專利名稱：平坦化半導(dǎo)體管芯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是與平坦化一第一材料層(更明確地說是為一介電質(zhì)層)的方法有關(guān)，其在一半導(dǎo)體管芯(die)上使用化學(xué)機(jī)械性研磨技術(shù)。
背景技術(shù)：
化學(xué)機(jī)械性研磨作用(CMP)是一種眾所周知的用于平坦化一用于半導(dǎo)體制程的材料的方法。典型地，該欲被平坦化的材料是例如二氧化硅的被沉積在例如氮化硅的其他介電質(zhì)上的介電質(zhì)。更進(jìn)一步的說，該氮化硅具有一二氧化硅是沉積于其上的頂端平面。然而，因?yàn)樵谠撘r底具有溝渠且具有通到該溝渠的氮化硅中孔洞，沉積在氮化硅上的二氧化硅將會(huì)流過該等孔洞而流到襯底內(nèi)的溝渠中，因而在該氮化硅的頂部平面造成一不均勻的水平面。因此，在該氮化硅的頂部平面的該二氧化硅的高度基本上是會(huì)改變。在CMP方法中，二氧化硅需被研磨或移除以使得其是與該氮化硅的頂部平面成平面。
一試圖要整平二氧化硅的現(xiàn)有技術(shù)的方法，是在大場域的襯底中產(chǎn)生人工仿真擴(kuò)散區(qū)域并將其以氧化物填充，但是這無法用于大的有源區(qū)域并克服與大有源區(qū)域有關(guān)的CMP碟狀效應(yīng)。換句話說，這個(gè)方法本身無法克服將晶片所有區(qū)域平坦化的問題。另一種現(xiàn)有技術(shù)的解決方式，是將二氧化硅的特定部分掩蔽，該部分是基本上高于氮化硅的頂部表面平面的二氧化硅的高度。該二氧化硅的掩蔽部分藉此移除基本高于頂部表面平面的二氧化硅高度相當(dāng)大的部分中的部分二氧化硅。然而，這會(huì)造成眾所周知非所欲之被稱為“碟狀(dishing)”的效應(yīng)，其中該二氧化硅的研磨作用會(huì)移除某些區(qū)域中的氮化硅。
最后，在一篇由Brian Lee、Duane S.Boning、Dale L.Hetherington與David J.Stein于2000年三月在CMP-MICconference中出版的標(biāo)題為“Using Smart Dummy Fill and SelectiveReverse Etch Back for Pattern Density Equalization”的文章中，作者描述了一種具有特定布局的密度模式的仿真掩模，并接著就從那些選定的回蝕晶胞移除二氧化硅，其中某些百分比的該底層二氧化硅是被移除且是與該標(biāo)記薄膜的密度成反比。然而，這技術(shù)受限于其并未包含橫過半導(dǎo)體襯底的整個(gè)晶片的二氧化硅包括分離該等管芯的標(biāo)線之間的二氧化硅的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明揭示一種平坦化在一半導(dǎo)體管芯的第二材料上的一第一材料的方法。數(shù)個(gè)基本上相同的半導(dǎo)體管芯是被界定在一具有一平面的半導(dǎo)體晶片上。數(shù)個(gè)管芯是以一標(biāo)線彼此分隔。一第二材料層是被形成在半導(dǎo)體晶片的平面上，該第二材料層具有一基本上與該平面平行的頂部表面。一第一材料層是位于頂部表面上，而該第一材料層在該頂部表面之上的高度方向上變化。一掩模橫過該晶片而形成，在掩模中有數(shù)個(gè)位置，每個(gè)位置在間隙相對于柱狀區(qū)的密度的比率(density of gap-to-pillar ratio)上有差異，其是與在該頂部表面之上的第一材料高度成比例。該第一材料是為各向異性地經(jīng)由掩模的每個(gè)間隙在整個(gè)晶片上蝕刻，其中每個(gè)間隙是在高度方向上以相同量來蝕刻。CMP然后被用來在該整個(gè)晶片上平坦化該第一材料至該頂部表面。


圖1是晶片的一頂視圖，數(shù)個(gè)基本上相同的半導(dǎo)體管芯被界定在該晶片上，該晶片具有一欲依據(jù)本發(fā)明的方法來平坦化的第一材料。
圖2是圖1中所顯示的一個(gè)半導(dǎo)體管芯的部分剖視圖，其例示在氮化硅上生長且欲被平坦化的二氧化硅的外形。
