專利名稱：用于旋轉刻蝕平面化電子部件的平面化層及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明的領域為平面化和電子部件。
背景技術：
電子部件越來越多地用在消費和商用電子產品中。這些消費品和商品的一些例子為電視、計算機、蜂窩電話尋呼機(cell phonepager)、掌上型管理器、便攜收音機、汽車音響、或遙控裝置。隨著對這些消費和商用電子產品需求的增加，還存在對于消費者和商用者來說這些相同的產品變得越來越小的要求。
隨著這些產品尺寸的降低，包括產品的部件必須變得越來越小。需要減小尺寸或縮小比例的這些產品的一部分例子為印刷電路或布線板、電阻器、布線、鍵盤、觸摸墊(pad)以及芯片封裝。
當電子部件尺寸變小或者比例縮小時，在較大部件中存在的任何缺陷會在縮小比例的部件中放大。由此，如果可能，在將部件縮小比例用于較小電子產品中之前，應該識別和校正存在或可能存在于較大部件中的缺陷。
為了識別和校正電子部件中的缺陷，應分解并分析部件、使用的材料以及制造這些部件的制造工藝。有時電子部件由多層材料組成，例如金屬、聚合物、金屬合金、無機材料或有機金屬材料。材料層經常很薄(厚度在小于1毫米的數量級)并且很脆弱。
隨著集成電路(IC)變得越來越小并且性能越來越先進，有必要增加晶片上的部件密度，同時增加集成電路實現其功能的速度。在其它情況之中，增加部件密度需要降低晶片上導電溝槽和通孔(“互連”)的尺寸。然而，對于相同的導電材料，減小了承載電流的導體截面增加了電阻，降低了電路性能并增加了互連發(fā)熱。由此，制造這些集成電路的材料和方法需要評估并可能由性能更好的材料及制造方法代替。
常規(guī)的IC技術使用鎢(W)和鋁(Al)互連和/或含這些材料的合金。鎢和鋁以及它們的合金具有足夠的電導率用在電子部件中，但未來一代的IC將優(yōu)選使用更高電導率的材料，例如銅(Cu)。
銅具有以下幾個優(yōu)點使它成為電子部件中使用的理想材料a)除銅具有純銀之外所有金屬中的最高電導率，b)銅容易焊接，c)銅在自然環(huán)境中具有優(yōu)良的耐刻蝕性。銅合金也被認為是用在電子部件中的優(yōu)良合金。Harper，Charles A.ed.，電子封裝和互連手柵(Electronic Packaging and Interconnect Handbook)SecondEdition，McGraw-Hill(New York)，1997。銅也具有容易擴散-容易且廣泛地擴散穿過IC制造中使用的其它材料的缺點，嚴重地降低了IC性能。為了控制銅擴散到電介質材料內，特別是如果電介質材料為多孔，那么在銅淀積(或淀積任何“具有銅特征”的導電材料)之前淀積阻擋材料或各層以阻止銅或另一種導電材料擴散到周圍的材料或電介質材料內。
一旦制備了層狀材料，需要平面化以提供平坦光滑的表面，可以用現代的IC部件需要的精確度構圖和刻蝕。本領域中公知如化學機械拋光(CMP)等的接觸平面化在教科書中詳細地介紹，例如Joseph M.Steigerwald，Shyam P.Murarka and Ronald J.Gutman的微電子材料的化學機械拋光(Chemical Mechanical Planarization ofMicroelectronic Matefials)(1997)。CMP利用拋光墊機械接觸晶片，用置于拋光墊和晶片之間的磨料漿平面化晶片。拋光墊相對于晶片的相對運動(通常為旋轉)導致通過機械磨損拋光晶片。通過將蝕刻液施加到晶片上進行晶片的化學蝕刻。
如旋轉刻蝕平面化(SEP)的非接觸平面化為平面化的另一方法，從而不存在晶片表面的機械磨損。僅通過施加合適的化學試劑進行平面化工藝。旋轉刻蝕平面化的工藝介紹在US專利申請09/356,487中，在這里引入其全部內容作為參考。非接觸平面化和旋轉刻蝕平面化的方案已報道并介紹在下面的公開物中J.Levert，S.Mukherjee和D.DeBear，“用于銅鑲嵌互連的旋轉刻蝕平面化工藝(Spin EtchPlanarization Process for Copper Damascene Interconnects)”Proceedings of SEMI Technology Symposium 99，12月1-3，1999，4-73到4-82頁；J.Levert，S.Mukherjeev，D.DeBear和M.Fury，“一種用于雙鑲嵌銅互連的新型旋轉刻蝕平面化工藝(A NoVelSpin-Etch Plaharization Process for Dual-Damascene CopperInterconnects)”Electrochemical Society Conference，10月1999，p.162ff；Shyama P.Mukherjee，Joseph A.Levert，和DonaldS.DeBear，“采用旋轉刻蝕工藝的銅鑲嵌互連的平面化一種化學方法(Planarization of Copper Damascene Interconnects bySpin-Etch ProcessA Chemical Appfoach)”MRS Spring Meeting，San Francisco，California，April 27，2000和Donald S.DeBear，Joseph A.Levert和Shyama Mukherjee，“用于雙鑲嵌互連結構的旋轉刻蝕平面化(Spin-Etch Planarization for Dual-DamasceneInterconnects Structures)”Solid State Technology，3月2000，43(3)53-60頁，包括以上引證的所有參考。
