434809 A7 B7 五、發明説明（ 5 10 15 經濟部中央標準局員工消费合作社印聚 20 、本發明係有關於心於半導體元件中形成—絕緣層的方 法’更特別地，係有關於用於以HSQ (氫石夕倍半曱烧 (hydrogen SliSes取i〇xane))形成一由 s如層（玻璃 上有矽（s：LliC0n 〇n glass))製成之氧化矽層在一具有 半導體元件之晶圓上的方法，俾可防止位元線從以習知 APCVD (大氣壓力化學氣相沉積法）填注在該晶圓上之元件 間之間f時出現的孔洞跨接出來，其中，在該等元件之間 的間P岽疋在〇·18μιη之下巾HSQ係用於填注材料俾 一穩定的内層介電材料。 本發明主要係關於元件藉著將間隙填注SOG攻變成具 有Ar+之離子植入之抗用以打開接觸孔 之熱處理和料則彳之化學藥品的穩定性。 通常，氧化矽係使用於由CVD或者積體電路之矽基體 或多晶石夕之開放部份的氧化/生長所形成的絕緣層。 然而’通常在平坦化製程中，氧化梦層賴著把作為來 源之氧化碎的塗佈材料在積體電路結構上流動來被形成。 象Q(氫石夕倍半甲貌）般之以石夕炫:氫化物為基底的塗 佈材料β為氧化石夕的來源，係被使用於形成一氧化石夕層 在一積體電路結構上。 作為積體電路結構上之塗佈材料㈣炫ll化物或者HSQ ’稱為Η-樹脂，si〇2先驅業已被發現在要被塗佈的表面上 係，動良好’包括階梯表面’並且提供高產量的Si〇2，而 且提供具有低碳含量的si〇2層。該塗佈材料，在初始乾燥 以移去施加該塗佈材料到該積體電路結構時所使用的溶劑 第4頁 11 n^i 1— - t^n ........ —1 (½先閲ti背面之注意事項再填寫本頁) -訂 本紙張尺度適用中圏國家標準（CNS ) M規推（2 j 〇 X297-i>t ) 經清部中央梯準局負工消费合作社印黎 434809 A7 1 ----—>_B7 1五、發明説明（2 ) — ' 之後，係藉著從大約2〇〇°c加熱到1000°c的溫度來被硬化 以形成希望的Si〇2陶層。 雖然使用如此的石夕烷氫化物或者HSQ塗佈材料作為於 積體電路結構上之Si〇2層之形成的先驅係符合某些結果， 5然而，它並非沒有其之問題。在這方面，該材料為該乾燥 塗佈材料至Si〇2之不完全轉換的不完全硬化’在該塗佈材 料被施加到一階梯表面上時業已被注意到。特別地，當該 塗佈材料被施加到緊密分隔的階梯，或者在狹窄的渠溝時 ，在該渠溝之底部的塗佈材料不完全地硬化。亦要注意的 10是，即使在該等階梯係分隔得較遠時，在接近該階梯之角 落之底部的塗佈材料係不完全硬化。 像HSQ般之η -樹脂的硬化係一可逆轉反應，其可以由 下面的方程式表示： HSQe Si02 + η2 个 15 據此，形成希望之氧化矽產物之反應的完成係端視氫氣 離開該塗佈材料的能力而定，藉此驅動上述方程式到完成 氧化矽之形成的右邊。在形成於該基體之渠溝之最深部份 或者在緊密分隔之階梯之間，以及在接近階梯之角落的塗 佈材料，在陷入的氩氣上係具有氩氣可能通過之縮小的擴 2 0 散角度或者細小的體積’藉此導致該塗佈材料之該等部份 的不完全硬化的結果。 因此，無法完全轉換所有HSQ塗佈材料到氧化梦會導 致氫氣在後續的步驟期間從該塗佈枒料釋放或者發射出來 ，包括係不希望有像氩般之還原氣體出現的步驟。再者， 第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨〇χ297公# ) ^表-- (規先閲¾背面之注意事項再填涔本頁) 訂 4348 09 A7 B7 五、發明説明（》） 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印敦 HSQ塗佈材料的該不完全辟 哽化導致具有不同膨脹係數的材 t構上的結果，引致來自該完全硬化 :=!刻特性的材料和電也應力的除 sortll彳)之、知技術之料在半導體元件中形成由 S0G製成之絕緣層的方法係如下。 形成字線❹Μ制以躲-已職有元件的半導艘 基體上巾然後封頂層係藉著將氣化物沉積於該沉積 多晶砂上來被形成。-字線係藉著触刻該沉積多晶石夕和該 封頂層的部份來被形成。要成為—側壁間隙壁的氣化物係 藉由LPCVD(低壓化學氣相沉積法）而然後BpSG (石朋麟矽玻 璃）來被沉積於該字線上或者USG係藉由ApcvD來被沉積 以填注在字線間的空間，其中，如果s〇G(旋塗式玻璃）係 取而代之被沉積的話，熱硬化係被施加來填注該空間。 