-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur abrasiven Bearbeitung
von Oberflächen
auf Halbleiter-Wafern.
-
Insbesondere
bei der Herstellung hochintegrierter Schaltkreise wird vielfach
das chemisch-mechanische Polieren (CMP) zur Planarisierung von Dielektrika
oder zur indirekten Strukturierung von Verdrahtungsebenen, d.h.
zum Abtrag erhöhter
Bereiche einer strukturierten Oberfläche eingesetzt. Dabei wird
oft eine mit Polierkörnern,
vorzugsweise großer Härte, versetzte,
z.T. basische Chemikalien enthaltende Flüssigkeit, die sog. „Slurry", zwischen die zu bearbeitende
Oberfläche
eines Halbleiter-Wafers und ein Polierwiderlager, das sog. „Pad" gegeben. Das Pad
und die zu bearbeitende Oberfläche
stehen miteinander in flächigem
Kontakt und werden relativ zueinander bewegt, sodass durch die sich
zwischen beiden Oberflächen
bewegenden Polierkörner
ein Abrieb der zu bearbeitenden Oberfläche erzielt wird.
-
Zur
effizienten Planarisierung ungleichmäßig strukturierter Oberflächen ist
eine hohe Topographie-Selektivität
erwünscht.
Das bedeutet, erhöhte Bereiche
sollen einen größeren Abtrag
erfahren als tiefer gelegene Bereiche. Dies kann durch die Slurry-Methode,
vor allem beim gemeinsamen Auftreten von großen und von sehr kleinen Strukturen,
nicht unter allen Umständen
gewährleistet
werden. Die mit der Slurry mitbewegten Polierkörner können auch in den tiefer gelegenen
Regionen für
Abtrag sorgen, sodass zur vollständigen
Planarisierung insge samt ein größerer Abtrag
notwendig wird, als lediglich die Schichtdicke der erhöhten Strukturen.
-
Bessere
Ergebnisse werden neuerdings durch das sog. „Fixed Abrasive"-CMP erzielt. Dabei ist
das Polierwiderlager mit einem Poliermittel, z.B. einem Poliertuch überzogen,
bei welchem die Polierkörner
in einem Polierkornträger
fixiert sind und nur bereichsweise über dessen Oberfläche hinausragen. Beim
Fixed Abrasive-CMP werden das Poliermittel und die zu bearbeitende
Oberfläche
miteinander in Kontakt gebracht und relativ zueinander in Bewegung
gesetzt. Dies kann je nach spezieller Vorrichtung durch Bewegung
nur einer oder aber auch beider Oberflächen erfolgen. Zusätzlich können je
nach Bedarf geeignete, flüssige
Chemikalien beigegeben werden um gleichzeitig zu dem mechanischen
einen chemischen Abtrag zu erzeugen. Da die Polierkörner mit
der zu bearbeitenden Oberfläche
nur an den tatsächlichen
Berührungsstellen
zwischen dem Poliermittel und der zu bearbeitender Oberfläche mit
letzterer interagieren, kann durch das Fixed Abrasive-CMP eine besonders
hohe Topographie-Selektivität
erzielt werden.
-
Im
exakten, feinmechanischen Sinn handelt es sich beim Fixed Abrasive-CMP
eher um ein Schleifen, als ein Polieren, da die Schleif- bzw. Polierkörner nicht
frei beweglich sondern ungeordnet in einem Träger und insbesondere an seiner
Oberfläche
fixiert sind. Gleichwohl hat sich im vorliegenden Zusammenhang der
Terminus „Polieren" eingebürgert, sodass
er auch hier benutzt werden soll.
-
Es
lässt sich
nicht vermeiden, dass sich während
des Bearbeitungsvorgangs in Abhängigkeit
vom Typ des Wafers und/oder des Poliermittels eine z.T. erhebliche
Anzahl von Polierkörnern
aus dem Träger lösen, sodass
einerseits stets auch ein „echter" Polierprozess stattfindet
und andererseits das Polier mittel mit der Zeit stumpf oder aggressiv
wird, d.h. der Abtrag pro Bearbeitungszeit nachlässt bzw. ansteigt.
-
Letzteres
ist in der Serienproduktion, bei der eine große Anzahl von Wafern nacheinander
demselben CMP-Arbeitsschritt unterzogen werden, äußerst unerwünscht, da die gleichen, voreinstellbaren
Parameter eines Arbeitsschrittes, wie z.B. Bearbeitungszeit, gewählte Chemikalien
etc. je nach Abnutzungszustand des Poliermittels zu unterschiedlichen
Ergebnissen führen
würden.