非接觸平面化具有顯著的缺點表面缺陷和不完整之處(imperfections)受到平面化工藝的影響，并且不完整之處或缺陷中的部分導電層被不希望地除去，導致類似碟形的幾何圖形。碟形為除去場區(qū)導電層和場區(qū)上覆蓋的阻擋層常見并且不希望的副作用。換句話說，拋光或平面化工藝磨損了不完整之處的頂部，但也可以磨損不完整之處的裂縫，造成表面含有持續(xù)的不完整之處，盡管進行了平面化技術。
因此，需要改善在集成電路的制造中使用的平面化技術，以便隨著平面化表面，導電層中的不完整之處和表面缺陷沒有被除去或最低程度地被除去。此外，重要的是改進的平面化技術沒有阻礙或破壞集成電路的表面積層(build-up)工藝。
發(fā)明概述預期(contemplated)的電子部件包括a)襯底層，b)連接到襯底層的電介質材料或層，c)連接到電介質材料或層的阻擋層，d)連接到阻擋層的導電層；以及e)連接到導電層的保護層。
這里預期的電子部件可以通過以下步驟制造a)提供襯底；b)將電介質層連接到襯底上；c)將阻擋層連接到電介質材料或層；d)將導電層連接到阻擋層；以及e)將平面化層(planarizer)或可被平面化的保護層連接到導電層。之后保護層可以固化到需要的硬度。
平面化電子部件導電表面的方法可包括a)將保護層引入或連接到導電層上；b)在導電層上分散和平面化保護層；c)固化保護層；d)將刻蝕溶液引入到導電層上；以及e)將導電表面刻蝕成基本的平面度。
結合附圖，從下面本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明中，本發(fā)明的各種目的、特點、方案和優(yōu)點將變得很明顯，附圖中相同的數字表示相同的部件。
附圖簡介

圖1示出了平面化之前常規(guī)的鑲嵌金屬互連結構的示意圖。
圖2示出了表面被拋光并且所有不完整之處被除去的常規(guī)部件的示意圖。
圖3示出了常規(guī)層狀材料的示意圖。
圖4示出了曝光之后通過隨后的平面化除去阻擋層并除去足夠的導電材料或層以保持填充的金屬特征和電介質的共平面性的常規(guī)層狀材料的示意圖。
圖5示出了本發(fā)明的預期實施例的示意圖。
圖6示出了本發(fā)明的預期實施例的示意圖。
圖7示出了平整度與以微米為單位的特性尺寸之間曲線圖。
詳細說明現有技術的圖1示出了平面化之前常規(guī)鑲嵌金屬互連結構的示意圖，包括a)襯底層110，b)連接到襯底層110的電介質材料或層120，c)連接到電介質層120的阻擋層130，以及d)連接到阻擋層130的導電層140。這種類型的常規(guī)互連結構可以在幾種典型的電子部件中找到。
通常通過如光刻和等離子體刻蝕等技術構1中的電介質材料或層120。(注意在整個本說明書中術語“電介質材料”和“電介質層”可以互換)。阻擋層130通常淀積在已構圖的電介質上，之后淀積導電層140。常規(guī)的阻擋層130包括鉭/氮化鉭(Ta/TaN)，并且可以和銅導電層140一起使用。
這些常規(guī)部件中的導電層含有當堆積層狀部件時可以導致顯著問題的不完整之處。圖1示出了好象在導電層140表面上的不完整之處160。由于導電層保形地施加到由下面的阻擋材料和電介質材料形成的溝槽和通孔的表面形貌，產生表面形貌的不完整之處。
理想地，要校正常規(guī)電子部件中的不完整之處160，通過一些方法平面化或拋光導電層的表面，例如機械拋光、化學拋光或化學機械拋光。圖2示出了表面被拋光并且除去了所有的不完整之處的理想情況。完美的平面化除去銅直到導電層140的上或抬高(elevated)表面142與場區(qū)上阻擋層130的上表面132共平面，在該處，刻蝕終止。理想的平面化以與導電層140相同的速率也除去了阻擋層130，基本上1∶1的選擇率。
然而，實際上隨著表面被平面化，導電層140中的不完整之處160受平面化工藝影響，不完整之處160中的部分導電層140被不希望地除去，導致碟形的幾何圖形，稱做“碟形化”。由于碟形化和表面形貌缺陷可以產生不完整之處160。碟形化為除去過量導電材料期間非有效的平面化工藝的結果。(參見圖3)。碟形化為除去場區(qū)導電層140和覆蓋場區(qū)的阻擋層130時常見并且不希望的副作用。換句話說，拋光或平面化工藝磨損了不完整之處的頂部，但也可以磨損不完整之處的裂縫。此外，經常使用的刻蝕劑沒有以與導電層140相同的速率除去阻擋層130，造成額外形成表面缺陷。
