用臭氧进行化学机械抛光（CMP）处理的方法与流程

本原理的实施例总体涉及半导体工艺。

背景技术：

通常通过顺序地沉积导电、半导电或绝缘层而在基板上(特别是在硅晶片上)形成集成电路。在沉积每一层之后，蚀刻该层以产生电路特征。在顺序地沉积和蚀刻一系列层时，基板的外表面或最上表面，即，基板的暴露表面，变得越来越不平坦。然而，不平坦的表面在集成电路制造工艺的光刻步骤中存在问题。因此，需要周期性平坦化基板表面。

化学机械抛光(cmp)是一种公认的平坦化方法。在平坦化期间，将基板安装在载体或抛光头上。基板的暴露表面靠着旋转的抛光垫放置。抛光垫可以是“标准”或固定研磨垫。标准抛光垫具有耐用的粗糙化的表面，而固定研磨垫具有保持在容纳介质中的研磨颗粒。载体头在基板上提供可控制负载，即，压力，以将基板推靠在抛光垫上。如果使用标准垫，那么将包括至少一种化学反应剂的抛光浆料以及研磨颗粒供应到抛光垫的表面。

cmp工艺的有效性可以通过cmp工艺的抛光速率或去除速率来测量。由于聚合物在固化之后的硬度，去除速率对于基板上的聚合物层特别重要。平坦化聚合物层可能需要一个小时或更长的时间，这大大减缓了半导体制造工艺的产量。缓慢去除速率是聚合物层通常不被平坦化的主要因素之一，从而因基板表面上的台阶高度差异而限制半导体器件的质量和性能。

因此，发明人提供了使基板上的聚合物层平坦化的改进方法。

技术实现要素：

在一些实施例中，一种使半导体基板平坦化的方法包括：提供具有聚合物层的基板；以及通过将气体扩散到所述聚合物层的厚度的至少一部分中来处理基板上的聚合物层的至少一部分，使得通过化学机械抛光(cmp)工艺的去除速率为未处理的聚合物层的去除速率的至少约150％。在一些实施例中，所述方法还包括：通过将所述聚合物层的至少一部分暴露于臭氧气体中来处理所述聚合物层的至少一部分；将所述聚合物层的至少一部分暴露于所述臭氧气体中高达约60分钟；将所述臭氧气体浓缩至高达约百万分之300,000(300,000ppm)；使所述臭氧气体以高达约10标准升/分钟(slpm)的速率流动；将所述臭氧气体加压至高达约100磅/平方英寸(psi)；使去离子水在所述聚合物层的至少一部分上流动，同时将所述聚合物层的至少一部分暴露于所述臭氧气体中；将所述基板以约400rpm至约1500rpm的速率绕所述基板的中心轴线进行旋转；将所述去离子水加热至约25摄氏度至约100摄氏度的温度；使所述去离子水以高达约400毫升/分钟的流速流到所述聚合物层的至少一部分上；和/或通过将所述臭氧气体扩散到所述聚合物层的所述厚度的至少一部分中来处理所述基板上的所述聚合物层的至少一部分，使得通过化学机械抛光(cmp)工艺的去除速率为未处理的聚合物层的去除速率的600％。

在一些实施例中，一种使半导体基板平坦化的方法包括处理基板上的聚酰亚胺层，处理所述聚酰亚胺层包括：使去离子水流过所述聚酰亚胺层的顶表面；使所述基板绕所述基板的中心轴线进行自旋，以在所述聚酰亚胺层的所述顶表面上形成去离子水的边界层；使具有高达约300,000ppm的气体浓度的臭氧气体在所述边界层的顶表面上流动，以使所述臭氧气体扩散通过所述边界层并进入所述聚酰亚胺层；以及用化学机械抛光(cmp)工艺从所述聚酰亚胺层去除材料，其中经处理的聚酰亚胺层的去除速率为未处理的聚酰亚胺层的去除速率的至少约150％。在一些实施例中，所述方法还包括：将所述臭氧气体加压至高达约100psi；使所述臭氧气体以高达约10slpm的速率流动；将所述基板以约400转/分钟(rpm)至约1500rpm的速率进行自旋；将所述去离子水加热至约25摄氏度至约100摄氏度的温度；使所述去离子水以高达约400毫升/分钟的流率流动；用所述cmp工艺从所述聚酰亚胺层去除材料，其中经处理的聚酰亚胺层的去除速率为未处理的聚酰亚胺层的去除速率的至少约600％；和/或处理聚酰亚胺层高达约60分钟。

