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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturbauelementen, etwa von integrierten Schaltungen, und betrifft insbesondere die Einebnung einer Metallisierungsschicht und/oder das Entfernen von überschüssigem Metall von einer dielektrischen Schicht.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Bei der Herstellung von Mikrostrukturen, etwa von integrierten Schaltungen, werden diverse Materialschichten auf einem Substrat aufgebracht und werden durch Lithografie, etwa durch Fotolithografie, und Ätzprozesse und dergleichen strukturiert, so dass eine große Anzahl einzelner Strukturelemente, etwa Schaltungselemente in Form von Transistoren, Kondensatoren, Widerständen, Verbindungsstrukturen und dergleichen geschaffen wird. Aufgrund der ständigen Verringerung der Strukturgrößen der einzelnen Strukturelemente wurden aufwändige Lithografie- und Ätztechniken entwickelt, die eine Auflösung kritischer Abmessungen, d. h. minimaler Strukturgrößen, deutlich unterhalb der Wellenlänge der Strahlung ergeben, die zum Übertragen von Abbildungen von einem Retikel auf eine Maskenschicht, die in nachfolgenden Ätzprozessen verwendet wird, angewendet wird. Da diese aufwändigen Abbildungsverfahren äußerst empfindlich auf darunter liegende Materialschichten und auf deren Oberflächentopografie sind, ist es häufig notwendig, die entsprechenden Bauteilebenen, die über dem Substrat ausgebildet sind, einzuebnen, um damit eine im Wesentlichen ebene Oberfläche für das Aufbringen weiterer Materialschichten, die zu strukturieren sind, zu schaffen. Dies gilt insbesondere für sogenannte Metallisierungsschichten, die in integrierten Schaltungen oder anderen Mikrostrukturbauelementen mit einer Vielzahl elektrischer Elemente erforderlich sind, um die einzelnen Schaltungselemente elektrisch miteinander zu verbinden. Abhängig von der Strukturgröße der Schaltungselemente und deren Anzahl ist typischerweise eine Vielzahl von Metallisierungsschichten erforderlich, die aufeinander gestapelt sind und elektrisch durch sogenannte Kontaktdurchführungen verbunden sind, um damit die komplexe Funktion moderner integrierter Schaltungen zu verwirklichen.
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Es wurde daher eine allgemeine Praxis bei der Herstellung der gestapelten Metallisierungsschichten, die aktuelle Bauteilebene des Substrats vor dem Herstellen einer nachfolgenden Metallisierungsschicht einzuebnen. Das chemischmechanische Polieren oder allgemein Einebnen (CMP) hat sich als eine effiziente Prozesstechnik zu diesem Zweck erwiesen. Beim chemischmechanischen Polieren einer Substratoberfläche wird zusätzlich zu dem mechanischen Abtragen des Materials ein Schleifmittel zugeführt, das typischerweise eine oder mehrere chemische Mittel enthält, die mit Material oder den Materialien auf der Oberfläche reagieren, wobei dann die Reaktionsprodukte effizienter durch den mechanischen Polierprozess abgetragen werden können. Des Weiteren werden zusätzlich zu einer geeigneten Auswahl der Schleifmittelzusammensetzung die Relativbewegung zwischen Substrat und einem Polierkissen bzw. einem Polierbelag, sowie die Kraft, mit der Substrat gegen das Polierkissen gedrückt wird, gesteuert, um die gewünschte Abtragsrate zu erreichen.
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In jüngerer Zeit hat das chemischmechanische Polieren zunehmend an Bedeutung gewonnen, da Aluminium zunehmend durch Kupfer und andere Metalle oder Metalllegierungen mit erhöhter Leitfähigkeit in modernsten integrierten Schaltungen ersetzt wird, die Strukturgrößen im Bereich deutlich unter einem Mikrometer aufweisen. Obwohl Kupfer und Legierungen davon bessere Eigenschaften im Vergleich zu Aluminium hinsichtlich der Leitfähigkeit und des Widerstandes gegenüber Elektromigration zeigen, sind dennoch viele Probleme bei der Bearbeitung von kupferbasierten Materialien in einer Halbleiterfertigungsstätte beteiligt, wovon eines in der Tatsache begründet liegt, dass Kupfer nicht effizient in größeren Mengen durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa die chemische Dampfabscheidung und die Sputter-Abscheidung, aufgebracht werden kann. Ferner kann Kupfer nicht in effizienter Weise durch konventionelle anisotrope Ätztechniken strukturiert werden. Daher wird anstelle des Aufbringens von Kupfer und Kupferlegierungen als eine ganzflächige Schicht und anstelle des Strukturierens von Metallleitungen, die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik als Standardprozesstechnik bei der Herstellung von Metallisierungsschichten mit Kupfer angewendet.
