DE10130750B4 - Verfahren und Vorrichtung zur abrasiven Bearbeitung von Oberflächen auf Halbleiter-Wafern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur abrasiven Bearbeitung von Oberflächen (11, 12) auf Halbleiter-Wafern (10), mit einer Vorrichtung, wobei
– in einem zeitlich frühen Verfahrensschritt (A) in einem ersten Vorrichtungsbereich auf einer Mehrzahl von Wafern (A) eine Topographie der zu bearbeitenden Oberflächen (11, 12) auf wenigstens teilweise mechanische Weise planarisiert wird,
– in einem zeitlich späteren Verfahrensschritt (C) in einem Rückätzbehälter (27) eines zweiten Vorrichtungsbereichs von den planarisierten Oberflächen (14) durch Einwirkung einer flüssigen, chemischen Zusammensetzung (28) ein weiterer Abtrag durch eine rein chemische Rückätzung erfolgt,
– nach dem Planarisierungsschritt (A) und vor dem Rückätzungsschritt (C) eine Schichtdickenmessung (B) der planarisierten Schicht vorgenommen wird, und
– die Messergebnisse der Schichtdickenmessung (B) der automatischen Auswahl oder Komposition einer von mehreren chemischen Zusammensetzungen und/oder der Einwirkungszeit einer ausgewählten oder komponierten chemischen Zusammensetzung (28) zur Durchführung des Rückätzungsschritts (C) zugrunde gelegt werden.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur abrasiven Bearbeitung von Oberflächen auf Halbleiter-Wafern.
• Derartige Verfahren finden vielfach Anwendung, z.B. bei der Herstellung elektronischer Speicherelemente. Solche Elemente werden in der Regel schichtweise aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut. Sehr oft hat einem Aufbau- oder Strukturierungsschritt, der z.B. in einem Ätzen, Sputtern oder einer Oxidabscheidung bestehen kann, ein Planarisierungsschritt zu folgen, da der Schichtaufbau in der Regel nicht die erforderlichen, hochpräzisen Oberflächenanforderungen erfüllt oder die Topographie einer tiefer gelegenen Verdrahtungsebene wiedergibt, obwohl eine ebene Oberfläche geschaffen werden soll. Zur Planarisierung hat sich das chemisch-mechanische Polieren (CMP) weitgehend durchgesetzt.
• Beim CMP werden möglichst topographieselektiv höher gelegene Oberflächenbereiche durch ein Zusammenwirken flüssiger Chemikalien und auf der Oberfläche bewegter Abrasivkörper, wie z.B. frei beweglicher oder in einem Poliertuch fixierter Polierkörner, präzise abgetragen.
• Oft ist nach der Planarisierung noch ein weiterer Abtrag erforderlich, der z.B. gleichmäßig über die gesamte Oberfläche erfolgen soll. Bei manchen Anwendungen wird auch ein materialspezifischer Abtrag gewünscht, wobei zwischen durch den CMP-Schritt freigelegten, höheren Bereichen einer tiefer gelegenen Schicht und der planarisierten, zu oberst gelegenen Schicht unterschieden wird. Für beide Formen des weiteren Abtrags ist die CMP-Methode nicht oder zumindest nicht gut geeignet. CMP zeigt eine hohe Topographieselektivität und eignet sich somit ausgezeichnet für Planarisierungsschritte. Beim großflächigen, gleichmäßigen Abtrag einer bereits planarisierten Fläche ist die Methode aber oft ineffizient. Für einen materialspezifischen Abtrag ist sie sogar ungünstig, da zumindest die mechanische Komponente des CMP sämtliche behandelten Oberflächenmaterialien angreift. In beiden Fällen bieten sich daher rein chemische Ätzschritte an, das sog. Rückätzen, bei dem die zu bearbeitende Oberfläche einer geeigneten, flüssigen Zusammensetzung von Chemikalien ausgesetzt wird.
• Bei der Serienproduktion elektronischer Chips wird insbesondere der CMP-Schritt in der Regel losweise, d.h. unter gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer Wafer, durchgeführt. Dies hat eine ernorme Zeit- und damit Kostenersparnis zur Folge. Entsprechende Mehrkammer- und Mehrkopfanlagen finden zunehmend Verwendung. Moderne Anlagen sind so ausgestaltet, dass Schwankungen der Abtragsraten zwischen den unterschiedlichen Köpfen bzw. Kammern sehr gering sind. Allerdings können sich diese Schwankungen zusammen mit denjenigen vorangegangener Bearbeitungsschritte, wie z.B. Grabenätzen oder Oxidabscheidung, zu einer Größenordnung aufsummieren, die mit den immer strengeren Toleranzanforderungen, welche sich aus den immer feiner werdenden Strukturen der Chips ergeben, nicht mehr vereinbar ist.