圖3A是為本發(fā)明的一種方法所使用的掩模的頂視圖，其中有數(shù)個(gè)具有不同尺寸的柱狀區(qū)，而在相鄰的柱狀區(qū)之間的間隙則都具有相同的尺寸。
圖3B是在圖2所顯示的結(jié)構(gòu)上使用在圖3A中所顯示的掩模的掩模圖案的剖視圖。
圖3C是在施加掩模并蝕刻之后，在圖3B中所顯示的結(jié)構(gòu)的一剖視圖。
圖4A本發(fā)明的另一個(gè)方法所使用的掩模的頂視圖，其中有數(shù)個(gè)具有相同尺寸的柱狀區(qū)，而在相鄰的柱狀區(qū)之間的間隙尺寸則都不相同。
圖4B是在圖2中所顯示的結(jié)構(gòu)上使用圖4A中所顯示的掩模的掩模圖案的剖視圖。
圖4C是在掩模已經(jīng)被施加與蝕刻之后，在圖4B中所顯示的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，其顯示一半導(dǎo)體襯底的晶片10的頂視圖。典型地，半導(dǎo)體襯底10是單晶硅或者其可以是復(fù)合半導(dǎo)體，例如III-V材料。該晶片10在其上界定了數(shù)個(gè)基本上相同的半導(dǎo)體管芯12，每個(gè)管芯12彼此都被一標(biāo)記線14所分隔。該晶片10具有基本上為平面的頂端表面16的特征。在本發(fā)明以及已知的方法中，二氧化硅薄層20是被沉積或熱生長在襯底10的該頂部表面的16上。雖然并不是必然地，該二氧化硅薄層20，可以用來做為MOS晶體管的柵極氧化物和其的類似物。沉積在該第一層20的二氧化硅上的是氮化硅層22。該氮化硅具有一平面24，其是基本上與半導(dǎo)體襯底10的頂部表面16平行。
典型地，溝渠26(a-c)是被蝕刻至氮化硅22內(nèi)并通過二氧化硅20而進(jìn)入硅襯底10內(nèi)。最后，一層二氧化硅28填滿溝渠26(a-c)并沉積在氮化硅22的平面24的頂端上。在一具體例中，二氧化硅層28是以HDP(高密度等離子體)沉積作用來沉積。該二氧化硅28是沉積在氮化硅22的平面24上，并沉積至溝渠26(a-c)內(nèi)，但是不會(huì)形成一與平面24平行的平面。相反地，因?yàn)槎趸?8“填滿”溝渠26，在該氮化硅22平面24上的二氧化硅28的厚度將改變。在圖2中顯示管芯12的一典型剖視圖。在本發(fā)明的方法中，平坦化該二氧化硅28以使得所得到的結(jié)構(gòu)將會(huì)是平面，且是對準(zhǔn)氮化硅22的頂部平面24是為所欲的。要注意的是，二氧化硅層20、氮化硅層22與氮化硅層28是被施加至整個(gè)晶片10，包括在整個(gè)標(biāo)記線14上。當(dāng)然，如同圖2中所示的溝渠26，這并不代表層20和22是存在于在襯底10頂部表面16上的各處中。
平坦化二氧化硅28有二種方法。在第一個(gè)方法中，如圖3A中所示，一掩模是先被施加到二氧化硅28的等高區(qū)(contour)。如圖3A中所示，該掩模包含數(shù)個(gè)基本上相同的場域30。每個(gè)場域30是基本上相同或一致的。在一場域30里具有柱狀區(qū)32和間隙。一柱狀區(qū)32是為一剖面區(qū)域，而在該較佳具體例中，其的形狀是基本上為方形。間隙是被界定為柱狀區(qū)32的中心到相鄰的柱狀區(qū)32的中心的距離。因此，如圖3A所示，雖然具有不同尺寸的柱狀區(qū)32，在圖3A中所顯示的三個(gè)場域30中每個(gè)的間隙距離X是為相同的。因此，在本發(fā)明的第一個(gè)方法中，一掩模是被形成為包含有數(shù)個(gè)一致的場域30，每個(gè)都具有一個(gè)或多個(gè)具有不同尺寸的柱狀區(qū)32，但是所有間隙都有相同尺寸。每個(gè)柱狀物的尺寸，也就是柱狀區(qū)32的剖面尺寸，是依據(jù)場域30將被安置于其上的平面24上的二氧化硅28的厚度而定。因此，如圖3B所示，在其中的結(jié)構(gòu)具有被標(biāo)示為“A”和“B”的二個(gè)區(qū)域。
