发明领域

本发明总地涉及半导体器件的制造，特别涉及半导体器件中使用的 旋涂玻璃(通常称做SOG)的固化方法。

                       现有技术介绍

在制造超大规模集成电路中，多级互连使用的层间介质要求在大高 宽比的空隙(金属导体之间)中填充空隙充填剂并且具有高平坦度的 形貌  (平面化)。要满足这些要求，现已研究了大量的层间介质形 成工艺。现已开发了以四乙基原硅酸盐(TEOS)为基础的化学气相 淀积(CVD)、与化学机械抛光(CMP)结合的偏置的高密度等 离子体CVD。然而这些技术存在着许多问题，包括：产生颗粒、工艺 的可靠性、成本和空隙的填充能力。现已使用了旋涂玻璃工艺，与其它 工艺相比，旋涂玻璃工艺更简易、空隙填充和平面化较好。

在集成电路的工艺技术中，制造高成品率的可靠内连结构要求淀积 均匀厚度的金属化层并随后形成图案，同时要保持临界尺寸和线宽度。 除非在金属化步骤之前平面化衬底，否则很难实现这些工艺目标。即， 层间介质必须填充较下内连紧密排列的金属线垂直壁之间的空间，以便 产生平坦的形貌。但旋涂玻璃的材料受到厚度的限制，当制作厚层并固 化时，趋于龟裂。旋涂玻璃液体由聚合物的硅氧网组成，该液体是硅氧 烷的一种，溶解在有机溶剂(一般为高沸点溶剂和低沸点溶剂的混合 而成)中得到。溶解的旋涂玻璃材料通过高速旋转涂敷在半导体晶片 上。旋涂玻璃材料填充了集成电路晶片的缝隙和不均匀的形貌，因此平 面化了集成电路晶片。旋涂到衬底上后，通过低温热板烘烤将低沸点溶 剂排出。然后在真空或氮气中将晶片加热到300-400℃。这样可除去高 沸点溶剂和随后的工艺步骤中导致龟裂和腐蚀的成分。通过这种方式可 涂敷很薄的涂层。如果使用厚涂层，由于在烘烤步骤中的收缩会导致旋 涂玻璃膜龟裂。如果要求更厚的涂层，必须施加多层涂层并进行真空烘 烤。由于使用了耗时的工艺步骤，并且形成的膜在最后的固化中仍然会 龟裂，所以不太理想。形成的旋涂玻璃层的最后步骤是在高温下固化。 这样会破坏硅氧烷材料，并交联成类二氧化硅材料。要得到无水、无碳 且无硅醇的旋涂玻璃层，在最后的固化步骤中的温度要求非常高，一般 为800-900℃。然而，在集成电路的制造中，由于可能融化铝互连，所 以旋涂玻璃膜固化的最高温度经常限制到约450℃。

在该低温下固化后，旋涂玻璃膜含有大量的残留硅醇和碳，并容易 吸收水。旋涂玻璃膜的介电特性(例如，介电常数)受到膜内硅醇和 水的含量的影响。在集成电路的制造中，旋涂玻璃膜具有低介电常数很 重要，是由于它要变为信号导体之间的绝缘阻挡层，并将决定电路的上 限(upper)工作频率。在高温下固化旋涂玻璃的热方法的主要缺点 是旋涂玻璃膜的龟裂。由于旋涂玻璃被约束在水平面(衬底的界面) 内，所以它仅在垂直方向收缩。当在高温下进行烘烤时，在旋涂玻璃膜 内产生很大的应力。尽管旋涂玻璃具有有利的特性：平面化和良好的空 隙填充能力，但这些应力和随后的龟裂限制了旋涂玻璃的应用。此外， 相对于热生长氧化物的腐蚀速率，热固化的旋涂玻璃的腐蚀速率较差。 因此，希望能有一些方法，能在低温下固化旋涂玻璃以减少随后的旋涂 玻璃的龟裂，同时改善它的物理性质。