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In der Damaszener-Technik werden Gräben und Kontaktlöcher in einer dielektrischen Schicht hergestellt und nachfolgend wird Metall in die Gräben und Kontaktlöcher eingefüllt, wobei ein gewisser Grad an Überfüllung vorzusehen ist. Vor dem Abscheiden des Metalls, das für gewöhnlich durch Ausführen eines Plattierungsprozesses, etwa Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, bewerkstelligt wird, wird eine Barrierenschicht in dem Graben hergestellt, um das Herausdiffundieren von Kupfer oder anderer gut diffundierter Metallverbindungen in das benachbarte Dielektrikum zu minimieren. Anschließend wird eine dünne Saatschicht bei Elektroplattierungsverfahren oder ein anderes Aktivierungsmaterial für gewöhnlich aufgebracht unter Anwendung geeigneter Abscheidetechniken, etwa Sputter-Abscheidung, CVD, ALD (Atomschichtenabscheidung), stromloses Plattieren und dergleichen, um den nachfolgenden Plattierungsprozess des Metallfüllmaterials zu unterstützen. Nach dem Abscheiden des Metalls muss das überschüssige Metall einschließlich der dünnen Barrierenschicht und der Saatschicht zuverlässig entfernt werden, um Metallgräben und Kontaktdurchführungen zu erhalten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Das überschüssige Material wird häufig mittels einer Prozesssequenz entfernt, die das chemischmechanische Polieren beinhaltet. Der entsprechende nasschemische Abscheideprozess erfordert typischerweise aufwändige Rezepte, um in zuverlässiger Weise Graben und Kontaktdurchführungen mit unterschiedlichem Aspektverhältnis in einer im Wesentlichen hohlraumfreien Weise aufzufüllen. Das Abscheideverhalten kann jedoch von der lokalen Strukturmustergeometrie abhängen, d. h. dicht gepackte Bereiche können zu einer anderen lokalen Abscheiderate in Bereichen außerhalb der Gräben und Kontaktdurchführungen im Vergleich zu Bereichen führen, die isolierte Metallgebiete aufweisen. Somit tritt nach dem nasschemischen Abscheideprozess eine ausgeprägte Oberflächentopografie auf. Aufgrund der komplexen Oberflächentopografie und den mehreren unterschiedlichen Materialien, die gleichzeitig zumindest während einer abschließenden Phase des Polierprozesses vorhanden sein können, ist ein aufwändiger Betriebsmodus für das Entfernen des wesentlichen Teils des Metalls in einer ersten Polierphase und für das Entfernen von Metall, Barrierenmaterial und zu einem gewissen Grade des Dielektrikums während einer nachfolgenden Phase des Polierprozesses erforderlich.
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Der Polierprozess kann daher in mehreren Schatten oder Betriebsmodi ausgeführt werden, wobei die Gleichmäßigkeit jeder Phase einen signifikanten Einfluss auf die gesamte Prozessgleichmäßigkeit ausübt. Folglich können unterschiedliche Chemikalien für die Schleifmittel sowie unterschiedliche Parametereinstellungen für die Geschwindigkeit der Relativbewegung und/oder für die Andruckkraft, die während dieser unterschiedlichen Polierphasen auf das Substrat ausgeübt wird, erforderlich sein. In aufwändigen Prozessschemata besitzen die verwendeten Schleifmittel eine sehr effiziente chemische Komponente, um damit die gewünschte hohe Abtragsrate auf der Grundlage der chemischen Reaktion zu erreichen, wobei auch Abriebteilchen von Schleifmitteln hinzugefügt werden, um die mechanische Abtragsrate einzustellen. In der abschließenden Phase ist der Abtrag komplizierter, da für gewöhnlich zwei oder mehr Materialien gleichzeitig zu polieren sind, d. h. das Metall, das Barrierenmaterial und das Dielektrikum. Ferner wird ein gewisser Grad an ”Nachpolieren” typischerweise angewendet in dem Versuch, im Wesentlichen das gesamte leitende Material auf Oberflächenbereichen des dielektrischen Materials zur Minimierung der Leckströme oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Metallleitungen zu entfernen. Das vollständige Entfernen des leitenden Materials von einem Substrat mit einem Durchmesser von 200 mm oder 300 mm ist jedoch eine herausfordernde Aufgabe und führt für gewöhnlich zu einem gewissen Anteil an Verfärbungen und Materialverlust der Metallisierungsstrukturen.
