平坦化技术的用材料和化学品

一般半导体工艺中较常使用的平坦化技术材料为旋转玻璃技术（spin-on glass，SOG）加化学机械研磨技术（chemical mechanical polishing，CMP），亦有数家公司开发出使用旋转涂布加工制膜的高分子溶液，如聚酰亚胺、聚硅氧烷、氟化聚酰亚胺等，如Dupont，Amoco，AlliedSignal，Schumacher，Hitachi等皆有推出此种旋转涂布式低介电高分子材料。因此在本章节将详细分析此种新材料。本章节将针对SOG技术及CMP技术所需的材料及化学品分析其现状及未来发展。

1.旋转玻璃（spin-on glass，SOG）技术材料

多重金属连线的IC元件制作需要非常平坦的介电层，而SOG（spin on glass）正可满足这样的需求。SOG是将溶于溶剂内的介电材料，以旋转涂布（spin coating）的方式涂布于晶片上，因为涂布介电材料可以随溶剂在晶片表面流动，因此可以填入图9-25（a）的缝隙中，而达到如图9-25（b）所示的局部平坦化的目的，经过旋转涂布后的介电材料者再经固化（curing）过程将溶剂去除，即可得介电层膜。SOG能解决外表高低起伏的渗填能力（gap fill）的问题，而成为一种比较常用的介电层平坦化技术。

目前使用为SOG材料者大约有两种，一是硅酸盐类（silicate）；二是硅氧烷类（siloxane），其化学结构如图9-26所示。而用来溶解这些介电材料的溶剂则有醇类（alcohol），酮类（ketone）与酯类（ester）等，调解SOG材料的黏度、流动性质及设备本身的旋转速度可得适当厚度的SOG薄膜。SOG材料在使用时可能会发生较严重的问题是其在固化程序中，由于溶剂挥发使得材料本身的结构改性而导致问题，通过一定的方法才能解决此类问题，如在硅酸盐类SOG材料加入少量的磷，或者在硅氧烷类SOG材料增加CH3基以降低龟裂现象。

现有SOG工艺技术虽仅能达到局部平坦度，然而因其工艺简单及成本低，许多研究正朝向延长SOG寿命着手。材料改性将是一大研发重点，包括研究新SOG材料于旋转涂布的动力学以增强其平坦度，或降低SOG介电常数使其能使用于多重金属内连线IC工艺，相信SOG在未来IC工艺仍可占有一席之地。

图9-25　SOG技术

（a）填隙（b）局部平坦化

图9-26　SOG材料

（a）硅酸盐（b）硅氧烷类

2.旋转涂布式低介电常数高分子材料

（1）聚酰亚胺（Polyimide）。聚酰亚胺是最早被研究的高分子介电材料，它是由双酐（diahydride）及双胺（diamine）聚合而成，其基本结构如图9-27所示。Polyimide的优点在于其耐热性甚佳，亦可使用旋转涂布方式制作薄膜，另外则抗溶剂性优良，目前商业化聚酰亚胺在应用上有其困难待克服，如其吸湿性及薄膜应力过高，另外则是须降低其加工步骤。针对上述缺点，目前已有改进，如使用氟化聚酰亚胺时降低其吸湿性及介电常数，如图9-28所示，若使用硅硐（silicone）改性聚酰亚以降低薄膜应力而改善与其他基材的接合性，如图9-29所示。(www.xing528.com)

图9-27　聚酰亚胺之基本结构

图9-28　氟化聚酰亚胺范例

图9-29　硅硐改性聚酰亚胺范例

（2）聚硅氧烷（Polysiloxane）。siloxane相关的高分子目前已被广泛地使用为SOG材料。最近Allied Signal，Dow Corning及Hitachi Chemical相继商业化不同Polysiloxane介电材料，如Allied Signal的Accuspin418（分子结构为CH3SiO1.5），Dow Corning的FOX[分子结构为（HSiO3/2）n]。这类型材料不仅拥有低介电常数，而且其耐热性及耐湿性良好，目前正推广使用IC工艺中（表9-7、表9-8）。

表9-7　旋转涂布的低介电常数高分子材料

（续表）

表9-8　旋转涂布的低介电常数高分子材料性质测试表