DE102007041209B4

DE102007041209B4 - Polierkopf, der Zonenkontrolle verwendet

Info

Publication number: DE102007041209B4
Application number: DE102007041209.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Heinrich; Gerd Marxsen
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2027-09-01
Also published as: DE102007041209A1; US7905764B2; US20090061745A1

Abstract

Polierkopf (130) für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung, der zum Polieren von Materialien mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante ausgelegt ist und der folgendes umfasst: mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3), die so ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Temperaturen (T1, T2, T3) zum Übertragen von Wärme auf mindestens zwei Zonen (1, 2, 3) eines Substrats (203) entsprechend den zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3) aufweisen; und ein Wärmeübertragungselement (205) zum Übertragen von Wärme von den Polierkopfzonen (1, 2, 3) auf entsprechende Substratzonen.

Description

Gebiet der vorliegenden Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Polierkopf, eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung und ein Verfahren zum Kontrollieren eines Abtragprofiles eines Materials mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante über einem Wafer mit einer chemisch-mechanischen Poliervorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
In Mikrostrukturen, wie z. B. integrierten Schaltkreisen, werden eine große Anzahl von Elementen, wie z. B. Transistoren, Kondensatoren und Widerstände auf einem einzelnen Substrat hergestellt, in denen halbleitende, leitende und isolierende Materialschichten abgeschieden werden und in denen diese Schichten durch Photolithographie und Ätztechniken strukturiert werden. Regelmäßig tritt das Problem auf, dass die Strukturierung von nachfolgenden Materialschichten durch eine ausgeprägte Topographie der vorher gebildeten Materialschichten negativ beeinflusst wird. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Mikrostrukturen oft das Entfernen von überschüssigem Material einer vorher abgeschiedenen Materialschicht. Z. B. können einzelne Schaltkreiselemente durch Metallleitungen elektrisch miteinander verbunden sein, die in einem Dielektrikum eingebettet sind, wodurch das entsteht, worauf man sich im Allgemeinen als eine Metallisierungsschicht bezieht. In modernen integrierten Schaltkreisen werden eine Vielzahl von solchen Metallisierungsschichten typischerweise übereinander geschichtet, um die erforderliche Funktionalität bereitzustellen. Das wiederholte Strukturieren von Materialschichten erzeugt jedoch eine zunehmend nicht planare Oberflächentopographie, die die nachfolgenden Strukturierungsprozesse beeinträchtigen kann, insbesondere bei Mikrostrukturen, die Merkmale mit minimalen Abmessungen im Submikrometerbereich einschließen, wie z. B. im Fall von hochentwickelten integrierten Schaltungen.
Weiterhin führte die Forderung nach höherer Integration, höheren Taktfrequenzen und geringerem Energieverbrauch in der Mikroprozessortechnologie zu einer Chipverbindungstechnologie unter Verwendung von Kupfer, anstatt von Aluminium zur Chipverdrahtung. Da Kupfer ein besserer Leiter als Aluminium ist, können Chips, die diese Technologie verwenden, kleinere Metallkomponenten aufweisen und wenden weniger Energie auf, um Elektrizität durch sie hindurchzuleiten. Diese Effekte führen zu einer höheren Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltungen.
Der Übergang von Aluminium zu Kupfer erforderte jedoch bedeutende Entwicklungen in den Herstellungstechniken. Da flüchtige Kupferverbindungen nicht existieren, kann Kupfer nicht einfach durch Photolackmasken und Plasmaätzen strukturiert werden, so dass eine neue Technologie zum Strukturieren von Kupfer entwickelt werden musste, die als Kupfer-Damaszener-Verfahren bekannt ist. In diesem Verfahren wird die darunter liegende Siliziumdioxidisolierschicht mit offenen Graben strukturiert, in die das leitfähige Material eingefüllt werden soll. Eine dicke Kupferbeschichtung, die die Graben wesentlich überfüllt, wird auf dem Isolator abgeschieden. Das überschüssige Kupfer wird dann bis hinunter auf das obere Niveau des Grabens entfernt. Gegenwärtig gibt es kein effektives Kupfertrockenätzverfahren, wegen der Probleme beim Entfernen von geringflüchtigen Kupferverbindungen. Gegenwärtig wird chemisch-mechanisches Polieren (CMP, chemical mechanical polishing) verwendet, um das überschüssige Kupfer zu entfernen.
