DE10059345A1

DE10059345A1 - Halbleitersubstrathalter für chemisch-mechanisches Polieren

Info

Publication number: DE10059345A1
Application number: DE2000159345
Authority: DE
Inventors: Peter Thieme; Mark Hollatz; Frank Reinhold; Konstantin Riemer
Original assignee: SPEEDFAM IPEC GmbH; Infineon Technologies AG
Current assignee: SPEEDFAM IPEC GmbH; Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2002-06-13

Abstract

Der Halbleitersubstrathalter weist einen Grundkörper (4) mit einer ersten Hauptfläche (9) auf, die einem Wafer (3) zugewandt ist. Ein Führungsring (7) ist an dem Grundkörper (4) befestigt, der mit einer ersten Höhe (11) über die erste Hauptfläche (9) hinausragt. An dem Grundkörper (4) ist eine Stufe (5) angeordnet, die bezüglich der ersten Hauptfläche (9) seitlich neben dem Führungsring (7) angeordnet ist und mit einer zweiten Höhe (12) über die erste Hauptfläche (9) hinausragt. Die zweite Höhe (12) ist kleiner als die erste Höhe (11). Ein Dichtungsfilm (6) ist auf der ersten Hauptfläche (9) des Grundkörpers (4) und auf der Stufe (5) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersubstrat halter für chemisch-mechanisches Polieren.

In der Halbleiterfertigung sind chemisch-mechanische Polier schritte (CMP: Chemical Mechanical Polishing) gebräuchlich, um die Oberfläche eines Substrats beziehungsweise eines Wa fers zu planarisieren. Planarisierte Oberflächen weisen den Vorteil auf, daß ein nachfolgender Belichtungsschritt mit ei ner höheren Auflösung durchgeführt werden kann, da die erfor derliche Tiefenschärfe aufgrund der reduzierten Oberflächen topographie einen kleineren Wert benötigt.

Aus dem Stand der Technik, der beispielsweise in den Druck schriften US 5 791 973, US 6 074 289, US 6 012 964 sowie US 5 876 273 angegeben ist, ist die Ausführung eines CMP- Verfahrens sowie die Anordnung einer CMP-Anlage bekannt.

In der Druckschrift US 5 791 973 ist ein Substrathalter für chemisch-mechanisches Polieren beschrieben. Der Halbleiter substrathalter besteht dort aus einem Grundkörper, an dem ein Führungsring befestigt ist. Weiterhin ist an dem Grundkörper ein Dichtungsring neben dem Führungsring angeordnet. Der Dichtungsring ist dabei lediglich am äußeren Rand eines ein gelegten Wafers angeordnet ist. Dies weist den Nachteil auf, daß ein eingelegtes Halbleitersubstrat bereits bei einer leichten Verbiegung, die beispielsweise durch eine Evakuie rung eines Hohlraums verursacht werden kann, durch den Grund körper des Halbleitersubstrathalters beschädigt werden kann. Die Beschädigung kann zum einen in einer mechanischen Ver kratzung bestehen oder eine Materialkontamination des Halb leitersubstrats darstellen. Dabei gelangen durch einen mecha nischen Kontakt kontaminierende Atome aus dem Halbleitersub strathalter mittels Diffusion in das Halbleitersubstrat. Die mechanische Verkratzung kann beispielsweise während eines Temperaturprozesses zum Sprengen bzw. Explodieren des Halb leitersubstrats führen, wodurch benachbarte Halbleitersub strate und sogar die Prozeßkammer ernsthafte Beschädigungen erleiden kann. Die Kontamination des Halbleitersubstrats kann beispielsweise bei aktiven Bauelementen wie Transistoren dazu führen, daß diese und somit das ausgelieferte Produkt un brauchbar werden. Weiterhin kann der Wafer durch die mechani sche Belastung brechen.

Die bei Halbleiterschaltkreisen stetig abnehmenden Struktur breiten, die mit dem zunehmenden Integrationsgrad einherge hen, stellen immer höhere Anforderungen an die Qualität der in der Halbleiterfertigung eingesetzten Prozesse.