• Es werden daher vielfach Anlagen verwendet, bei denen im CMP-Bereich eine Messanordnung vorgesehen ist, mit welcher die Schwankungen innerhalb eines Loses durch Schichtdickenmessung jedes einzelnen Wafers ermittelt werden. Die Messergebnisse werden als Qualitätskriterium zur Entscheidung über eine evtl. Nachbearbeitung oder ggf. Verwerfung des Loses bzw. einzelner Wafer verwendet. Bei sinkenden Toleranzen steigt aber hierdurch der Ausschuss in wirtschaftlich nicht vertretbarem Maß.
• Im Einzelnen ist aus US 5,486,129 ein Verfahren zur Echtzeitsteuerung eines Polierprozesses eines Halbleiterwafers bekannt. Bei diesem Verfahren werden während des Poliervorgangs eine Reihe von Prozessparametern sowie Messergebnisse aus einer Apparatur zur Messung der Schichtdicke erfasst und für eine optimale Prozesskontrolle des Poliervorgangs ausgewertet.
• Weiterhin beschreibt die WO 00/25984 ein chemisch-mechanisches Polierverfahren für Waferoberflächen, bei dem durch ein sukzessives Polieren mittels zweier verschiedener Slurry-Lösungen ein Auskehlen der Oberflächen eines zwischen den Strukturen eines "Stop-Layers" angeordneten "Filling-Layers" vermieden wird.
• Schließlich ist aus der US 6,242,352 B2 noch ein Verfahren zum Verhindern von Mikro-Kratzern auf einem Halbleiterkörper bekannt, bei dem dickenabhängige Trocken-Rückätzprozesse vorgenommen werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren der vorgenannten Art dergestalt fortzubilden, dass die Ausschussrate deutlich gesenkt wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diesen kommt im einzelnen folgende Bedeutung zu. Die Messwerte der Schichtdickenmessung, dienen nicht mehr lediglich der Qualitätskontrolle, sondern werden als aktive Steuerparameter im weiteren Verfahren verwendet. Insbesondere werden sie einer automatischen Auswahl bzw. Einstellung weiterer Bearbeitungsparameter in dem nachfolgenden Rückätzungsschritt zugrunde gelegt. Als Parameter bieten sich vor allem die Bearbeitungszeit und/oder die Zusammensetzung der Behandlungsflüssigkeit an.
• Damit wird es möglich, Schwankungen innerhalb des Loses durch gezielte Nachbearbeitung präzise auszugleichen. Da dieser Ausgleich zusammen mit einem ohnehin stattfindenden Bearbeitungsschritt erfolgt, tritt auch keine zeitliche Verzögerung auf. Der Rückätzungsschritt bietet sich für den erfindungsgemäßen Schwankungsausgleich als besonders günstig an, da die Wechselwirkung zwischen den üblicherweise verwendeten Chemikalien und dem abzutragenden Material sowie die Auswirkung von unterschiedlichen Bearbeitungszeiten bei diesem Bearbeitungsschritt sehr gut bekannt sind.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Diesen kommt im einzelnen folgende Bedeutung zu. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens zwei Bereiche auf, von denen einer zur Durchführung eines bekannten CMP-Bearbeitungsschrittes geeignet ist. Ein weiterer Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Durchführung eines bekannten Rückätzungsschrittes geeignet ausgelegt. Es ist, vorzugsweise in dem ersten Vorrichtungsbereich, eine Messanordnung zur Schichtdickenmessung der obersten Schicht des Wafers vorgesehen. Erfindungsgemäß besteht zwischen der Messanordnung und dem zweiten Bereich der Vorrichtung, in welchem der Rückätzungsschritt vollzogen wird, eine Verbindung derart, dass die Messergebnisse der Schichtdickenmessung als Information zu diesem Rückätzungsbereich der Vorrichtung übertragbar sind. Dort lösen sie automatisch die Auswahl bzw. Einstellung von Verfahrensparametern aus, mit welchen der Rückätzungsschritt desjenigen Wafers, an welchem die entsprechende Messung vorgenommen wurde, durchgeführt wird.