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Insbesondere, wenn mehrere aufwändige Metallisierungsschichten gestapelt werden, um damit das Metallisierungssystem einer modernen integrierten Schaltung zu bilden, führen typischerweise sehr sensible dielektrische Materialien mit einer geringeren Permittivität und damit auch mit einer deutlich geringeren mechanischen Stabilität zu einem sehr empfindlichen Schichtstapel, der deutlich geringere Andruckkräfte während des Polierprozesses erforderlich macht, um nicht in unerwünschter Weise das Metallisierungssystem zu schädigen. Im Hinblick auf das Beibehalten eines gewünschten hohen Durchsatzes des CMP-Prozesses wird jedoch die Verringerung der Abtastrate, die durch die kleinere Andruckskraft hervorgerufen wird, typischerweise durch Verwenden eines chemisch reaktiven Schleifmittels kompensiert, so dass die chemische Materialabtragskomponente deutlich erhöht wird. Während aufwändiger CMP-Rezepte bestimmen somit eine Vielzahl komplexer miteinander in Beziehung stehender Faktoren die schließlich erreichte Abtragsrate und damit auch die resultierende Oberflächentopografie für die einzelnen Substrate auch über eine Vielzahl von Substraten hinweg, die unter Anwendung des gleichen CMP-Rezepts bearbeitet werden. Das heißt, während des Abtragungsprozesses wird das chemisch reaktive Schleifmittel aufgebracht und wird mit der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Polierkissen und der zu polierenden Oberfläche durch Poren verteilt, die typischerweise in dem Polierkissen bzw. dem Polierbelag vorgesehen sind. Beispielsweise enthalten gut etablierte Poliermaterialien eine Polyurethanoberfläche mit Poren und Rillen, die für eine effiziente Verteilung des Schleifmaterials sorgen. Bei Berührung des Polierkissens mit der zu polierenden Oberfläche werden Schleifpartikel, die in dem Schleifmaterial enthalten sein können, und entsprechende Poliernebenprodukte zunehmend in den Poren des Polierkissens angesammelt, wodurch die Fähigkeit verringert wird, in effizienter Weise das Schleifmaterial zu verteilen. Die Ansammlung von Teilchen und Polierresten kann zunehmend zu einer ”Verhärtung” der Oberfläche führen, das typischerweise als Glasbildung oder Glasurbildung bezeichnet wird, was zu einem signifikanten Abfall der Abtragsrate aufgrund eines geringeren Ausmaßes an Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens in Verbindung mit einer geringeren Fähigkeit der Schleifmittelverteilung führt. Aufgrund des anwachsenden Verglasungszustands des Polierkissens wird typischerweise dessen Oberfläche regelmäßig und/oder während des eigentlichen Polierprozesses ”konditioniert” oder wiederaufbereitet, indem etwa das Polierkissen mit einer konditionierenden Oberfläche in Berührung gebracht wird, die ein hartes Material, etwa Diamant und dergleichen, aufweist, um damit entsprechende ”Kanäle” in den verstopften Poren des Polierkissens zu erzeugen. Somit kann die Glasurbildung in dem Polierkissen effizient verhindert werden, wodurch die Abtragsrate auf einem hohen Wert gehalten wird, wobei auch Grad an Ungleichmäßigkeiten über das Substrat hinweg während des Polierprozesses ebenfalls stabilisiert wird.
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Folglich führt daher in aufwändigen Polierrezepten unter Anwendung von Schleifmaterialien mit einer erhöhten chemischen Reaktivität die mechanische und die chemische Wechselwirkung des Polierkissens und des Schleifmittels mit einer Substratoberfläche in Verbindung mit der komplexen Aufbereitungswirkung, die zur Beibehalten einer gewünschten hohen Polierrate angewendet wird, somit zu einem sehr begrenzten Prozessfenster für CMP-Prozesse, die auf der Grundlage anspruchsvoller Materialien, etwa Metallisierungsschichten moderner integrierter Schaltungen ausgeführt werden.
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In der
US 2005 0 070 091 A1 wird ein CMP-Prozess, in dem die Abtragsrate willentlich während des Polierprozesses durch Erhöhen eines Grades einer Nebenprodukt-Kontamination in dem Polierkissen verändert wird, beschrieben.
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In der
US 5 804 507 A und der
US 5 823 854 A werden Verfahren zur Verhinderung von der Kontamination eines Polierkissens während eines Poliervorgangs, die in einer verringerten Abtragsrate resultiert, beschrieben.
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In der
US 6 699 107 B2 werden ein Polierkopf und eine Vorrichtung zum chemischmechanischen Polieren (CMP) von einem Substrat, wobei die Aufbereitungsfläche des Polierkopfes in ein Halteelement einer CMP-Vorrichtung integriert ist.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren, in denen komplexe Materialsysteme auf der Grundlage von CMP eingeebnet werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest verringert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zum Einebnen oder generell zum Abtragen von Material von dem Schichtsystem eines Mikrostrukturbauelements bei geringeren Andruckskräften während des Polierprozesses, wobei dennoch eine gewünschte Abtragsrate in Verbindung mit einer verbesserten Prozesssteuerung im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der resultierenden Oberflächentopografie erreicht wird. Zu diesem Zweck wird der Polierprozess auf der Grundlage eines Polierkissens bzw. eines Polierbelags ausgeführt mit einem Zustand mit einer reduzierten Oberflächenrauhigkeit, was somit zu einer besseren Gesamtprozessgleichmäßigkeit in Verbindung mit sehr reaktiven Schleifmaterialien beiträgt. Die geringere Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens kann erreicht werden, indem der Grad der Konditionierung des Polierkissens so gesteuert wird, dass ein moderat hoher Grad an Glasierung absichtlich beibehalten wird, so dass die mechanische Abtragskomponente im Hinblick auf eine bessere Oberflächentopografie entsprechend angepasst wird. Folglich können aufwändige Schichtstapel, etwa Metallisierungssysteme mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε in Verbindung mit einem weichen Metall, etwa Kupfer, effizient auf der Grundlage sehr kleiner Andruckskräfte eingeebnet werden, wobei auch die Gesamtabtragsrate auf einem gewünscht hohen Wert aufgrund der Verwendung eines chemisch reaktiven Schleifmaterials bleibt. Andererseits wird aufgrund des erhöhten Grades an Verglasung des Polierkissens, der zumindest in einer abschließenden Phase des Polierprozesses beibehalten wird, d. h. während des Freilegens eines dielektrischen Materials und einer entsprechenden Nachpolierzeit, die gegebenenfalls erforderlich ist, um zuverlässig entsprechende Metallgebiete voneinander elektrisch zu trennen, durch die geringere Oberflächenrauhigkeit des glasierten Polierkissens eine entsprechende Verringerung und damit Anpassung der gesamten Abtragsrate erreicht. Somit kann in dieser kritischen Phase des Polierprozesses weiterhin Metall von dielektrischen Oberflächenbereichen, die freizulegen sind, entfernt werden, wobei eine unerwünschte Einkerbung, d. h. eine unerwünschte Absenkung des Metalls in den Metallgebieten, reduziert wird, was sich direkt in einer besseren Leistungsfähigkeit der entsprechenden Metallgebiete ausdrückt, da im Allgemeinen eine größere Querschnittsfläche beibehalten wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt bereit, ein Verfahren zum Einebnen einer Metall enthaltenden Schicht, die über ein Substrat eines Halbleiterbauelements gebildet ist, wobei das Verfahren umfasst:
Abtragen von Material des Metalls durch Ausführen eines Polierprozesses durch Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einem Polierkissen und dem Substrat;
Zuführen eines chemisch reaktiven Schleifmaterials, um die Abtragsrate für das Metall zu erhöhen; und
Steuern der Abtragsrate durch Konditionieren des Polierkissens derart, dass eine Oberfläche des Polierkissens in einem Zustand einer Kissenverglasung aufgrund von Verstopfen der Poren in einer abschließenden Phase des Polierprozesses gehalten wird, und wobei das Polierkissen derart konditioniert wird, dass es einen bestimmten Grad an Kissenverglasung beibehält, in dem zumindest 15% der vor der abschließenden Phase offenen Poren des Polierkissens in der abschließenden Phase des Polierprozesses verstopft sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a und 1b schematisch Querschnittsansichten eines Mikrostrukturbauelements in diversen Phasen eines Polierprozesses zeigen, um den Metallisierungsstapel einzuebnen, wobei zumindest in einer abschließenden Phase des Polierprozesses ein glasierter Zustand des Polierkissens gemäß anschaulicher Ausführungsformen angewendet wird;
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1c schematisch ein Diagramm darstellt, des den Unterschied der Abtragsraten und des Grades an Einkerbung für einen nicht-glasierten Zustand und einen glasierten Zustand zeigt, wie er zumindest in der abschließenden Phase des Polierprozesses gemäß anschaulicher Ausführungsformen angewendet wird;
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1d schematisch eine Querschnittsansicht einer Oberflächentopografie eines Polierkissens in einem glasierten Zustand gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt; und
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1e schematisch ein Poliersystem zeigt, in welchem die Konditionierung bzw. Aufbereitung eines Polierkissens so gesteuert wird, dass ein gewünschter glasierter Zustand beibehalten wird, wodurch die Oberflächentopografie des Polierkissens gemäß anschaulicher Ausführungsformen verringert wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl der hierin offenbarte Gegenstand mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen beabsichtigen, die vorliegende Offenbarung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patenansprüche definiert ist.
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Techniken zum Einebnen komplexer Materialstapel von Mikrostrukturbauelementen, etwa Metallisierungssysteme mit dielektrischen Materialien mit kleinem ε in Verbindung mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer, bereit, wobei eine moderat hohe Abtragsrate des gesamten Einebnungsprozesses erreicht wird, ohne dass in unerwünschter Weise mechanische Kräfte auf die Materialschichtstapel ausgeübt werden. Zu diesem Zweck werden chemisch reaktive Schleifmaterialien eingesetzt, um damit die Möglichkeit zu schaffen, die Andruckskraft während des Polierprozesses zur Verringerung der mechanischen Belastungskomponenten während des Polierprozesses zu verringern, wobei zusätzlich zumindest in einer abschließenden Phase des Polierprozesses, d. h. während des Freilegens eines entsprechenden dielektrischen Materials, ein geringerer Grad an Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens bzw. des Polierbelags beibehalten wird, um unerwünschte Oberflächenunregelmäßigkeiten in dem dielektrischen Material und in freigelegten Metallgebieten zu vermeiden. Geringere Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens kann erreicht werden, indem ein gewisses Maß an Kissenverglasung beibehalten wird, das gemäß konventioneller Strategien als äußerst ungeeigneter Zustand eines Polierkissens erachtet wird. In der vorliegenden Offenbarung wird jedoch der Grad an Verglasung in geeigneter Weise durch entsprechendes Einstellen des Grades an Kissenkonditionierung gesteuert, um die gewünschte geringe Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens zu schaffen, wobei dennoch ein hoher Grad an Prozessgleichmäßigkeit beibehalten wird.
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Es sollte beachtet werden, dass im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung ein verglaster bzw. glasierter Zustand eines Polierkissens so zu verstehen ist, dass für eine gegebene anfängliche Struktur des Polierkissens ein gewisser Grad an ”Sättigung” und damit ”Verstopfung” der entsprechenden Poren in den Polierkissen als ein Maß für den Grad an Verglasung betrachtet wird. Wenn 15 Prozent oder mehr der anfänglich vorgesehen Poren gefüllt sind und damit funktionsfähig bleiben in Bezug auf das Verteilen von Schleifmaterial, wird das entsprechende Polierkissen als sich in einem glasierten Zustand befindlich erachtet. Andererseits wird ein nicht-glasierter Zustand als ein Zustand erachtet, in welchem die entsprechende Fähigkeit zur Ansammlung von Schleifmaterial, Teilchen und Polierresten um ungefähr 4 Prozent oder weniger im Vergleich zu der anfänglichen Fähigkeit des Polierkissens abgenommen hat, wobei zu beachten ist, dass die Anfangseigenschaften sich auf einen Zustand nach dem Polieren einer geeigneten Anzahl an Testsubstrat bezieht. Anders betrachtet, ein glasierter Zustand kann als ein Zustand betrachtet werden, in welchem für ein gegebenes Polierrezept, d. h. für ein gegebenes Schleifmaterial und einen entsprechenden Parametersatz einschließlich der Relativgeschwindigkeit und der Andruckskraft, ein Abfall in der Abtragsrate von zumindest ungefähr 30 Prozent im Vergleich zu der anfänglichen Abtragsrate des Polierkissens erreicht wird.