Die Qualität von chemisch-mechanischen Polierprozessen (CMP- Prozesse) wird wesentlich durch die Gleichmäßigkeit des Ab trags bestimmt. Ein ungleichmäßiger Abtrag während eines CMP- Prozesses führt zu Dickenschwankungen der bearbeiteten Schicht und damit zu Problemen in Folgeprozessen und zu elek trischen Ausfällen der Halbleiterprodukte.

Die erreichbare Abtragsgleichmäßigkeit wird unter anderem von dem Halbleitersubstrathalter mitbestimmt. Die zum Stand der Technik gehörenden Polieranlagen wie: IPEC 472, SpeedFam CMP V, SpeedFam Auriga (C) und P. Wolters (PW 200) verfügen bei spielsweise über einen starren Halbleitersubstrathalter. Bei einem starren Halbleitersubstrathalter wird über eine starte Metallplatte die Polierkraft auf die Waferrückseite übertra gen. Ein dünner Film aus einem kompressiblen Material verhin dert während des Poliervorganges dabei einerseits den direk ten Kontakt der Waferrückseite mit der Metallplatte und ande rerseits - aufgrund seiner Oberflächeneigenschaften - eine freie Rotation des Wafers relativ zur Metallplatte. Weiterhin gleicht der kompressible Materialfilm aufgrund seiner Kompri mierbarkeit Unebenheiten der starren Metallplatte bzw. des Wafers aus.

Geometrische Inhomogenitäten des Wafers wie z. B. Dickenvaria tionen oder mechanische Verspannungen sowie geometrische In homogenitäten des Halbleitersubstrathalters und des kompres siblen Materialfilms können zu einer ungleichmäßigen Vertei lung der Polierkraft über die Waferoberfläche führen. Dies führt folglich zu einem ungleichmäßigen Polierabtrag und da mit zu Dickenvariationen der bearbeiteten Schichten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Halblei tersubstrathalter anzugeben, der eine gleichmäßige Verteilung der Polierkraft über die Waferoberfläche ermöglicht und eine Kontamination oder eine Beschädigung des Wafers vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Halblei tersubstrathalter für chemisch-mechanisches Polieren mit:

- einem Grundkörper, der eine erste Hauptfläche aufweist;
- einem Führungsring, der an dem Grundkörper befestigt ist und mit einer ersten Höhe über die erste Hauptfläche hin ausragt;
- einer Stufe, die bezüglich der ersten Hauptfläche seitlich neben dem Führungsring angeordnet ist und mit einer zweiten Höhe über die erste Hauptfläche hinausragt; und
- einem Dichtungsfilm, der auf der ersten Hauptfläche des Grundkörpers und auf der Stufe angeordnet ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß der Dichtungsfilm sowohl auf der ersten Hauptfläche des Grundkörpers als auch auf der Stufe angeordnet ist. Dadurch stellt der Dichtungsfilm sicher, daß eine mechanische Beschä digung wie eine Verkratzung der Rückseite eines Halbleiter substrats und auch die Kontamination des Halbleitersubstrats mittels des Dichtungsfilms vermieden wird. Weiterhin wird ein Zerbrechen des Wafers verhindert.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Körper bestehend aus der Stufe und dem Grundkörper einstückig gebildet ist, wobei die Stufe als Bestandteil des Grundkörpers ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Stufe bei spielsweise durch eine Oberflächenfräsung der ersten Hauptfläche gebildet werden kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Stufe und der Grundkörper separat gebildet sind und die Stufe als ringförmige Erhebung auf die erste Hauptfläche des Grund körpers aufgebracht ist. Das Aufbringen der Stufe als ring förmige Erhebung weist den Vorteil auf, daß die ringförmige Erhebung beispielsweise aus einem anderen Material als der Grundkörper gebildet werden kann.

Es ist vorgesehen, daß in der Hauptfläche neben dem Führungs ring ein Graben angeordnet ist, in dem die Stufe angeordnet ist. Dadurch kann die Stufe in dem Graben an der ersten Hauptfläche befestigt werden und als Stufe mit einer Höhe über die erste Hauptfläche hinausragen.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Stufe mittels Aufschrumpfen in dem Graben befestigt ist. Dies ist eine dauerhafte Befe stigungsmöglichkeit der ringförmigen Stufe, die eine großflä chige Fräsung der ersten Hauptfläche vermeidet.

