表面之最上層。此保護層係將 元件結構封住與外界環境隔絕亦被視為一防止刮到之保護 層（Scratch protection films)。例如，此保護層可防止 水氣及其它污染源侵入積輯電路封裝（IC package)，且預 防積體電路_裝（Packaging)及組裝（Assembly)時發生機 械及化學傷害。一般皆以氮化矽形成保護層，傳統上是用 電漿強化的化學氮相沈積法（PECVD)來沈積氮化矽層。 一如熟悉該領域所知，不同的材質物性不同，例如 、 .·， ·· ··，〜，· · 兩種材質的接合面（interface)之晶格常數的不匹配 (mismatch)即會造成應力的形成，因此界面間通常多會產 生差排（d i s 1 〇 c a t i ο η)以鬆弛兩者藺的力7另一者則是熱 膨脹係數，當兩種材質間的熱膨脹係數不同時，在加熱的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
1290347 B7 五、發明説明（） … 過程中即會造成應力的生成。而積體電路的製程中熱處理 '· (請先聞讀背面之注意事項再填) 卻是不可或缺的。應力的生成可能造成的不良效應最直接 的影響即為薄膜的彎曲，或者薄膜的結合（adhesion)不良 脫落。對一氮化矽保護層而言，雖然越厚的氮化矽層越能 .達到保護的功能。但是，較厚的氮化矽層卻越容易發生破 •裂（crack )的惰形，一般而言，只要厚度超過2μ m,這 種破裂情形即會大量發生，因此氮化矽保護層的厚度會有 一定的極限。 然而在一指紋辨識器（Finger print detector structure )應用元件之結構中，當底材（Substrate )上 的電子.元件形成之後，會於其表面覆蓋一層氮化矽保護層 (Passivation Layer )以保護其中的電子元件。當進行 指紋檢測時，人類手指會直接接觸於氮化矽保護層，而為 了有效防止手指上之濕氣或鹽分入侵造成元件的.失效，此 時氮化矽保護層厚度要求會很高，其厚度會超過2μ m, 此時結構中的氮化矽保護層將變得極為脆弱而容易發生裂 痕。一但此結構受到一些外力作用時，常常會使這些氮化 矽保護層發生斷裂。而這種缺陷將使得製程良率大為降低 造成了大量的製程損失，並大為降低了積體電路的電性、 耐用性以及結構強度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 綜上所述，亟需要發展一種新的製程技術，以克服 上述之氮化矽保護層的斷裂現象。以期提高半導體稹體電 路的製程良率，同時增加其結構與各種材料性質的可靠度。 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1290347 Α7 Β7 五、發明説明（） 發明目的及概述： 鑒於上述之發明背景，在一指紋辨識器應用元件之 結構中，其表面所覆蓋之氮化矽保護層厚度常會超過2 μ m，此時結構中的氮化矽保護層將變得極為脆弱而容易 發生斷裂。為解決上述的問題，本發明提供一種製造氮化 矽保護層之方法，利用多層沈積製程來減緩氮化矽保護層 之應力，以克服上述氮化砂保護層斷裂現象，同時增加其 結構與各種材料性質的可靠度。 本發明係揭露一種形成氮化矽層保護層的方法。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填{_頁) 此方法藉由調整形成氮化矽層之製程參數來分段成 長氮化矽保護層，藉由分別具有張應力與壓縮應力之氮化 矽薄膜，以間隔成長之方式組成此氮化矽保護層，來彼此 補償以降低總應力，其中氮化矽薄膜是以沈積是以電漿增 強式化學氣相沈積法（PEC.VD)進行。此發明之方法，是利 用分段沈積之方式，於晶圓之元件層上分段沈積氮化矽保 護層。例如以一兩段式沈積為例，若欲成長之保護層厚度 為2 000埃，其首先會於晶圓之元件層上成長一層與矽基 板成張應力之氮化矽薄膜，·其厚度約為150至200埃， 接著再次成長與矽基板成壓縮應力之氮化矽薄膜，由此兩 層氮化矽薄膜來共同形成厚度2000埃之保護層。 圖式簡單說明： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（2ΐ〇χ297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1290347 Α7 Β7 五、發明説明（） ‘ 本發明的較佳實施例將於往·後之說明文字中輔以 下列圖形做更詳細的闡述，其中： 第一圖顯示一製程晶圓在經適一熱製程後由於壓 縮應力所造成晶圓彎曲結果示意圖； 第二圖顯示一製程晶圓在經過一熱製程後由於張 應力所造成晶圓彎曲結果示意圖； 第三圖至第四圖為本發明最佳實施例之製程剖面 示意_ ; 第五圖為本發明另一實施例之製程剖面示意圖；以 及 第六圖為分別採用本發明之二段式，四段式與六段 式之沉積方法與傳統採用單一沈積方式之比較圖。 