• Durch diese Kopplung zweier Bereiche, die insbesondere in einer Datenleitung zweier einzelner Maschinen oder der Softwarekopplung einer sog. geclusterten Anlage, d.h. einer Anlage, bei welcher beide Vorrichtungsbereiche in einer einzigen Maschine integriert sind, bestehen kann, kann jeder Wafer individuell optimiert rückgeätzt werden. Dies ermöglicht insbesondere die automatische Parametereinstellung bzw. -auswahl, die zum einen menschliche Fehler bei der Einstellung ausschließt und zum anderen einen besonders schnellen Prozessablauf gewährleistet.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der speziellen Beschreibung sowie der Zeichnung. Es zeigt
• 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie schematische Schnittdarstellungen eines behandelten Wafers.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in
• 1 schematisch dargestellt. Dabei sind in Zeile I die einzelnen Verfahrensschritte gezeigt, während in Zeile II der jeweilige Effekt auf den behandelten Wafer 10 verdeutlicht wird.
• In einem frühen Verfahrensschritt A, der im folgenden als erster Verfahrensschritt bezeichnet wird, obwohl ihm im gesamten Herstellungsablauf der Chips eine Reihe von weiteren Schritten vorangehen, werden mehrere Wafer 10 gemeinsam einer CMP-Planarisierung unterzogen. Dabei kann jeder Wafer 10 auf einem rotierenden Teller positioniert und mit einem ebenfalls rotierenden Polierwiderlager 20 (Pad) in flächigen Kontakt gebracht werden. Eine freie Polierkörner enthaltende, vorzugsweise basische Flüssigkeit (Slurry) wird beigegeben. Polierteller und Polierwiderlager 20 rotieren vorzugsweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in gleicher Drehrichtung, angedeutet durch die Bewegungspfeile 30 und 31. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Elemente andere Bewegungen durchführen zu lassen oder nur ein Element zu bewegen. Anstelle der Slurry können auch Polierkörner enthaltende Poliertücher verwendet werden, die z.B. auf die Pads gezogen werden können.
• In Zeile II ganz links ist schematisch ein Wafer 10 dargestellt auf welchen der Verfahrensschritt A angewendet werden soll. Deutlich erkennbar ist die noch ausgeprägte Topographie der Oberfläche mit erhöhten Bereichen 11 und Tälern 12. Diese entstehen z.B. durch Oxidabscheidung auf eine strukturierte, tiefer gelegene Verdrahtungsebene 13.
• Nach Abschluss des Polierschrittes A hat der Wafer 10 die in II B dargestellte Form. Die Topographie ist planarisiert und der Wafer 10 zeigt eine ebene Oberfläche 14. In diesem Zustand sollte die Schichtdickenmessung B erfolgen, die durch die Messanordnung 21 angedeutet ist. Vorzugsweise wird die Messung im CMP-Bereich der Vorrichtung durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Wafer 10 dort losweise, präzise ausgerichtet und in einem für die Messung vorteilhaften, nassen Zustand vorliegen. Die von der Messanordnung aufgenommenen Messwerte werden in einem Zwischenspeicher 22 gespeichert. Dieser ist über eine Datenleitung 23 mit einer Steuereinrichtung 24 verbunden, die z.B. Chemikalientanks 25 und/oder eine Zeitautomatik 26 ansteuert. Die Ansteuerung erfolgt derart, dass die chemische Zusammensetzung 28, mit welcher ein Wafer 10 in einem Rückätzbehälter 27 behandelt wird, die Behandlungszeit zur Erzielung des Rückätzergebnisses, die Temperatur und/oder ggf. weitere Parameter, ausgehend von der gemessenen Schichtdicke, optimiert werden. Die Auswirkung auf den Wafer 10 ist in II C angedeutet. Die ursprüngliche Oberfläche 14 des Wafers 10 wird abgetragen bis zu der neuen Oberfläche 15, die der Sollschichtdicke entspricht.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die neue Oberfläche 15 ebenfalls plan. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, durch materialspezifische Rückätzung eine Oberfläche 15 mit einer neuen, nicht ebenen Topographie zu schaffen.
• Es bietet sich an, die optimalen Rezepturen und/oder Behandlungszeiten in Tabellen zu speichern und je nach erzieltem Messergebnis abzurufen. Es ist natürlich auch möglich die einzustellenden Parameter im Einzelfall zu berechnen, soweit hierfür analytische Funktionen bekannt sind.
• In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Bereiche für den Polierschritt A und den Rückätzungsschritt C räumlich voneinander getrennt und durch die Datenleitung 23 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, ausgehend von einer geclusterten Anlage, die Datenleitung C durch eine einfache Softwarekopplung zu ersetzen.