Weiterhin ist vorgesehen, daß der Grundkörper eine zweite Hauptfläche aufweist, die der ersten Hauptfläche abgewandt ist und daß in dem Grundkörper eine Bohrung eingebracht ist, die sich von der ersten Hauptfläche zu der zweiten Hauptflä che erstreckt. Die Bohrung dient in vorteilhafter Weise dazu während des Betriebs des Grundkörpers ein Vakuum neben der dem Wafer zugewandten ersten Hauptfläche zu erzeugen. Das Va kuum dient in vorteilhafter Weise dazu, den Wafer aufzunehmen und festzuhalten. Weiterhin ist die Bohrung dazu geeignet, daß ein Gas von der zweiten Hauptfläche durch den Grundkörper zur ersten Hauptfläche geleitet wird, wo es einen erhöhten Druck gegen den Wafer erzeugt. An stelle der Bohrung ist ebenfalls ein poröser Sinterkörper geeignet, der gasdurchläs sig ist.

Weiterhin ist vorgesehen, daß in dem Dichtungsfilm eine Dich tungsfilm-Ausnehmung angeordnet ist. Die Dichtungsfilm- Ausnehmung ist in vorteilhafter Weise dazu geeignet, eine ausreichende Gasmenge von einer Bohrung über die Waferrück seite zu verteilen, so daß ein gleichmäßiger Druck auf der Rückseite des Wafers erzeugt werden kann.

Weiterhin ist vorgesehen, daß in der ersten Hauptfläche des Grundkörpers eine Grundkörper-Ausnehmung angeordnet ist, in die der Dichtungsfilm eingesenkt ist und eine Dichtungsfilm- Vertiefung bildet. Die Dichtungsfilm-Vertiefung ist in vor teilhafter Weise dazu geeignet, ein Gas, welches durch eine Bohrung zu der ersten Hauptfläche geleitet wird, über die Wa ferrückseite so zu verteilen, daß ein gleichmäßiger Druck auf der Waferrückseite lastet.

Die Ausnehmung in dem Dichtungsfilm kann an der gleichen Po sition angeordnet sein, wie die Ausnehmung in dem Dichtungs film. Dadurch wird ebenfalls ein verbesserter Gasfluß von dem Zentrum der ersten Hauptfläche des Grundkörpers zu der Stufe hin verbessert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Höhe und die zweite Höhe sowie die Kompressibilität des Dichtungsfilms und die Kompressibilität der Stufe so ausge bildet sind, daß in einem ersten Betriebszustand, in dem der Hohlraum zumindest teilweise evakuiert ist, der Druck einer Anpressung des Grundkörpers an ein Polierpad zu mehr als der Hälfte auf dem Führungsring lastet und in einem zweiten Be triebszustand, in dem ein gegenüber dem ersten Betriebszu stand erhöhter Druck in dem Hohlraum vorliegt, der Druck der Anpressung des Grundkörpers an das Polierpad zu mehr als der Hälfte auf dem Wafer lastet. Die mechanische Entlastung des Wafers während der Evakuierung des Hohlraums hat den Vorteil, daß eine Schädigung des Wafers vermieden wird. In diesem Be triebszustand wird der Druck von dem Führungsring aufgenom men, so daß der Wafer eine reduzierte Belastung erfährt. Da bei wird der Dichtungsfilm in dem Bereich der Stufe kompri miert, so daß der Anpressdruck des Wafers an das Polierpad in diesem Betriebszustand reduziert ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der je weiligen Unteransprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und Figuren näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Halb leitersubstrathalter;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Halb leitersubstrathalter mit Blick auf die einem Wafer zugewandten Hauptfläche;

Fig. 3 die Abtragsrate und die Abtragsratenvariation über der Anzahl der bearbeiteten Wafer;

Fig. 4 die Oxiddicke eines polierten Wafers aufgetragen über dem Waferradius;

Fig. 5 die Nitriddicke nach dem Polieren sowie den Ni tridpolierabtrag aufgetragen über dem Waferradius;