在一些实施例中，一种使基板平坦化的方法包括：使去离子水在约25摄氏度至约100摄氏度的温度下在所述聚酰亚胺层的顶表面上流动；将所述基板以约400rpm至约1500rpm的速率绕所述基板的中心轴线进行自旋，以在所述聚合物层的所述顶表面上形成去离子水的边界层；以及使具有高达约300,000ppm的气体浓度的臭氧气体以高达约100psi的气压在所述边界层的顶表面上流动，以使所述臭氧气体扩散通过所述边界层并进入所述聚酰亚胺层。

附图说明

可以参考附图中描绘的原理的示例性实施例来理解在以上简要地概述且在以下更详细讨论的本原理的实施例。然而，附图仅示出了本原理的典型实施例，并且因此不应视为限制范围，因为本原理可允许其它等效实施例。

图1是根据本原理的一些实施例的处理基板上的聚合物层的方法。

图2描绘了根据本原理的一些实施例来处理的基板的横截面图。

图3是示出根据本原理的一些实施例获得的改进的图。

图4是根据本原理的一些实施例的处理基板上的聚合物层的另一方法。

图5描绘了根据本原理的一些实施例处理的基板的横截面图。

图6是示出根据本原理的一些实施例获得的改进的图。

为了促进理解，已经尽可能地使用相同的附图标记来指示各图共有的相同元件。附图未按比例绘制，并且为了清楚起见，可以进行简化。一个实施例的元件和特征可有益地结合在其它实施例中，而不进一步描述。

具体实施方式

可以在基板上使用聚合物材料以产生电隔离层。聚合物非常普遍地用于在晶片级封装(诸如扇入/扇出半导体工艺流程)中相当常见的再分布层(rdl)。由于聚合物被固化以产生非常硬的材料，因此化学机械抛光(cmp)因非常低的去除速率而一般不在聚合物材料上使用。在最佳情况下，对于现有技术的浆料混合物，cmp聚合物去除速率小于100纳米/分钟(nm/min)。均匀的浆料混合物具有1nm/min至50nm/min的聚合物去除速率。聚合物的缓慢的去除速率使得聚合物的cmp处理因平坦化所需的时间量而不太实际。去除速率极大地限制了在需要高度平坦化表面的细间距半导体工艺中聚合物材料的使用。

已知聚合物，尤其是聚酰亚胺，在工业上具有高抗氧化性。在研究寻找提高聚合物去除速率的方式时，发明人出乎意料地惊讶地发现已知具有高氧化性的气体臭氧(o3)使聚合物材料的去除速率显著提高。发明人发现将聚合物层直接地暴露于臭氧气体中导致臭氧气体扩散到聚合物层中。臭氧气体处理使cmp去除速率增加至高达约200％或更高。发明人还发现，在聚合物层的表面上使用加热的去离子水边界层增加了臭氧气体向聚合物层中的扩散。去离子水/臭氧气体处理使cmp去除速率增加至高达约600％或更高。。

鉴于已知聚酰亚胺几乎不受臭氧侵蚀这一事实，聚合物材料的cmp去除速率的急剧增加是违反常理的。由于臭氧的常见用途是用于氧化材料、尤其是金属的表面，因此发明人没有预料到在聚合物材料上测试臭氧将产生的任何益处。虽然已知臭氧是最强效氧化剂之一，但是臭氧尚未被半导体工业所接受，因为已发现臭氧在半导体处理中无效。尽管存在行业认知，但是发明人坚持并发现臭氧似乎有利地改变聚合物材料的表面下方的化学键，使得聚合物材料更易于cmp处理。