在已有技术中已提出许多不同的技术解决这个问题。在美国专利 5,192,164&5,192715中，Sliwa提出一种技术，深腐蚀旋涂玻璃在金属 互连之间产生未填的缝隙，允许固化期间旋涂玻璃膨胀和收缩，而不会 龟裂。该措施的缺点为要采用附加的工艺步骤，并且杂质可能填充未填 的缝隙。随后的高温烘烤可使气体留在缝隙内，随后腐蚀金属导体。

固化旋涂玻璃的另一个可选方法是通过离子注入。在美国专利 5,192,697中，Leong建议一种使用离子注入固化旋涂玻璃的方法，这样 可在低温下固化，同时改善氧化物的腐蚀速率。高能离子撞击到旋涂玻 璃层上引起发热和交联。这种技术的缺点是仅能固化相对较薄的层 (～1000-2000)，而且该技术要求高真空环境(＜2×10-5Torr)和昂 贵的设备。同样，高能离子能引起氧化物晶格结构的损坏，并对下面的 有源电路造成辐照损伤。要穿透更厚的氧化层就要求更高且破坏更大的 注入能量。如Moriya所示出的(N.Moriya等人的“离子注入的SiO2旋涂玻璃的变化效应”，J.Electrochem.Soc.，卷140，第5期，1993年 5月，1442-1450页)，由高能离子引起的损伤可彻底地改变旋涂玻璃 (SOG)膜的性质。

固化旋涂玻璃的另一技术是使用紫外线辐照和热板。在美国专利 4,983,546中，Hyun等人称获得比在420℃热固化的旋涂玻璃更好的旋 涂玻璃性质。然而，其公开的工艺并没有产生800-900℃固化的优质旋 涂玻璃。仍然有碳和硅醇存在，由于包含的碳吸收水，引起随后的龟裂 和分层。

Young-Bum Koh等人(“通过聚焦的离子束辐照对旋涂玻璃直接 构图”Jpn.J.Appl.Phys.，卷31，(1992)4479-4482页)利用聚 焦的离子束辐照交联旋涂玻璃。他们将离子束辐照的旋涂玻璃与热处理 的旋涂玻璃相对比。在850℃的热固化中消除了碳，高剂量的离子束辐 照显示出碳减少并没有消除。他们也报道电子束辐照需要比离子束辐照 高2-3个数量级以交联SOG材料。这表明SOG的电子束工艺需要的工 艺时间很长。

在这些现有技术中，如果没有在800-900℃固化旋涂玻璃，残余的 碳会留在膜中。这可引起随后的龟裂和失去绝缘特性，后固化工序中金 属互连沾污杂质。因此，希望能有一种低温固化旋涂玻璃膜的方法，能 获得和高温(800-900℃)固化的旋涂玻璃膜相同或更优良的性质。

旋涂玻璃可用于平面化集成电路的形貌。当填充高宽比大于1的空 隙或空腔时，在热工序中旋涂玻璃一般会收缩龟裂。因此，半导体器件 制造商不得不使用复杂和昂贵的工艺用CVD为基础的氧化物密封旋涂 玻璃。多层密封增加了工艺步骤，成本高并会产生缺陷。为避免这些问 题，半导体制造商使空腔的高宽比小于1，以得到可接受的工艺成品率 和可容忍的工艺裕度。要得到更大高宽比的空隙填充要求多次旋涂薄旋 涂玻璃，并在SOG膜之间交错化学气相淀积的氧化物。淀积的中间层 或CVD膜可减少收缩、应力和龟裂。当应用到高密度电路时，高宽比 大于1时龟裂的趋势限制了可得到的特征尺寸和封装密度。显然需要一 种固化旋涂玻璃膜的方法，可得到大高宽比的空腔填充而不会龟裂。

大量的操作人员已报道通过电子束辐照交联的硅氧烷型材料可直 接构图和用于于光刻。现已考虑用电子束交联旋涂玻璃膜。A.Imai和 H.Fukuda(“用于旋涂玻璃(SOG)直接构图的新工艺”Japanese J. Appl.Physics，卷29，第11期，1990，2653-2656页)显示使用精细聚焦 的电子束交联旋涂玻璃使SOG在溶剂中不能溶解，并因而直接在半导 体衬底上构图的方法。然而，Imai和Fukuda仅介绍使用电子束构图旋 涂玻璃，而没有用于最后的固化。