圖4示出了曝光之后通過隨后的平面化除去阻擋層130并除去足夠的導電材料或層140以保持填充的金屬特征和電介質層120的共平面性的另一常規(guī)層狀材料的示意圖。如果除去阻擋層130和導電層140期間平面化工序獲得了基本上1∶1的選擇率，那么可以在一個步驟中實現直接的平面化。然而，對于任何平面化工藝這都是相當理想的結果。任何實際的平面化工藝，例如這里公開的，必須考慮碟形化和表面形貌缺陷的影響。
圖5示出了這里預期的電子部件10的優(yōu)選實施例，包括a)襯底層110，b)連接到襯底層110的電介質材料層120，c)連接到電介質層120的阻擋層130，d)連接到阻擋層130的導電層140；以及e)連接到導電層140的保護層150。
如這里使用的，術語“電子部件”是指為電子器件的一部分的部件，例如電路板、電容器、電阻器、芯片封裝、層狀集成電路或電感器。優(yōu)選電子部件10包括電路板或層狀集成電路。
在本實施例中，襯底層110設計成a)在電子部件10內起作用，和b)支撐電介質層120。襯底可以實質上包括其上可以淀積化合物或電介質材料的任何物質，以及這里預期的類似層狀結構的重復層。例如，預期的襯底包括金屬和非金屬、導體和非導體、柔性和非柔性材料、吸收性和不吸收性材料、平坦和彎曲材料、織物和非織物材料以及大和小的物體。特別優(yōu)選的襯底為電路板、紙、玻璃、以及金屬物體。在優(yōu)選實施例中，襯底包括硅、硅-鍺、鎵-砷、磷化銦、石英或藍寶石晶片，其中硅晶片最優(yōu)選。
術語“介電常數”是指在1MHz到2GHz估算的材料的介電常數，除非與上下文不一致的其它情況。預期電介質層120的介電常數值小于3.0。在優(yōu)選實施例中，介電常數值小于2.5，在更優(yōu)選實施例中，介電常數的值小于2.0。
可以設計電介質材料或電介質層120(術語“電介質材料”和“電介質層”可以互換)以滿足幾個設計目標，例如支撐襯底層110和阻擋層130，同時保持較低的介電常數。電介質層120可以通過適當的工藝連接到襯底層110，例如使用粘合劑、氫鍵結合、靜電相互作用、范德瓦爾斯力以及庫倫力相互作用。電介質材料120也可以是多孔或無孔，取決于部件的結構、電和介電需要。
如圖6中所示引入到電子部件10內的多孔電介質層120為含有如有機、無機或有機金屬化合物的固體成分以及多個氣孔的電介質層。這里使用的措詞“氣孔”是指物質用氣體代替的體積。氣體的組分通常沒有限制，合適的氣體包括較純的氣體及其混合物，包括空氣。氣孔125通常為球形，但可以或者或附加地具有任何合適的形狀，包括管狀、薄片狀、圓盤狀、或其它形狀。同樣預期氣孔125具有任何合適的直徑。另外預期至少一些氣孔125與相鄰的氣孔125相連以形成具有大量相連或“開口”多孔結構。氣孔125優(yōu)選具有小于1微米的平均直徑，更優(yōu)選具有小于100納米的平均直徑，更優(yōu)選具有小于10納米的平均直徑。還預期氣孔125可均勻或隨機地分布在電介質層120內。在優(yōu)選實施例中，氣孔125均勻分布在電介質層120內。
電介質材料或層120可以由無機、有機或有機金屬化合物以及這些材料的混合物組成。預期的無機化合物的例子為硅酸鹽、鋁酸鹽以及含有過渡金屬元素的化合物。有機化合物的例子包括聚亞芳基醚、聚酰亞胺以及聚酯。預期的有機金屬化合物的例子包括聚(二甲基硅氧烷)、聚(乙烯基硅氧烷)、以及聚(三氟丙基硅氧烷)。
電介質材料120還可包括大量(substantially)的聚合材料、大量的單體材料或聚合物和單體材料的混合物，取決于需要的最終電介質組分、需要的電特性以及需要使用的電介質材料。同樣預期電介質材料120可以由非晶、交聯、晶體、或分支聚合物組成。電介質材料120的優(yōu)選成分為無機聚合物。電介質材料120的更優(yōu)選成分為無機、交聯的聚合物，是由于增加了耐久性和聚合物強度。術語“交聯”是指通過化學相互作用至少兩個分子或長分子的兩部分結合在一起的工藝。這種相互作用可以多種不同的方式發(fā)生，包括形成共價鍵、形成氫鍵、疏水性、親水性、離子或靜電相互作用。此外，分子相互作用的特點還在于分子和它自身之間或者兩個或多個分子之間至少暫時的物理連接。
預期的聚合物還包括多種官能或結構組成部分，包括芳香系統以及鹵代族。此外，合適的聚合物具有許多構形，包括均聚物和雜聚物。此外，備選的聚合物可以具有多種形式，例如線形、分支、超分支或三維。預期聚合物的分子量跨越較寬的范圍，通常在400道爾頓和400000道爾頓或更多之間。在優(yōu)選實施例中，電介質材料120包括無機分子或聚合物。在最優(yōu)選的實施例中，電介質材料120包括聚硅酸鹽。