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Durch Anwenden eines glasierten Zustands des Polierkissens in einer gut gesteuerten Weise, d. h. durch geeignetes Steuern der Konditionierung des Polierkissens derart, dass dieses einen im Wesentlichen konstanten Grad an Verglasung aufweist, kann somit die Oberflächentopografie aufwändiger Metallisierungsschichten verbessert werden, da beispielsweise in der abschließenden Phase des Polierprozesses bessere Polierbedingungen angetroffen werden. Das heißt, während der abschließenden Phase messen unterschiedliche Materialien gleichzeitig poliert werden, d. h. Metallreste des typischerweise weichen gut leitenden Metalls, etwa von Kupfer, und entsprechende leitende Barrierenmaterialien und auch dielektrisches Material, das zunehmend während dieser Phase des Polierprozesses freigelegt wird. Durch Verwenden des Polierkissens in einem glasierten Zustand wird die allgemeine Abtragsrate verringert, wobei dennoch ein zuverlässiges Freilegen der Oberfläche des dielektrischen Materials erreicht wird, wobei zusätzlich ein höherer Grad an Steuerbarkeit dieser Phase des Abtragsprozesses erreicht wird. Gleichzeitig wird der Grad an Einkerbung ebenfalls deutlich verringert, wodurch die Querschnittsfläche der Metallleitungen nicht in unerwünschter Weise verringert wird, was somit zu einer insgesamt erhöhten Leistungsfähigkeit der entsprechenden Metallisierungsschicht beiträgt.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Mikrostrukturbauelements 100 mit einem Substrat 101, über welchem ein Metallisierungssystem 110 ausgebildet ist. Beispielsweise repräsentiert das Mikrostrukturbauelement 100 eine integrierte Schaltung mit einem komplexen Schaltungsaufbau, der auf der Grundlage von Schaltungselementen realisiert wird, die in und über dem Substrat 101 ausgebildet sind. Beispielsweise enthalten die Schaltungselemente Transistorelemente mit kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger. Der komplexe Schaltungsaufbau erfordert eine entsprechende Anzahl an Metallisierungsschichten 120, 130 in dem Metallisierungssystem 110, um damit die erforderlichen elektrischen Verbindungen zu schaffen. Wie zuvor erläutert ist, enthalten in einigen anschaulichen Ausführungsformen zumindest einige der Metallisierungsschichten 120, 130 aufwändige empfindliche dielektrische Materialien in Verbindung mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer. Zum Beispiel enthält die Metallisierungsschicht 120 ein dielektrisches Materials 121, das ein dielektrisches Material mit kleinem ε oder ein Material mit ultrakleinem ε (ULK) aufweist, das in einem mehr oder weniger ausgeprägten porösen Zustand abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen vorgesehen werden kann. Es sollte beachtet werden, dass ein dielektrisches Material mit kleinem ε als ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder weniger zu verstehen ist. Ferner sind Metallgebiete 122, etwa Metallleitungen, in dem dielektrischen Material 121 eingebettet. In ähnlicher Weise kann die Metallisierungsschicht 130 ein dielektrisches Material 131 aufweisen, das aufwändige und empfindliche dielektrische Materialien mit kleinem ε und dergleichen beinhalten kann. Ferner sind Metallgebiete 132, beispielsweise in Form von Metallleitungen und dergleichen in dem dielektrischen Material 131 eingebettet, möglicherweise in Verbindung mit einem leitenden Barrierenmaterial 132b, etwa Tantal, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid oder anderen geeigneten Materialien oder Zusammensetzungen, die für eine bessere Haftung und einen besseren Einschluss eines gut leitenden Metalls 132a, etwa Kupfer, sorgen. In der gezeigten Fertigungsphase ist eine Schicht aus überschüssigem Metall 132c über der Metallisierungsschicht 130 gebildet und muss entfernt werden, um eine gewünschte ebene Oberflächentopografie zu schaffen, wie dies für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100, beispielsweise im Hinblick auf das Ausführen weiterer aufwändiger Lithografieschritte für die Herstellung weiterer Bauteilebenen, erforderlich ist.