显然由于利用电子束光刻工具以相对较底剂量的高能电子曝光会 给半导体氧化层引入损伤，不使用高能电子进行SOG材料的最后固化。 因此，将半导体氧化物暴露给较高数量级剂量的电子对高成品率器件制 造是极不利的。而且，当电子束暴光半导体氧化物时，已发现有很多有 害效应包括：电荷积累(charge buildup)、在Si-SiO2界面上产生电 子态，和在氧化物中引入电子陷阱。这些效应在MOS器件中引起以下 问题：阈值电压漂移、晶体管中的沟道迁移率下降，和热电子效应。在 石板印刷中使用的剂量范围为5-100μC/cm2。似乎完全固化旋涂玻璃所 要求的较高数量级的剂量将对半导体器件中的有源氧化物造成巨大的 损害。因此并不鼓励使用电子束进行SOG固化的尝试。

有大量的现有技术显示，当用高剂量的电子束辐照时，电子束对半 导体氧化物造成损伤，使电子束辐照成为固化SOG材料的次要选择。 当用高能电子入射氧化层时，产生电子空穴对。由于氧化层内的电场， 产生的电子空穴对可以分离。很灵活的电子较快的移动到表面或导体 层，而空穴被俘获于附近的二氧化硅/硅界面。该俘获过程称做正电荷积 累。正电荷的积累取决于温度。温度越低，由于低温下空穴的移动越少， 电荷的积累越高。在二氧化硅/硅界面产生的电子态使随后的CV曲线沿 电压轴伸展，而不是理想的平行移动。发生伸展是由于当存在界面态 时，在给定的栅偏置下，硅的能带弯曲更小。

界面态可以负性电荷积累并影响MOS晶体管的阈值电压。电子束 辐照可在二氧化硅膜中产生中性电子陷阱。

辐照产生的中性电子陷阱能增强热电子的不稳定性。对于小尺寸的 MOS晶体管，会发生由硅衬底到二氧化硅层的电子发射。这些电子的部 分或许被俘获。俘获的电荷会产生如阈值电压漂移和跨导下降等不希望 的影响。

由于这些原因，电子束辐照旋涂玻璃作为固化的方法并没有作为现 有技术有吸引力的选择，除非不损伤有源器件层。如果电子束固化旋涂 玻璃比现有技术更有利并且结果更佳，那么存在将电子束对氧化层的损 伤减小到最小的需要，仍然要求高电子束剂量级别来完全固化旋涂玻 璃。

                       发明目的和优点

本发明的目的是提供一种改进的低温固化旋涂玻璃材料的方法。本 发明的另一目的是提供一种固化旋涂玻璃层的方法，能够完全消除碳并 获得更密集更抗腐蚀的旋涂玻璃膜，同时保持工艺的最高温度在250℃ 以下。本发明的又一目的是提供一种用一层涂层固化厚旋涂玻璃层(比 热固化的旋涂玻璃层厚且不会龟裂)的方法，因而省却用于厚层的多 层涂层，并能够固化旋涂玻璃层且不会使厚旋涂玻璃层龟裂。

本发明的还一目的是提供一种固化旋涂玻璃层的方法，可以固化厚 的旋涂玻璃而不会龟裂，并且高宽比大于2或3，这对于现有技术目前 是无法获得的。

本发明的再一目的是提供一种改进的利用电子束辐照和同时红外 加热固化旋涂玻璃层的方法。本发明的又一目的是提供一种固化旋涂玻 璃层的方法，通过比通常要求还低的加热以保护旋涂玻璃不龟裂，同时 改善旋涂玻璃膜的性质。本发明的又一目的是提供一种用大剂量的高能 电子辐照和固化旋涂玻璃层的方法，同时不会在氧化层内造成损伤或有 害的影响。