在被標(biāo)示為“A”的場域中，在氮化硅22的平面24之上的二氧化硅28的厚度或數(shù)量，是基本上少于被標(biāo)示為“B”的區(qū)域中的二氧化硅28的厚度。這種在二氧化硅28厚度上的變化將會(huì)使得形成在二氧化硅28上的柱狀區(qū)相對于間隙的密度的比率有著相反的變化。特別地，在厚度較小的地方，例如在區(qū)域A中，柱狀區(qū)相對于間隙的密度的比率相較于區(qū)域B是較大，在區(qū)域B處二氧化硅28的厚度較大而柱狀區(qū)相對于間隙的密度的比率較小。
為了要決定二氧化硅28或是在每個(gè)不同區(qū)域中欲被平坦化的材料的厚度，并因而產(chǎn)生具有適當(dāng)?shù)闹鶢顓^(qū)尺寸但具有固定的間隙尺寸的所需的掩模，人們可以二種方式之一來加以決定。第一，在每個(gè)區(qū)域中的厚度可以該源自于該選定區(qū)域中的溝渠數(shù)目的預(yù)期厚度為基礎(chǔ)來計(jì)算。舉例來說，因?yàn)樵趨^(qū)域A中有二條深度已知的溝渠26a和26b，可以計(jì)算在區(qū)域A中的該二氧化硅28的最終厚度將會(huì)是多少，因?yàn)樵趨^(qū)域A中的一部分二氧化硅28會(huì)被用來填滿溝渠26a和26b，藉此降低了區(qū)域A中二氧化硅28的高度。同樣地，對于區(qū)域B，此種計(jì)算也可以溝渠26c尺寸，以及將會(huì)流過而填滿溝渠26c的二氧化硅體積來計(jì)算，藉此降低了在該區(qū)域中的二氧化硅28的高度。因此，可以使用一電腦來計(jì)算在各種不同區(qū)域中的二氧化硅28的高度或厚度，并因此計(jì)算那些區(qū)域的柱狀區(qū)相對于間隙的密度的比率。該電腦必須了解在用于蝕刻溝渠的掩模上圖案布局以及該溝渠的深度加上層20和22的厚度的信息。
或者，這可以藉由檢視選定管芯的在沉積層28之后剖面區(qū)域的SEM(掃描電子顯微鏡)圖，而按經(jīng)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)。一旦知道上述要點(diǎn)，可以決定對該方法而言需要以適當(dāng)?shù)拿芏鹊膱鲇?0的布局。對應(yīng)于在各向異性蝕刻作用之后所需的柱狀區(qū)密度，可以有一些不同的柱狀區(qū)布局圖案。
基于其中任何一個(gè)方法，在具有數(shù)個(gè)場域30的掩模被施加在包括標(biāo)記線14的整個(gè)晶片(其具有在圖3B中所顯示的管芯的部分所得結(jié)構(gòu))上之后，進(jìn)行一各向異性蝕刻作用。介于位在形成于二氧化硅28的等高區(qū)上的相鄰的柱狀區(qū)32之間的間隙之間的二氧化硅28是被各向異性地蝕刻。每個(gè)間隙是被蝕刻進(jìn)入二氧化硅28到相同厚度值Y。所得的結(jié)構(gòu)是如圖3C中所示。
最后，具有如圖3C中所示的結(jié)構(gòu)的晶片10然后進(jìn)行傳統(tǒng)的CMP研磨方法。結(jié)果，在以CMP加工處理具有如圖3C中所示的結(jié)構(gòu)的晶片10之后，二氧化硅28將會(huì)到達(dá)該結(jié)構(gòu)的平面24。
參照圖4A，其顯示本發(fā)明的另一種方法。在本發(fā)明的第二種方法中，場域30再次是一致的且是為相同的尺寸。然而，一個(gè)或多個(gè)相同尺寸的柱狀區(qū)32是被形成在每個(gè)場域30中，而每個(gè)柱狀區(qū)之間的間隙是不同。柱狀區(qū)30與間隙的密度會(huì)依據(jù)該場域所固定于其上的二氧化硅28的“高度”加上層20和22的厚度而有不同。一其中場域30是被設(shè)置在二氧化硅28的等高區(qū)的掩模是被再次形成，而造成許多其中在該場域中每個(gè)區(qū)域是為一致的而柱狀區(qū)相對于間隙的比率是不同的區(qū)域的形成。
類似前述的與用于加工制造圖3B中所顯示的結(jié)構(gòu)有關(guān)的方法的解釋，在場域30于二氧化硅28的等高區(qū)上形成之后，在相鄰的柱狀區(qū)之間或在間隙中的二氧化硅28是被各向異性地蝕刻。再一次，與參照圖3C來描述的方法類似地，該二氧化硅28是在“高度”方向上被各向異性地蝕刻相同數(shù)值Y，而得到如圖4C中所顯示的結(jié)構(gòu)。圖4C中所顯示的結(jié)構(gòu)然后被CMP研磨且所得到的結(jié)構(gòu)將會(huì)是基本上相對于氮化硅22的平面24是為平面的二氧化硅28。