Fig. 6 eine Variante eines Halbleitersubstrathalters gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Polierteller 1 dargestellt, auf dem ein Polierpad 2 angeordnet ist. Auf dem Polierpad 2 ist ein Wafer 3 angeordnet. Weiterhin ist ein Grundkörper 4 dargestellt, der eine erste Hauptfläche 9 aufweist, die dem Wafer 3 zuge wandt ist. Der Grundkörper 4 weist eine zweite Hauptfläche 10 auf, die von dem Wafer 3 abgewandt ist. An der ersten Hauptfläche 9 des Grundkörpers 4 ist eine Stufe 5 angeordnet. Da der Wafer 3 üblicherweise als flache, runde Scheibe ausge bildet ist, weist der Grundkörper 4 eine entsprechende Form auf. Die Stufe 5 ist auf der ersten Hauptfläche 9 des Grund körpers 4 als ringförmige Struktur angeordnet. Auf der ersten Hauptfläche 9 und der Stufe 5 ist ein Dichtungsfilm 6 ange ordnet. Weiterhin ist neben der Stufe 5 ein Führungsring 7 an dem Grundkörper 4 befestigt. Der Führungsring 7 ist bei spielsweise mittels eines Spalt 19 von der Stufe 5 beabstan det. Der Führungsring 7 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet. Der Führungsring 7 ragt mit einer ersten Höhe 11 über die er ste Hauptfläche 9 hinaus. Die Stufe 5 ragt mit einer zweiten Höhe 12 über die erste Hauptfläche 9 hinaus. Weiterhin ist in dem Grundkörper 4 eine Bohrung angeordnet, die sich von der ersten Hauptfläche 9 bis zur zweiten Hauptfläche 10 er streckt. Zwischen dem Wafer 3 und dem Grundkörper 4 ist an der ersten Hauptfläche 9 ein Hohlraum 13 ausgebildet. Darüber hinaus weist der Dichtungsfilm 6 eine Dichtungsfilm-Aushebung 14 auf. Weiterhin ist eine Grundkörper-Ausnehmung 16 darge stellt, in der der Dichtungsfilm 6 verläuft und eine Dich tungsfilm-Vertiefung 17 bildet.

Der Grundkörper 4 des Halbleitersubstrathalters besteht bei spielsweise aus Metall. Die Stufe 5 kann mittels eines Ober flächenfräsprozesses aus dem Grundkörper 4 heraus struktu riert werden, indem die erste Hauptfläche 9 eingesenkt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der Stufe 5 besteht darin, die Stufe 5 als einen Ring auf der ersten Hauptfläche 9 des Grundkörpers 4 zu befestigen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, daß der Wafer 3 während des Poliervorganges mit einer gleichmäßigen Kraft an das Polierpad 2 angepreßt wird, indem beispielsweise Druckluft durch die Bohrung 8 von der zweiten Hauptfläche 10 zur ersten Hauptfläche 9 in den Hohlraum 13 geleitet wird und somit einen konstanten Druck auf der Rückseite des Wafers 3 aufbaut. Folglich wird der Wafer gleichmäßig an das Polierpad 2 angedrückt. Die seitliche Führung, bestehend aus dem Füh rungsring 7, verhindert, daß der Wafer 3 aus dem Halbleiter substrathalter herausrutscht. Zu diesem Vorgehen wird an die Bohrung 8 Druckluft angeschlossen. Bei der Druckluft handelt es sich beispielsweise um sogenannte Clean Dry Air (saubere trockene Luft), Stickstoff oder Argon. Die Stufe 5 verhindert in Verbindung mit dem Dichtungsfilm 6 ein ungedrosseltes Ab strömen der Druckluft, so daß ein Luftkissen in dem Hohlraum 13 aufgebaut wird. Dazu wird ein geeigneter Volumenstrom der Druckluft eingestellt und der Anpressdruck des Wafers 3 an das Polierpad ergibt aus der Anpresskraft des Grundkörpers 4 an das Polierpad 2 bezogen auf die Fläche des Wafers 3. Dazu wird in vorteilhafter Weise ein selbstregelndes Drucksystem während des Poliervorganges betrieben. Hierbei gilt:

- Solange der Druck des Luftkissens in dem Hohlraum 13 klei ner ist als der über die Polierkraft des Grundkörpers 4 und die Größe des Wafers 3 definierte Druck auf der Vorderseite des Wafers, so lastet der Wafer mit einer aus den Druckun terschieden resultierenden Kraft auf der Stufe 5 und dem Dichtungsfilm 6 und gegebenenfalls auf dem Dichtungsfilm 6 auf der ersten Hauptfläche 9. Dabei wird der Hohlraum 13 am gesamten Umfang des Wafers mittels der Stufe 5 und dem dar auf befindlichen Dichtungsfilm 6 abgedichtet. Dadurch wird ein Entweichen der Luft zwischen dem Dichtungsfilm 6 und dem Wafer 3 verhindert und der Druck in dem Hohlraum 13 steigt aufgrund des konstanten Volumenstromes an.
- Sobald der Druck in dem Hohlraum 13 dem Vorderseitendruck des Wafers 3 - aufgebracht durch das Polierpad 2 - ent spricht, entsteht ein kraftloser Kontakt zwischen dem Dich tungsfilm 6 auf der Stufe 5 und dem Wafer 3.
- Übersteigt der Rückseitendruck den Vorderseitendruck auf grund des ständigen Volumenstromes um einen kleinen Betrag, so geht der Kontakt zwischen Waferrückseite und Dichtungs film 6 auf der Stufe 5 verloren und die Dichtwirkung zwischen Wafer 3 und Dichtungsfilm 6 ist aufgehoben. In diesem Zustand entweicht ein Überdruck aus dem Hohlraum 13, so daß die Polier-Andruckkraft ständig konstant gehalten wird.

Folglich ergibt sich durch die Selbstregelung während des Po liervorganges ein Rückseitendruck, der konstant und homogen der Polierkraft entspricht. Durch die gleichmäßige Druckver teilung in dem Luftkissen in dem Hohlraum 13 entsteht eine - von den geometrischen Eigenschaften des Wafers und der Polierplatte unabhängige, homogene Kraftverteilung über die Rückseite des Wafers 3. Folglich ist das Resultat ein homoge ner Polierabtrag.

Zum Beladen eines Wafers in den Halbleitersubstrathalter kann der Hohlraum 13 durch die Bohrung 8 evakuiert werden. Dadurch wird der Wafer 3 an den Grundkörper 4 und den Dichtungsfilm 6 angesaugt.

Um zu verhindern, daß beim Aufsetzen des Halbleitersubstrat halters auf das Polierpad 2 mit eingelegtem Wafer 3 die ge samte Kraft auf der Dichtung und dem Rand des Wafers 3 la stet, wird ein entsprechender Höhenunterschied zwischen der ersten Höhe 11 und der Summe der Höhen bestehend aus der zweiten Höhe 12, der Dicke des Dichtungsfilms 6 und der Dicke des Wafers 3 gebildet. Dabei überragt der Schichtstapel die erste Höhe 11 nur geringfügig. Da der Dichtungsfilm 6 kom pressibel ist, lastet folglich der Anpressdruck ohne Druck luft zunächst größtenteils auf dem Führungsring 7 und entla stet somit den Rand des Wafers. Der Führungsring 7 kann zu sätzlich mit Schlitzen versehen sein, die dem Polierpad 2 zu gewandt sind und eine radiale Komponente aufweisen. Damit ist der Transport von Poliermittel in einem Schlitz zwischen dem Führungsring 7 und dem Polierpad 2 sichergestellt. Zusätzlich kann der Schlitz einen Winkel gegenüber dem Radius des Füh rungsrings aufweisen, so daß durch eine Drehbewegung Polier mittel unter den Wafer transportiert wird.