本发明的还一目的是提供一种固化旋涂玻璃层的方法，用大面积的 均匀电子束源在低真空(10-40毫乇)中辐照，以便在SOG膜或相邻 的氧化层中不造成有害的影响。本发明的再一目的是提供一种固化旋涂 玻璃层的方法，以便获得比低于800℃的热固化技术实现的指标有更高 的折射率、更高的抗腐蚀性和更高的介质强度。本发明的主要优点是能 够用低温固化旋涂玻璃层获得接近热生长氧化物的性质。

                       发明概述

本发明利用大面积的电子束源在低真空环境中辐照旋涂玻璃材 料，同时用红外灯间接加热晶片。这种新型工艺使旋涂玻璃层固化并致 密，且消除了所有的碳和溶剂，同时保持工艺的最高温度在250℃以下。 用再生(blanket)电子束在低真空中辐照并同时加热涂敷在晶片上的 旋涂玻璃层。在低真空中用电子束产生的正离子中性化表面电荷将对下 面的半导体器件和氧化物的有害影响最小化。在电子束辐照期间加热旋 涂玻璃(氧化层)增加了电子束引入的通常的绝缘氧化层的导电率， 因而将电荷由氧化层排到中性的表面。

                        附图简述

图1和2为本发明工艺的剖面图，显示了电子束曝光装置、要固化 的衬底和真空室。

                   优选实施例描述

图1&2图示了在低温下固化旋涂玻璃层的新颖方法。衬底27放置 在压力为15-40毫乇的真空室20中，位于电子源下一段距离，该距离足 以使电子通过源和衬底表面之间产生离子。电子可由在低真空(10-40 毫乇)环境中工作的任何类型的源产生。特别适于该用途的源在美国 专利No.5,003,178中有介绍，在本说明书中引用仅做参考。这是一种可 工作在低真空环境中的很均匀且稳定的源。阴极22发射电子，电子由 阴极和阳极26之间的电场加速。这两个电极之间的电位由高电压源29 施加到阴极22和偏置电压源30施加到阳极26得到。选择足够的电子 能量完全穿透SOG层的整个厚度(例如，6000厚的膜为9kev)。电 子辐照涂在衬底27上的旋涂玻璃层28。石英灯辐照衬底的下侧，加热 与电子束无关。可变漏阀32用于泄露适当的气体以维持低真空环境。 参考图2，电子45穿过阳极26和衬底27之间的距离46，使区域38 内的气体分子电离产生正离子。然后这些正离子43被吸引回阳极26， 在阳极被朝向阴极加速，产生更多的电子。如42所示，衬底27上的旋 涂玻璃膜28为绝缘体，在电子的撞击下开始负性充电，如47所示。然 而，靠近衬底表面的正离子被负电荷吸引然后中性化。灯36(见图1) 辐照并加热晶片或衬底，因而控制基度。由于晶片在真空环境中并热绝 缘，因此晶片可以通过辐照加热或冷却。如果灯熄灭，晶片将向周围的 表面辐照热量并逐渐冷却。在本发明的优选实施例中，在整个工艺中， 晶片同时受到红外灯的加热和电子束的辐照。红外石英灯持续加热直至 晶片温度达到200-250℃。在不同的运转周期中，灯开和关以控制晶片 温度。用电子连续辐照晶片和旋涂玻璃膜直至累积了足够的剂量2500 到10,000μC/m2，并且旋涂玻璃膜固化。衬底的加热和电子束的撞击排 除了旋涂玻璃膜中的溶剂，并几乎交联成二氧化硅材料。使用该技术， 可在不足十分钟内固化很厚的SOG膜。在本发明之前，不能没有龟裂 地固化厚过3000的膜。该工艺可用于固化厚旋涂玻璃且没有龟裂。此 外，使用现有技术目前不能得到高宽比大于2或3，但使用本发明的方 法可得到。另外，我们发现旋涂玻璃中的碳在最高工艺温度小于200℃ 时可完全消除。这是非常重要的结果。随着碳有机基团从氧化膜中排 除，氧化物随之不再吸收水，对湿法腐蚀工艺的抗蚀性，氧化膜比常规 的热工艺制造的膜高七倍之多。再者，在低真空环境中使用大面积的电 子曝光可减少电子束辐照的有害效应。在电子束光刻中，严格聚焦的高 密度电流束在衬底上偏转。在高真空环境中暴露的氧化层表面的入射束 在表面上堆积电荷，在氧化层上产生高电场。