在由該APCVD所形成的層業已以高溫回火進行回火來 15被硬化之後’一封頂層係藉著沉積氧化矽來被形成，其中 ’該封頂層若有需要係被平坦化CMP (化學機械研磨法）。 第至1F圖顯示習知技術在半導體元件中形成絕緣 層以填注在元件或者導線之階梯之間之空間的截面圖。 請參閱第1A圖所示，多晶矽12業已被沉積在一矽基 體11上，然後，一氮化物層I3係藉著LPCVD來被沉積於 該沉積多晶矽12上《該氮化物層的字線圖型係由微影所定 義°然後’ 一字線係藉著將該沉積多晶矽12蝕刻來被 形成" 請參閱第1B圖所示，一氮化物層14係藉著LPCVD來 5 10 20 --------Jf — (¼先閱讀•背面之注意事項再填寫本瓦)
、1T ( CNS )以说核（2Ι〇χ297·ί>"^" 4348 Ο 9 A7 B7 五、發明説明（Μ·) 5 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 被沉積’以形成該階梯式字、線12的側壁間隙壁在該現出的 矽基體11上、在保留於孩字線12上之氮化物層13的側 面上及側面處、和在該字線12的側面處。 請參閱第1C圖所示，該字線12的/側壁間隙壁14係 藉著將該氮化物層14回蝕刻來被形成。 請參閱第1D圖所示，一緩衝氧化物15係藉著LPCVD 來被形成於s紳基體1! <現出的表面上、於該侧壁間隙壁 I4和剩下之氣化物13的表面上。 請參閱第1E圖所示，—中間層16係藉著以ApCVD將 BPSG或者USG沉積至厚収以將該等階梯之間之空間（間 隙）填注來被形纽該緩料化物15上。如果 SOG係取而 代之被施加的話’在該中間層16内部之剩下的溶劑係以熱 硬化f除。該中間層係以高溫回火硬化。 靖參閱第1F圖所示，供平坦化用的封頂層17係以 LPCVD形成於該中間層16上。一般來說’ 與工(中 間層介質）處理係同時進行的。 如果在該中間層16下面之階梯之間的間隙係不足 0.25帅的話，根據習知技術，孔洞·由於半導體元 限制而係無法避免的。 稱 —再者+，由於該溶劑在旋塗式方法的間隙填注處理時並不 完全藉著熱硬化移除’在接觸孔的清潔處理中， 由於輕易以濕化學藥品蝕刻而出現。 、 β據此’氧化物的特性必須被提升俾可彌補該等上述的問 ___ 第.7頁 本紙張尺度適用中國國^^⑽）λ_ ( 21〇χ騰[y (棟先閲读背面之注意Ϋ項再填寫本頁) Η装· •Τ— 五、發明説明（义） 據此，本發明係指向於用於形成絕緣層的方法，其實質 上避免由於相關技術之限制和缺點所引起的一個或者多個 問題。 本發明之其中一個目的是為提供一 SOG層，其具有對 5 抗在開啟接觸孔和熱處理時之濕式蝕刻化學藥品的元件穩 定性以及藉著SOG層之提升的特性防止由於結構限制所引 起的孔洞》 換句話說，本發明藉著使用間隙為極細微之HSQ基底 之非有機材料來控制由於間隙填注之孔洞所引起之爆裂的 10 產生。 4348 0 9 v Μ Β7 本發明透過當在該等階梯之間之剩餘在線間的溶劑被完 全移除時對後面之清潔處理之濕式化學藥品的阻抗來提供 穩定的處理β 再者，本發明提供因為離子植入之輕易的深度控制。 本發明之其他特徵和優點將會被展現於下面的描述而部 份將會由該描述而變得明顯，或者可以藉由本發明的實施 來學習到9本發明之目的和其他優點將會藉由特別於該描 述和其之申請專利範圍與附圖所指出的結構來被實現和達 成。 為了達成所實施和廣泛地描述之本發明的這些和其他優 點’本發明包括形成一由氳矽倍半曱烷製成的S〇G(熒塗式 玻璃）層於一半導體基體上、將離子植入至該SOG層、及使 該離子植入SOG層硬化。 更特別地，本發明包括如下之步驟：以一由氫矽倍半甲 第.8頁 本紙張尺度適用中国 (外先閲说背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局貝工消費合作社印聚 5 10 15 、發明説明（b) A? B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 20 2成的SOG(旋塗式玻璃）層塗佈一具有元件形成於其上 ^導體基體的不平坦表面、把係從㈣能夠被離子化之 ’、所得到的離子植人至該SQG >|、將該業已植入離子的 S0G層回火俾可在—室中硬化、及形成—封頂層以供該業 已回火之SQG層的平坦化用。 