• Die Messanordnung, die im gezeigten Ausführungsbeispiel im CMP-Bereich der Anlage angeordnet ist kann jedoch in einem anderen Bereich der Vorrichtung vorgesehen sein. Möglich wäre der zweite Bereich, in welchem der Rückätzungsschritt C an den einzelnen Wafern 10 vollzogen wird. Dies kann jedoch zu Verzögerungen führen, da die Messung und die erfindungsgemäße Einstellung der Verfahrensparameter erst nach Positionierung des Wafers 10 in diesem Bereich erfolgen können. Selbstverständlich kann auch eine eigene, räumlich getrennte Messstation vorgesehen werden.
• Insbesondere bei CMP-Schritten, die nach der Slurry-Methode arbeiten, ist im Anschluss eine Reinigung der Wafer 10 erforderlich. Dabei werden auf der Oberfläche haftende Polierkörner und abgetragenes, feinkörniges Material von der planarisierten Oberfläche 14 entfernt. Die Reinigung erfolgt häufig in Bürstenwaschanlagen (brush cleaner). Sofern hier chemiefeste Behältnisse verwendet werden, kann der Rückätzungsschritt C ebenfalls dort vorgenommen werden.
• Natürlich sind die angegebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich Beispiele zu dessen Illustration ohne abschließenden Charakter.

Claims (9)

1. Verfahren zur abrasiven Bearbeitung von Oberflächen (11, 12) auf Halbleiter-Wafern (10), mit einer Vorrichtung, wobei – in einem zeitlich frühen Verfahrensschritt (A) in einem ersten Vorrichtungsbereich auf einer Mehrzahl von Wafern (A) eine Topographie der zu bearbeitenden Oberflächen (11, 12) auf wenigstens teilweise mechanische Weise planarisiert wird, – in einem zeitlich späteren Verfahrensschritt (C) in einem Rückätzbehälter (27) eines zweiten Vorrichtungsbereichs von den planarisierten Oberflächen (14) durch Einwirkung einer flüssigen, chemischen Zusammensetzung (28) ein weiterer Abtrag durch eine rein chemische Rückätzung erfolgt, – nach dem Planarisierungsschritt (A) und vor dem Rückätzungsschritt (C) eine Schichtdickenmessung (B) der planarisierten Schicht vorgenommen wird, und – die Messergebnisse der Schichtdickenmessung (B) der automatischen Auswahl oder Komposition einer von mehreren chemischen Zusammensetzungen und/oder der Einwirkungszeit einer ausgewählten oder komponierten chemischen Zusammensetzung (28) zur Durchführung des Rückätzungsschritts (C) zugrunde gelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter, die dem Rückätzungsschritt (C) zugrunde gelegt werden, einer in einer Datenverarbeitungsanlage gespeicherten Tabelle entnommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter, die dem Rückätzungsschritt (C) zugrunde gelegt werden, anhand von in einer Datenverarbeitungsanlage gespeicherten Funktionen berechnet werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur abrasiven Bearbeitung von Oberflächen (11, 12) auf Halbleiter-Wafern (10) bei der Herstellung elektronischer Bauelemente, bei der: – ein erster Vorrichtungsbereich Planarisierungsmittel zur Planarisierung einer Topographie der zu bearbeitenden Oberflächen (11, 12) auf einer Mehrzahl von Wafern (10) auf wenigstens teilweise mechanische Weise umfasst, – ein zweiter Vorrichtungsbereich einen chemiefesten Behälter zur rein chemischen Rückätzung von Waferoberflächen (14) umfasst und – eine Messanordnung (21) zur Schichtdickenmessung der planarisierten Schichten vorgesehen ist, wobei: der die Messanordnung (21) enthaltende erste Vorrichtungsbereich derart mit dem zweiten Vorrichtungsbereich verbunden ist, dass die Messergebnisse der Schichtdickenmessung auf den zweiten Vorrichtungsbereich übertragbar und dort zur automatischen Auswahl oder Komposition einer von mehreren chemischen Zusammensetzungen und/oder der Einwirkungszeit einer ausgewählten oder komponierten chemischen Zusammensetzung (28) zur Durchführung des Rückätzungsschritts (C) verwendbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, in welcher von dem Ergebnis einer Schichtdickenmessung abhängige Verfahrensparameter gespeichert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen ist, in welcher von dem Ergebnis einer Schichtdickenmessung abhängige Verfahrensparameter berechenbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vorrichtungsbereich eine Steuereinrichtung (24) aufweist, die mit der Messanordnung (21) und/oder der Datenverarbeitungsanlage durch eine Datenleitung verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) Teil einer Datenverarbeitungsanlage und mit der Messanordnung (22) software-gekoppelt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückätzungsbereich auch eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung der Wafer (10) umfasst.