本發(fā)明的理論是如下所述在施加一其柱狀區(qū)相對于間隙密度的比率是與二氧化硅26的“高度”成反比的掩模的時(shí)候，之后的CMP研磨步驟將會(huì)使得那些具有較低密度的場域比起具有高密度的場域被蝕刻或研磨的更快。該具有低密度場域代表那些二氧化硅厚的部分上的場域。因此，那些區(qū)域?qū)?huì)被蝕刻地比二氧化硅是較“薄”的區(qū)域更快。進(jìn)一步的研磨作用，會(huì)最終地將這兩部分帶至相同的平面場域。
數(shù)理上地，這可能用以下方式來表示在具有密度為D的某種表面結(jié)構(gòu)的CMP加工方法中，該蝕刻速率是為R/D，其中R是平面的蝕刻速率。密度D是等于高特征結(jié)構(gòu)的總面積和(柱狀區(qū)32的總面積)除以總面積(場域面積)或(柱狀區(qū)的總面積32+間隙的總面積)。因此，密度D將總是少于或等于1.0。如果密度低，也就代表柱狀區(qū)較少，那么蝕刻速率將會(huì)比密度高來得快。因?yàn)槊芏鹊痛肀榷趸栎^薄的場域更厚的二氧化硅場域上的掩模密度，該較厚區(qū)域?qū)?huì)被蝕刻地更快。
各種不同的特定具體例可以在不損及本發(fā)明的精神下形成。明確地說，場域的尺寸可以是微型尺寸，舉例來說50um×50um。
10 半導(dǎo)體晶片 24 氮化硅平面12 半導(dǎo)體管芯 26(a-c) 溝渠14 標(biāo)記線 28 氧化硅16 頂端表面30 場域20 氧化硅薄層 32 柱狀區(qū)22 氮化硅層
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體管芯的第二材料上化學(xué)機(jī)械性研磨(CMP)第一材料的方法，其包含在一個(gè)半導(dǎo)體晶片上界定數(shù)個(gè)基本上相同的半導(dǎo)體的管芯，該晶片具有一平面，且其中該數(shù)個(gè)管芯是以一標(biāo)記線彼此分隔；在該平面上形成一第二材料層，其中該第二材料層具有一基本上平行于該平面的頂部表面；在該頂部表面上形成一第一材料層，其中該第一材料層在頂部表面之上的高度方向上是有變化的；形成一橫過該晶片的掩模，其中該掩模具有數(shù)個(gè)位置，每個(gè)位置都具有不同的間隙相對于柱狀區(qū)密度比率，該比率是與在該頂部表面之上的第一材料的高度成比例；各向異性地經(jīng)過該掩模的每個(gè)間隙蝕刻整個(gè)晶片的該第一材料，其中每個(gè)間隙在高度方向上以相同數(shù)量來蝕刻；且使用CMP作用來平坦化整個(gè)晶片的第一材料至頂部表面。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中該第二材料層是氮化硅，而其中該第一材料層是二氧化硅。
3.如權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包含介于該第二材料層與該晶片之間的第三材料層。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中該第二材料層是氮化硅，而其中該第一材料層和該第三材料層是二氧化硅。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中該第二材料層之中具有連接第一材料層和第三材料的孔洞。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中每個(gè)該管芯都在其中具有被該第一材料層所填滿的溝渠。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有相同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸不同的間隙。
