DE102005012684A1

DE102005012684A1 - Verfahren zum Steuern eines CMP-Prozesses und Poliertuch

Info

Publication number: DE102005012684A1
Application number: DE102005012684A
Authority: DE
Inventors: Roland Rzehak
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-21
Also published as: US20060213869A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines CMP-Prozesses mit einem Poliertuch beschrieben, wobei für die Steuerung des CMP-Prozesses die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs berücksichtigt wird. Zudem wird in einem weiteren Verfahren das Polierverhalten des CMP-Prozesses in zurückgesetzten Oberflächen eines Substrats in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs ermittelt. Weiterhin wird ein Konditioniervorgang des Poliertuchs in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs gesteuert. Durch die Verwendung der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs werden verbesserte Verfahren mit einer präziseren Steuerung des CMP-Prozesses und des Konditioniervorgangs erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines CMP-Prozesses gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Ermitteln eines Polierverhaltens eines CMP-Prozesses gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, ein Verfahren zum Steuern eines Konditioniervorgangs eines Poliertuchs bei einem CMP-Prozess gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, ein Poliertuch gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 und ein Poliertuch gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Im Bereich der Halbleitertechnik, insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterspeichern, hat sich seit der Durchsetzung der schmalen Grabenisolierungen das chemisch-mechanische Polierverfahren (CMP) als wichtiges Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen herausgestellt. Während des CMP-Prozesses wird eine Substratoberfläche mit einem Poliertuch unter Verwendung einer Polierflüssigkeit poliert, wobei die Oberfläche des Substrats abgetragen wird. Das chemisch-mechanische Polierverfahren ist sehr empfindlich in Bezug auf unterschiedliche Strukturen der Substratoberfläche, so dass Abtragungen von Metallleitungen und ein Auswaschen von dielektrischen Materialien auftreten können. Da die Oberflächenbeschaffenheit eines Substrats nach dem CMP-Prozess einen großen Einfluss auf die Ausbeute hat, werden viele Anstrengungen unternommen, den CMP-Prozess genau zu verstehen.

Aus Ouma et al., « Characterization and Modeling of Oxide Chemical-Mechanical Polishing Using Planarization Length and Pattern Density Concepts », IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Band 15, Nr. 2, Mai 2002, ist eine Untersuchung bekannt, die das Verhalten des CMP-Prozesses bei Siliziumoxid in Abhängigkeit von Längen und Musterdichten der Oberflächenstruktur beschreibt. Aus Lu et al., « Quantitative analysis of physical and chemical changes in CMP polyurethan pad surfaces », Materials Characterization 49 (2002), 35-44, ist eine Untersuchung bekannt, in der die physikalischen und chemischen Veränderungen von Polyurethan-Poliertüchern während des CMP-Prozesses untersucht werden.

Aus Dyer et al., « Characterizing CMP pad conditioning using diamond abrasives », micromagazine.com, Januar 2002, ist eine Untersuchung bekannt, bei der die Konditionierung von CMP-Poliertüchern mithilfe von Schleifmaterial mit Diamanten untersucht wird. Ein Poliertuch wird nach einer festgelegten Polierzeit einem Konditioniervorgang unterzogen, bei dem das Poliertuch mithilfe eines Konditionierwerkzeugs, in diesem Fall mithilfe von Diamanten, überarbeitet wird, wobei die Poliertuchoberfläche abgerieben und in einen vorgegebenen Anfangszustand gebracht wird.

Aus Stein et al., « Optical Interferometry for Surface Measurements of CMP Pads », Journal of Electronic Materials, Band 25, Nr. 10, 1996, sind eine optische Vorrichtung und ein optisches Verfahren bekannt, mit denen die Oberflächenstruktur eines CMP-Poliertuchs erfasst werden kann. Das beschriebene Verfahren eignet sich dazu, um die während des Poliervorgangs oder während des Konditioniervorgangs abgeriebene Schichtdicke des Poliertuchs zu erfassen. Zudem kann mit dem beschriebenen optischen Interferometer die Oberflächenrauhigkeit des Poliertuchs ermittelt werden. Dabei wurde festgestellt, dass beim Konditionieren des Poliertuchs die Oberflächenrauhigkeit des Poliertuchs vergrößert wird. Zudem wurde festgestellt, dass eine größere Oberflächenrauhigkeit zu einer größeren Abtragerate während des Polierverfahrens führt.

Weiterhin ist es aus Lawing, „Pad Conditioining and Pad Surface Characterization in Oxide Chemical Mechanical Polishing", MRS Proceedings Vol. 732, 2002, I5.3, bekannt, dass die Oberflächenrauhigkeit des Poliertuchs durch den Konditioniervorgang beeinflusst wird. Dabei zeigt ein vollständig kondi tioniertes Poliertuch eine nahezu Gauß'sche Verteilung in Bezug auf die Höhenstruktur. Dagegen verändert sich die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs zu einem starken Maximum in der Nähe der Poliertuchoberfläche während des CMP-Polierverfahrens. Die Verteilung der Höhenpunkte der Oberflächenstruktur kann mithilfe von verschiedenen Konditionierverfahren unterschiedlich eingestellt werden.

