TWI695427B

TWI695427B - 平坦化晶圓表面的方法

Info

Publication number: TWI695427B
Application number: TW105138547A
Authority: TW
Inventors: 夏爾涂; 林承毅; 俞端彥; 林佳弘; 郭建彣
Original assignee: 聯華電子股份有限公司
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2020-06-01
Also published as: TW201820451A

Abstract

一種平坦化晶圓表面的方法。首先，提供一半導體晶圓，其上具有至少一隙縫。接著，製備一高分子聚合物奈米材料，其中該高分子聚合物奈米材料包含一均聚物基質及分散於該均聚物基質中的奈米顆粒。將該高分子聚合物奈米材料塗佈於該半導體晶圓上，形成一平坦化層。靜置該平坦化層及該半導體晶圓並藉由一空乏吸引力驅使該奈米顆粒填入該隙縫中。隨後，烘烤該平坦化層，使該均聚物基質中的高分子聚合物產生交聯反應。

Description

平坦化晶圓表面的方法

本發明係有關於半導體製造領域，特別是有關於一種平坦化晶圓表面的方法。

在現代積體電路(IC)設計中，應用了許多先進技術以實現奈米級特徵尺寸(feature size)，其中平坦化(planarization)技術扮演著關鍵的角色。平坦化製程係在製造多層IC期間，於形成各連續層後隨之進行的步驟。平坦化製程可以確保晶圓表面的平坦，如此才能夠以高良率精確的製造出所要的IC晶片。

過去的平坦化作法中有的是將一層平坦化層，例如以高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)法或旋轉塗佈等方式，形成在晶圓表面，或者另結合化學機械研磨(CMP)製程，達到晶圓表面平坦化的效果。然而，隨著半導體製造技術進入奈米等級，元件之間的距離或間隙也越來越小，過去的平坦化作法顯然已不足以應付，例如，在填縫能力上有待加強，或者在面對複雜的晶圓表面地貌結構(topography)時，平坦化層未能平均的覆蓋前層(pre-layer)結構，提供出較平坦的表面，而造成後續化學機械研磨製程的負載效應(loading effect)。

因此，本發明的主要目的在提供一種改良的平坦化晶圓表面的方法，可以解決上述先前技藝的不足與缺點。

根據本發明一實施例，本發明提出一種平坦化晶圓表面的方法。首先，提供一半導體晶圓，其上具有至少一隙縫(gap)。接著，製備一高分子聚合物奈米材料，其中該高分子聚合物奈米材料包含一均聚物基質(homopolymer matrix)及分散於該均聚物基質中的奈米顆粒。將該高分子聚合物奈米材料塗佈於該半導體晶圓上，形成一平坦化層。靜置該平坦化層及該半導體晶圓並藉由一空乏吸引力(depletion attraction force)驅使該奈米顆粒填入該隙縫中。

根據本發明一實施例，隨後，烘烤該平坦化層，使該均聚物基質中的高分子聚合物產生交聯反應(crosslinking reaction)，形成一平坦的晶圓表面。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

10:半導體晶圓

100:晶圓表面

101:隙縫

102:大面積的下陷區域

20:平坦化層

20a:上部

20b:下部

30:裝置

31:Y型管

32:噴灑出口

41:均聚物基質

42:奈米顆粒

301:控制件

302:控制件

311:進料管道

312:進料管道

201:奈米顆粒

202:均聚物基質

203:高分子聚合物

第1圖至第4圖為根據本發明一實施例所繪示的一種平坦化晶圓表面的方法。

第5圖例示於晶圓上方現場混合所述均聚物基質與奈米顆粒，以形成所述高分子聚合物奈米材料的裝置。

在本發明的以下詳細描述中，所參考的圖式亦構成說明書的一部分，其例示出可具體實踐本發明的實施例。這些實施例已描述足夠的細節以使本領域的技術人員能夠實踐本發明。其它實施例可以被利用，並且可以做出結構，邏輯和電性上的變化而不脫離本發明的範圍。下面的詳細說明，因此，不被視為具有限制意義，並且本發明的範圍是由所附申請專利範圍而定。

在進一步的描述優選實施例之前，以下先針對全文中使用的特定用語進行說明。

用語“蝕刻”在本文中通常用來描述圖案化材料的製程，使得在蝕刻完成後的材料的至少一部分能被留下。例如，應該理解的是，蝕刻矽的方法通常包括在矽上面圖案化一光阻層，然後從不被光阻層保護的區域去除矽。因此，在蝕刻過程完成，由光阻保護的區域的矽會留下。然而，在另一實例中，刻蝕也可以指不使用光阻的方法，但在蝕刻過程完成後仍留下至少一部分的材料。

上面的說明用來從區分“刻蝕”及“去除”。當“蝕刻”一材料，該材料的至少一部分在處理結束後後被保留。與此相反，“去除”材料時，基本上所有的材料是在過程中除去。然而，在一些實施例中，“去除”被認為是一個廣義的用語，可以包括刻蝕。

全文中所描述的“基底”、“半導體晶圓”或“晶圓”，最常見的應該是矽基底或矽晶圓。然而，“基底”或“晶圓”也可以是指任何半導體材料，例如鍺、砷化鎵、磷化銦等。在其它實施例的，“基底”或“晶圓”可以是不導電的，例如玻璃或藍寶石晶圓。