Die wiederholte Strukturierung von Materialschichten erzeugt jedoch eine nicht planare Oberflächentopographie, die darauffolgende Strukturierungsprozesse stören kann, insbesondere für Mikrostrukturen, die Merkmale mit kleinsten Abmessungen im Submikrometerbereich einschließt, wie z. B. im Fall von ausgeklügelten integrierten Schaltungen.
Abschließend gesagt, ist es typischerweise notwendig, die Oberfläche des Substrats zwischen der Ausbildung von aufeinanderfolgenden Schichten zu planarisieren. Eine planare Oberfläche des Substrats ist aus verschiedenen Gründen erforderlich. Einer davon ist die begrenzte optische Tiefe des Fokusses bei der Photolithographie, die verwendet wird, um die Materialschichten der Mikrostrukturen zu strukturieren.
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) ist ein geeignetes und weithin verwendetes Verfahren, um überschüssiges Material zu entfernen, einschließlich von Kupfer und Wolfram, und um eine globale Planarisierung eines Substrats zu erreichen. In dem CMP-Verfahren wird ein Wafer auf einen geeignet geformten Träger, einen sogenannten Polierkopf, montiert und der Träger wird relativ zu einem Polierfeld (polishing pad) bewegt, während der Wafer in Kontakt mit dem Polierfeld ist. Ein Polierschlamm wird auf das Polierfeld während dem CMP-Verfahren zugeführt und enthält eine chemische Verbindung, die mit dem Material oder den Materialien der Schicht, die planarisiert werden soll, reagiert, durch z. B. Umwandeln des Materials in ein Oxid, während das Reaktionsprodukt, wie z. B. das Metalloxid, dann mechanisch mit Schleifmitteln, die in dem Polierschlamm und/oder dem Polierfeld enthalten sind, entfernt wird. Um die erforderliche Abtragrate zu erhalten, während man zur selben Zeit ein hohen Grad von Planarität der Schicht erreicht, müssen Parameter und Bedingungen des CMP-Prozesses geeignet gewählt werden, wobei Faktoren, wie z. B. Konstruktion des Polierfeldes, Art des Polierschlamms, Druck, der auf den Wafer angewendet wird, während er sich relativ zu dem Polierfeld bewegt, und die relative Geschwindigkeit zwischen dem Wafer und dem Polierfeld berücksichtigt werden. Die Abtragrate hängt weiterhin bedeutend von der Temperatur des Polierschlammes ab, wobei umgekehrt die Temperatur bedeutend von dem Reibungsbetrag beeinflusst wird, der durch die Relativbewegung zwischen dem Polierfeld und dem Wafer, durch den Sättigungsgrad des Polierschlammes mit abgeriebenen Partikeln und, insbesondere, durch den Zustand der Polieroberfläche des Polierfeldes entsteht.
1 zeigt schematisch eine Skizze eines konventionellen Systems 100 zum chemisch-mechanischen Polieren. Das System 100 umfasst eine Auflageplatte 101, auf der ein Polierfeld 102 montiert ist. Polierfelder werden oft aus einem Polymermaterial mit zellförmiger Mikrostruktur mit einer Vielzahl von Hohlräumen, wie z. B. bei Polyurethan, hergestellt. Ein Polierkopf 130 umfasst einen Körper 104 und einen Substrathalter 105, um ein Substrat 103 aufzunehmen und festzuhalten. Der Polierkopf 130 ist mit einer Antriebsanordnung 106 gekoppelt. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Polierschlammzuführung 112 und einen Polierfeldbehandler (nicht gezeigt).