通过对比，在本发明中，大面积的电子源在低真空(10-40毫乇) 中辐照整个晶片。电子通过电子枪的阳极到达衬底，电离了部分气体分 子产生正离子。在衬底表面堆积的任何电荷很快被晶片表面附近的正离 子中性化。这可暴光旋涂玻璃绝缘膜而不必要求导电涂层放掉电荷。借 助电子束引入的导电率实现下表面的电荷消散(绝缘层或二氧化硅层 内)。整个晶片通过高能电子束同时暴光。因此整个辐照的表面导电 并能通过入射电子到表面被正离子中性化来消散电荷。

另外，我们发现大面积的电子束辐照和旋涂玻璃的温度升高的结合 可增加氧化层的电子束导电率，氧化层可消散由入射电子束产生的电荷 堆积。这可使二氧化硅交联并固化，不会在氧化层中引入任何电子陷阱 或正电荷堆积。这是一个新结果。电子束引起的导电效应取决于衬底温 度(温度增加导电性增加)。本发明的方法使用的衬底温度在150℃ 到250℃之间。该工艺温度增加了电子束引起的导电效应，并因此加强 了体亚表面层的电荷消散，减少或消除了电子/空穴陷阱的形成。在早期 关于电子束引起的导电效应研究中发现，如果在偏置电场减到零之前移 去电子束，那么氧化层上的偏置电场可以俘获氧化层中的电荷。在电子 束光刻中，偏置电场高真空中由氧化层上的表面电荷产生。相反，发现 如果在移去入射电子束之前将偏置减到零，没有电荷被俘获。由于在本 发明的电子曝光装置中表面电荷被连续中性化，当入射电子束关掉时， 在氧化层上存在很小或零偏置。这与以上介绍的氧化层中没有产生电荷 陷阱的条件是一样的。

在电子束光刻中，精细聚焦的电子束在晶片表面的小部分上进行。 虽然入射束下的氧化层导电，临近的区域不导电，在器件界面产生横向 偏置电场。通过本发明所述的电子束曝光全部晶片，晶片的整个表面和 掩埋的氧化层在辐照期间导电，因此入射束消失后，没有横向电场产生 电荷陷阱。

在本发明的另一实施例中，没有用红外灯加热晶片。用电子束辐照 和加热晶片。使用很高电流密度的电子辐照，实现很快的工艺时间，我 们发现电子束将加热晶片。如果束中的功率高于通过辐照晶片可消散的 (晶片与导热表面隔离)，那么晶片将被加热。此时，束电流和束电 压的乘积(功率＝电流×电压)大于晶片辐射的功率，因此通过电子 束加热晶片。

在本发明的又一实施例中，晶片或衬底通过冷却板冷却。这使晶片 或衬底保持接近环境，仅用电子束辐照就可固化旋涂玻璃。该工艺可用 于甚至不能承受以上介绍的实施例中使用的200℃的器件。

从以上可看出，本发明在处理旋涂玻璃上取得很大进步。具体地， 本发明提供一种用电子束辐照固化旋涂玻璃材料、固化厚旋涂玻璃材 料、在比通常根除碳杂质和SOG的其它污染的要求低得多的温度固化 旋涂玻璃材料的方法。这种改进的方法比高温热固化更快。由于可在低 温下进行，所以可获得800℃-900℃固化的SOG膜的所需性质，且不 会融化金属化层。并且，通过在低真空环境中用高度均匀的电子束辐照 SOG膜，电子束对敏感的氧化层的损伤最小化，尽管没有完全消除。也 应该理解，虽然为了说明的目的详细地介绍了本发明的特定实施例，但 不同的修改都没有脱离本发明的精神和范围。因此，本发明受附带的权 利要求的限定。

                        发明背景