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Das Mikrostrukturbauelement 100 kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, etwa mittels Damaszener- oder Einlegestrategien, in denen die dielektrischen Materialien der jeweiligen Metallisierungsschichten 120, 130 zunächst abgeschieden und dann strukturiert werden, um entsprechende Öffnungen zu erhalten, die nachfolgend mit dem Barrierenmaterial 132b und dem Metall 132 gefüllt werden. Während der entsprechenden komplexen Fertigungssequenz wird auch das Überschussmaterial 132c vorgesehen, um ein zuverlässiges Füllverhalten sicherzustellen. Somit müssen das überschüssige Material 132c und das leitende Barrierenmaterial 132b, das auf horizontalen Bauteilbereichen ausgebildet ist, entfernt werden, was typischerweise durch einen Einebnungsprozess 102 erreicht wird, der einen CMP(chemisch mechanischen Polier)-Prozess beinhaltet. Beispielsweise kann der Einebnungsprozess 102 einen elektrochemischen Ätzprozess während einer anfänglichen Phase enthalten und danach kann die Einebnung fortgesetzt werden auf Grundlage eines CMP-Prozesses. Während des CMP-Prozesses wird die Metallisierungsschicht 130, d. h. in der anfänglichen Phase, das überschüssige Metall 132c, mit einem Polierkissen bzw. Polierbelag 150 in Kontakt gebracht, das bzw. der eine Polieroberfläche 151 aufweist. Wie zuvor erläutert ist, ist die Oberfläche 151 aus gut etablierten Materialien aufgebaut, etwa Polyurethan mit einer Vielzahl an Mikroporen, die eine Tiefe von einigen Mikrometern und mehr besitzen und die eine laterale Größe von durchschnittlich mehreren Mikrometern aufweisen. Des Weiteren wird während des Prozesses 102 ein Schleifmaterial 152 zugeführt, das eine moderat hohe Ätzwirkung in Bezug auf das Material 122c entfaltet, und damit die chemische Komponente des CMP-Prozesses zu vergrößern. Beispielsweise können entsprechende Schleifmaterialien mit einer Säure, die für eine geeignete Reaktion mit dem Material 122c sorgt, etwa durch Umwandeln des Materials in Oxidmaterial und dergleichen, verwendet werden. Es saute beachtet werden, dass eine Vielzahl chemischer reaktiver Schleifmaterialien im Stand der Technik verfügbar sind und für den Prozess 102 angewendet werden können. Des Weiteren wird eine Andruckskraft 153 auf das Polierkissen 150 ausgeübt, so dass dieses auf das Bauelement 100 einwirkt, wobei die Andruckskraft 153 typischerweise so eingestellt wird, dass diese im Allgemeinen mit den mechanischen Eigenschaften des Metallisierungssystems 110 verträglich ist. Das heißt, wie zuvor erläutert ist, besitzen empfindliche dielektrische Materialien mit kleinem ε eine deutlich geringere mechanische Festigkeit im Vergleich zu konventionellen Dielektrika, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, wodurch ebenfalls eine entsprechende Anpassung der Andruckskraft 153 erforderlich ist, um damit eine durch Belastung hervorgerufene Beeinträchtigung des Metallisierungssystems 110 zu verringern und auch um Ausbeuteverluste, die durch Fehler während der weiteren Fertigungsprozesse hervorgerufen werden, zu reduzieren. Während des Prozesses 102 wird eine Relativbewegung 154 zwischen dem Polierkissen 150 und dem Bauelement 100 erzeugt, wodurch das Schleifmaterial 152 effizient verteilt und in Verbindung mit der Andruckskraft 153 eine entsprechende physikalische Komponente beim Abtragen von Material der Schicht 132c erreicht wird.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden die Andruckskraft 153 und die Relativbewegung 154 während des gesamten Polierprozesses 102 konstant gehalten, wodurch die Gesamtsteuerbarkeit des Prozesses 102 vereinfacht wird. Wie zuvor angegeben ist, wird aufgrund der erhöhten chemischen Ätzrate des Schleifmaterials 152 die Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens 150, d. h. die Rauhigkeit der Oberfläche 151, wie sie durch 151r angegeben ist, auf einem spezifizierten Niveau gehalten, das deutlich kleiner sein kann im Vergleich zur Oberflächenrauhigkeit entsprechend dem anfänglichen Zustand des Polierkissens 150, der auch einem nicht-glasierten Zustand entspricht, wie dies zuvor definiert ist. Somit wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Grad an Verglasung absichtlich erhöht im Vergleich zu konventionellen Konzepten, wodurch ebenfalls die Oberflächenrauhigkeit 151r verringert wird. Folglich wird ein großer Anteil der gesamten Abtragsrate durch das chemische Verhalten des Schleifmaterials 152 hervorgerufen, selbst wenn die Andruckskraft 153 auf ein Maß verringert wird, das mit den mechanischen Eigenschaften des Systems 110 verträglich ist. Andererseits wird die Kissenoberflächenunebenheit verringert, wodurch für eine bessere Oberflächentopografie während des Abtragungsprozesses 102 gesorgt wird.