Im Betrieb dreht sich die Auflageplatte 101. Die Polierschlammzuführung 112 führt Polierschlamm an die Oberfläche des Polierfeldes 102 zu, wo sie durch Zentrifugalkräfte verteilt wird. Der Polierschlamm umfasst eine chemische Verbindung, die mit dem Material oder den Materialien auf der Oberfläche des Substrates 103 reagiert. Das Reaktionsprodukt wird durch Schleifmittel, die in dem Polierschlamm und/oder dem Polierfeld 102 enthalten sind, entfernt. Der Polierkopf 130 und damit auch das Substrat 100 wird durch die Antriebsanordnung 106 gedreht, um im Wesentlichen die Effekte der unterschiedlichen linearen Geschwindigkeiten der Bereiche des Polierfeldes 102 bei unterschiedlichen Radien zu kompensieren. In fortschrittlichen Systemen 100 wird zusätzlich der rotierende Polierkopf 130 über das Polierfeld 102 bewegt, um weiterhin die relative Bewegung zwischen dem Substrat 103 und dem Polierfeld 102 zu optimieren und um die Polierfeldausnutzung zu maximieren. Der Polierfeldbehandler kann eine Schleifkomponente, wie z. B. Diamanten, die in einer Matrix eingebettet sind, umfassen. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Polierfeldes 102 abgeschliffen und verdichteter Polierschlamm, wie auch Partikel, die von der Oberfläche des Substrats wegpoliert wurden, werden aus Löchern in dem porösen Polierfeld 102 entfernt.
Verschiedene Ausführungen von chemisch-mechanischen Poliervorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Z. B. kann die sich rotierende Auflageplatte 101 durch ein kontinuierliches Band ersetzt werden, das mit Rollen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, unter Spannung gehalten wird, oder Polierschlamm kann durch das Polierfeld 102 injiziert werden, um den Polierschlamm direkt zu der Schnittstelle zwischen dem Polierfeld 102 und dem Substrat 103 zuzuführen.
Stand der Technik CMP-Prozesse verwenden Polierköpfe, die in der Lage sind, die Polierabtragrate einzustellen, indem das Abtragprofil durch Anwenden von Druck auf Zonen auf der Rückseite der Wafer (zonenzugeordneter Rückseitendruck) abzuflachen. Das bedeutet, dass der Polierkopf eine nicht homogene Druckverteilung bereitstellen kann, die eine Kontrolle über das Polierprofil erlaubt, so dass das Polierprofil so eingestellt werden kann, dass es invers zu einem Abscheideprofil des vorangegangenen Abscheideprozesses, z. B. mit einem elektrochemischen Plattierwerkzeug zum Kupferabscheiden, ist.
Eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischem Polieren gemäß der 1 ist aus der deutschen Patentanmeldung DE-A-102 61 465 bekannt. Eine Vorrichtung mit zonenzugeordnetem Rückseitendruck ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-1 852 220 bekannt.
Die Patentschrift US 6150271 betrifft Differenztemperatursteuerung in chemisch-mechanischen Polierprozessen. Dieses Patent offenbart die Kompensation von ungleichförmigem Polierverhalten aufgrund von radialen Temperaturunterschieden über dem Halbleiterwafer durch lokale Steuerung der Temperatur des Wafers. Heizen/Kühlen wird umgesetzt durch Temperatursteuerspulen im Kopf des Waferträgers.
Das US-Patent US 6749484 betrifft eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit Temperatursteuerung. Die offenbarte Vorrichtung steuert die Tempearatur von zirkularen Zonen des Wafers.
Die US-Patentanmeldung US 2003/0186623 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heizen eines Polierpads. Dieses Dokument offenbart ein Planarisierungspolierband, auf dessen einer Seite ein rotierender Waferträger einen Wafer auf das Polierband drückt, und auf dessen anderer Seite ein Temperatursteuerungssystem angeordnet ist.
In Metallpolierprozessen, insbesondere in einem Kupfer-CMP Prozess und einem Wolfram-CMP Prozess, tendieren neu entwickelte Polierschlämme dazu, geringere mechanische Eigenschaften aufzuweisen und stattdessen stärkere chemische Poliereigenschaften aufzuweisen. Das bedeutet, dass die Polierrate nicht (streng) der Preston-Gleichung (entwickelt von Preston, 1927) folgt, das die mechanischen Effekte des Druckes und der Geschwindigkeit in dem CMP-Prozess moduliert: 4a R = K·P·V wobei R die Polierrate bezeichnet, P der angelegte Druck nach unten ist, V die lineare Geschwindigkeit des Wafers relativ zu dem Polierfeld ist, und K eine Proportionalitätskonstante ist, die Presten-Koeffizient genannt wird. Diese Schlämme sind insbesondere für Prozesse mit sehr niedrigen nach unten gerichteten Kräften auslegt, die typischerweise mit ULK-Materialien (ultra low dielectric constant materials, Materialien mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante) verwendet werden. Einige dieser Schlämme zeigen überhaupt kein bedeutendes Anwachsen der Abtragrate, wenn der Druck nach unten erhöht wird. Als ein Ergebnis ist die Kontrolle des Abtragprofiles mit konventionellen Polierköpfen, die zonenzugeordnete Rückseitendrücke verwenden, eingeschränkt.