β必須要了解的是，上面大致上的描述和下面詳細的描述 疋為代表性與說明而且係傾向於提供如所主張之本發明的 進一步說明。 s亥等附圖’其係被包括俾提供本發明之進—步了解而且 係被併合及構成本申請案的一部份，描繪本發明的實施例 並且係與該描述一起作用來說明本發明的原理。 在該等圖式中： 第1A至1F圖顯示習知技術在半導體元件中形成絕緣 層於一晶圓上俾可填注在元件或者導線之階梯之間之空間 的橫截面圖； 第2A至2G圖顯示形成一由HSQ製成之SOG絕緣層的 橫截面圖；及 第3A至3C圖顯示在離子植入與高溫硬化時化學黏結 的結構。 現在請詳細地參考本發明的較佳實施例，其之例子係被 描繪於該等附圊中。 通常’在製造半導體元件時，二氧化矽係被使用於絕緣 在它們之間的元件或者層，在其中，氧化物係藉著將多晶 矽或者積體電路之矽基體的暴露部份氧化或者以CVD沉積 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规招（2丨Ox297公^7 ----------- (#'先閎欢背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 訂 .— 五、 發明説明（ A7 B7 5 經濟部中央橾率局員工消費合作社印製
該氧化物來形成。 然而，就平坦化而言，通常該液態來源材料係在積體電 路的結構上流動以形成一二氧化矽層。 於該半導體積體電路上的二氧化石义層係從作為塗佈材料 之像HSQ般之由氫化矽烷製成的來源材料形成。使用薄膜 陶瓷二氧化矽塗層作為電子元件之保護和介電層在習知技 術中係已知的。如此所形成的塗層提供底層基體良好的環 境保護並有效禁止導電。 雖然有它們的功效，這些習知方法就HSQ樹脂的氧化 和硬化而言係需要使用（溫度X時間）的高熱預算。如此之 高熱預算在很多因它們會損害或者破壞該基體之對溫度敏 感的應用上係不可接受的"例如，美國專利第4,756,977 號一案描述HSQ樹脂衍生二氧化矽瓮層在包括電子元件之 各種基體上的使.用。 氫化矽烷樹脂，有時亦被稱為HSQ或者H-樹脂，在完 全冷凝和水解時，具有公式（H/SiQ3/2)n，其中，n大致上 為大約10-1〇〇〇。典型的1樹脂’當不是完全冷凝或者水 解時，可以具有公式Hsi(〇H)x (‘〇RW“，在其中， x 0 2 y=0-2, z=1_3, x+y+z=3而且該聚合體之所 有單元之y的平均值係大於〇。每個R是為獨立地一個工_ 6碳有機群組，其在經由氧原子黏結至矽時，形成一可水 解代替物。該等氬化矽烷或者HSQ二氧化矽先驅物和它們 作為塗佈材料的使用係在Balance等人之美國專利第 5'14 5'72 3號一案中有更完全的討論。 第10頁 本紙張尺度it用中gjg|家椟準（CNS )八4麟（2|Gx297/々难） ---------— (价先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕
l1T 4348 0 9 經濟部中央標準局負工消費合作社印^ kl B7五、發明説明（I ) , 作為與本發明相關的習知技術，美國專利第 5,42 9,990號一案描述以離子植入的SOG平坦化而美國專 利第5,456,952號一案則進行HSQ被使用作為二氧化矽 之先驅物的硬化處理。 5 本發明在半導體元件中透過離子植入形成SOG層的方 法包含如下之步驟：以一作為絕緣中間層之由以HSQ為基 底的樹脂塗佈一具有元件之矽基體的不平坦表面、以能夠 被離子化的原子將離子植入至該SOG層内、在一室中將該 離子植入SOG層回火以硬化、及形成一封頂層於該回火 10 SOG層上以獲得平坦化。 第2A至2G圖顯示形成一由HSQ製成之SOG絕緣層的 橫截面圖而第3A至3C圖則顯示在離子植入與高溫硬化時 化學黏結的結構。 請參閱第2A圖所示，形成一字線的多晶矽22被沉積 15 於一形成有半導體元件的矽基體21上。一氮化物層23或 者一二氧化矽層23係藉由LPCVD形成於該沉積的多晶矽 22上。一字線22係藉著以照相和蝕刻處理將該氮化物層 23和該沉積之多晶矽22的某部份栘除來被形成。 請參閱第2B圖所示，一緩衝二氧化矽層24被形成於 20 該暴露之基體21的表面上，在該剩下之氮化物層23上和 該剩下之氮化物層23的側面處及字線22的側面處。 