DE10103062A1

DE10103062A1 - Chemisch-mechanisches Polierverfahren für emulsionsfreie feste Schleifkissen

Info

Publication number: DE10103062A1
Application number: DE2001103062
Authority: DE
Inventors: Cheng-An Peng; Jiun-Fang Wang
Original assignee: Promos Technologies Inc
Current assignee: Promos Technologies Inc
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2002-08-01

Abstract

Ein chemisches Polierverfahren mit festen Schleifmitteln verwendet eine wässrige Lösung, die einen variablen pH-Wert hat. Während des Polierens wird der pH-Wert der wässrigen Lösung geändert, so dass der Poliervorgang genauer gesteuert werden kann. Die Geschwindigkeit der Beseitigung und die Selektivität der Beseitigung zwischen Oxid und Nitrid kann gesteuert werden, indem der pH-Wert der wässrigen Lösung variiert wird.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das chemisch-mechanische Polieren (CMP) und insbesondere die Steuerung des pH-Wertes während des emulsionsfreien CMP-Vorgangs.

Allgemeiner Stand der Technik

Das chemisch-mechanische Polieren (CMP) stellte sich als ent scheidende Halbleitertechnologie heraus, insbesondere für Vorrichtungen mit kritischen Abmessungen kleiner als 0,3 µm. CMP-Maschinen umfassen typischerweise eine Einrichtung zum Halten eines zu polierenden Wafers oder Substrats (auch als "Waferaufnahme" bezeichnet), ein Polierkissen und eine Ein richtung zum Halten des Kissens (auch als "Platte" bezeich net). Bei vielen herkömmlichen CMP-Maschinen ist eine Schleifmittelemulsion zum Polieren erforderlich und wird ent weder direkt der Oberfläche des Kissens oder durch Löcher und Rillen im Kissen direkt der Oberfläche des Wafers zugeführt. Das Polierkissen ist auch nicht typischerweise schleifend. Das Steuersystem an der CMP-Maschine bewirkt, dass Motoren die Oberfläche des Wafers mit einem vorgeschriebenen Kraftbe trag gegen die Kissenoberfläche drücken.

Eine der jüngeren Entwicklungen in der CMP-Technologie ist das emulsionsfreie Polieren mit einem festen Schleifkissen. Bei diesem Verfahren wird keine Schleifmittelemulsion verwen det. Statt dessen ist das Schleifmaterial fest und in das Po lierkissen integriert. Ein Beispiel eines solchen Systems ist im US-Patent Nr. 6,069,080 für James et al. beschrieben. Der Vorteil dieses Systemtyps ist, dass keine großen Mengen an Schleifmittelemulsion benötigt werden, wodurch auch das Be dürfnis nach zeitraubenden Reinigungsschritten beseitigt wird. Obwohl keine Schleifmittelemulsion verwendet wird, wird ein wässriges Fluid verwendet, um die Polierfunktion zu er leichtern. Im Patent '080 wird das wässrige Fluid bei einem konstanten pH-Wert gehalten.