Aus Oliver et al., „CMP Pad Surface Roughness and CMP Removal Rate", Oliver et al, ECS Proceedings 26, 2000, 77, ist es bekannt, dass die Oberflächenrauhigkeit eines CMP-Poliertuchs einen Einfluss auf die Abtragerate während des CMP-Prozesses hat. In der beschriebenen Anordnung wird ein proportionaler Zusammenhang zwischen der mittleren Oberflächenrauhigkeit und der mittleren Abtragerate festgestellt.

Aus Vlassak, „A Contact-Mechanics Based Model for Dishing and Erosion in Chemical-Mechanical Polishing", Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 671, 2001 Materials Research Society und Borucki et al., „Modeling Planarization in Chemical-Mechanical Polishing", veröffentlicht im Internet:
http://www.ima.umn.edu/modeling/mm02reports/mmrep1.pdf sind mathematische Modelle für das chemisch-mechanische Polierverfahren bekannt, die verschiedene Annahmen über die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs machen.

Bei Vlassak wurde eine expoentielle Höhenverteilung angenommen. Eine Überpüfung dieser Annahme durch einen direkten quantitativen Vergleich mit experimentellen Daten wurde jedoch nicht vorgenommen. Bei Borucki et al wurde eine Höhenverteilung vom Typ Preston iv mit aus Rauhigkeitsmessungen bestimmten Parametern angenommen. Es zeigte sich eine grobe qualitative Übereinstimmung der Modellvorhersagen mit Daten aus Polierversuchen. Jedoch enthält das Modell neben der Rauhigkeit des Poliertuches eine Anzahl weiterer Effekte, deren relative Signifikanz für tatsächliche Polierprozesse nicht weiter untersucht wurde.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines CMP-Prozesses bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln eines Polierverhaltens eines CMP-Prozesses bereitzustellen. Zudem betrifft die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Konditioniervorgangs eines Poliertuchs bereitzustellen. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Poliertuch und ein verbessertes Gütesystem für Poliertücher bereitzustellen.

Die Aufgaben der Erfindung werden durch das Verfahren zum Steuern eines CMP-Prozesses gemäß Patentanspruch 1, durch das Verfahren zum Ermitteln eines Polierverhaltens eines CMP-Prozesses gemäß Patentanspruch 8, durch das Verfahren zum Steuern eines Konditioniervorgangs eines Poliertuchs gemäß Patentanspruch 9, durch das Poliertuch gemäß Patentanspruch 10 und durch das Poliertuch gemäß Patentanspruch 12 gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Patentanspruch 1 besteht darin, dass der CMP-Prozess präziser gesteuert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs bei der Steuerung des CMP-Prozesses berücksichtigt wird. Entgegen der bisher im Stand der Technik vertretenen Auffassung haben Versuche gezeigt, dass die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs einen Einfluss auf das Polierverhalten des Poliertuchs und damit einen Einfluss auf den CMP-Prozess haben. Insbesondere bei Substraten mit einer abgestuften Oberfläche ist die Berücksichtigung der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs ein wichtiger Parameter, der sowohl die Planarität, als auch die Abtragerate sowohl auf oberen Oberflächenbereichen des Substrats, als auch auf zurückversetzten Oberflächenbereichen des Substrats beeinflusst. Damit wird durch die Berücksichtigung der Höhenver teilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs eine präzisere Steuerung des CMP-Prozesses ermöglicht.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird abhängig von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuches eine Polierdauer für den CMP-Prozess ermittelt und bei der Steuerung des CMP-Prozesses berücksichtigt. Somit wird ein wesentlicher Parameter des CMP-Prozesses durch die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs präzise angepasst. Neben der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs können auch weitere Parameter für die Ermittlung der Polierdauer des CMP-Prozesses berücksichtigt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Höhenstruktur des Substrates, die ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf den CMP-Prozess hat, bei der Steuerung des CMP-Prozesses berücksichtigt. Die Höhenstruktur wird dabei entweder während des CMP-Prozesses ermittelt oder zuvor ermittelte Daten über die Höhenstruktur verwendet und bei der Steuerung des CMP-Prozesses berücksichtigt.

Vorzugsweise wird die Höhenstruktur des Substrats abhängig von der Größe einer oberen Oberfläche und abhängig von der Größe einer vertieften Oberfläche des Substrates berücksichtigt. Damit wird ein einfaches und ausreichend präzises Maß für die Beeinflussung des CMP-Prozesses verwendet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein theoretisches Modell für eine Ermittlung der Wirkung des Poliertuches beim CMP-Prozess verwendet, wobei das theoretische Modell eine Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuches berücksichtigt.

In einer weiteren Ausführungsform des theoretischen Modells werden für die Simulation der Funktionsweise des Poliertuchs eine Vielzahl von Federelementen, insbesondere Hookesche Fe derelemente, verwendet. Versuche haben gezeigt, dass dieses theoretische Modell eine einfache Simulation ermöglicht und zudem eine ausreichend präzise Beschreibung der mechanischen Funktionsweise des Poliertuchs liefert.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Abtrageverhalten des CMP-Prozesses für die vertieften Oberflächen aufgrund der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs ermittelt. Insbesondere für die vertieften Oberflächen des Substrats stellt die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs eine wesentliche Größe in Bezug auf das Abtrageverhalten dar. Somit wird die Steuerung des CMP-Prozesses durch eine Berücksichtigung des Abtrageverhaltens in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs für die vertieften Oberflächen verbessert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 8 besteht darin, dass das Polierverhalten des CMP-Prozesses genauer beschrieben werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass bei der Ermittlung des Polierverhaltens für die obere Oberfläche und/oder die vertiefte Oberfläche des Substrats die Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches berücksichtigt wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Patentanspruch 9 wird ein Verfahren zum Steuern des Konditioniervorganges des Poliertuches eines CMP Prozesses verbessert, bei dem die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs für den Start und/oder das Ende und/oder die Art und Weise des Konditioniervorganges berücksichtigt wird. Durch die Berücksichtigung der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs wird ein präziseres und an das gewünschte Ergebnis angepasstes Konditionierverfahren erreicht.