電介質材料120可以附加地或或者包括單體以便滿足某些設計目標和/或結構要求。這里使用的術語“單體”是指能夠與自身形成共價鍵的任何化學化合物或以重復方式的化學性質不同的化合物。單體之間重復地形成鍵產生線形、分支、超分支或三維的產品。此外，單體自身包括重復組合的塊，當聚合時，由這種單體形成的聚合物稱做“塊聚合物”。單體可屬于包括有機金屬或無機分子的多種化學種類的分子。預期的有機金屬單體的例子為八甲基環(huán)四硅氧烷、甲苯環(huán)四硅氧烷、六甲基二硅氮烷(hexanethyldisilazane)以及三乙基氧硅烷(triethyoxysilane)。預期的無機單體的例子包括四乙氧基硅烷或鋁異丙氧化物。單體的分子量在約40道爾頓和20000道爾頓之間顯著改變。然而，特別是當單體包括重復組合的塊時，單體可具有更高的分子量。單體還可包括額外的族，例如交聯使用的族。
在另一備選實施例中，許多其它含硅材料預期作為電介質材料120的成分，包括膠體氧化硅、熱解法二氧化硅、硅氧烷、硅倍半氧烷(silsequioxanes)以及溶膠-凝膠衍生的單尺寸顆粒的氧化硅。合適的含硅化合物優(yōu)選具有100nm以下的尺寸，更優(yōu)選10nm以下，最優(yōu)選5nm以下。還預期電介質材料120可包括除含硅材料之外的材料，包括有機、有機金屬或部分無機材料，只要這種材料可以至少部分溶解在不能溶解電介質材料120的溶劑中。例如，合適的有機材料為聚苯乙烯和聚氯乙烯。預期的有機金屬例如為八甲基環(huán)四硅氧烷。預期的無機材料例如為KNO3。
此外，可以選擇有機和無機化合物以便用不溶解電介質材料120的有機成分的溶液至少部分溶解無機成分。例如，可以用稀釋的HF溶液溶解膠體氧化硅，同時不溶解如聚亞芳香醚的有機聚合物。
在一些優(yōu)選實施例中，電介質材料120包括預期的、制造的或由Honeywell公司公開的電介質材料，包括但不限于a)FLARE(聚(亞芳香醚))，例如在US專利5959157，US5986045，US6124421，US6156812，US6172128，US6171687，US6214746以及待審申請09/197478，09/538276，09/544504，09/741634，09/651396，09/545058，09/587851，09/618945，09/619237，09/792606中公開的化合物，b)GX3(金剛烷基材料)，例如待審申請09/545058中顯示的，c)納米多孔氧化硅材料和基于氧化硅的化合物，例如在US專利6022812，US6037275，US6042994，US6048804，US6090448，US6126733，US6140254，US6204202，US6208014，以及待審申請09/046474，09/046473，09/111084，09/360131，09/378705，09/234609，09/379866，09/141287，09/379484，09/392413，09/549659，09/488075，09/566287以及09/214219中公開的化合物，在這里引入它們的全部內容作為參考。
通過任何合適的工藝將阻擋層130連接到電介質材料120，例如使用粘合劑、氫鍵結合、靜電相互作用、范德瓦爾斯力以及庫倫力相互作用。阻擋層130可以包括任何合適的材料或能夠滿足幾個和一些沖突設計目標的材料，例如a)成功地保護電介質層120不受導電層140的任何擴散，b)作為“刻蝕終止”，指示出導電場平面化步驟的終點，c)和導電層材料140以1∶1的選擇率與蝕刻化學物質反應和/或d)根本不與刻蝕化學物質反應，由此當刻蝕化學物質達到阻擋層130時，沒有阻擋層130被除去。預期的阻擋層130包括鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮化鎢、鎢鈷磷以及鎳。在優(yōu)選的實施例中，阻擋層130包括鉭、氮化鉭或鉭/氮化鉭(Ta/TaN)疊層。
通過任何合適的淀積法，例如電淀積、化學汽相淀積(CVD)、等離子體汽相淀積(PVD)以及填充淀積將導電層140施加并連接到阻擋層130。這里使用的填充淀積為施加導電層140以填充互連結構(通孔和溝槽)并在結構之間涂覆平坦的“場”區(qū)，得到覆蓋整個電介質層120和阻擋層130的導電層140的工藝。填充淀積通常產生導電層140的非平面表面形貌，是由于被涂覆或填充的下面電介質層120結構的尺寸發(fā)生變化。
導電層140通常包括金屬、金屬合金、導電聚合物、導電復合物材料以及任何其它合適的導電材料。這里使用的術語“金屬”是指在元素周期表的d塊(block)和f塊中的那些元素，以及具有類金屬性質的那些元素，例如硅和鍺。這里使用的短語“d塊”是指具有填充環(huán)繞元素原子核的3d，4d，5d和6d軌道的電子的那些元素。這里使用的短語“f塊”是指具有填充環(huán)繞元素原子核的4f和5f軌道的電子的那些元素，包括鑭系元素和錒系元素。優(yōu)選的金屬包括鈦、硅、鈷、銅、鎳、鐵、鋅、釩、鋁、錫、鉻、鉑、鈀、金、銀、鎢、鉬、鈰、钷以及釷。更優(yōu)選的金屬包括鋁、鈦、硅、銅、鎳、鉑、錫、金、銀和鎢。最優(yōu)選的金屬包括銅、鋁和鎢。術語“金屬”包括合金、金屬/金屬復合物、金屬陶瓷復合物、金屬聚合物復合物以及其它金屬復合物。