Deshalb ist ein Problem mit konventionellen Systemen zum chemisch-mechanischen Polieren, dass die Kontrolle des Polierprofils bei CMP-Prozessen nicht ausreichend effektiv ist, insbesondere wenn ULK-Materialien beteiligt sind.
Angesichts der oben erwähnten Probleme existiert ein Bedarf für einen Polierkopf und ein System, das den selben verwendet, das eine Polierprofilkontrolle erlaubt, selbst wenn Polierschlämme verwendet werden, die nicht dem Gesetz von Preston gehorchen. Weiterhin existiert ein Bedarf für ein Verfahren zur Steuerung eines Abtragprofils über einem Wafer, bei dem Polierschlämme verwendet werden, die nicht Prestens Gesetz folgen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Polierkopf die Merkmale des Anspruches 1.
Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung umfasst eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung die Merkmale des Anspruches 16
Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Kontrollieren eines Abtragprofiles eines Materials mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante über einem Wafer mit einer chemisch-mechanischen Poliervorrichtung die Merkmale des Anspruches 19.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden in den beiliegenden Ansprüchen definiert und werden mit der folgenden ausführlichen Beschreibung offensichtlicher, wenn sie mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen verwendet wird, bei denen:
1 eine Skizze eines vereinfachten konventionellen Systems zum chemisch-mechanischen Polieren zeigt;
2 schematisch die Aufteilung des Polierkopfes in ringförmige Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine Ausführungsform zum Realisieren eines Polierkopfes mit Zonen von unterschiedlichen Temperaturen veranschaulicht;
4 eine andere Ausführungsform zur Realisierung eines Polierkopfes mit Zonen von unterschiedlichen Temperaturen beispielhaft veranschaulicht; und
5 eine Kalibrierkurve für die Temperaturabhängigkeit einer Polierrate veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug auf Ausführungsformen, wie sie in der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulicht werden, beschrieben wird, ist die ausführliche Beschreibung nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung auf die besonderen Ausführungsformen, die darin offenbart sind, einzuschränken, sondern die beschriebenen Ausführungsformen sollen nur die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung beispielhaft veranschaulichen, deren Umfang durch die beiliegenden Ansprüche definiert wird.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich allgemein auf chemisch-mechanisches Polieren, das eine Kontrolle des Polierprofils erlaubt, selbst wenn Schlämme verwendet werden, die beinahe keine Abhängigkeit zwischen der Polierrate und der Auflagekraft zeigen. Weiterhin spricht diese Offenbarung chemisch-mechanisches Polieren bei Prozessen mit sehr geringen nach unten gerichteten Kräften an, die notwendig sind, wenn ULK-Materialien beteiligt sind, die sehr empfindlich auf Stress reagieren. Da konventionelle chemisch-mechanische Polierverfahren mit Polierköpfen mit zonenzugeordneten Rückseitendrücken zum Steuern des Polierprofils arbeiten, sind Poliervorrichtungen des Standes der Technik nicht für Polierprozesse mit geringen nach unten gerichteten Kräften geeignet.
Neben dem Verfahren, das eine Einstellung von zonenzugeordneten Rückseitendrücken zur Kontrolle des Polierprofiles verwendet, existieren andere Prozessparameter, wie Schlammfluss, Auflageplattengeschwindigkeit und Kopfgeschwindigkeit, die einen Einfluss auf die Polierrate haben. Diese Einflüsse sind jedoch komplexer und schwierig in der Realzeitprozesssteuerung einzusetzen, woraus sich größere Profilabweichungen und Prozessrisiken ergeben.
Deshalb stellt die vorliegende Offenbarung einen Polierkopf bereit, der in mindestens zwei unterschiedliche Segmente oder Zonen segmentiert ist, die eine individuelle Einstellung der Temperatur erlauben. Da der Poliereffekt der Schlämme für geringe nach unten gerichtete Kräfte auf chemischen Reaktionen basiert, kann die Temperaturabhängigkeit der chemischen Reaktion verwendet werden, die Polierrate zu kontrollieren. Typischerweise ist die Beziehung zwischen der Temperatur und der Polierrate eine Abhängigkeit vom Arrhenius-Typ, wie es in der Kalibrierkurve in 5 veranschaulicht ist. Dadurch kann eine Steuerung des Polierprofils realisiert werden.