使臭氧不太适于用于半导体工业的另一因素是，为了增加水中的臭氧浓度，水被冷却。在零摄氏度时，可溶性臭氧浓度为约70ppm。冷水的使用不利于一般在工艺流程中使用热的半导体工艺。另外，冷水或蓝水工艺(因富含臭氧的水的蓝色颜色而如此称谓)通常是浸没工艺，浸没工艺可以使工艺与大多数半导体工具不相容。高温促进反应速率，但是也抑制臭氧在水中的溶解度。通过使用扩散通过聚合物材料的表面上的加热的去离子水边界层的臭氧气体，发明人发现在加热聚合物材料以促进向聚合物材料中的更高反应(扩散)速率时，可以实现高浓度的臭氧(高达约300,000ppm)。

图1是根据一些实施例的处理基板(图2的202)上的聚合物层(图2的208)的方法100。图2描绘了根据图1的方法100处理的基板202的横截面图200。基板202设有聚合物层208(流程框102)。聚合物层208可以以任何方式(诸如，例如旋涂)沉积在基板202上。聚合物层208可以包括聚酰亚胺材料。可以沉积聚合物层208，并且然后进行固化工艺。然后，将聚合物层208暴露于臭氧气体204中(流程框104)。臭氧气体204可以具有高达约300,000ppm的浓度。臭氧气体204流速可以高达约10slpm。

臭氧气体204扩散(由示出扩散的臭氧气体206的箭头指示)到聚合物层208中以产生扩散区域210。扩散区域210是聚合物层208的一部分，具有由臭氧气体204修饰的化学键。扩散区域210的修饰的化学键允许随后用cmp工艺使聚合物层208平坦化(流程框106)，以比聚合物层208的未经受扩散的臭氧气体206的部分更高的速率从聚合物层208移除材料。在一些实施例中，在用臭氧处理之后可以实现cmp去除速率的约1.5倍(150％)或更高的改进。在一些实施例中，在用臭氧处理之后可以实现cmp去除速率的约2倍(200％)或更高的提高。在一些实施例中，用臭氧进行的处理可以持续长达约60分钟。

在一个大气压的压力下，臭氧气体向聚合物层中的扩散速率可大于约3nm/min。增加压力将增加臭氧气体向聚合物层中的扩散速率。在一些实施例中，压力可以高达约100psi。臭氧气体向聚合物层中的扩散速率是梯度的，在聚合物层的顶表面的附近出现最高扩散速率(最快处理)。在顶表面附近的高扩散速率允许在进行cmp工艺的同时处理聚合物层。

图3是示出根据一些实施例在聚合物材料的cmp去除速率中获得的改进的图300。图300中所示的测试数据描绘了在聚合物层暴露于臭氧气体中并用cmp工艺平坦化时获得的增加的去除速率。在不意味着以任何方式限制所公开的方法的图3的说明性示例中，首先将聚合物层暴露于浓度为约225,000ppm的臭氧气体达约30分钟。然后，在聚合物层上用浆料混合物进行cmp工艺，浆料混合物具有约50nm/min至约100nm/min的去除速率。发明人发现，在cmp工艺的约前30秒(302)内，去除速率急剧地增加至约200nm/min。在随后的测试时段304中，去除速率回到浆料混合物的去除速率。发明人认为，当cmp工艺到达在由臭氧气体处理形成的扩散区域之外的聚合物材料时，去除速率减慢。

图4是根据一些实施例的处理基板(图5的502)上的聚合物层(图5的508)的另一方法400。图5描绘了根据图4的方法400处理的基板502的横截面图500。基板502设有聚合物层508(流程框402)。聚合物层508可以以任何方式(诸如，例如旋涂)沉积在基板502上。聚合物层508可以包括聚酰亚胺材料。可以沉积聚合物层508，并且然后进行固化工艺。基板502围绕基板的中心轴线旋转，同时加热的去离子水分散在聚合物层508的表面上，以形成去离子水的边界层512(流程框404)。在一些实施例中，基板502可以以约400rpm至约1500rpm的速度旋转。在一些实施例中，大于约1500rpm的旋转速度在减小边界层512的厚度方面可以是有利的。使rpm增加到实质上高于1500rpm可能具有不利影响，包括增加的颗粒污染。在一些实施例中，基板502可以以约1000rpm旋转。在一些实施例中，基板502可以旋转到高达约400rpm(参见下面参考图6)。在一些实施例中，在去离子水流过基板时，基板502可以是静止的(零rpm)。