通過任何合適的工藝將保護層150連接到導電層140，例如使用粘合劑、氫鍵結合、靜電相互作用、范德瓦爾斯力以及庫倫力相互作用。
保護層150同樣預期成為保護或鈍化覆蓋層，可以是平面化層或可被平面化并最初或在工藝的一些階段作為液體連接到導電層140，但通過采用固化工藝轉變成較硬或固體保護層?？梢酝ㄟ^多種工藝將保護層150淀積在導電層140上，包括電鍍、旋轉淀積、蒸發(fā)淀積、化學鍍、濺射/PVD、PECVD、CVD和/或帶有或不帶有偏壓的真空蒸發(fā)。
保護層150可以由無機、有機、或有機金屬化合物、金屬和金屬合金以及這些材料的混合物組成。預期的無機和有機化合物可以是具備以下特點的化合物a)能夠在連接的導電層140被刻蝕的同時，可以控制地刻蝕，以及b)在開始刻蝕步驟之前平面化導電層140。平面化導電層140包括a)低粘度并且高表面張力地熔化以流動形成在導電層140上的材料，和/或b)施加到導電層140上之后在導電層140上可以自催化或自固化到需要的硬度，或者可以機械地平面化的液體材料。(參見“用于集成電路平面化的改進的設備和方法(ImprovedApparatus and Methods for Integrated CircuitPlanarization)”，Endisch，Levert等人；contactplanarizationdevice and apparatus)。預期的無機化合物的例子為硅酸鹽、鋁酸鹽、硅氧烷化合物、HOSP化合物，例如由Honeywell International公司可商業(yè)得到的，或者公開在共同轉讓的作為參考引入的US專利6020410，6043330，5973095中，玻璃上旋涂化合物，例如Honeywell512B，以及含有過渡金屬的化合物。有機化合物的例子包括聚亞芳香醚(FLARE材料)、聚酰亞胺、Accuflow混合物(Novalac樹脂)、丙烯酸聚合物、聚乙酸乙烯酯、PMMA、聚十八烷基甲基丙烯酸酯、聚乙烯吡啶、超強力膠水(氰基丙烯酸鹽粘合劑)、PVB(polyvinylbuterol)以及聚酯。預期的有機金屬化合物的例子包括聚(二甲硅氧烷)、聚(乙烯基硅氧烷)、以及聚(三氟丙基硅氧烷)。預期的金屬和金屬合金包括銅；液體金屬，例如汞；無鉛焊料、錫、錫刻蝕劑(HCl+HNO3)、鎵和鎵合金以及鉍和鉍合金(包括帶銦的合金)、銦以及銦合金。
保護層150還包括大量的聚合材料、大量的單體材料或聚合物和單體材料的混合物，取決于需要的粘滯稠度、如果對保護層進行固化需要的最終稠度、以及需要的平面化和刻蝕特性。還預期保護層150可以由非晶、交聯、晶體、或分支聚合物組成。
預期的聚合物還包括多種官能或結構組成部分，包括芳香系統以及鹵代族。此外，合適的聚合物具有許多構形，包括均聚物和雜聚物。此外，備選的聚合物可以具有多種形式，例如線形、分支、超分支或三維。預期聚合物的分子量跨越較寬的范圍，通常在400道爾頓和400000道爾頓或更多之間。在優(yōu)選實施例中，保護層150包括無機分子或聚合物。在最優(yōu)選的實施例中，保護層150包括聚硅酸鹽。
保護層150還可以包括單體以便滿足某些設計目標和/或結構要求，例如以前提到的。單體可以屬于包括有機金屬或無機分子的多種化學種類的分子。預期的有機金屬單體的例子為八甲基環(huán)四硅氧烷、甲苯環(huán)四硅氧烷、六甲基二硅氮烷(hexanethyldisilazane)以及三乙基氧硅烷。預期的無機單體的例子包括四乙氧基硅烷或鋁異丙氧化物。單體還包括額外的族，例如用于交聯的族。
在另一備選實施例中，許多其它含硅材料預期作為保護層150的成分，包括膠體氧化硅、熱解法二氧化硅、硅氧烷、硅倍半氧烷以及溶膠凝膠衍生的單尺寸顆粒的氧化硅。合適的含硅化合物優(yōu)選具有100nm以下的尺寸，更優(yōu)選10nm以下，最優(yōu)選5nm以下。優(yōu)選的含硅化合物包括Honeywell旋涂玻璃材料，例如Honeywell 314以及Honeywell 512B。
保護層150還包括低溫熔化的金屬或金屬合金，優(yōu)選無鉛的，并產生環(huán)保的刻蝕副產品。包括這些金屬或金屬合金的保護層150必須具有低于400℃的熔化溫度，考慮到晶片的熱預算。預期的金屬或金屬合金不必與其上已被淀積的現有導電層140快速地形成合金或金屬間化合物。額外的阻擋層可以淀積在導電銅層上，作為保護層的一部分，以防止覆蓋層金屬固態(tài)擴散的液體進入到導電材料內。鎳為能成功地防止這種類型的擴散到導電層內的材料，這種類型的擴散會損傷導電層的最終電特性。
電子部件10可以通過以下步驟制備a)提供襯底110；b)將電介質層120連接到襯底110上；c)將阻擋層130連接到電介質層120；d)將導電層140連接到阻擋層130；以及e)將保護層150連接到導電層140。保護層150可以固化到需要的硬度。