2 zeigt schematisch eine Zonenstruktur 202 eines Polierkopfes 130. Die unterschiedlichen Temperaturen T1, T2 und T3 werden auf ein Substrat 203 übertragen, wobei eine Seite davon in engen Kontakt mit den Zonen 1, 2 und 3 des Polierkopfes ist. Während des Betriebes ist die andere Seite des Substrats 203 dem chemischen Polierschlamm ausgesetzt, um überschüssiges Material, während des Polierprozesses zu entfernen.
Wie in 2 veranschaulicht ist, haben in einer anschaulichen Ausführungsform die Zonen typischerweise Kreisform. Die Zonen sind jedoch nicht auf eine Kreisform oder eine bestimmte Anzahl beschränkt. Wie der Fachmann nach vollständigen Lesen der vorliegenden Anmeldung zu würdigen weiß, kann die Form und die Anzahl der Zonen entsprechend den Bedürfnissen eines bestimmten Prozesses gestaltet werden. Z. B. können die Zonen eine halbkreisförmige oder rechteckige Form aufweisen und können mehr oder weniger als 4 Segmente abhängig von dem gewünschten Temperaturgradienten und der Glattheit des Gradienten umfassen. 2 präsentiert weiterhin ein anschauliches Beispiel für bestimmte Temperaturen in den Zonen. Im Detail wird Zone 1 auf die Temperatur T1 eingestellt. Zone 2 wird auf eine Temperatur eingestellt, die um T* größer ist als T1. Zone 3, die die Temperatur in der Mitte repräsentiert, ist auf eine Temperatur eingestellt, die um die selbe Temperatur T* wie vorher größer ist als die Temperatur T2. Dies führt zu einer rotationssymmetrischen Temperaturverteilung, die annäherungsweise glockenförmig ist. Im Ergebnis ist die Abtragrate während des Polierens im Zentrum des Substrats 203 maximal und fällt konstant zu den Rändern des Substrats 203 hin ab. Auf diese Weise kann ein Polierprofil erreicht werden, das invers zum Abscheideprofil von zum Beispiel einem elektrochemischen Plattierwerkzeug zum Abscheiden von Kupfer ist.
Es gibt unterschiedliche Ansätze, einen Polierkopf mit Zonen von verschiedenen Temperaturen bereitzustellen.
In einem ersten Ansatz wird der Polierkopf mit unterschiedlichen Kammern bereitgestellt, wobei jede Kammer einer bestimmten Zone zugeordnet ist. Die Temperatur in jeder Zone wird durch Füllen der Kammer mit einem Fluid einer bestimmten Temperatur eingestellt.
Dieser Ansatz erlaubt das Aufheizen über die Umgebungstemperatur und Abkühlen unter die Umgebungstemperatur entsprechend den Prozessanforderungen.
Gemäß eines zweiten Ansatzes werden die Zonen bereitgestellt, indem getrennte elektrische Heizelemente an dem Polierkopf angebracht werden, die in Kontakt mit dem Substrat gebracht werden. Der zweite Ansatz erlaubt nur das aktive Heizen über die Umgebungstemperatur. Abkühlen ist auf das natürliche Abkühlen auf Umgebungstemperaturen beschränkt. Weiteres aktives Kühlen erfordert zusätzliche Einrichtungen zum aktiven Kühlen unterhalb der Umgebungstemperatur, z. B. durch Peltier-Elemente oder Zuführen von vorgekühlten Gasen oder Flüssigkeiten.
Um die Fähigkeiten der Temperatureinstellung im Sinne von Geschwindigkeit der Temperaturänderungen und Ausweitung des erreichbaren Temperaturbereiches zu verbessern, können beide Ansätze kombiniert werden.
Um die Effizienz der Temperatureinstellung zu verbessern, kann der Polierkopf weiterhin ein Wärmeübertragungselement zum Übertragen der Wärme von den Polierkopfzonen zu den entsprechenden Substratzonen umfassen. Das Wärmeübertragungselement saute eine hohe thermische Leitfähigkeit und ein niedrige thermische Kapazität aufweisen. Dies kann durch Auswählen von geeigneten Materialien und Reduzieren der Dicke und des Volumens des Wärmeübertragungselementes erreicht werden.