In Fig. 2 ist der Halbleitersubstrathalter aus Fig. 1 dar gestellt, wobei es sich hierbei um eine Draufsicht aus der Blickrichtung des Polierpads 2 handelt. Zu erkennen ist der Führungsring 7, der an dem Grundkörper 4 befestigt ist. Die Stufe 5 schließt sich an den Führungsring 7 an und ist mit einem etwas geringeren Radius ausgebildet. Dabei kann zwi schen dem Führungsring 7 und der Stufe 5 eine Spalte. Auf der ersten Hauptfläche 9 und der Stufe 5 ist der Dichtungs film 6 angeordnet. Zusätzlich ist die Bohrung 8 dargestellt, die sich von der ersten Hauptfläche 9 bis zu der zweiten Hauptfläche 10 erstreckt. Darüber hinaus sind weitere Bohrlö cher 18 dargestellt, die sich ebenfalls von der ersten Hauptfläche 9 bis zu der zweiten Hauptfläche 10 erstrecken. Ausgehend von einem weiteren Bohrloch 18 ist eine Dichtungs film-Ausnehmung 14 angeordnet. Die Dichtungsfilm-Ausnehmung 14 dient dazu, die durch die Bohrlöcher zugeführte Druckluft zur Stufe 5 zu transportieren, wo die Druckluft zwischen dem Dichtungsfilm 6 und dem Wafer 3 entweichen kann. Weiterhin ist eine radiale Ausnehmung 15 dargestellt, die sich radial von Zentrum des Grundkörpers 4 in Richtung des Umfangs er streckt.

Weiterhin ist eine Grundkörper-Ausnehmung 16 dargestellt, in der der Dichtungsfilm 6 verläuft und eine Dichtungsfilm- Vertiefung 17 bildet. Die Dichtungsfilm-Vertiefung 17 ist ebenfalls dazu geeignet, Druckluft von den weiteren Bohrlö chern 18 zum Rand zu transportieren.

Die zusätzlichen Ausnehmungen 14, 15, 16 und 17 haben den Vorteil, daß die Ausbildung eines Druckgradienten vom Zentrum des Grundkörpers 4 zu dem Rand des Grundkörpers 4 reduziert wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Rückseite des Wafers mechanisch von dem Halbleitersubstrathalter ent koppelt wird, da der Wafer 3 auf einem Luftkissen ruht, wel ches sich in dem Hohlraum 13 ausbildet.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht in der selbstre gelnden Betriebsweise, die einen instantanen Druckabbau zwi schen dem Wafer 3 und dem Dichtungsfilm 6 im Bereich der Stu fe 5 beinhaltet.

Nachfolgend wird als weiteres Ausführungsbeispiel ein spezi eller Halbleitersubstrathalter beschrieben. Ausgehend von ei nem SpeedFam Trägergehäuse wird eine Stufenhöhe von 100 µm mit einer Stufenbreite von 2,5 mm als Stufe 5 mittels Einsenken der ersten Hauptfläche 9 gebildet. Als Dichtungsfilm wird der Dichtungsfilm DF200 der Firma Rodel verwendet. Als Polierpad 2 wird ein IC 1000/Suba IV der Firma Rodel verwendet. Als Po liermittel wird Levasil 50CK der Firma Bayer verwendet. Im unbelasteten Fall ragt die Oberfläche des Wafers über die er ste Höhe 11 des Führungsrings 7 um circa 100 µm hinaus. Der Führungsring 7 weist sechzehn zusätzliche Schlitze auf, die jeweils 2 mm breit und 1 mm tief sind. Als Polierkraft für die nachfolgend beschriebenen Fig. 3 bis 5 werden 243 lbs, verteilt auf die Waferfläche eines 8-Zoll Wafers verwendet. Die Steuerung der Polierkraft und damit des Rückseitendrucks wird über ein Standardpolieranlagen-Rezept vorgenommen. Die Polierzeit eines Wafers beträgt 120 Sekunden und ein Abtrag von etwa 500 Nanometern ist gemessen worden. In Fig. 3 ist auf der horizontalen Achse die Anzahl N der polierten Wafers aufgetragen. Auf der rechten vertikalen Achse, zu der die obere Meßkurve gehört, ist die Abtragsrate ar in Nanome ter/Minute aufgetragen. Auf der linken vertikalen Achse ist die Variation der Abtragsrate Δar. Die Variation der Ab tragsrate ist dabei als Standardabweichung der Abtragsrate über die Oberfläche eines Wafers relativ zur mittleren Ab tragsrate dieses Wafers angegeben. Dabei wird die Abtragsrate des Wafers zum Beispiel an 49 Positionen des Wafers als Dif ferenz der Schichtdicke vor und nach einem Polieren gemessen. Aus den 49 Einzelwerten wird die Standardabweichung σ und der Mittelwert µ errechnet. Dabei ist

und

ist dabei als

angegeben.