8.如權(quán)利要求6的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有不同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸相同的間隙。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有相同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸不同的間隙。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有不同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸相同的間隙。
11.一種在半導(dǎo)體管芯的第二材料上平坦化第一材料的方法，其包含在一個(gè)半導(dǎo)體晶片上界定數(shù)個(gè)基本上相同的半導(dǎo)體的管芯，該晶片具有一平面，且其中該數(shù)個(gè)管芯是以一標(biāo)記線彼此分隔；在該平面上形成一第三材料層；在該第三材料層上形成一第二材料層，該第二材料層具有一基本上平行于該平面的頂部表面；掩蔽該第二材料層的選定部分，而使得其他的第二材料層部分未被掩蔽；蝕刻該第二材料層、該第一材料層與該半導(dǎo)體晶片，以經(jīng)由該其他未掩蔽部分在其中形成溝渠；在包括在該溝渠內(nèi)與在該第二材料之上的該晶片上施加該第一材料層，其中該第一材料層是在頂部表面之上的高度方向中有變化；在整個(gè)晶片上形成一掩模，其中該掩模具有數(shù)個(gè)位置，每個(gè)位置都具有不同的間隙相對于柱狀區(qū)密度比率，該比率是與在該位置的距頂部表面在高度方向上的第一材料量成比例；各向異性地經(jīng)過該掩模的每個(gè)間隙蝕刻整個(gè)晶片的該第一材料，其中每個(gè)間隙在高度方向上以相同數(shù)量來蝕刻；且使用CMP方法來平坦化整個(gè)晶片的第一材料至頂部表面。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中掩蔽步驟更進(jìn)一步包含形成一遮蓋該第二材料層的選定部分而其他部分未被掩蔽的掩模；以及在蝕刻步驟之后移除掩模。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中該第一材料與第三材料是二氧化硅，而該第二材料是氮化硅。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有相同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸不同的間隙。
15.如權(quán)利要求12的方法，其中該間隙相對于柱狀區(qū)的密度包含數(shù)個(gè)基本上一致的場域，每個(gè)場域具有不同的尺寸的柱狀區(qū)但是尺寸相同的間隙。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種CMP平坦化半導(dǎo)體管芯中氮化硅上的二氧化硅層的方法。晶片具有數(shù)個(gè)界定在晶片上的基本上相同的半導(dǎo)體管芯。每個(gè)管芯都被標(biāo)記線彼此分隔。氮化硅層被形成在該晶片的平面上，其中氮化硅具有基本上與平面平行的頂部表面。具有不定高度的二氧化硅層被沉積在該頂部表面上。一掩模在包括標(biāo)記線的整個(gè)晶片上形成，其中該掩模具有數(shù)個(gè)位置，每個(gè)位置都有不同的間隙相對于柱狀區(qū)密度的比率，其與在頂部表面上的二氧化硅的高度成比例。該二氧化硅在整個(gè)晶片被各向異性地蝕刻過掩模的每個(gè)間隙，其中每個(gè)間隙在高度方向上被蝕刻相同的數(shù)量。CMP然后用來平坦化整個(gè)晶片的二氧化硅至氮化硅的頂部表面。
文檔編號(hào)H01L21/762GK1499581SQ20031010461
公開日2004年5月26日 申請日期2003年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者A·萊維, G·沙馬, A 萊維 申請人:硅存儲(chǔ)技術(shù)公司