Um eine bessere Kontrolle der Temperaturverteilung zu erreichen, kann das Wärmeübertragungselement in Segmenten ausgebildet sein, entsprechend den Polierkopfzonen.
Verbesserung der Heiz- und Kühleffizienz kann erreicht werden, wenn das Wärmeübertragungselement mit einem Hohlraum bereitgestellt wird, der ein vorbestimmtes Volumen aufweist, in dem ein Fluid zur Wärmeübertragung enthalten ist. Optional kann das Fluid ausgetauscht werden und der Hohlraum kann in einer Durchflusskonfiguration ausgeführt sein, um die Effizienz der Temperatureinstellung weiter zu verbessern.
Das Wärmeübertragungselement kann eine dünne blattähnliche Membrane mit hoher thermischer Leitfähigkeit umfassen, z. B. hergestellt aus einem Metall, um das Fluid von dem Substrat zu trennen.
Das Volumen des Hohlraums weist eine Dicke von weniger als 5 mm und vorzugsweise von weniger als 2 mm auf.
Die blattähnliche Membran hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 1 mm.
Das Fluid kann ein Edelgas, z. B. Argongas, umfassen.
Um die Kühleffizienz zu verbessern, können die getrennten elektrischen Heizzonen weiterhin Einrichtungen zum Abführen der Wärme, z. B. ein Peltier-Element oder einen Kühlkörper umfassen, mit einem Fluid als Mittel zum Abführen der Wärme.
Die 3 und 4 stellen beispielhaft zwei Ausführungsformen einer Realisierung von Zonen zum Einstellen der Temperatur dar.
In 3 werden die Zonen bereitgestellt, indem getrennte elektrische Heizzonen unter Verwendung eines Kontaktmaterials mit hoher thermischer Leitfähigkeit und niedriger thermischer Kapazität an den Wafer angebracht werden. In 3 bezeichnet das Bezugseichen 206 einen elektrischen Heizer, der an ein kleines Volumen eines Wärmeübertragungsmediums 205 angebracht ist. Das vorbestimmte Volumen des Wärmeübertragungsmediums 205 ist von dem Substrat 203 durch eine blattähnliche Membran 204 getrennt. Im Falle der Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, ist die blattähnliche Membran 204 in zonenähnliche Teile entsprechend den Zonen mit verschiedenen Temperaturen aufgeteilt. Um die Wärmeübertragung zu verbessern, sollte das Volumen des Wärmeübertragungsmediums eine Dicke von weniger als 5 mm und vorzugsweise von weniger als 2 mm aufweisen. Das Wärmeübertragungsmedium sollte eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine kleine thermische Kapazität aufweisen. Vorzugsweise wird ein Edelgas, z. B. Argon, als Wärmeübertragungsmedium bevorzugt. Zum Abkühlen der Zonen kann das natürliche Abkühlen verwendet werden, oder vorgekühltes Gas oder Flüssigkeit kann das Arbeitsmaterial des Wärmeübertragungsmediums 205 ersetzen, oder Peltier-Elemente können verwendet werden.
4 zeigt eine Ausführungsform, worin eine Seite der Heizelemente 206 in Kontakt mit einer Seite eines Substrats 203 gebracht wird. Die andere Seite der Heizelemente 206 ist in Kontakt mit einem Wärmeübertragungsmedium 205, um die Effizienz des Abkühlens und Heizens zu verbessern. Um die Möglichkeit der Temperatureinstellung über die natürliche Heiz- und Kühlfähigkeit des Heizelementes zu verbessern, kann das Fluid oder das Gas ausgetauscht werden, z. B. durch Verwendung einer Durchflusskonfiguration 207.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum chemisch-mechanischen Polieren erklärt. Zuerst wird ein chemisch aktiver Polierschlamm auf ein rotierendes Polierfeld zugeführt. Als nächstes wird der Polierkopf exzentrisch über dem Polierfeld angeordnet, wobei ein zu polierendes Substrat dazwischen platziert ist. Dann wird jede temperatursteuerbare Zone auf eine bestimmte Temperatur eingestellt. Zuletzt wird der Polierkopf gedreht, wodurch überschüssiges Material von dem Substrat abgetragen wird. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Temperatur jeder Zone auf der Basis eines bekannten Profils eines Materials, das auf dem Substrat abgeschieden ist, und auf der Basis einer bekannten Beziehung zwischen Temperatur und Polierrate eingestellt. Die Beziehung wird in einem Kalibrierprozess bestimmt und führt zu einer Kalibrierkurve, wie sie in 5 beispielhaft dargestellt ist. Typischerweise werden die Messdaten in einer Arrhenius-Auftragung eingefügt, wodurch man eine linearisierte Kalibrierkurve erhält, wodurch die Interpolation von Kalibrierdaten vereinfacht wird. In 5 bezeichnet die horizontale Achse, die inverse absolute Temperatur in einer Kevlin-Skala und die vertikale Achse bezeichnet den natürlichen Logarithmus der Abtragrate in einer Angstrom-pro Sekunden-Skala. 5 wird nur zu veranschaulichenden Zwecken verwendet und die Werte der vertikalen Achse wurden weggelassen, da sie stark von dem verwendeten Schlamm abhängen. Die horizontale Achse zeigt den konventionellen Arbeitstemperaturbereich.