Es ist zu erkennen, daß die Abtragsratenvariation im Bereich von etwa 1,5 bis 3 liegt.

In Fig. 4 ist ein Siliziumoxid-Dickenprofil nach einem CMP- Polierschritt dargestellt. Hierbei wird der erfindungsgemäße Halbleitersubstrathalter mit einem Standardhalbleitersub strathalter verglichen. Die Kurve d1 mit den Karosymbolen ge hört dabei zu einem Standardhalbleitersubstrathalter und die Kurve d2 mit den Quadratsymbolen gehört zu dem erfindungsge mäßen Halbleitersubstrathalter. Auf der horizontalen Achse ist der Waferradius r in Millimetern aufgetragen und auf der vertikalen Achse ist die Dicke der Oxidschicht dox in Nanome tern nach dem Polieren aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß die üblicherweise im Randbereich des Wafers auftretenden Schichtdickenschwankungen wesentlich reduziert sind.

In Fig. 5 ist die Dicke einer Nitridschicht nach einem CMP- Polieren sowie die Abtragsrate einer Nitridschicht darge stellt. Auf der horizontalen Achse ist der Waferradius r in Millimetern und auf der linken vertikalen Achse die Dicke d_N der polierten Siliziumnitridschicht dargestellt. Die Meßkurve n1 betrifft die Dicke der Nitridschicht vor dem Polieren und die Meßkurve n2 die Dicke der Nitridschicht nach dem Polie ren. Die Meßkurven n1 und n2 beziehen sich jeweils auf die linke vertikale Achse. In der Meßkurve n3 ist der Nitridpo lierabtrag in Nanometern dargestellt und die Meßkurve n3 be zieht sich auf die rechte vertikale Achse mit der Beschrif tung Δd_N, was in Nanometern angegeben ist und den Polierab trag bezeichnet. Die radialen Schwankungen des Nitridabtrags sind mit circa 3 Nanometern sehr gering, so daß der verwendete CMP-Prozeß mit dem erfindungsgemäßen Halbleitersubstrat halter die Schichtdickenschwankung eines Siliziumnitridfilms praktisch nicht verschlechtert.

In Fig. 6 ist eine Variante des in Fig. 1 dargestellten Halbleitersubstrathalter gezeigt. Es ist ein Graben 20 in der ersten Hauptfläche 9 neben dem Führungsring 7 angeordnet, in dem die Stufe 5 befestigt ist. Die Befestigung der Stufe 5 kann zum Beispiel mittels Aufschrumpfen durchgeführt werden, wobei der Graben 20 als ringförmiger Graben mit einem inneren und einem äußeren Radius ausgebildet wird. Die Stufe 5 wird als Ring mit einem inneren und einem äußeren Radius gebildet. Im kalten Zustand weist der Ring der Stufe 5 einen inneren Radius und einen äußeren Radius auf, die jeweils kleiner sind, als der innere bzw. äußere Radius des ringförmigen Gra bens 20. Nun wird die ringartige Stufe 5 aufgeheizt, so daß der innere Radius größer ist, als der innere Radius des ring förmigen Grabens. Die ringförmige Stufe 5 wird in den Graben 20 eingelegt und bildet beim Abkühlen eine dauerhafte Ver klemmung in dem Graben 20.