Insbesondere bei immer kleiner werdenden Strukturen sind derartige
Schwankungen nicht tolerierbar.
-
Ein
im Ergebnis ähnliches
Phänomen
tritt auch bei der oben erläuterten
Slurry-Methode auf. Allerdings sind die zur Abstumpfung führenden
Prozesse anderer Art. Bei der Slurry-Methode nämlich „verglast" die eigentlich elastische Oberfläche des
Pads, d.h. ihre Poren setzen sich mit kleineren Polierkörnern und
insbesondere mit von der zu bearbeitenden Oberfläche abgetragenem Material zu.
Dies führt
zu einer harten und ebenen Pad-Oberfläche, was zu deutlich veränderten
Abtragsraten führt.
Dem wird in der Regel mit einem reinigenden Aufrauhen der Pad-Oberfläche mit
Hilfe einer Diamantnadel begegnet. Dieses Verfahren ist aber für die Fixed-Abrasive-Methode zu grob,
würde zur
Zerstörung
des im wesentlichen porenfreien Polierkornträgers führen und ist daher hier unanwendbar.
-
Man
begegnet dem Problem daher derzeit durch schrittweisen Austausch
des Poliermittels jeweils vor der Bearbeitung eines neuen Wafers.
So bieten bestimmte CMP-Vorrichtungen einen automatischen Poliermittelvorschub
(„Roll
to Roll Polisher"). Dies
ist jedoch in zweifacher Hinsicht kostenintensiv. Zum einen erfordert
eine solche Vorrichtung einen erheblichen, mechanischen Aufwand.
Zum anderen führt
es zu einem übermäßi gen Poliermittelverbrauch.
Dies ist ein wesentlicher Kostenfaktor. Ein üblicherweise verwendetes Poliertuch
muss hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften sowie hinsichtlich
der Anzahl, Größe und Gleichmäßigkeit
der Polierkörner
aufgrund der äußerst geringen
Größe der zu
bearbeitenden Strukturen höchsten
Präzisionsanforderungen
entsprechen. Die Fertigung ist daher aufwendig und entsprechend
teuer.
-
Eine
andere Möglichkeit,
die Eigenschaften des Poliermittels definiert zu erhalten, besteht
in der Regenerierung des Poliermittels mit Hilfe eines Konditioniermittels.
Das heißt,
der ursprüngliche
Zustand der Oberfläche
des Poliermittels wird wiederhergestellt.
-
In
der
EP 1 080 839 A2 ist
ein Konditionierverfahren beschrieben, bei dem gleichzeitig mit
dem Polieren von Prozess-Wafern
ein spezielles Konditioniermittel, das integraler Bestandteil der
CMP-Vorrichtung ist, über
das Poliermittel geführt
wird.
-
In
der
US 6093 280 ist
ein Konditionierverfahren unter Nutzung eines speziellen Konditionier-Wafers
beschrieben, auf dessen Oberfläche spezielle
abrasive Partikel aufgebracht sind.
-
In
der
US 5890 951 ist
ein Konditionierverfahren beschrieben, bei dem spezielle Konditionierwafer
aus Keramik oder Metall genutzt werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorgenannten
Art zur sukzessiven Bearbeitung einer Mehrzahl von Halbleiter-Wafern auf
Basis der Fixed-Abrasive-CMP-Methode
derart fortzubilden, dass Schwankungen des Abtragsergebnisses aufgrund
von Abstumpfung oder Verschärfung des
Po liermittels mit deutlich reduziertem kostspieligen Austausch des
Poliermittels weitestgehend vermieden werden.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diesen kommt
im einzelnen folgende Bedeutung zu. Vor jedem einzelnen Polierschritt,
d.h. jeweils zwischen den Bearbeitungsvorgängen der nacheinander zu bearbeitenden
Oberflächen
oder jeweils vor einer Folge von einzelnen Polierschritten erfolgt
ein Zwischenschritt, bei welchem das Poliermittel im Kontakt mit
und relativ zu einer speziellen, topographiestarken Konditionieroberfläche, im
folgenden „Dummy-Wafer" genannt, bewegt
wird. Hierdurch wird eine Regenerierung des Poliermittels erreicht,
sodass sich das Poliermittel vor Beginn eines Polierschritts an
einem neuen Wafer annähernd
im gleichen Anfangszustand befindet wie zu Beginn des vorangegangenen
Polierschritts an dem zuvor bearbeiteten Wafer. Hierdurch wird sichergestellt,
dass gleiche Bearbeitungszeiten zu gleichen Abtragsresultaten führen, sodass
Schwankungen in der Serie vermieden werden. Ein Austausch des Poliermittels
ist daher erst nach einer größeren Anzahl
einzelner Polierschritte erforderlich. Das bedeutet, dass die Schrittwerte
bei den einzelnen Polierschritten in Bezug auf das Poliermittel
reduziert sind. Diese Anzahl ist jedoch für einen gegebenen Poliermitteltyp
und eine gegebene, zu bearbeitende Topographie leicht durch Versuch
festzustellen und der gesamte Serien-Fertigungsprozess entsprechend
leicht anpassbar.