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1b zeigt schematisch das Mikrostrukturbauelement 100 in einer fortgeschrittenen Phase. Das heißt, das Bauelement 100 wird einem Polierprozess 102a unterzogen, während welchem dielektrisches Material 131 der Metallisierungsschicht 130 zunehmend freigelegt wird, um schließlich die Metallgebiete 132 als isolierte Gebiete zu erhalten. In einer anschaulichen Ausführungsform repräsentiert der Polierprozess 102a eine abschließende Phase des Polierprozesses 102 aus 1a, wobei in einigen Ausführungsformen die gleichen Prozessparameter im Hinblick auf die Andruckkraft 153 und die Relativgeschwindigkeit 154 angewendet werden. In einer Ausführungsform wird auch der Grad an Verglasung im Wesentlichen konstant gehalten oder wird zumindest auf der Grundlage der gleichen Prozessparameterwerte gesteuert, wie sie auch während des Prozesses 102 aus 1a angewendet werden. Wie zuvor erläutert ist, wird somit das Überschussmaterial 132c (siehe 1a) effizient abgetragen, wobei auch während der abschließenden Phase des Polierens und während des zunehmenden Freilegens des dielektrischen Materials 131 die allgemein geringere Oberflächenrauhigkeit zu einem reduzierten Grad an Einkerbung führt. Wie beispielsweise gezeigt ist, wird der Grad an Materialabtragung 132r in den Metallgebieten 132 auf einem gewünschten geringen Niveau aufgrund der weniger ausgeprägten Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens 151 gehalten, was durch den glasierten Zustand des Kissens 150 bewirkt wird.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Polierprozess 102a eine Phase, in der andere Prozessparameter angewendet werden, um damit die Oberflächenrauhigkeit auf einen Wert 151s weiter zu verringern, wodurch die resultierende Oberflächentopografie der Metallisierungsschicht 130 beim Freilegen des dielektrischen Materials 131 weiter verbessert wird. Während des Polierprozesses 102a kann beispielsweise ein geringerer Grad an Konditionierwirkung ausgeübt werden, um den Grad an Verglasung zu erhöhen und damit die Oberflächenrauhigkeit auf den gewünschten Wert 151s zu verringern. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden der Prozess 102 aus 1a und der Polierprozess 102a auf der Grundlage unterschiedlicher CMP-Prozesskammern ausgeführt, d. h. es werden unterschiedliche Polierkissen 150 angewendet, von denen jedes in geeigneter Weise so aufbereitet wird, dass der gewünschte Grad an Verglasung erreicht wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Prozess 102 der 1a zumindest teilweise auf der Grundlage eines im Wesentlichen nicht-glasierten Zustands des Polierkissens 150 ausgeführt, um damit eine noch größere Abtragsrate zu erreichen. Anschließend wird das Bauelement 100 der Einwirkung des Polierprozesses 102a ausgesetzt, die für eine geringere Oberflächenrauhigkeit 151s sorgt und einen entsprechenden glasierten Zustand besitzt, wodurch die verbesserten Oberflächenbedingungen in einer abschließenden Phase des Polierprozesses 102a erreicht werden.
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In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Polierprozess 102a eine abschließende Phase eines einzelnen zusammenhängenden Prozesses, in welchem der Grad an Konditionierung so verringert wird, dass die Oberflächenrauhigkeit weiter reduziert wird, wie dies durch 151s angezeigt ist. Es sollte beachtet werden, dass eine entsprechende Prozesstechnik in Prozessschemata eingesetzt werden kann, in denen allgemein die Konditionierung gleichzeitig während des Polierprozesses ausgeübt wird, so dass durch Festlegung eines geeigneten Zeitpunktes für eine reduzierte Konditionierwirkung zunehmend zu einem höheren Grad an Verglasung beiträgt, so dass beim Freilegen des dielektrischen Materials 131 eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit 151s vorherrscht.
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1c zeigt schematisch ein Diagramm, das das Verhalten zweier Polierprozesse oder Phasen repräsentiert, die auf der Grundlage eines ”nicht-glasierten” und auf der Grundlage eines ”glasierten” Zustands ausgeführt werden. Beispielsweise repräsentiert die vertikale Achse die normierte Abtragsrate für das betrachtete Material, beispielsweise das Überschussmaterial 122c aus 1a, und repräsentiert auch den Grad an Einkerbung, d. h. Materialabtrag der Metallleitungen 132, wie dies durch 132r in 1b angegeben ist. Wie gezeigt, entspricht die normierte Abtragsrate für den nicht-glasierten Zustand im Wesentlichen dem Wert 0,7, während die Einkerbung ungefähr 0,35 beträgt. Andererseits führt der glasierte Zustand des Polierkissens zu einer Abtragsrate von 0,1 und einem Grad an Einkerbung von ungefähr 0,05. Folglich kann durch geeignetes Verringern der Abtragsrate ein höheres Maß an Steuerbarkeit erreicht werden, insbesondere während der abschließenden Phase des Polierprozesses, etwa des Prozesses 102a aus 1b, so dass ein unerwünschter Materialabtrag des dielektrischen Materials 121 und damit der Metallgebiete 132 vermieden wird. Zusätzlich zur Erreichung der besseren Steuerbarkeit kann die entsprechende Oberflächenrauhigkeit des Polierkissens deutlich verringert werden, wodurch ebenfalls der Grad an Unebenheit der resultierenden Oberflächentopografie verringert wird, was die Qualität weiterer Prozessschritte verbessern kann, etwa von Lithografieschritten und dergleichen. Wie zuvor angegeben ist, wird zumindest der Prozess 102a aus 1b auf der Grundlage des glasierten Zustands des Polierkissens ausgeführt, wodurch für das gewünschte Maß an Oberflächentopografie gesorgt wird. Ferner kann der Prozess 102 aus 1a auf der Grundlage eines im Wesentlichen nicht-glasierten Zustands oder auf Grundlage eines glasierten Zustands, abhängig von der vorhandenen Prozessstrategie ausgeführt werden.