Der Graben 20 ist beispielsweise 5 Millimeter tief und die Stufe wird mit einer Ausgangshöhe von 6 Millimeter gebildet. Nach dem Aufschrumpfen der Stufe 5 in dem Graben 20 ragt die Stufe 5 etwa einem Millimeter über die erste Hauptfläche 9 hinaus. Anschließend kann die Stufe 5 herunterpoliert bzw. heruntergefräst werden, bis eine Stufenhöhe von 100 µm über die erste Hauptfläche 9 hinausragt. Dabei haben die Breite der Stufe 5 und die Höhe der Stufe 5 über der ersten Hauptfläche 9 einen bedeutenden Einfluß auf die Abtragsraten variation eines CMP-Schrittes

Bezugszeichenliste

1

Polierteller

2

Polierpad

3

Wafer

4

Grundkörper

5

Stufe

6

Dichtungsfilm

7

Führungsring

8

Bohrung

9

erste Hauptfläche

10

zweite Hauptfläche

11

erste Höhe

12

zweite Höhe

13

Hohlraum

14

Dichtungsfilm-Ausnehmung

15

radiale Ausnehmung

16

Grundkörper-Ausnehmung

17

Dichtungsfilm-Vertiefung

18

weitere Bohrlöcher

19

Spalte

20

Graben
N Waferanzahl
ar Abtragsrate
Δar Abtragsvariation
r Waferradius
d_ox

Oxiddicke
d1 Kurve zum Stand der Technik
d2 Kurve zur Erfindung
d_N

Nitriddicke
Δd_N

Nitridabtragsrate
n1 Dicke vor CMP
n2 Dicke nach CMP
n3 Abtragsrate

Claims

1. Halbleitersubstrathalter für chemisch-mechanisches Polie ren mit:
einem Grundkörper (4), der eine erste Hauptfläche (9) auf weist;
einem Führungsring (7), der an dem Grundkörper (4) befe stigt ist und mit einer ersten Höhe (11) über die erste Hauptfläche (9) hinausragt;
einer Stufe (5), die bezüglich der ersten Hauptfläche (9) seitlich neben dem Führungsring (7) angeordnet ist und mit einer zweiten Höhe (12) über die erste Hauptfläche (9) hin ausragt; und
einem Dichtungsfilm (6), der auf der ersten Hauptfläche (9) des Grundkörpers (4) und auf der Stufe (5) angeordnet ist.

2. Halbleitersubstrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper bestehend aus der Stufe (5) und dem Grundkörper (4) einstückig gebildet ist, wobei die Stufe (5) als Bestand teil des Grundkörpers (4) ausgebildet ist.

3. Halbleitersubstrathalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (5) und der Grundkörper (4) separat gebildet sind und die Stufe (5) als ringförmige Erhebung auf die erste Hauptfläche (9) des Grundkörpers (4) aufgebracht ist.

4. Halbleitersubstrathalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptfläche (9) neben dem Führungsring (7) ein Graben (20) angeordnet ist, in dem die Stufe (5) angeordnet ist.

5. Halbleitersubstrathalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (5) mittels Aufschrumpfen in dem Graben (20) befe stigt ist.

6. Halbleitersubstrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (4) eine zweite Hauptfläche (10) aufweist, die der ersten Hauptfläche (9) abgewandt ist und daß in dem Grundkörper (4) eine Bohrung (8) eingebracht ist, die sich von der ersten Hauptfläche (9) zu der zweiten Hauptfläche (10) erstreckt.

7. Halbleitersubstrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dichtungsfilm (6) eine Dichtungsfilm-Ausnehmung (14) angeordnet ist.

8. Halbleitersubstrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Hauptfläche (9) des Grundkörpers (4) eine Grundkörper-Ausnehmung (16) angeordnet ist, in die der Dich tungsfilm (6) eingesenkt ist und eine Dichtungsfilm- Vertiefung (17) bildet.

9. Halbleitersubstrathalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Höhe (11) und die zweite Höhe (12) sowie die Kom pressibilität des Dichtungsfilms (6) so ausgebildet sind, daß in einem ersten Betriebszustand, in dem der Hohlraum (13) zu mindest teilweise evakuiert ist, der Druck einer Anpressung des Grundkörpers (4) an ein Polierpad (2) zu mehr als der Hälfte auf dem Führungsring (7) lastet und in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein gegenüber dem ersten Betriebszu stand erhöhter Druck in dem Hohlraum (13) vorliegt, der Druck der Anpressung des Grundkörpers (4) an das Polierpad (2) zu mehr als der Hälfte auf einem Wafer (3) lastet.