Um den Wärmefluss und die Temperatureinstellung zu beschleunigen, kann das Wärmeübertragungsmedium mit einer bestimmten Rate ersetzt werden, die kleiner ist als eine Wärmeübertragungsrate von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Substrat. In einer anschaulichen Ausführungsform werden die Temperaturen so eingestellt, dass das erwartete Abtragprofil (Polierprofil) invers zum Abscheideprofil ist, um eine flache Oberfläche nach dem Polieren zu erreichen. Die Temperatureinstellung kann auf der Basis einer Lauf-zu-Lauf-Temperatureinstellung oder auf der Basis einer on-the-fly-Einstellung durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtungen sind nicht auf konventionelles chemisch-mechanisches Polieren eingeschränkt, sondern können auch elektrochemisch mechanisches Polieren einschließen, wobei die Polierrate durch Temperatureinstellungen auf Grund der Temperaturabhängigkeit eines Redox-Potentiales fein abgestimmt wird.

Claims

Polierkopf (130) für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung, der zum Polieren von Materialien mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante ausgelegt ist und der folgendes umfasst: mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3), die so ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Temperaturen (T₁, T₂, T₃) zum Übertragen von Wärme auf mindestens zwei Zonen (1, 2, 3) eines Substrats (203) entsprechend den zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3) aufweisen; und ein Wärmeübertragungselement (205) zum Übertragen von Wärme von den Polierkopfzonen (1, 2, 3) auf entsprechende Substratzonen.
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin die Polierkopfzonen (1, 2, 3) kreisförmig sind.
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin die Polierkopfzonen (1, 2, 3) zum zumindest Heizen oder Kühlen konfiguriert sind.
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin die Zonen durch mindestens eine der folgenden Ausführungen gebildet werden: (i) getrennte Kammern in dem Polierkopf (130), wobei jede mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass ausgestattet ist, um die getrennten Kammern mit einem ersten Fluidtyp mit einer vorbestimmten Temperatur zu versorgen, (ii) getrennten elektrischen Heizzonen (206).
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin das Wärmeübertragungselement (205) in Segmenten entsprechend den Polierkopfzonen (1, 2, 3) ausgebildet ist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin das Wärmeübertragungselement (205) einen Hohlraum mit einem vorbestimmten Volumen umfasst, der einen zweiten Fluidtyp zur Wärmeübertragung enthält.
Polierkopf (130) nach Anspruch 1, worin das Wärmeübertragungselement (205) eine blattähnliche Membran (204) zum Trennen von zumindest entweder dem ersten Fluidtyp oder dem zweiten Fluidtyp von dem Substrat (203) umfasst.
Polierkopf (130) nach Anspruch 6, worin das vorbestimmte Volumen eine Dicke von weniger als 5 mm aufweist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 6, worin das vorbestimmte Volumen eine Dicke von weniger als 2 mm aufweist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 7, worin die blattähnliche Membran (204) eine Dicke von weniger als 1 mm aufweist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 7, worin der zweite Fluidtyp ein Edelgas umfasst.
Polierkopf nach Anspruch 11, worin das Edelgas Argon ist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 4, worin der erste Fluidtyp eine Flüssigkeit ist.