Das erfindungsgemäße Poliertuch gemäß Anspruch 10 weist den Vorteil auf, dass durch die festgelegte Breite der Höhenverteilung ein verbessertes Polierverhalten bei einer abgestuften Substratoberfläche erreicht wird. Insbesondere wird ein Polieren vertieft angeordneter Flächen reduziert oder vermieden. Dadurch werden im wesentlichen nur die oberen Flächen des Substrats poliert und abgetragen. Somit ist es möglich, den CMP-Prozess effizienter durchzuführen.

Das erfindungsgemäße Poliertuch gemäß Patentanspruch 12 weist den Vorteil auf, dass ein Benutzer eine bessere Zuordnung der Eigenschaften des Poliertuches aufgrund der Güteklasse treffen kann. Das Poliertuch kann gemäß der Güteklasse ausgewählt und für den entsprechenden CMP-Prozess eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der Höhenstruktur des Substrates können Poliertücher verschiedener Güteklassen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer CMP-Anordnung;
2 eine schematische Darstellung einer Höhenverteilung einer Oberflächenstruktur eines Poliertuchs;
3 eine schematische Darstellung der Höhenverteilung eines Poliertuchs;
4 eine schematische Darstellung eines Substrats mit einem Poliertuch;
5 eine Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs; und
6 eine schematische Darstellung des mathematischen Modells für das Poliertuch.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Durchführung eines CMP-Polierverfahrens. Die Anordnung weist einen Poliertuchhalter 1 auf, auf dem ein Poliertuch 2 befestigt ist. Der Poliertuchhalter 1 steht über eine Antriebswelle 3 mit einer Antriebseinheit 4 in Verbindung. Der Poliertuchhalter 1 ist über die Antriebseinheit 4 in einer Längsachse der Antriebswelle 3 drehbar gelagert. Auf dem Poliertuch 2 liegt ein Substrat 5 in Form eines Wafers, beispielsweise eines Silizium-Wafers, auf. Das Substrat 5 ist an einem Substrathalter 6 befestigt, der über eine zweite Antriebswelle 7 ebenfalls mit der Antriebseinheit 4 in Verbindung steht. Die Antriebseinheit 4 ist in der Weise ausgebildet, dass der Substrathalter 6 sowohl um eine Mittenachse der zweiten Antriebswelle 7 drehbar, als auch parallel zur Oberfläche des Poliertuchs 2 verschiebbar gelagert ist. Zudem können der Poliertuchhalter 1 und der Substrathalter 6 gegeneinander verspannt werden. Damit kann die Reibungskraft zwischen dem Poliertuch und dem Substrat eingestellt und somit die Geschwindigkeit des Abtragprozesses beeinflusst werden.
Weiterhin ist eine Konditioniervorrichtung 8 vorgesehen, die eine zweite Antriebseinheit 11 mit einer Schleifplatte 9 aufweist. Mithilfe der zweiten Antriebseinheit 11 wird die Schleifplatte 9 mit einer festgelegten Vorspannung gegen eine Poliertuchoberfläche 19 gepresst. Zudem ist über die Antriebseinheit 11 die Schleifplatte 9 um eine Mittenachse um sich selbst drehbar und zudem entlang einer Bewegungsgeraden, die radial zum kreisförmigen Mittelpunkt des Poliertuchs 2 ausgebildet ist, verschiebbar. Damit kann die Schleifplatte 9 zwischen dem Mittelpunkt des Poliertuchs 2, der durch die Mittenachse der Antriebswelle 3 festgelegt ist, und dem Randbereich des Poliertuchs 2 hin- und herbewegt werden.
Die zweite Antriebseinheit 11 steht über eine Steuerleitung 16 mit der Antriebseinheit 4 in Verbindung. Die Antriebseinheit 4 wiederum verfügt über eine Steuereinheit 10, der ein Datenspeicher 12 zugeordnet ist. Die Steuereinheit 10 steuert abhängig von abgelegten Steuerprogrammen, die im Datenspeicher 12 gespeichert sind, den CMP-Prozess. Dabei berücksichtigt die Steuereinheit 10 Sensorsignale, die von Sensoren 13 zur Verfügung gestellt werden und eine physikalische und/oder chemische Größe des CMP-Polierprozesses beschreiben. Dazu sind die Sensoren 13 über Sensorleitungen 14 mit der Steuereinheit 10 verbunden.
Die Funktionsweise der CMP-Polieranordnung gemäß 1 wird im folgenden erläutert: bei Beginn des CMP-Prozesses wird das Substrat 5 durch die Antriebseinheit 4 mit einer Substratoberfläche 18 auf eine Poliertuchoberfläche 19 aufgelegt. Dabei wird eine gewünschte Vorspannung des Substrats 5 gegenüber dem Poliertuch 2 eingestellt. Zudem wird über eine Zuleitung 17 Polierflüssigkeit auf die Poliertuchoberfläche 19 aufgebracht. Die Polierflüssigkeit kann chemische Zusätze und/oder mechanische Partikel enthalten, die den Poliervorgang unterstützen.
Anschließend wird der Poliertuchhalter 1 in eine Drehbewegung um die Mittenachse der Antriebswelle 3 versetzt. Zudem wird der Substrathalter 6 entsprechend der Mittenachse der zweiten Antriebswelle 7 in eine Drehbewegung versetzt. Weiterhin wird der Substrathalter 6 zusätzlich in eine Pendelbewegung versetzt, bei der das Substrat 5 zwischen einem Mittelpunkt und einem Randbereich des Poliertuchs 2 hin- und herbewegt wird. Der Mittelpunkt des Poliertuchs 2 ist in der dargestellten Ausführungsform oberhalb der Mittenachse der Antriebswelle 3 angeordnet.