可以通過多種工藝將阻擋層130淀積到電介質層上，導電層140淀積在阻擋層130上，保護層150淀積在導電層140上，包括電鍍、旋轉淀積、蒸發(fā)淀積、化學鍍、濺射/PVD、PECVD、CVD和/或帶有或不帶有偏壓的真空蒸發(fā)。
可以通過外部作用到保護層150中材料的工藝固化保護層150，或者通過內部作用到保護層150中材料的工藝固化保護層150。外部工藝包括但不限于加熱、輻射、氣流、壓力以及溫度降低。內部工藝為發(fā)生在化合物自身內的工藝，例如交聯、不通過外部力引發(fā)的組分之間的化學反應以及其它相關工藝。
平面化電子部件10的導電層150的方法可以包括a)將保護層140引入或連接到導電層150上；b)橫過導電層140分散并平面化保護層150；c)固化保護層150；d)將刻蝕溶液170(未示出)引入導電層140上；以及e)將導電層140刻蝕成基本平坦。
可以通過多種工藝實現將保護層150引入或連接到導電層140上，包括電鍍、旋轉淀積、蒸發(fā)淀積、化學鍍、濺射/PVD、PECVD、CVD，和/或帶有或不帶有偏壓的真空蒸發(fā)。預期將實現保護層150以優(yōu)先保護導電表面140的凹陷區(qū)域的量引入到導電表面140上。
通過電子部件10的相對運動來實現橫過導電層140分散保護層150。相對運動預期為均勻旋轉部件10，震動部件10，搖動部件10或其他來回移動部件10以分散保護層150。
固化保護層150預期為包括上述討論的方法，包括外部和內部固化處理。外部處理包括但不限于加熱、輻射或輻照、氣流、壓力、灰化(暴露在氧氣、或氮氣和氫氣與氧氣的混合氣、或形成氣體等離子體)，降溫或上述固化處理的任意組合。內部處理為發(fā)生在化合物自身內部的處理，例如交聯、在不是由外部力引發(fā)的組分之間的化學反應和其他相關處理。
通過任何合適的方式將刻蝕溶液170(未示出)引入到導電層140上，包括旋涂淀積、隨機淀積、表面清洗、浸泡、點滴以及將刻蝕液170滾軋到表面上。常規(guī)和預期的刻蝕溶液包括以下一種或多種HNO3、H3PO4、CH3COOH、HCl、銅和鋅的氯化物、HBr、H2SO4以及HF。優(yōu)選的刻蝕液包括a)69重量％(wt％)/10體積％(vol％)HNO3、85wt％/50vol％的H3PO4以及98wt％/40vol％的CH3COOH；b)69重量％(wt％)/6體積％(vol％)HNO3、85wt％/70vol％的H3PO4以及98wt％/24vol％的CH3COOH；69重量％(wt％)/1.6體積％(vol％)HNO3、85wt％/53.9vol％的H3PO4以及98wt％/43.2vol％的CH3COOH；49wt％/1.3vol％的HF。
這里使用的短語“基本平坦”通常是指對于預期或需要的電子部件認為可接受的平面度。這里的基本平坦可以認為是至少0.6或60％的平面度，或者獲得完美的平坦。在優(yōu)選實施例中，基本平坦被認為是至少0.8或80％的平面度。在更優(yōu)選的實施例中，基本平坦被認為是至少0.9或90％的平面度。
分析測試方法通過KLA-Tencor HRP-220機械探針表面光度儀測量平面化。
實例例1淀積平面化層材料/保護層通過真空蒸發(fā)1000埃厚鎳阻擋層淀積在銅襯底/導電層上。通過真空蒸發(fā)在阻擋層上淀積厚度1.5μm包括66.3wt％銦和33.7wt％的鉍作為共晶合金的平面化層材料/保護層。使用真空蒸發(fā)淀積設備淀積鎳阻擋層和銦鉍保護層形成晶片。該淀積設備使用電子束蒸發(fā)能夠在真空氣氛下淀積任何元素或合金金屬。在淀積鎳阻擋層和銦鉍保護層之前使用偏壓用氬氣濺射預清潔銅襯底/導電層表面。預清潔之后淀積鎳阻擋層和銦鉍保護層，同時沒有“破壞”或關閉真空。
也可以通過都比較經濟的電鍍和化學鍍方法淀積以上討論的阻擋層和導電層。電鍍?yōu)榧呻娐饭I(yè)將當今使用的現有鍍銅技術簡單地按比例擴大。與這里使用的類似，無鉛焊料通常通過使用用于電子封裝工業(yè)的電鍍或化學鍍選擇開發(fā)，以消除來自焊料有害的鉛。用這些方法也可以成功地淀積錫銅和銦錫合金。
平面化層/保護層回流工藝含阻擋層和保護層的晶片預浸泡在85wt％的H3PO4中，并用去離子(DI)水漂洗以除去氧化的表面材料。在約280℃溫度的熱板上快速加熱晶片，該溫度遠高于75℃的銦鉍熔點，但遠低于鎳或銅的熔點或晶片襯底能夠承受同時不損傷已存在的電學材料/結構的400℃。加熱晶片直到銦鉍熔化(小于2秒)，然后快速冷卻晶片。最終的結構允許甚至很大特征或表面缺陷的表面平面化，即對于0.5μ深特征大于100μm。使用KLA-Tencor HRP-220機械探針表面光度儀測量最終的銦鉍的平面化。在圖7中總結了平面化結果。注意DoP為“平面化程度”的縮寫，其中1.0為溝槽特征的完美平面化，0.0為沒有平面化。與常規(guī)的方法相比，在以上提到的真空室內的原位回流改善了結果，具有較少的表面缺陷或特征。此外，電鍍或化學鍍淀積之后銦鉍立即回流得到的結果好于常規(guī)的方法，具有較少的表面缺陷或特征。