圖號對照說明： ί : - ·. ·ν J . 10基板 20、30介電層厚膜 1〇〇半導體晶圓 1 1 0應用元件層 112、116和120張應力之氮化矽薄膜 114、118和122壓縮應力之寥化矽薄膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）
1290347 A7 B7 五、發明説明（） ‘ 發明詳細說明： 在不限制本發明之精神及應用範圍之下，以下即以 一實施例，介紹本發明之實施；熟悉此領域技藝者，在瞭 解本發明之精神後，當可應用此方法於各種半導體元件之 氮化矽保護層製程，來消除因為應力的生成可能造成薄膜 的彎曲的不良效應，或者薄膜結合（adhesion)不良的脫 落。由於對一氮化矽保護層而言，雖然越厚的氣化矽層越 能達到保護的功能，但是，較厚的氮化矽層卻越容易發生 破裂（crack )的情形，因此氮化矽保護層的厚度會有一 定的極限。本發明所提供之製造氮化矽保護層之方法，可 利用多層的沈積製程來減緩氮化砂保護層之應力，以克服 上述氮化矽保護層斷裂現象，同時增加其結構與各種材料 性質的可靠度，本發明之應用當〒僅限於以下所述之實施 例。' 當於一晶圓表面上沈積一層介電層時，由於兩種材 質間的熱膨脹係數不同時，在加熱的過程中即會造成應力 的生成。而在積體電路的製程中熱處理卻是不可或缺的。 應力的生成可能造成的不良效應最直接的影饗即為薄膜 -的、彎曲，或者薄膜的結合不良脫落，一般之介電層相對於 矽基板所形成之應力分成壓縮應力和張應力。 首先請參照第一圖，當於一矽基板10上沉積一層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） t 面 之 注 意 事 項 再 填 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1290347 B7 五、發明説明（） ‘ 介電層厚膜20，由於矽基板10與介電層厚膜20兩者熱 膨脹係數不同，當此晶圓經一熱處理製程，若所產生之應 力會形成如圖所示之結果，亦即造成晶圓向下彎曲，此介 電層厚膜20對矽基板所施之應力為一壓縮應力。另一方 面請參照第二圖，同樣的於矽基板10上沉積另一層介電 層厚膜30，當此晶圓經一熱處理製程，若形成如圖所示 向上彎曲的結果時，此時介電層厚膜30對矽基板所施之 應力稱為張應力。 對一氮化矽保護層而言，使用不同之無線電波頻率 能量（RF Power)，和不同之氣體.流量所形成之氮化矽 保護層對於矽基板而言，在經過一熱製程後，亦會分別呈 現出如上述之壓縮應力（compressive stress)與張應 力（tensile stress)。因此本發明即係利用不同的薄膜生 長條件來沈積多層氮化矽薄膜，藉由張應力與壓縮應力之 互補來解決彎曲度的問題。 ： . _ ! 請參照第三圖至第四圖，其繪V示本發明之製程流程 剖面示意圖。接著，請參閱第三圖所示為本發明之最佳實 施例，其係建構在一半導體晶圓1 00上，經過多道前段 製程處理步驟，以在半導體晶圓100中製作複數個半導 體元件，形成如第一圖上之一個應用元件層11 〇，此應 用元件可為一指紋辨識器。 .... 當成長完應用元件層1 10後，接著即可進行氮化矽 保護層之成長,以防止水氣及其它污染源侵入應用元件層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -----I---.—..裝 (請先閲讀背面之注意事項再填1¾頁) 訂 1290347 at B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社邱製 五、發明説明（） ‘ 110。依本發明之最佳實施例而言，舅化矽保護層沈積是 以電漿增強式化學氣相沈積法（PEC.VD)進行。其通常採用 矽甲烷（SiH4)作為矽的反應源，而以氨氣作為氮源。矽甲 烷與氨氣的化學反應式為 SiH4(g) + NH3 (g) — SiNx:H (s) + 3H2(g) 其中x表示所形成的氮氧矽化物元素間的成份比將 視反應條件而定，而電漿增強式化學氣相沈積法係以形成 電漿的方式增加反應氣體的能量及活性。