全文中所描述的“晶圓表面”可以指製程過程中的晶圓表面，其上已形成半導體元件或半導體材料。然而，“晶圓表面”可以指任何階段的晶圓表面，例如已完成所有積體電路製程(包括封裝)的晶圓。

全文中所描述的“隙縫”可以是指半導體元件之間的間隙，例如，相鄰兩閘極或相鄰兩鰭狀結構之間的空間，或者可以是指形成於晶圓上任一材料層中的凹入溝槽、切痕或刮痕。後者情形，本發明可以視為一種修補晶圓表面的方法。

請參閱第1圖至第4圖，其為根據本發明一實施例所繪示的一種平坦化晶圓表面的方法。首先，如第1圖所示，提供一半導體晶圓10，其上具有至少一隙縫(gap)101。根據本發明一實施例，隙縫101可以是經由蝕刻、切割或其他化學或物理方式形成者。

根據本發明一實施例，隙縫101可以是超過一預定深度的高深寬比 (high aspect ratio)結構，例如深度超過180微米，其不容易藉由習知的平坦化方法填滿，且其形狀、圖案不限。根據本發明一實施例，半導體晶圓10上可以另包含一大面積的下陷區域102。

根據本發明一實施例，所述隙縫101與所述大面積的下陷區域102可以是屬於同一前層結構所定義出來的晶圓表面100。所述前層結構可包含部分較密集靠近的圖案，構成習知平坦化方法難以填滿的隙縫101，而在圖案較不密集或分散的區域，則可能形成所述大面積的下陷區域102。

如前所述，在面對上述複雜的晶圓表面地貌結構時，習知的平坦化層難以平均的覆蓋前層結構，提供出較平坦的表面，因而造成後續化學機械研磨製程的負載效應(loading effect)。本發明能解決上述問題與不足。

接著，製備一高分子聚合物奈米材料，其中該高分子聚合物奈米材料包含一均聚物基質(homopolymer matrix)及分散於該均聚物基質中的奈米顆粒。

所述製備一高分子聚合物奈米材料的方法係將該奈米顆粒均勻分散混合於該均聚物基質中，構成一膠體溶液(colloidal solution)。其中，“基質”可以是指膠體溶液中的分散媒。

根據本發明一實施例，所述均聚物基質包含一高分子聚合物及一溶劑。根據本發明一實施例，所述高分子聚合物奈米材料僅包含該高分子聚合物、該奈米顆粒及該溶劑三種成分，而不含其他成分，如添加劑。

根據本發明一實施例，所述高分子聚合物包含熱塑性高分子。

根據本發明一實施例，所述高分子聚合物包含聚酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龍、聚乳酸(PLA)、聚苯並咪唑、聚碳酸酯、聚酯碸、聚醚醚酮、聚醚醯亞胺、聚乙烯、聚氧二甲苯、聚苯硫醚、聚丙烯、聚苯乙烯，或聚四氟乙烯(PTFE)。

根據本發明一實施例，所述奈米顆粒包含碳奈米顆粒、矽奈米顆粒、金屬奈米顆粒或金屬氧化物奈米顆粒，但不限於此。根據本發明一實施例，所述奈米顆粒其粒徑可以介於1至100奈米之間，但不限於此。根據本發明一實施例，所述奈米顆粒彼此不發生化學反應。根據本發明一實施例，所述奈米顆粒與所述高分子聚合物之間無鍵結，為彼此分離獨立的。

如第2圖所示，將所述高分子聚合物奈米材料塗佈於半導體晶圓10上，形成一平坦化層20。剛塗佈完的平坦化層20，其中奈米顆粒201仍均勻分散於均聚物基質202中，各奈米顆粒201被高分子聚合物203圍繞包覆。

根據本發明一實施例，所述高分子聚合物奈米材料係在塗佈於半導體晶圓10前才現場將所述均聚物基質與奈米顆粒混合而成。例如，如第5圖所示，其例示於一半導體晶圓10上方現場混合所述均聚物基質與奈米顆粒，以形成所述高分子聚合物奈米材料的裝置30。根據本發明一實施例，裝置30可以包含一Y型管31，與一噴灑出口32連通，所述均聚物基質41與奈米顆粒42可以經由Y型管31的相對兩進料管道311及312於進入噴灑出口32前混合後，再經由噴灑出口32塗佈於晶圓10上。

根據本發明一實施例，裝置30還可以包含控制件301及302，例如，閥件，設於Y型管31的相對兩進料管道311及312上，用以控制均聚物基質41與奈米顆粒42的流量。

如第3圖所示，讓平坦化層20及半導體晶圓10靜置一預定時間後，例如在室溫下靜置數秒至數分鐘，藉由一空乏吸引力(depletion attraction force)驅使奈米顆粒201朝向晶圓表面100移動並填入隙縫101中。所述空乏吸引力係發生於膠體溶液中高分子聚合物203與奈米顆粒201之間的膠體交互作用力(colloidal interaction force)。

從第3圖可看出，平坦化層20包含一上部20a及一下部20b，其中上部 20a具有一第一奈米顆粒濃度，下部20b具有一第二奈米顆粒濃度，其中第二奈米顆粒濃度大於第一奈米顆粒濃度。

隨後，如第4圖所示，對平坦化層20進行一烘烤製程，使所述均聚物基質202中的高分子聚合物203產生交聯反應(crosslinking reaction)，形成一平坦的晶圓表面。根據本發明一實施例，所述烘烤製程同時去除平坦化層20中的溶劑，故平坦化層20的厚度降低。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。