犧牲深刻蝕InBi以平面化銅襯底/導電層使用下面的刻蝕劑組合在燒杯中刻蝕銅、鎳和銦/鉍片A4vol％HNO3(70wt％)；80vol％H3PO4(86wt％)；16vol％HBr(49wt％)
B5vol％HNO3(70wt％)；79vol％H3PO4(86wt％)；16vol％HCl(37wt％)對于每種類型的刻蝕劑混合物，各金屬膜的刻蝕速率結果(埃/分鐘)如下ACu＝2000；Ni＝1500；InBi＝4200BCu＝2300；Ni＝1800；InBi＝5700通過在設備中對全尺寸晶片進行刻蝕速率測試，對于所有的金屬，晶片上的不均勻性將小于5％3-西格馬。此外，通過在銦/鉍平面化晶片上使用旋轉刻蝕工藝，平面的銦/鉍表面將以與鎳和銅襯底相同的速率均勻地被刻蝕，得到平面的最終銅表面。一旦銅表面被平面化，所有犧牲的鎳和銦/鉍被除去，然后使用混合物A除去銅并拋光直到區(qū)域(field)上的Ta處停止。
例2保護層的組分包括以下成分膠狀的氧化銅、銅氫磷酸鹽、醋酸銅、硝酸銅和/或膠狀的銅；以及具有膠凝/固化特性適合于作為這里限定的保護層的高粘性聚合物溶液，用做保護層的粘結劑或基質相(matrix phase)。聚合物粘結劑組分為摻雜有膠體氧化硅或勃姆石溶液的這種聚合物溶液的高分子量的聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的水溶液，以便于在合適的溫度(優(yōu)選接近室溫)下一段時間內形成堅硬的凝膠體，并且同樣減小了涂層的刻蝕速率以獲得接近1∶1的銅刻蝕選擇率。
當使用標準的刻蝕溶液時，如果旋涂層的所得刻蝕速率大于銅的，那么通過添加聚乙二醇或高分子量的聚乙烯氧化物(當使用聚乙烯基保護層時)可以改變標準刻蝕溶液的刻蝕特性。這種添加劑能降低旋涂保護層的刻蝕速率，但不改變銅刻蝕速率，可以獲得1∶1的刻蝕選擇率。
此外，當用含磷酸的刻蝕劑刻蝕時，在磷酸銅保護層中存在含磷酸鹽族類似地有助于減小刻蝕速率。
存在如銅氫磷酸鹽等的銅鹽可以減少在銅界面銅的溶解，是由于刻蝕溶液產生這種類型的難溶解的磷酸銅。由此，界面處飽和的含銅化合物將作為化學抑制層。
例3
淀積平面化層材料/保護層通過旋轉軌跡分散在導電層上淀積包括Accuflow材料(Novalac樹脂)的平面化層材料/保護層。之后立即施加Accuflow，卡盤的旋轉速度上升以產生厚度1.5μm均勻的Accuflow層。所述上升和隨后的熱板烘焙驅散了使用Accuflow分散的溶劑，并且部分地回流了保護層。
平面化層/保護層固化、回流以及深刻蝕工藝含保護層的晶片在爐中固化以驅散所有剩余的溶劑并完成了350℃溫度下的Accuflow回流，該溫度遠低于銅的熔點，或晶片襯底能夠承受同時不損傷預先存在的電學材料/結構的400℃。最終的結構允許甚至很大特征或表面缺陷的表面平面化，即對于0.5μ深特征大于100μm。使用KLA-Tencor HRP-220機械探針表面光度儀測量最終的Accuflow平面化。一旦固化，Accuflow和導體可以用1∶1的選擇率刻蝕保持表面的平坦。
一旦銅表面被平面化并且所有的犧牲Accuflow材料被除去，然后使用混合物A完成除去銅并拋光直到區(qū)域上的Ta處停止。
例4淀積平面化層材料/保護層通過旋轉軌跡分散在導電層上淀積包括Honeywell 512B(旋涂玻璃材料)的平面化層材料/保護層。之后立即施加Honeywell 512B，卡盤的旋轉速度上升以產生厚度1.0μm均勻的512B層。所述上升和隨后的熱板烘焙驅散了使用512B分散的溶劑，并且部分地回流了保護層。
平面化層/保護層固化、回流以及深刻蝕工藝含保護層的晶片在爐中固化以驅散所有剩余的溶劑并完成了350℃溫度下的512B回流，該溫度遠低于銅的熔點，或晶片襯底能夠承受同時不損傷預先存在的電學材料/結構的400℃。最終的結構允許甚至很大特征或表面缺陷的表面平面化，即對于0.5μ深特征大于100μm。使用KLA-Tencor HRP-220機械探針表面光度儀測量最終的Honeywell512B平面化。一旦固化，512B和導體可以用1∶1的選擇率刻蝕保持表面的平面化。
一旦銅表面被平面化并且所有的犧牲Honeywell 512B材料被除去，然后使用混合物A完成除去銅并拋光直到區(qū)域上的Ta處停止。
例5鎵、鎵銦、鎵合金、以及銦合金(接近室溫熔點)成功地蒸發(fā)淀積到裸露、覆層銅、構圖的銅以及涂覆了覆層Ta的硅晶片。輪廓測定法表明淀積平面化了在構圖的晶片上的小特征。
使用標準的旋轉裝置將熔化的材料旋涂到晶片上。晶片將靜止幾秒鐘以允許熔化的金屬流動填充凹槽，由此平面化晶片。然后冷卻晶片至稍低于亞室溫(小于20℃)以使金屬平面化層凝固。溫暖的溶液或溫水可以和許多常見刻蝕劑(硝酸)一起使用以與銅1∶1的選擇率從晶片除去金屬平面化層，晶片具有周圍儀器保持的亞環(huán)境溫度。需要用活性酸或堿除去銅，同時用溫暖的液體-甚至溫水進行金屬平面化層的去除，同時酸(不損傷金屬平面化層)可用在刻蝕溶液中除去銅。