-
Die
Mehrkosten, die durch den zusätzlichen Arbeitsschritt
erzeugt werden, können
durch die Einsparungen, die durch verringerten Poliermittelverbrauch
erhalten werden, leicht überkompensiert
werden. Zusätzlich
werden durch eine größere Prozessstabilität weniger
Nacharbeit und eine höhere
Produktqualität
bei geringerer Produktvariation erreichbar.
-
Besonders
beim Nachbearbeiten bereits im Wesentlichen planarisierter Wafer
ist ein Konditionieren des Poliermittels im Sinne der Erfindung
vorteilhaft oder nötig.
-
Die
Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass gängige Fixed-Abrasive-Poliermittel,
z.B. Poliertücher
einen Corpus aufweisen, in welchem die Polierkörner in dreidimensionaler,
gleichmäßiger Verteilung
vorliegen. In Interaktion mit der zu bearbeitenden Oberfläche treten
allerdings jeweils nur die die Oberfläche des Trägermaterials überragenden
Polierkörner.
Lösen sich
während
des Poliervorgangs Polierkörner
aus der Trägeroberfläche, verarmt
diese. Die dreidimensionale Gesamtdichte der Polierkörner im
Träger ändert sich
indes kaum. Das Lösen einzelner
Körner
aus der Trägeroberfläche erfolgt
vor allem im fortgeschrittenen Stadium des Planarisierungsvorgangs.
In einem früheren
Stadium, d.h. solange die zu bearbeitende Fläche noch eine starke Topographie
aufweist, werden zwar auch einzelne Körner aus der Oberfläche gerissen.
Allerdings geht dies einher mit und wird kompensiert von einem Abtrag
des Trägermaterials,
was zur Freilegung weiterer Körner
in tieferen Schichten des Poliermittels führt. Im Ergebnis kommt es daher
erst bei weitgehend eingeebneten Strukturen zu dem oben beschriebenen
Abstumpfungseffekt.
-
Wird
ein abgestumpftes Fixed-Abrasive-Poliermittel in flächigem Kontakt
mit einer stark strukturierten Oberfläche relativ zu dieser bewegt, überwiegt
in Ermangelung von auslösbaren
Polierkörnern an
der Oberfläche
der Abtrag des Trägermaterials. Hierdurch
werden neue Polierkörner
freigelegt bis Abtrag und Auslösen
in einem Gleichgewicht zueinander stehen. Das Poliermittel ist dann
voll regeneriert. Die entsprechenden Oberflächeneigenschaften lassen sich
durch Wiederholung des Prozesses nach jeder Abstumpfung zuverlässig wiederherstellen und ein
neuer Wafer mit den gleichen Ausgangsparametern wie der zuvor bearbeitete
polieren.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie der Zeichnung. Es zeigen
-
1:
Eine schematische Schnitt-Darstellung eines Wafer- und eines Poliermittelausschnitts;
-
2:
Eine schematische Schnitt-Darstellung eines Poliermittel-Ausschnitts
zur Verdeutlichung des Abstumpfungs- und Regenerierungs-Effektes;
-
3:
Eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
-
1 gibt
in schematischer Darstellung einen Ausschnitt eines zu bearbeitenden
Wafers 10 und eines Fixed-Abrasive-Poliermittels, z.B. eines Poliertuchs 20 wieder.
Der Wafer 10 weist eine noch stark strukturierte Oberfläche mit
erhöhten
Bereichen 11 und Tälern 12 auf.