Eine weitere Sache beim CMP-Vorgang ist die genaue Erfassung des Endpunkts des CMP-Vorgangs. Bei vielen wichtigen Anwen dungen wird der CMP-Vorgang dazu verwendet eine Oxidschicht zu entfernen, bis eine darunter liegende Stoppschicht, wie ein Nitrid, erreicht ist. Beispielsweise wird die Verwendung eines Nitrids als Stoppschicht unter der Oxidschicht übli cherweise bei der Bildung von Isolierstrukturen mit flachen Rinnen genutzt. Es ist jedoch noch relativ schwierig, genau zu erfassen, wann die Nitridstoppschicht erreicht wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorhergehenden Aspekte und viele der begleitenden Vortei le dieser Erfindung werden leichter eingesehen, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstan den wird, in denen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer CMP-Vorrichtung ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 2 ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 3 ein Flussdiagramm ist, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 4 und 5 Flussdiagramme sind, die alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstel len.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Eine schematische Darstellung des gesamten Systems der vor liegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Wie gesehen hält eine Waferaufnahme 101 einen Wafer 103, der zu polieren ist. Die Waferaufnahme 101 dreht sich vorzugsweise um ihre verti kale Achse 105. Ein Kissenaufbau 107 umfasst ein Polierkissen 109, das auf einem Poliertisch 111 angebracht ist. Der Po liertisch ist an einer Antriebs- oder Motoreinrichtung (nicht gezeigt) befestigt, die so arbeitet, dass der Kissenaufbau 107 in gewünschter Weise bewegt wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde fest gestellt, dass durch Variieren des pH-Werts der nicht schlei fenden wässrigen Lösung während des Polierens die Selektivi tät der Beseitigung zwischen Oxid und Nitrid eingestellt wer den kann. Es ist zu bemerken, dass es weitere eine Emulsion verwendende Verfahren aus dem Stand der Technik gibt, um die Selektivität der Beseitigung zwischen Oxid und Nitrid zu er höhen. Bei diesen Verfahren aus dem Stand der Technik kann jedoch die Selektivität der Beseitigung während des CMP-Vor gangs nicht geändert werden, wenn die Selektivität der Besei tigung einmal festgelegt wurde. Durch einfaches Wählen einer hohen Selektivität führt dies zu mehreren nachteiligen Wir kungen, wie Oxidrückstand, wenn es hohe topographische Merk male gibt. Auch kann bei bestimmten Anwendungen ein vermehr tes Vertiefen des Oxids auftreten, wie während der Ausbildung einer Isolierung mit flachen Rillen. Wie unten ausführlich dargestellt wird, lehrt also die vorliegende Erfindung, dass der pH-Wert der wässrigen Lösung dynamisch geändert wird, wenn sich bei einem emulsionsfreien CMP-Vorgang mit festen Schleifmitteln der Endpunkt des CMP-Vorgangs nähert.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für das Verfah ren der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird bei Kasten 201 der zu polierende Wafer vorgelegt. Der Wafer kann eine Oxid schicht aufweisen, die erfordert, dass sie eben gemacht oder entfernt wird. Als nächstes wird bei Kasten 203 ein Messvor gang für den Film ausgeführt. Dieser Messvorgang für den Film misst die Dicke der Oxidschicht, so dass eine grobe Schätzung vorgenommen werden kann, wie viel Polieren nötig ist. Als nächstes wird bei Schritt 205 der Wafer zum Polieren in die Poliermaschine eingespannt. Der Wafer wird von der Waferauf nahme 101 an seinem Platz gehalten. Die Poliervorrichtung 109 umfasst ein Polierkissen 109. Vorzugsweise ist das Polierkis sen 109 ein festes schleifendes Polierkissen, wie das in US- Patent Nr. 6,069,080 beschriebene, obwohl andere im Handel verfügbare feste Schleifkissen verwendet werden können. Die obigen Schritte sind in der Technik üblich.

Nachdem der Wafer eingespannt ist, beginnt der Poliervorgang. Die Poliermaschine umfasst ein Zufuhrsystem zum Zuführen ei ner wässrigen Lösung zum Polierkissen und der Waferoberflä che. Die wässrige Lösung schmiert und erleichtert anderweitig den Poliervorgang. Bei einer Ausführungsform ist die wässrige Lösung eine Lösung aus entionisiertem Wasser und verschiede nen weiteren Chemikalien, die den pH-Wert des entionisierten Wassers steuern. Ferner können weitere Chemikalien in die wässrige Lösung aufgenommen werden, die das Polieren des Wafers erleichtern. Ein Rohr 209 führt die wässrige Lösung dem Wafer und dem Polierkissen zu. Außerdem umfasst die Po liermaschine ein Endpunkterfassungs(EDP)system 207, das er fassen kann, wann der Poliervorgang enden sollte.

Immer noch unter Bezugnahme auf Fig. 2 steuert ein System 211 zur Modifikation des pH-Werts den pH-Wert der wässrigen Lö sung genau. Das System 211 zur Modifikation des pH-Wertes um fasst ein Reservoir 213 für entionisiertes Wasser, eine Steu erungseinrichtung 215 für den pH-Wert, ein Säuren/Basen-Re servoir 217 und eine Mischkammer 223 für den pH-Wert. Das Säuren/Basen-Reservoir 217 umfasst eine Quelle 219 für Säuren und eine Quelle 221 für Basen.

In Betrieb kann das System 211 zur Modifikation des pH-Wertes den pH-Wert der wässrigen Lösung ändern, indem entweder eine Säure von der Quelle 219 für Säuren oder eine Base von der Quelle 221 für Basen zugesetzt wird. Die Steuerungseinrich tung 215 für den pH-Wert überwacht den pH-Wert der wässrigen Lösung aus der Mischkammer 223 für den pH-Wert. Abhängig vom erforderlichen Poliervorgang modifiziert die Steuerungsein richtung 215 für den pH-Wert das Niveau des pH-Wertes der wässrigen Lösung. Es können verschiedene Säuren oder Basen (die im Säuren/Basen-Reservoir 217 aufbewahrt werden) zuge setzt werden, um den pH-Wert der wässrigen Lösung zu modifi zieren. KOH, NH₄OH, CsOH, TMAH oder Amine können einzeln oder in Kombination zugesetzt werden, um den pH-Wert der wässrigen Lösung zu ändern. Um den pH-Wert der wässrigen Lösung zu er niedrigen, kann entionisiertes Wasser verwendet werden, um die Lösung zu verdünnen, oder der Lösung eine Säure zugesetzt werden.