例6可以施加類似鹽或熔化的鹽平面化層，例如BiONO3、B10H14、B(OH)3、HBO2-阿爾法、貝塔或伽馬、醋酸銅、硝酸銅、FeCl3、LiClO4、Mg(OH)2、Mn(C2H3O2)*4H2O、KNO3、Ag2CO3、SO2(NH2)2、SNCl2、Zn(OH)2作為粉末或作為漿料旋涂以控制厚度。然后在受控的氣氛中(真空或惰性氣體)加熱晶片以熔化鹽同時不損傷已有的經構圖的銅鑲嵌結構。然后以與以上列出的熔化金屬/金屬平面化層類似的方式，熔化的鹽流動到凹槽區(qū)域內，由此平面化已構圖的銅結構。然后冷卻晶片以重新凝固鹽成為已構圖的銅頂部上的平面化膜。然后配制刻蝕劑以除去銅，同時形成合適的水和/或酸組合物以與銅基本上1∶1的速率除去鹽。
由此，公開了特定實施例和旋涂平面化層的應用以及制造旋涂平面化層的方法以及平面化的方法。然而顯然對于本領域中的技術人員來說可以對已介紹的進行許多修改同時不脫離這里的發(fā)明性概念。因此，除了附帶的權利要求書的精神之外，本發(fā)明的主體不受限制。此外，在說明書和權利要求書的解釋中，所有的術語應該是與上下文一致的最廣義方式中理解。特別是，術語“包括”和“包含”應理解為是指元件、部件或非排它方式中的步驟、指示參考的元件、部件或存在的步驟、或利用或與其它元件、部件或沒有明確指出的步驟組合。
權利要求
1.一種電子部件，包括襯底層；連接到襯底層的電介質材料；連接到電介質材料的阻擋層；連接到阻擋層的導電層；以及連接到導電層的保護層。
2.根據權利要求1的電子部件，其中電介質材料是多孔的，并且介電常數小于3.0。
3.根據權利要求1的電子部件，其中阻擋層包括鉭、氮化鉭、疊層的鉭/氮化鉭夾層或氮化鎢(WN)。
4.根據權利要求1的電子部件，其中導電層包括過渡金屬。
5.根據權利要求4的電子部件，其中該過渡金屬為銅。
6.根據權利要求1的電子部件，其中保護層包括粘性材料。
7.根據權利要求6的電子部件，其中當對粘性材料進行固化工藝時，粘性材料變硬。
8.根據權利要求1的電子部件，其中保護層不刻蝕導電層。
9.根據權利要求1的電子部件，其中保護層包括有機化合物、無機化合物、金屬材料或無機金屬鹽。
10.一種電子部件的制造方法，包括提供襯底；將電介質層連接到襯底上；將阻擋層連接到電介質層；將導電層連接到阻擋層；以及將保護層連接到導電層，其中保護層被進一步平面化或作為平面化層。
11.根據權利要求10的方法，其中制造電子部件還包括固化保護層。
12.根據權利要求11的方法，其中固化保護層包括加熱固化、輻照固化或加熱固化和灰化的組合。
13.根據權利要求11的方法，其中固化保護層包括自催化或自固化。
14.一種平面化電子部件的導電表面的方法，包括提供襯底；將電介質層連接到襯底上；將阻擋層連接到電介質層；將導電層連接到阻擋層；以及將保護層連接到導電層，其中保護層可以平面化或可被平面化。
15.根據權利要求14的方法，其中將保護層連接到導電層還包括固化保護層到需要的硬度。
16.根據權利要求14的方法，其中將保護層引入到導電層上包括通過旋涂淀積引入。
17.根據權利要求14的方法，其中將保護層引入到導電層上包括通過電淀積、PVD、PECVD、CVD或真空蒸發(fā)引入。
18.根據權利要求14的方法，其中橫過導電層分散保護層包括通過電子部件的相對運動來分散。
19.根據權利要求14的方法，其中固化保護層包括施加熱、輻射或受控的固化。
20.根據權利要求14的方法，其中固化保護層包括自催化。
21.根據權利要求14的方法，其中引入刻蝕溶液包括旋轉刻蝕。
22.根據權利要求14的方法，其中橫過導電層分散和平面化保護層到基本平坦包括刻蝕到平整度為1.0。
23.根據權利要求14的方法，其中橫過導電層分散和平面化保護層到基本平坦包括刻蝕到平整度為0.8。
24.根據權利要求14的方法，其中橫過導電層分散和平面化保護層到基本平坦包括刻蝕到平整度為0.6。
全文摘要
一種電子部件，預期包括襯底層(110)，連接到襯底層(110)的電介質層(120)，連接到電介質層(120)的阻擋層(130)，連接到阻擋層(130)的導電層(140)；以及連接到導電層(140)的保護層(150)。一種電子部件的制造方法，包括以下步驟提供襯底(110)，將電介質層(120)連接到襯底(110)上，將阻擋層(130)連接到電介質層(120)上，將導電層(140)連接到阻擋層(130)上，以及將保護層(150)連接到導電層(140)上。一種平面化電子部件的導電表面的方法，包括以下步驟將保護層(150)引入或連接到導電層(140)上，在導電層(140)上分布保護層(150)，固化保護層(150)，將刻蝕溶液引入到導電層(140)上，以及將導電表面刻蝕成基本平坦。
文檔編號H01L21/321GK1488170SQ02803987
公開日2004年4月7日 申請日期2002年1月22日 優(yōu)先權日2001年1月23日
發(fā)明者S·穆克赫爾吉, J·萊維爾特, D·穆貝爾, , S 穆克赫爾吉, 炊 申請人:霍尼韋爾國際公司