Diese Topographie kann beispielsweise die Folge des Auftrags einer
Dielektrika-Schicht auf eine tiefer gelegene, stark strukturierte
Verdrahtungsebene 13 sein. Ziel des CMP-Prozesses ist die
Planarisierung der Wafer-Oberfläche, d.h.
ein Abtrag bis mindestens zur Ebene der Täler 12. Das hierzu
verwendete Poliertuch 20, das auf ein in 1 nicht
dargestelltes Polierwiederlager, z.B. einen rotierenden oder feststehenden
Teller, aufgezogen ist, besteht aus einem Corpus 21, in
welchem unregelmäßig, jedoch
in über
den Corpus weitgehend gleichbleibender Dichte Polierkörner 22 dreidimensional
verteilt sind. Die der Poliertuch-Oberfläche 24 zunächst gelegenen
Polierkörner 22 durchdringen diese
bereichsweise, sodass ihre hervorstehenden Bereiche 23 bei
flächigem
Kontakt des Poliermittels und einer durch den Bewegungspfeil 30 angedeuteten
Relativbewegung zur Wafer-Oberfläche mit
dieser abrasiv interagieren können.
Ein besonders großer
Abtrag wird dabei auf den Flächen
der erhöhten Oberflächenbereiche 11 erzielt.
In den Tälern 12 erfolgt
dagegen zunächst
kein Abtrag. Dies führt
zu der erwünschten,
hohen Topographie-Selektivität
der Fixed-Abrasive-Methode. Der Prozess wird in der Regel durch
die Zugabe flüssiger
Chemikalien unterstützt,
die ätzende
Wirkung haben können
und je nach Abtragsziel und abzutragendem Substrat geeignet zu wählen sind.
Ein hierdurch bewirkter, rein chemischer Abtrag, der auch in den
Tälern
stattfinden kann, darf bei den hiesigen Betrachtungen weitgehend
unbeachtet bleiben.
-
Nach
der Planarisierung der Wafer-Oberfläche auf die gewünschte Schichtdicke
befindet sich das Poliertuch in dem in 2 schematisch
dargestellten, abgestumpften Zustand. Eine Vielzahl der Polierkörner 22,
die in 1 mit ihren Bereichen 23 die Poliertuch-Oberfläche 24 durchsetzten,
sind hier aus dem Corpus 21 ausgelöst. Eine Interaktion mit der
zu bearbeitenden Wafer-Oberfläche
erfolgt in diesem Zustand im wesentlichen durch die weiche Poliertuch-Oberfläche selbst
oder durch die nun frei beweglichen, ausgelösten Polierkörner.
-
Letztere
werden jedoch rasch von den flüssigen
Chemikalien weggespült,
sodass die Abtragsrate schnell abfällt. Ein neuer Wafer 10,
der mit einem solchen, abgestumpften Poliertuch 20 behandelt
würde, müsste zur
Erreichung der Zielschichtdicke erheblich länger bearbeitet werden.
-
Durch
das erfindungsgemäße Zwischenschalten
eines Konditionierschrittes kann dagegen das Corpus-Material 21 bis
zu der neuen Poliertuch-Oberfläche 24a abgetragen
werden. Diese neue Oberfläche 24a wird
von in etwa ebenso vielen Polierkör nern 22 durchsetzt,
wie die ursprüngliche Oberfläche 24 vor
der Abstumpfung. Das Poliertuch ist regeneriert.
-
3 zeigt
ausschnittsweise und in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Verfahren.
Zunächst
wird das Poliertuch 20 im Bearbeitungsschritt A durch Bearbeitung
eines Dummy-Wafers 40 konditioniert. Es folgt im Schritt
B die eigentliche Bearbeitung eines Wafers 10 bis zum Zustand
C, in welchem der Wafer 10 planarisiert und das Poliertuch 20 weitgehend
abgestumpft ist. Hieran schließt sich
ein neuer Zyklus der Schritte A, B, C an. Im Ergebnis werden bei
jedem Wafer 10 einer Serie mit den gleichen Arbeitsparametern,
wie Bearbeitungszeit, verwendete Chemikalien etc. die gleichen Schichtdicken
erreicht und Schwankungen in der Serie minimiert.
-
Vorteilhaft
ist es, auch bei einem neuen, bisher nicht gebrauchten Poliermittel 20 zunächst einen Konditionierschritt
A durchzuführen.
Dies stellt sicher, dass bereits der erste Bearbeitungsschritt B
unter denselben Ausgangsparametern erfolgt wie die nachfolgenden.
Ist der Konditioniervorgang A allerdings so optimiert, dass exakt
die Bedingungen eines neuen, ungebrauchten Poliermittels erreicht
werden, ist dieser erste Konditionierschritt überflüssig.
-
Der
Dummy-Wafer 40 weist vorteilhafterweise eine starke Topographie
auf, die sich z.B. netzförmig über den
gesamten Dummy-Wafer 40 erstreckt. Diese Struktur stellt
sicher, dass alle Bereiche des Poliermittels 20 einheitlich
konditioniert werden. Damit können
spätere
Schichtdickeschwankungen auf einem Wafer 10 vermieden werden.