Wendet man sich Fig. 3 zu wird bei einer Ausführungsform, bei der Oxid über einer Nitridstoppschicht zu entfernen ist, wäh rend des anfänglichen Polierens bei Kasten 301 der pH-Wert der wässrigen Lösung relativ hoch gehalten, z. B. höher als 11. Bei einer Ausführungsform liegt der pH-Wert in der Grö ßenordnung von 11,5 oder höher. Es wurde festgestellt, dass ein relativ hoher pH-Wert eine ausgezeichnete Geschwindigkeit der Beseitigung des Oxids liefert, wodurch der Durchsatz er höht wird. Es wurde auch festgestellt, dass es eine lineare Beziehung zwischen dem pH-Wert und der Geschwindigkeit der Beseitigung gibt. Der hohe pH-Wert führt jedoch zu einer re lativ geringen Selektivität der Beseitigung zwischen Oxid und Nitrid: in der Größenordnung von 1 : 1.

Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei Kasten 303, nachdem der Großteil der Oxidschicht entfernt wurde, der pH- Wert der wässrigen Lösung auf ein niedrigeres Niveau geän dert. Dies verringert die Geschwindigkeit der Beseitigung des Oxids und erhöht auch die Selektivität der Beseitigung zwischen Oxid und Nitrid. Dies wiederum führt zu einer besseren Steuerung des Vorgangs.

Bei einer Ausführungsform wird der Übergang von einem hohen pH-Wert zu einem niedrigen pH-Wert durch ein Signal vom EPD- System 207 gesteuert. Das EPD-System 207 ist bei den meisten Poliermaschinen üblich und arbeitet so, dass es ermittelt, wann während des Poliervorgangs ein Endpunkt erreicht ist. Beispielsweise kann das EPD-System 207 in einem Zeitmodus ar beiten. Wenn bei dem obigen Beispiel das EPD-System 207 zu erst erfasst, dass die darunter liegende Nitridschicht viel leicht erreicht ist, liefert das EPD-System 207 ein Signal an die Steuerungseinrichtung 215 für den pH-Wert, um den pH-Wert der wässrigen Lösung zu senken. An diesem Punkt wird für eine begrenzte Zeit (z. B. 40 Sekunden) ein weiteres Polieren durchgeführt, wobei die wässrige Lösung mit niedrigerem pH- Wert verwendet wird.

Außerdem kann bei einer Ausführungsform während des Großteils des Polierens bei Kasten 301 die Rotationsgeschwindigkeit des Polierkissens relativ zum Wafer erhöht werden. Beim Feinpo lieren bei Kasten 303 kann die relative Rotationsgeschwindig keit verringert werden, um die Anzahl von Polierdefekten zu verringern. Nachdem das Feinpolieren abgeschlossen ist, wird schließlich bei Kasten 255 der Wafer der Poliermaschine ent nommen.

Bei einer in Fig. 4 gezeigten alternativen Ausführungsform, bei der Oxid über einer Nitridstoppschicht zu entfernen ist, wird während des anfänglichen Polierens bei Kasten 401 der pH-Wert der wässrigen Lösung relativ niedrig gehalten, z. B. niedriger als 10. Der Großteil des Polierens wird fortge setzt, bis das EPD-System 207 ein Signal ausgibt, das angibt, dass die Nitridschicht erreicht wurde. Als nächstes wird bei Kasten 403, nachdem der Großteil der Oxidschicht entfernt wurde, der pH-Wert der wässrigen Lösung auf ein höheres Ni veau, z. B. über 11,5, geändert und für eine begrenzte Zeit, wie 10 Sekunden, ein Feinpolieren durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform entfernt das Feinpolieren schnell jeglichen Oxidrückstand und einen Teil der Nitridschicht.