In Abhängigkeit von der gewählten Ausführungsform wird die Konditioniereinrichtung 8 entweder laufend während des Poliervorgangs eingesetzt, oder in Abhängigkeit von festgelegten Betriebsparametern aktiviert. Beim Einsatz der Konditioniereinrichtung 8 wird mithilfe der zweiten Antriebseinheit 2 die zweite Schleifplatte 9 gegen die Poliertuchoberfläche 19 gedrückt. Zudem wird die Schleifplatte 9 in eine Drehbewegung um die eigene Mittenachse versetzt und zusätzlich einer Pendelbewegung unterzogen, so dass die Schleifplatte 9 zwischen dem Mittelpunkt des Poliertuchs 2 und einem Randbereich des Poliertuchs 2 hin- und herbewegt wird. Mithilfe der Schleifplatte 9, die beispielsweise an der Oberfläche Diamanten aufweisen kann, wird das Poliertuch 2 aufgeraut und somit einer Einebnung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 durch den Poliervorgang am Substrat 5 entgegen gewirkt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Oberflächenstruktur der Poliertuchoberfläche 19 des Poliertuchs 2. Anhand von 2 ist erkennbar, dass die Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 keineswegs plan ist, sondern eine Vielzahl von Spitzen 20 und dazwischen liegenden Tälern 21 aufweist. Das dargestellte Poliertuch ist in Form eines Polyurethan-Poliertuchs ausgebildet. Die Anordnung der Spitzen 20 und Täler 21 stellt eine Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 dar. Die Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 und damit die Höhenpositionen der Spitzen 20 und die Tiefen der Täler 21 stellen wesentliche Parameter dar, die das Polierverhalten des Poliertuchs 2 beeinflussen.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Oberflächenstruktur O eines Poliertuchs. Die mittlere Höhe der Oberflächenstruktur ist durch die Linie HM dargestellt. Zudem ist eine Linie L dargestellt, die in der Höhe über dem Substrat eingezeichnet ist, ab der die Oberfläche des Poliertuchs die Oberfläche des Substrats berührt. Dies bedeutet, dass nur die Oberflächenbereiche des Poliertuchs das Substrat berühren, die oberhalb der Linie L angeordnet sind. Die Linie L liegt deutlich über der Linie HM.
Am rechten Rand ist die Höhenverteilung P(h) der Oberflächenstruktur über die Höhe h dargestellt. Da nur der obere Bereich der Oberflächenstruktur tatsächlich während des Poliervorgangs mit der Oberfläche des Substrates in Berührung kommt, ergibt sich, dass die Breite der Höhenverteilung ein wichtiges Maß für die Poliereigenschaft ist. In dem gewählten Ausführungsbeispiel ergibt sich für denjenigen Teil der Oberfläche oberhalb der Linie L eine nahezu exponentielle Verteilung der Oberflächenstruktur nach folgender Formel: P(h) = s exp(-h/s), wobei P die Wahrscheinlichkeit bezeichnet, auf dem Poliertuch eine Höhenposition h anzutreffen, und s die Standardabweichung und den Mittelwert der Höhenpositionen der Oberfläche angibt.
Grundsätzlich lässt sich der Zusammenhang ableiten, dass je kleiner die Breite der Höhenverteilung, charakterisiert durch den Wert von s, desto geringer die Abtragerate in abgestuften oder zurückgesetzten Oberflächen des Substrats. Je größer die Breite der Höhenverteilung ist, desto größer ist die Polier- und Abtragerate von zurückgesetzten Flächen des Substrates. Gute Ergebnisse wurden für Poliertücher ermittelt, deren Breite der Höhenverteilung kleiner als 4 μm, insbesondere kleiner als 3 μm sind. Bessere Ergebnisse wurden für Poliertücher ermittelt, deren Breite der Höhenverteilung kleiner als 3 μm, insbesondere kleiner als 1,5 μm ist.
Aufgrund der beschriebenen Erkenntnisse ist es vorteilhaft, die Poliertücher in Güteklassen nach Breitebereichen für die Höhenverteilung einzustufen. Eine erste Güteklasse umfasst Poliertücher mit einer Breite größer als 3 μm. Eine zweite Güteklasse umfasst Breitebereiche für die Höhenverteilung zwischen 1,5 μm und 3 μm. Eine dritte Güteklasse umfasst Höhenverteilungen mit einer Breite kleiner als 1,5 μm. In Abhängigkeit von dem zu polierenden Substrat wird nun ein Poliertuch einer entsprechenden Güteklasse gewählt und eingesetzt. Da für eine kleinere Breite der Höhenverteilung Herstellungsparameter präziser einzuhalten sind, ist das Poliertuch mit der kleineren Breite der Höhenverteilung teurer herzustellen. Somit kann entsprechend dem vorliegenden Substrat ein angepasstes Poliertuch verwendet werden. Damit werden Kosten eingespart.
Ist jedoch ein Substrat mit geringen Abstufungen zu polieren, wobei die zurückgesetzten Oberflächen nicht zu polieren sind, so muss ein Substrat mit einer kleinen Breite, vorzugsweise mit einer Breite gewählt werden, die kleiner als der Abstand zwischen der oberen Oberfläche und der zurückgesetzten Oberfläche ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung, bei der ein Substrat 5 mit oberen Oberfläche 22 und einer zurückgesetzten Oberfläche 23 mit einem Poliertuch 2 poliert wird. Die obere Oberfläche 23 ist um den Abstand d1 gegenüber der zurückgesetzten Oberfläche 23 höher angeordnet. Die Poliertuchoberfläche 19 liegt dabei nicht mit allen Spitzen 20 auf der zurückgesetzten Oberfläche 23 auf, die im Bereich der zurückgesetzten Oberfläche 23 am Poliertuch 2 ausgebildet sind. In Abhängigkeit von der Anzahl der aufliegenden Spitzen 20 wird sowohl die Abtragerate, als auch die Planarität beim Abtragen des Substrats 5. beeinflusst. Insbesondere wird das Abtrageverhalten während des CMP-Prozesses für die zurückgesetzten Oberflächen 23 von den Höhenpositionen der Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 beeinflusst.