Polierkopf (130) nach Anspruch 4, worin die getrennten elektrischen Heizzonen (206) weiterhin eine Einrichtung zum Abführen von Wärme umfassen.
Polierkopf (130) nach Anspruch 4, worin die Einrichtung zum Abführen von Wärme zumindest entweder ein Peltier-Element oder einen Fluidkühlkörper einschließt.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung (100), die zum Polieren von Materialien mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante ausgelegt ist und die folgendes umfasst: eine Polierauflageplatte (101), die rotierbar gelagert ist, und die von einer Antriebsanordnung angetrieben wird; ein Polierfeld (102), das an der Polierauflageplatte (101) angebracht ist; eine Schlammzuführung (112), die angeordnet ist, um die Zuführung von Polierschlamm zu dem Polierfeld (102) zu erlauben; ein Polierkopf (130), der rotierbar und radial beweglich zu der Polierauflageplatte (101) gelagert ist, wobei der Polierkopf (130) folgendes umfasst: mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3), die so ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Temperaturen (T₁, T₂, T₃) zum Übertragen von Wärme auf mindestens zwei Zonen (1, 2, 3) eines Substrats (203) entsprechend der mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3) aufweisen, wobei die Zonen (1, 2, 3) durch mindestens eine der folgenden Ausführungen gebildet wird: (i) getrennte Kammern in dem Polierkopf (130), wobei jede mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass ausgestattet ist, um die getrennten Kammern mit einem ersten Fluidtyp mit einer vorbestimmten Temperatur zu versorgen, und (ii) getrennten elektrischen Heizzonen (206); und ein Wärmeübertragungselement (205) zum Übertragen von Wärme von den Polierkopfzonen (1, 2, 3) zu den entsprechenden Substratzonen umfasst.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 16, worin das Wärmeübertragungselement (205) mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: (i) einem Hohlraum mit einem vorbestimmten Volumen, der einen zweiten Fluidtyp zur Wärmeübertragung enthält, (ii) eine blattähnliche Membrane (204) zum Trennen von zumindest entweder den ersten Fluidtyp oder den zweiten Fluidtyp von dem Substrat (203).
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 16, worin die getrennten elektrischen Heizzonen (206) weiterhin Einrichtungen zum Abführen von Wärme umfassen, wobei die Einrichtung zum Abführen der Wärme zumindest entweder ein Peltier-Element oder einen Fluidkühlkörper einschließt.
Verfahren zum Kontrollieren eines Abtragprofiles eines Materials mit extrem niedriger Dielektrizitätskonstante über einem Wafer mit einer chemisch-mechanischen Poliervorrichtung (100), die einen Polierkopf (130) mit mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3) einschließt, die ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Temperaturen (T₁, T₂, T₃) zum Übertragen von Wärme über ein Wärmeübertragungselement (205) auf mindestens zwei Zonen (1, 2, 3) eines Substrats (203) entsprechend den mindestens zwei Polierkopfzonen (1, 2, 3) aufweisen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Zuführen eines chemisch aktiven Polierschlammes auf ein rotierendes Polierfeld (102); exzentrisches Absetzen des Polierkopfes (130) auf das Polierfeld (102) mit einem zu polierenden Substrat (203) dazwischen; Einstellen jeder temperatursteuerbaren Zone (1, 2, 3) auf eine vorbestimmte Temperatur (T₁, T₂, T₃); Rotieren des Polierkopfes (130), wodurch überschüssiges Material von dem Substrat (203) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Temperatur (T₁, T₂, T₃) jeder temperatursteuerbaren Zone (1, 2, 3) auf der Basis eines bekannten Profils eines abgeschiedenen Materials auf einem Substrat (203) und einer bekannten Beziehung zwischen Temperatur und Polierrate eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, worin der Schritt des Einstellens der Temperatur (T₁, T₂, T₃) jeder temperatursteuerbaren Zone (1, 2, 3) folgenden Schritt einschließt: Austauschen eines Wärmeübertragungsmediums mit einer bestimmten Rate, die kleiner ist als eine Wärmeübertragungsrate von dem Wärmeübertragungsfluid auf das Substrat (203).
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Abtragprofilsteuerung über den Wafer auf der Basis entweder einer Lauf-zu-Lauf-Temperatureinstellung oder auf der Basis einer on-the-fly-Einstellung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, worin das chemisch-mechanische Polieren elektrochemisch-mechanisches Polieren einschließt.