其中使用不同之 無線電波頻率能量（RF Power)，和不同之氣體流量， 來控制離子對沈積薄膜之轟擊，可以調整SiNx之應力。 當進行氮化矽保護層沈積時，首先將完成應用元件 層110沈積之半導體晶圓100 ,放入電漿增強式化學氣 相沈積系統之製程反應室中進行氮化矽保護層沈稹。依本 發明之最佳實施例而言，係採用矽甲烷（SiH4)作為矽的反 應源，而以氨氣作為氮源.。藉著電漿裡面之高能電子，製 程氣體分子將被解離，而在晶片表面與其他氣體·分子發 生化學反應，而產生所需之固態沈t。 依本發明之最佳實施例，所需成長之氮化矽保護層 厚度為20000埃，傳統上在製造此氮化矽保護層時，通 常是以同一製程成長條件直接成長一層厚度20000埃之 氮化矽保護1，jf旦由於當氮化矽保護層厚度超過20000 埃時，將變得極為脆弱，且在熱製程時會與欲保護之晶片 間產生極大應力差而於表面生成氣泡型缺陷。因此本發明 請先閱讀背Φ·'之注意事項再填頁) -裝* 訂 參 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1290347 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 將2 0000埃之氮化矽保護層，採分段製程，亦即利用不 同的生長條件來沈積此氮化矽保護層，使之分別具有張應 力與壓縮應力，並產生互補效應而解決問題。 一本發明之最佳實施例而言，若所需之氮化矽保護 層厚度為20000埃，請參閱第四圖，以分段沈積兩層分 別與矽基板成張應力與壓縮應力之氮化矽薄膜為例，其所 形成之氮化矽保護層總厚度200Q0埃。首先將完成應用 元件層1 10沈積之半導體晶阛100，放入電漿增強式化 學氣相沈積系統之製程反應室中，進行一與矽基板成張應 力之氮化矽薄膜1 12沈積。其沈積方法是使用如上所述 之加強式電漿化學氣相沈積（PECVD )法，而此時所使 用之無線電波頻率能量為 450W，砂甲烷流量為 2 5 0 s c c m，而氨氣流量為2 5 0 s c c m ,而所沈積之厚度為 150至200埃。接著再進行一與矽基板成壓縮_力之氮 化矽薄膜1 1 4之沈積，其沈積方法亦是使用如上所述之 • - · . · - PECVD法，而此時所使用之無:線電波頻率能量為 870W，矽甲焼流量為 620sccm，而震氣流量為 250sccm,而所沈積之厚度為19800至19850埃。 值得注意的是，上述厚度20000埃之氮化矽保護 層，亦可分成四段沈積方式，如第五圖所示，亦即，首先 進行一與矽基板成張應力之氮化矽薄膜116沈積。其所 使用之無線電波頻率能量為，矽甲院流量與氨氣流量為均 相同於二段沈積方式，而其所沈積厚度亦為150至200 (請先閱讀背面之注意事項再填 裝- 頁)
1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） A7 1290347 B7 五、發明説明（） * 埃。接著再進行一與矽基板成壓縮應，之氮化矽薄膜1 1 8 之沈積，其沈積條件亦相同於二段沈積方式，但所要求之 沈積厚度9800至9850埃。此時總氮化矽薄膜厚度約為 10000埃，接著再重複上述步驟，於氮化矽薄膜118上 依序沈積一與矽基板成張應力之氮化矽薄膜120 ,和與 矽基板成壓縮應力之氮化矽薄膜122，即完成此四段式 沉稹。值得注意的是，不論氮化矽保護層採用幾段式沉. 積，其與砂基板成張應力之氮化矽薄膜所需厚度均為150 至2 00埃。 參閱第.六圖為分別採用本發明之二段式，四段式與 六段式之沉積方法與傳統採用單一沈積方式之比較圖，其 中所欲沈積之氮化砂保護餍總厚度為20000埃，圖中橫 座標為沈積方式，縱座標為氮化矽保護層所呈現出之殘留 應力。由圖中可明顯看出，當在總沈積厚度不_之情況 下，若所採用_多段之沈積方式，亦即在20000埃厚度 下，讓氮化矽保護層由越多層之分具漲應力與壓縮應力之 多層氮化矽薄膜以間格沈積方式來組成，其應力有縮小之 趨勢。因此，很明顯的本發明之方法可減緩保護層應力。 如熟悉此技術之人員所暸解的，以上所述僅為本發 明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 圍；凡其它未脫離本發明所掲示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） . ---------- 裝 (請先閲讀背面之注意事項再填頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製