可以调整旋转速率以补偿去离子水的流率和其他因素，使得边界层512变薄到与向聚合物层中的特定臭氧扩散速率相关联的可接受厚度。在一些实施例中，边界层512的厚度为约100微米至约1000微米。在一些实施例中，边界层512的厚度为约100微米至约300微米。在一些实施例中，边界层可以形成在固定基板上，从而导致边界层比旋转基板时更厚。臭氧因较厚的边界层而将以较慢的扩散速率扩散到聚合物层中。在一些实施例中，可以在约25摄氏度至约100摄氏度的温度下分散去离子水。在一些实施例中，去离子水的流速可以高达约100ml/min。

然后，将基板502暴露于臭氧气体504中(流程框406)。臭氧气体504可以具有高达约300,000ppm的浓度。臭氧气体504流速可以高达约10slpm。臭氧气体504扩散(由示出扩散的臭氧气体506的箭头示出)通过边界层512并进入聚合物层508以产生扩散区域510。扩散区域510是聚合物层508的一部分，具有由臭氧气体504修饰的化学键。扩散区域510的修饰的化学键允许随后用cmp工艺使聚合物层508平坦化(流程框408)，以比聚合物层508的未经受扩散的臭氧气体508的部分更高的速率从聚合物层506移除材料。在一些实施例中，可以实现去除速率的约6倍或更多(600％或更多)的改进。在一些实施例中，用臭氧和去离子水进行的处理可以持续长达约60分钟。在约一个大气压的压力下，臭氧气体向聚合物层中的扩散速率可以大于约10nm/min，其中去离子水加热至约80摄氏度至约100摄氏度的温度。增加压力将增加臭氧气体向聚合物层中的扩散速率。在一些实施例中，压力可以高达约100psi。臭氧气体向聚合物层中的扩散速率是梯度的，在聚合物层的顶表面的附近出现最高扩散速率(最快处理)。在顶表面附近的高扩散速率允许在进行cmp工艺的同时处理聚合物层。

图6是示出根据一些实施例获得的改进的图600。图600中所示的测试数据描绘了在聚合物层暴露于臭氧气体中、通过加热的去离子水并用cmp工艺平坦化时获得的增加的去除速率。在不意味着以任何方式限制所公开的工艺的图6的说明性示例中，通过以约150rpm的速率使基板自旋，在聚合物层的表面上形成去离子水边界层。使用较慢的rpm增加了边界层厚度并减慢了臭氧向聚合物层中的扩散速率。发明人认为，增加rpm将显著减少处理周期，而得到相同或更好的扩散结果(更快的rpm产生更薄的边界层和更快的扩散)。所公开的方法也为具有较低rpm的聚合物材料提供了去除速率的显著增加。将去离子水加热至约25摄氏度的温度并使其以约50ml/min的速率流动。在聚合物表面上形成的边界层为约0.25mm至约1.0mm厚。然后，在约30分钟内将浓度约为225,000ppm的臭氧气体扩散通过边界层并进入聚合物层。

然后，在聚合物层上用浆料混合物进行cmp工艺，浆料混合物具有约50nm/min至约100nm/min的去除速率。发明人发现，在cmp工艺的约前30秒(602)内，去除速率急剧地增加至约600nm/min。在随后的测试时段604中，去除速率回到浆料混合物的去除速率。发明人认为，当cmp工艺到达在由臭氧气体和加热的去离子水处理形成的扩散区域之外的聚合物材料时，去除速率减慢。仅使用臭氧气体来进行处理的情况下，去除速率也会增加，并且去除的材料量也会增加。发明人认为，扩散臭氧气体通过加热的去离子边界层增加去除速率以及扩散区域的深度，从而允许以更快的速率去除更多材料。

发明人推测，臭氧可能影响聚合物材料中的碳-碳双键。水边界层可以提供高极性分子以置换碳-碳双键中的电子云。在碳-碳双键中，电子云更易于脱位并更易于水解。

虽然前述内容针对的是本原理的实施例，但是也可在不背离本原理的基本范围的情况下设计本原理的其它和进一步实施例。