請參閱第2C圖所示，該緩衝二氧化矽層24係以具有 良好流動特性之以HSG為基底的SOG塗佈，其中，該塗層 SOG 25填注該等在階梯狀字線22之間的間隙並且係自該 第11頁 (贫先閱攻背面之注意事項再填寫本頁) 訂 * I -- - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規棉（210X 297公漤） 434809 五 、發明説明（， A? B7 5 10 15 經濟部十央橾準局負工消费合作社印製 20 半導體基趙21 ίΛ主_的厚度。的表面起形成^覆蓋該等階梯之Q_05 - SOG的矽®早4曰丄 *上之以HSQ為基底之 ，而且亦分別與一氧原子和一氮原子的共價鍵 原子的兩個共價:係Γ個相鄰之其他石夕原子共享之氧 ⑽i〇3/2bt^’其中，該s〇g之化學方程式為鍵峰㈣m si;SmFTIR分析的話，該si'H 用以中：：咖層26中之分子之間的鍵由於 中，能夠被-以 離子植人而變成激發狀態，其 量係在所有的原子係可利用作植入，而且劑 ， m之上且能量係在其之100EV之上。例如 二，離子植人係'在大約25QKeV之能量和3E15之劑量 的條件下執行。 <削篁 "月參閱對應於第2D圖並且係顯示在Ar離子植入上之 化學黏結之轉移狀態的第3B圖，每個在氫原子與每個矽原 子，間的鍵由於離子植入而振奮。囱此，該等氫原子係报 可旎彼此耦合來形成氫分子。然後，已遺失其之氫原子的 =原子變成追逐狀態，如在第3B圖中之右邊部份處所顯示 身又。即使該Si_H鍵峰在FTIR分析時出現在該si_〇鍵峰 的左邊，該峰的大小係比第3A圖的小，顯示在矽與氫之間 的鍵業已被破壞。 在第2E圖中，隨著該離子植入之S〇G層的密度已降低 第12頁 表紙張尺度制悄SI家轉（CNS ) Ai)聽（加x2m>i -ί 1-I----n 1 I (许先閲面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中央梯率局負工消費合作社印聚 4348 0 9 A7 ____ B7五、發明説明（\〇 ) ------- ，硬化的SOG層27係藉著在加熱室中於大約攝氏75〇度 下回火來被形成，其中，回火的大氣為空氣、氣氣、氧氣 或者〇.1~9〇0 seem的水蒸氣而且在該室中的壓力為 0 . 01-1000 Torr ° 5 請參閱顯示業已於第2Ε園中以高溫回火之s〇G層之化 學方程式的第3C圖’經由熱硬化所激發的氫原子變成氫分 子，離開該S0G層。然後，該S0G層係以氧原子代替，變 成純一氧化梦層，藉此該Si -H鍵峰在FTIR分析中不見 了0 請參閱第2F圖所示，由二氧化矽製成的一封頂層28 係由CVD形成於該純二氧化矽層27上。 請參閱第2G圖所示，若有需要，—良好平坦化的氧化 物28係藉由CMP形成。 因此，本發明藉著利用在其中之間隙係極小之以HSQ 為基底的無機材料來控制由於間隙填注時之孔洞所引起之 爆裂的產生、透過當在該等階梯之間之剩餘在線間的溶劑 被完全移除時對後面之清潔處理之濕式化學藥品的阻抗來 提供穩定的處理、而且亦提供因為離子植入之輕易的深度 控制。 對於熟知此項技術的人仕來說，很明顯的是在本發明之 用於形成絕緣層的方法上’各種改變和變化可以在沒有離 開本發明之精神或者範圍下達成。因此，本發明係傾向於 涵蓋屬於申請專利範圍與其之等效物之範圍内之本發明的 改變和變化。
___ 第]3頁 本紙張尺度適财關家轉) Λ4規彳M (使先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 訂 —------- 434809 A7 B7 五、發明説明（八） 5 元件標號對照表 11 矽基體 12 多晶矽 13 氮化物層 12 字線 14 氮化物層 15 緩衝氣化物 16 中間層 21 矽基體 22 多晶矽 23 氮化物層 24 緩衝二氧化矽層 25 SOG層 26 SOG層 27 SOG層 (t先閱lit背面之注意事領再填寫本瓦)
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.-T 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 頁 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS >人4规格（210X297^# )