Soll bei der vorliegenden Situation verhindert werden, dass die zurückgesetzte Oberfläche poliert oder abgetragen wird, so ist ein Poliertuch mit einer Breite der Höhenverteilung zu verwenden, die kleiner als der Abstand d1 zwischen der oberen und der zurückgesetzten Oberfläche 22, 23 ist. Dabei wird jedoch angenommen, dass die Steifigkeit des Poliertuches ausreichend groß ist, so dass sich das Poliertuch nicht oder nur unwesentlich durchbiegt.
5 zeigt eine Höhenverteilung Oberflächenstruktur eines Poliertuchs 2, wobei die Anzahl der Spitzen 20 über die Höhenposition der Spitzen 20 aufgetragen ist. Zudem ist in das Diagramm eine Linie D in der Höhenposition eingetragen, die der Tiefe d1 der zurückgesetzten Oberfläche 23 entspricht.
Dies bedeutet, dass alle Spitzen 20, deren Höhenposition kleiner als die Tiefe d1 ist, beim Poliervorgang nicht mit der zurückgesetzten Oberfläche 23 in Kontakt gebracht werden.
Die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur der Poliertuchoberfläche 19 kann beispielsweise mit Atomkraftmikroskopie (AFM) oder Elektronen-Scan-Mikroskopie oder mithilfe von optischen, interferometrischen Verfahren ermittelt werden.
Versuche haben gezeigt, dass die Verteilung der Höhenposition, wie in 5 dargestellt ist, eine wesentliche Einflussgröße für den Poliervorgang darstellt. Deshalb wird entgegen dem Stand der Technik die Verteilung der Höhenpositionen der Poliertuchoberfläche 19 zur Steuerung des CMP-Prozesses, zum Ermitteln eines Polierverhaltens eines CMP-Prozesses und zum Steuern eines Konditioniervorgangs verwendet.
6 zeigt eine schematische Darstellung des theoretischen Modells, das zur Ermittlung der Poliereigenschaften des Poliertuchs 2 verwendet wird. Bei diesem Modell wird das Poliertuch 2 in Form von Federelementen, insbesondere Hookschen Federelementen, simuliert. Das theoretische Modell wird dazu verwendet, um den lokalen Druck zwischen dem Poliertuch 2 und der Oberfläche des Substrats 5 zu ermitteln. Beim Poliervorgang sind die obere Oberfläche 22 und die zurückgesetzte Oberfläche 23 zu unterscheiden. Aufgrund der Höhenstruktur des Substrats 5 und der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur der Poliertuchoberfläche 19 wird ein erster Teil des Drucks auf die obere Oberfläche 22 und ein zweiter Teil des Drucks auf die zurückgesetzte Oberfläche 23 ausgeübt. Hierbei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Im ersten Fall kommt nur die obere Oberfläche mit den Federn in Kontakt und der Druck auf die obere Oberfläche ergibt sich aus dem von außen ausgeübten Druck durch Berücksichtigung der reduzierten Kontaktfläche. Im zweiten Fall kommen sowohl die obere wie auch die zurückgesetzte Oberfläche mit den Federn in Kontakt. Gemäß dem Hookschen Gesetz ist dann die Druckdifferenz zwischen der oberen Oberfläche 22 und der zurückgesetzten Oberfläche 23 proportional zu dem Abstand d1, den die zurückgesetzte Oberfläche 23 von der oberen Oberfläche 22 zurückgesetzt ist, während die Gesamtsumme der Drücke, die auf die obere Oberfläche 22 und auf die zurückgesetzte Oberfläche 23 ausgeübt werden, dem von außen ausgeübten Gesamtdruck entsprechen muss. Aussagen über die Abtrageraten während des Poliervorgangs können bei Berücksichtigung des Prestonschen Gesetzes ermittelt werden. Die Abtrageraten für den Poliervorgang für die obere Oberfläche 22 und die zurückgesetzte Oberfläche 23 können in Abhängigkeit von der Stufenhöhe d1 gemäß einem Standardmodell folgendermaßen ermittelt werden:
wobei die Abtragerate RR und die Zeitkonstante τ Parameter darstellen, die experimentell ermittelt werden. Mit dem Wert h ist die Stufenhöhe d1 bezeichnet. In Abhängigkeit vom Druck P und der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Poliertuch 2 und dem Substrat 5 ergibt sich unter Berücksichtigung des Prestonschen Gesetzes für die Abtragerate RR = KPV, wobei K einen Preston-Koeffizienten darstellt. Für das verwendete einfache, elastische Poliertuch-Modell ergibt sich folgende Definition τ = L₀/(EKV), wobei L₀ die Länge der Federelemente und E das Youngsche Modul darstellt. Die sogenannte Kontakthöhe h_c stellt die größte Stufenhöhe dar, bei der die zurückgesetzte Oberfläche 23 noch von dem Poliertuch berührt werden kann. Die Kontakthöhe ergibt sich folgendermaßen:
wobei τ_c die Kontaktzeit bezeichnet. Die Musterdichte ρ beschreibt das Flächenverhältnis zwischen der oberen Oberfläche 22 und einer festgelegten Referenzfläche, welche vorzugsweise experimentell ermittelt wird. In Abhängigkeit von dem gewählten mathematischen Modell kann auch eine gewichtete Durchschnittsfunktion für die Musterdichte ρ verwendet werden. Beispielsweise kann ρ folgendermaßen definiert werden:
wobei eine Interaktionslänge IL als zusätzlicher Modellparameter verwendet wird. Die charakteristische Funktion χ (x, y) ist durch die Geometrie der zu planarisierenden Struktur vorgegeben. Um die Gleichungen 1 für einen festgelegten Wert der Musterdichte zu lösen, werden beide Formeln in einer einzigen, geschlossenen Differentialgleichung für die Stufenhöhe kombiniert, wobei die Stufenhöhe linear eingeht und deshalb die Differentialgleichung analytisch gelöst werden kann. Beim Einsetzen der Lösung in die Gleichungen 1 können die Höhen der oberen Oberfläche 22 und der zurückgesetzten Oberfläche 23 durch eine einfache Integration erhalten werden, die ebenfalls analytisch gelöst werden kann.
Gemäß der Weiterentwicklung des theoretischen Modells nach der erfinderischen Lehre wird die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur der Poliertuchoberfläche 19 dadurch berücksichtigt, dass die Länge der Federn gemäß der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur angenommen wird.
Die Abtrageraten für die obere Oberfläche 22 und die zurückgesetzte Oberfläche 23 werden durch eine Integration der Beiträge jeder Feder gemäß den Gleichungen 1 mit der entsprechenden Höhenverteilung der Oberflächenstruktur berechnet. Aufgrund der proportionalen Abhängigkeit zwischen der Federlänge und der Kontakthöhe, wie in Gleichung 2 beschrieben, kann man eine äquivalente Verteilung der Kontakthöhen annehmen.
Mit dieser Betrachtungsweise wird der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit der Poliertuchoberfläche 19, d.h. die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur auf den Poliervorgang, deutlich. Je länger die Federelemente sind, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Federelemente die zurückgesetzte Oberfläche 23 beim Polierprozess zu einem früheren Zeitpunkt berühren und abtragen. Damit ist klar, welche der zwei Gleichungen in der Formelgruppe 1 für eine bestimmte Federlänge anwendbar ist. Alle Federelemente, deren Kontakthöhe größer ist als die Stufe, die die zurückgesetzte Oberfläche 23 gegenüber der oberen Oberfläche 22 zurückgesetzt ist, kommen mit der zurückgesetzten Oberfläche 23 in Kontakt. Daraus ergeben sich folgende Formeln für die Abtragerate in Bezug auf die obere Oberfläche 22 und die zurückgesetzte Oberfläche 23:
In 4 ist eine Pearson Typ III-Verteilung verwendet, die mit folgender Formel beschreibbar ist:
woraus sich ein Bereich zwischen α und ∞, ein Maximum, falls vorhanden, mit α + (p – 1)β, ein Mittelwert mit α + pβ, eine Standardabweichung mit √pβ, eine Schräge mit
und eine Wölbung mit 6/p ergeben. Anstelle des bisherigen Werts τ, kann wahlweise das Maximum oder der Mittelwert verwendet werden, d.h. α = τ – (p – 1)β oder α = τ – pβ, wobei in unserem Modell die letzte Formel für τ verwendet wird. Zudem muss α > 0 sein, wodurch sich eine Beschränkung für β ergibt. Versuche haben gezeigt, dass Werte der Konstanten p ~ 1 bessere Ergebnisse liefern, da dadurch größere Werte β erlaubt werden.
Es kann einfach nachgewiesen werden, dass für eine Deltaverteilung der Länge der Federelemente oder der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur entsprechend den Formeln 3a und 3b der Fall einer konstanten Federlänge entspricht. Für eine Verteilung, die relativ breit verglichen mit der anfänglichen Stufenhöhe ist, wird ein Polieren der zurückgesetzten Oberfläche 23 sofort bei Beginn des Poliervorgangs festgestellt. Zudem verhält sich die Abtragerate für die zurückgesetzte Oberfläche 23 linear mit der Musterdichte, wie oben bereits festgestellt wurde. Eine offensichtliche Voraussetzung für die Verteilung der Federlängen ist, dass nur positive Federlängen verwendet werden. Zudem könnte erwartet werden, dass sogar eine minimale Federlänge erforderlich wäre. Nach unserer Erfahrung kann für die Verteilung der Federlängen die Pearson Typ III-Verteilung eingesetzt werden, wobei Γ eine Gammafunktion darstellt. Aus 4 ist ersichtlich, dass durch eine Veränderung von α, β und p oben genannten Eigenschaften, nämlich der kleinste Wert, die Breite und die Asymmetrie der Höhenverteilung, eingestellt werden können. Diese Parameter werden vorzugsweise experimentell bestimmt. Die Lösung der Gleichungen 3a und 3b ist nicht mehr analytisch möglich, sondern muss über eine numerische Simulation ermittelt werden.
Somit kann mithilfe des beschriebenen theoretischen Modells eine verbesserte Voraussage für das Polierverhalten eines CMP-Prozesses auf oberen Oberflächen 22 und in zurückgesetzten Oberflächen 23 gemacht werden. Dies ist dadurch möglich, dass die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs bei dem mathematischen Modell berücksichtigt wird. In der beschriebenen Ausführungsform wird die Höhenverteilung in Form einer Pearson Typ III-Verteilung angenommen. Es können jedoch auch andere Modelle für die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs verwendet werden. Wesentlich ist dabei die Erkenntnis, dass die Höhenverteilung und insbesondere die Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs einen großen Einfluß auf das Polierverhalten während des CMP-Prozesses hat. Dabei ist sowohl die Abtragerate, als auch die Planarität des CMP-Prozesses von der Höhenverteilung bzw. von der Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs abhängig. Die Breite der Höhenverteilung liegt bei derzeit gebräuchlichen Polierprozessen etwa zwischen 2 μm bis 3 μm. Durch eine Verringerung dieser Breite kann eine verbesserte Planarisierung erzielt werden.