Bei einer weiteren, in Fig. 5 gezeigten, alternativen Ausfüh rungsform, bei der Oxid über einer Nitridstoppschicht zu ent fernen ist, wird während des anfänglichen Polierens bei Kas ten 501 der pH-Wert der wässrigen Lösung relativ niedrig gehalten, z. B. niedriger als 10. Der Großteil des Polierens wird für eine vorherbestimmte Zeitdauer (z. B. 100 Sekunden) ohne Beachtung des EPD-Systems 207 durchgeführt. Als nächstes wird bei Kasten 503, nachdem der Großteil der Oxidschicht entfernt wurde, der pH-Wert der wässrigen Lösung auf ein hö heres Niveau, z. B. über 11,5, geändert und für eine begrenzte Zeit, wie 10 Sekunden, ein Feinpolieren durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform entfernt das Feinpolieren schnell jeg lichen Oxidrückstand und einen Teil der Nitridschicht.

Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darge stellt und beschrieben wurde, wird eingesehen, dass verschie dene Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung zum Polieren ei ner Oberfläche eines Halbleiterwafers, welche umfasst:
einen Poliertisch zum Halten eines festen schleifenden Polierkissens;
eine rotierbare Waferaufnahme zum Halten des Halbleiter wafers gegen das feste schleifende Polierkissen; und
ein Zufuhrsystem für eine wässrige Lösung zum Zuführen einer wässrigen Lösung zum festen schleifenden Polier kissen, wobei das Zufuhrsystem für eine wässrige Lösung den pH-Wert der wässrigen Lösung während des Poliervor gangs modifizieren kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Zufuhrsystem für eine wässrige Lösung umfasst:
eine Steuerungseinrichtung für den pH-Wert;
eine Mischkammer;
ein Säuren/Basen-Reservoir; und
ein Reservoir für entionisiertes Wasser, bei der die Steuerungseinrichtung für den pH-Wert das Säuren/Basen-Reservoir und das Reservoir für entioni siertes Wasser so regelt, dass Flüssigkeiten selektiv in die Mischkammer ausgegeben werden, um den pH-Wert der wässrigen Lösung zu steuern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Endpunkterfassungssystem umfasst, das den Wafer über wacht und ein Endpunkterfassungssignal liefert, wenn sich der Poliervorgang dem Abschluss nähert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner ein Endpunkterfassungssystem umfasst, das den Wafer über wacht und ein Endpunkterfassungssignal and die Steue rungseinrichtung für den pH-Wert liefert, wenn sich der Poliervorgang dem Abschluss nähert, bei der ferner die Steuerungseinrichtung für den pH-Wert den pH-Wert der wässrigen Lösung auf der Basis des Endpunkterfassungs signals ändert.

5. Verfahren zum Polieren eines Halbleiterwafers, welches umfasst:
Ausführen einer relativen Rotationsbewegung zwischen dem Halbleiterwafer und einem festen schleifenden Polierkis sen;
Aufbringen einer wässrigen Lösung mit einem ersten pH- Wert auf den Halbleiterwafer und das feste schleifende Polierkissen für eine erste Zeitdauer; und
Aufbringen einer wässrigen Lösung mit einem zweiten pH- Wert auf den Halbleiterwafer und das feste schleifende Polierkissen für eine zweite Zeitdauer.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Zeitdauer endet, wenn im Endpunkterfassungssystem ein Endpunkter fassungssignal erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der erste pH-Wert hö her als der zweite pH-Wert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der erste pH-Wert hö her als 11 und der zweite pH-Wert niedriger als 11 ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der erste pH-Wert hö her als 11,5 ist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die zweite Zeitdauer etwa 40 Sekunden beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste Zeitdauer vor der Einleitung des Polierens vorherbestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der erste pH-Wert niedriger als der zweite pH-Wert ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste pH-Wert niedriger als 11 und der zweite pH-Wert höher als 11 ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die zweite Zeitdauer etwa 10 Sekunden beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der erste pH-Wert niedriger als der zweite pH-Wert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der erste pH-Wert niedriger als 10 und der zweite pH-Wert höher als 11,5 ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die zweite Zeitdauer etwa 10 Sekunden beträgt.

18. Verfahren zum Polieren eines Halbleiterwafers, welches umfasst:
Rotieren eines Halbleiterwafers an einem festen schlei fenden Polierkissen;
Aufbringen einer wässrigen Lösung auf den Halbleiter wafer und das feste schleifende Polierkissen;
Ändern des pH-Wertes der wässrigen Lösung während des Poliervorgangs.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der pH-Wert nach ei ner vorherbestimmten Zeitdauer geändert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der pH-Wert geändert wird, wenn von einem Endpunkterfassungssystem her ein Endpunkterfassungssignal empfangen wird.