Die starke Topographie hat zwei Vorteile. Zum einen wird ein guter Abtrag
des Corpus-Materials
des Poliermittels 20 erzielt. Zum anderen kann der Dummy-Wafer 40,
auch wenn er selbst einem gewissen Abtrag un terliegt, vielfach wiederverwendet
werden, bevor seine Strukturen soweit planarisiert sind, dass eine
ausreichende Regenerierung des Poliermittels 20 nicht mehr
gewährleistet
ist.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen,
dass die Konditionieroberfläche 40 eine
mikroskopische Topographie, insbesondere Rauhigkeit, aufweist, die
in ihren flächigen
Dimensionen in etwa denjenigen der während der Polierschritte B
zu bearbeitenden Wafer-Strukturen 11, 12 entspricht. Übliche Rauhigkeiten
oder Topographien, z. B. von Diamantkonditionierern für Slurry-Prozesse,
liegen im Bereich von etwa 10 bis 100 μm. Die hier erfindungsgemäß angestrebten
Topographien sind kleiner ausgelegt. Darüber hinaus kann die Topographie
auf dem Konditionierer in makroskopischer Form verteilt ausgebildet
sein, um beim Konditionierungsprozess einen zusätzlichen Reinigungseffekt des
Pads dadurch zu erreichen, dass zwischen der Konditioniereroberfläche und
der Padoberfläche
eine Turbulenz der Polierflüssigkeit erzeugt
wird.
-
Das
gleiche Ziel kann auch durch die Materialwahl des Dummy-Wafers 40 unterstützt werden. Vorzugsweise
wird ein Material, verwendet, das härter ist als das der im nachfolgenden
Polierschritt B zu bearbeitenden Wafer-Oberfläche 11, 12.
Insbesondere bietet sich harte Keramik an. Hierdurch wird der Abtrag
des Dummy-Wafers 40 minimiert. Es ist allerdings auch möglich, verschiedene
Herstellungs- oder Recyclingprozesse zu kombinieren. So dient eine erste
Serie von Wafern 10 in einer bestimmten Herstellungs- oder
Wiederaufarbeitungsphase als Dummy-Wafer 40 für eine zweite
Serie von Wafer 10 in einer anderen Phase. Beide Serien
werden auf diese Weise alternierend bearbeitet.
-
Je
nach der Geschwindigkeit, mit der der Abstumpfungsprozess im Laufe
des Bearbeitungsvorgangs erfolgt, ist es selbstverständlich auch
möglich, jedem
Konditionierschritt A statt eines einzigen Bearbeitungsschrittes
B eine Mehrzahl von Bearbeitungsschritten B folgen zu lassen, während derer
sich die durch Abstumpfung des Poliermittels 20 hervorgerufenen
Schichtdickeschwankungen noch im Rahmen der zulässigen Toleranzen bewegen.
-
Für die kostengünstige Serienherstellung kann
es besonders vorteilhaft sein, wenn die Bearbeitungsparameter, wie
Bearbeitungszeit, verwendete Chemikalien, Richtung und Geschwindigkeit
der Relativbewegung zwischen Poliermittel und Wafer 10 bzw.
Dummy-Wafer 40 etc. während
des Konditionier- und des Bearbeitungsvorgangs gleich sind. Dann
nämlich
kann die Abfolge der Verfahrensschritte allein durch die Sortierung
von Wafern 10 und Dummy-Wafern 40 gestaltet werden.
Andererseits kann es in bestimmten Fällen auch angezeigt sein, die
Parameter des Konditionierschrittes A getrennt von den Bearbeitungsschritten
B zu optimieren. Dies bietet sich insbesondere an, wenn die Bearbeitungszeiten
wesentlich länger
sind, als es für
die Konditionierung notwendig ist und/oder wenn für die Konditionierung
eine eigene Vorrichtung verwendet wird.
-
Natürlich sind
die angegebenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
lediglich Beispiele zu dessen Illustration ohne abschließenden Charakter.
-
- 10
- Wafer
- 11
- erhöhte Oberflächenbereiche
- 12
- Täler
- 13
- tiefer
gelegene Verdrahtungsenbene
- 20
- Poliertuch
- 21
- Corpus
von 20
- 22
- Polierkorn
- 23
- die
Oberfläche 24 durchgringender
Teil von 22
- 24
- Poliertuch-Oberfläche
- 24a
- neue
Poliertuch-Oberfläche
nach Regenerierung
- 30
- Bewegungspfeil
- 40
- Dummy-Wafer