Somit kann gemäß der Anordnung von 1 der CMP-Prozess in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuchs gesteuert werden. Bei dem beschriebenen CMP-Prozess wird vom Steuergerät 10 sowohl die Antriebseinheit 4, als auch die Konditioniereinrichtung 8 gesteuert. Dazu sind festgelegte Steuerprogramme im Datenspeicher 12 abgelegt. Gemäß der Weiterentwicklung durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bei den Steuerverfahren im Datenspeicher 12 vorzugsweise zusätzlich zu den bekannten Parametern, wie z.B. Anpressdruck, relative Geschwindigkeit zwischen Poliertuch und Substrat, Zusammensetzung der CMP-Flüssigkeit, Polierdauer, auch die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur, insbesondere eine Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs berücksichtigt.
Bei einer Veränderung der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs während des CMP-Prozesses wird bei Überschreiten einer Änderungsgrenze die Steuerung des CMP-Prozesses verändert, so dass das gewünschte Polierergebnis erhalten wird. Als Änderungsgrenze wird beispielsweise eine festgelegte Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur verwendet. Beispielsweise kann bei einer ungewünschten Veränderung der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs eine Konditionierung des Poliertuchs gestartet werden. Zudem kann abhängig von der Veränderung oder in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs die Polierzeit verändert werden. Beispielsweise stehen verschiedene Klassen von Poliertüchern zur Verfügung, die verschiedene Klassen von Breiten von Höhenverteilungen der Oberflächenstruktur darstellen. Abhängig von dem verwendeten Poliertuch werden unterschiedliche Werte für die Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs beim Steuerprozess durch die Steuereinheit 10 berücksichtigt. Beispielsweise können Werte für die Höhenverteilungen der Poliertücher zuvor experimentell ermittelt oder aus Datenblättern der Poliertücher entnommen und der Steuereinheit 10 zur Verfügung gestellt werden. Zudem können in einer weiteren Ausführungsform während es CMP-Prozesses mithilfe der Sensoren 13 die Breiten der Höhenverteilungen der Oberflächenstruktur des Poliertuchs gemessen und von der Steuereinheit 10 berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Konditioniervorgang auch in Abhängigkeit von der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs gesteuert. Dazu sind beispielsweise Erfahrungswerte für die zeitliche Änderung der Breiten der Höhenverteilungen der Poliertücher im Datenspeicher 12 abgelegt oder die Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs 2 wird mithilfe eines Sensors 13 erfasst und an die Steuereinheit 10 weitergeleitet. Beispielsweise kann bei Abweichen der tatsächlichen Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs von einem gewünschten Wertebereich für die Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs ein Konditioniervorgang gestartet werden. Zudem kann auch während der Durchführung des Konditioniervorgangs das Ende des Konditioniervorgangs und/oder die Art und Weise des Konditioniervorgangs in Abhängigkeit von einer erreichten Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs gesteuert werden. Dabei kann die Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs während des Konditioniervorgangs in situ gemessen werden oder mithilfe von theoretischen Modellen berechnet werden.
Weiterhin können experimentelle Erfahrungswerte für Breiten von Höhenverteilungen für festgelegte Konditioniervorgänge im Datenspeicher abgelegt sein, so dass abhängig von einer Zeitdauer des Konditioniervorgangs eine festgelegte Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs erreicht wird und somit nach der Zeitdauer der Konditioniervorgang beendet wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Steuerung des CMP-Prozesses in Abhängigkeit von der Höhenstruktur des Substrats 5 durchgeführt. Vorzugsweise wird dabei ein Verhältnis zwischen der Größe der Fläche der oberen Oberfläche 22 in Bezug auf die Größe der Fläche der zurückgesetzten Oberfläche 23 verwendet. Zudem findet auch bei der Steuerung des CMP-Prozesses die Tiefe, d.h. die Stufenhöhe d1 zwischen der oberen Oberfläche 22 und der zurückgesetzten Oberfläche 23, Einfluss in das theoretische Modell und damit auch Einfluss in das Steuerverfahren des CMP-Prozesses.
In einer weiteren Ausführungsform wird unter Berücksichtigung der Breite der Höhenverteilung der Oberflächenstruktur des Poliertuchs ein Abtrageverhalten, insbesondere eine Abtragerate für die zurückgesetzten Oberflächen 23 und/oder die oberen Oberflächen 22 ermittelt. Das ermittelte Abtrageverhalten für die obere Oberfläche 22 und/oder die zurückgesetzte Oberfläche 23 wird zudem bei der Steuerung des CMP-Prozesses berücksichtigt. Somit wird der CMP-Prozess beendet, wenn eine gewünschte Planarität und/oder eine gewünschte Abtragetiefe der oberen Oberfläche 22 und/oder der zurückgesetzten Oberfläche 23 erreicht ist.

1: Poliertuchhalter
2: Poliertuch
3: Antriebswelle
4: Antriebseinheit
5: Substrat
6: Substrathalter
7: 2. Antriebswelle
8: Konditioniervorrichtung
9: Schleifplatte
10: Steuereinheit
11: Zweite Antriebseinheit
12: Datenspeicher
13: Sensor
14: Sensorleitung
15
16: Steuerleitung
17: Zuleitung
18: Substratoberfläche
19: Poliertuchoberfläche
20: Spitze
21: Tal
22: Obere Oberfläche
23: Zurückgesetzte Oberfläche

Claims

Verfahren zum Steuern eines CMP Prozesses mit einem Poliertuch, mit dem eine Oberfläche eines Substrates poliert wird, wobei der Poliervorgang anhand von wenigstens einem Prozessparameter gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung des CMP-Prozesses eine Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches, insbesondere eine Breite der Höhenverteilung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polierdauer für den CMP-Prozess abhängig von der Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches ermittelt und für die Steuerung des CMP-Prozesses wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenstruktur des Substrates bei dem Steuerverfahren berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Höhenstruktur die Größe einer oberen Oberfläche und die Größe einer vertieften Oberfläche des Substrates berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein theoretisches Model für eine Ermittlung der Wirkung des Poliertuches beim CMP-Prozess verwendet wird, und dass bei diesem theoretischen Modell die Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches, insbesondere die Breite der Höhenverteilung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem theoretischen Modell das Poliertuch in Form von Federelementen, insbesondere Hookeschen Federelementen simuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtrageverhalten für die vertiefte Oberfläche aufgrund der Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches ermittelt wird.
Verfahren zum Ermitteln eines Polierverhaltens eines CMP Prozesses eines Substrates mit einem Poliertuch, mit dem eine obere Oberfläche und eine zurückgesetzte Oberfläche des Substrates einem Poliervorgang mit dem Poliertuch unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Polierverhaltens für die obere Oberfläche und/oder die zurückgesetzte Oberfläche eine Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches, insbesondere eine Breite der Höhenverteilung berücksichtigt wird.
Verfahren zum Steuern eines Konditioniervorganges eines Poliertuches bei einem CMP Prozesses, bei dem mit einem Poliertuch eine Oberfläche eines Substrates poliert wird, wobei das Poliertuch einem Konditioniervorgang unterzogen wird, wobei beim Konditioniervorgang das Poliertuch mit einer Konditioniervorrichtung bearbeitet wird, um eine gewünschte Oberflächeneigenschaft des Poliertuches herzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass für den Beginn und/oder die Steuerung des Konditioniervorganges die Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuches, insbesondere die Breite der Höhenverteilung, berücksichtigt wird.
Poliertuch für einen CMP-Prozess mit einer Oberfläche, die eine Höhenverteilung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhenverteilung eine Breite aufweist, die kleiner als 3 μm ist.
Poliertuch nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Höhenverteilung kleiner als 1,5 μm ist.
Poliertuch insbesondere nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Güteklassen für Poliertücher vorgesehen sind, und dass die Güteklassen unterschiedlichen Breitenbereichen der Höhenverteilung der Oberfläche des Poliertuchs entsprechen, und dass ein Poliertuch einer der Güteklassen zugeordnet ist.