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1d zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils des Polierkissens 150. Wie gezeigt, enthält die Polieroberfläche 151 eine Vielzahl an Poren, die typischerweise so aufbereitet werden, dass diese eine effiziente Verteilung eines Schleifmaterials ermöglichen und auch Teilchen und aggressive Komponenten aufnehmen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden jedoch die Poren bewusst bei einem gewissen Grad an Verstopfung oder Verglasung gehalten, so dass zumindest ungefähr 15 Prozent der Poren 151p gefüllt und verschlossen sind, wodurch eine geringere Gesamtoberflächenrauhigkeit geschaffen wird, wie dies zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass der Grad an Verglasung auf der Grundlage einer optischen Inspektion, auf der Grundlage von Prüfungen der Härte der Oberfläche 151 und dergleichen, erfasst werden kann. Ferner kann der Grad an Verglasung ebenfalls ermittelt werden, indem die Abtragsrate für ansonsten konstante Testparameter bestimmt wird.
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1e zeigt schematisch ein Poliersystem 155, das ausgebildet ist, zumindest den Polierprozess 102a der 1b auszuführen. Das heißt, das System 155 umfasst das Polierkissen 150 und einen entsprechenden Polierteller (nicht gezeigt), der gestaltet ist, um das Kissen 150 aufzunehmen und in Position zu halten. Des Weiteren ist eine entsprechende Antriebsanordnung vorgesehen (nicht gezeigt), die ausgebildet ist, das Polierkissen 150 relativ zu dem Substrat 101 zu drehen oder anderweitig zu bewegen. Beispielsweise wird das Substrat 101 von einem entsprechenden Träger oder einem Polierkopf aufgenommen, der ebenfalls von einer zugehörigen Antriebsanordnung (nicht gezeigt) angetrieben wird. Zum Beispiel werden sowohl das Polierkissen 150 als auch das Substrat 101 in Drehung versetzt, um die gewünschte Relativbewegung zu erzeugen. Das System 155 umfasst eine Konditioniereinheit 156 mit einem Konditioniererarm 156b, der an einer Antriebsanordnung 156c angebracht ist, die ausgebildet ist, den Konditioniererarm 156 zumindest über einen Teil des Polierkissens 150 zu bewegen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen kann auch eine Andruckskraft des Konditioniererarms 156b auf der Grundlage der Antriebsanordnung 156c eingestellt werden. Der Konditioniererarm 156b besitzt daran angebracht eine konditionierende Oberfläche 156a, die eine geeignete konditionierende Oberflächenstruktur aufweist, wie sie für das Aufbereiten des Polierkissens 150 erforderlich ist. Beispielsweise enthält die Oberfläche 156a Diamantkomponenten und dergleichen, um damit das Polierkissen 150 zu ”zerkratzen”. Ferner ist eine Steuereinheit 157 vorgesehen und ist funktionsmäßig mit der Antriebsanordnung 156c verbunden, um ein geeignetes Steuersignal bereitzustellen, das wiederum die Antriebsanordnung 156c veranlasst, den Arm 156b in geeigneter Weise zu bewegen. Auf der Grundlage des Steuersignals, das auf der Einheit 157 ausgegeben wird, kann somit der Grad an Konditionierung des Polierkissens 150 eingestellt werden. Andererseits erhält die Steuereinheit 157 Prozessdaten, die einen aktuellen Grad an Verglasung des Polierkissens 150 angeben. Beispielsweise repräsentieren die Prozessdaten eine aktuelle Abtragsrate, die für eine gewisse Art an Schleifmittel und entsprechende Prozessparameter erreicht wird, etwa eine gewisse Relativgeschwindigkeit und eine Andruckskraft. In anderen Fallen repräsentieren die entsprechenden Prozessdaten einen Grad an Reibung zwischen dem Substrat 101 und dem Polierkissen 150, wie sie ermittelt wird, indem der von dem Elektromotor der Antriebsanordnung und dergleichen aufgenommene Strom beobachtet wird. In noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen werden entsprechende Prozessdaten durch das Konditioniersystem 156 ermittelt, beispielsweise, indem der Betrag des Stromes gemessen wird, der zum Ausführen einer entsprechenden Konditionieraktivität erforderlich ist. Folglich kann auf der Grundlage der Prozessdaten die Steuereinheit 157 den erforderlichen Grad an Konditionierung ermitteln, um damit das Polierkissen 150 in dem glasierten Zustand zumindest während der Phase 102a aus 1b zu halten. Zum Beispiel wird nach dem Bearbeiten eines oder mehrerer Substrate 101 eine entsprechende Neueinstellung der Konditionierwirkung auf der Grundlage der Steuereinheit 157 und der entsprechenden Prozessdaten, die von dem zuvor bearbeiteten einen oder mehreren Substraten gewonnen werden, ausgeführt wird.
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Es gilt also: die vorliegende Offenbarung stellt Prozesstechniken zum Einebnen von komplexen Materialstapeln auf der Grundlage eines Polierprozesses bereit, in welchem ein absichtlich eingerichteter glasierter Zustand des Polierkissens angewendet wird, um die Gesamtsteuerbarkeit und auch die resultierende Oberflächentopografie zu verbessern. Zu diesem Zweck wird der Grad der Konditionierung in geeigneter Weise eingestellt, so dass der gewünschte verglaste Zustand zumindest in der abschließenden Phase des Polierprozesses erreicht wird, so dass die geringere Oberflächentopografie eines glasierten Polierkissens zu einem geringeren Grad an Einkerbung freigelegter Metallgebiete führt. Ferner können Polierrezepte mit einer geeignet angepassten Andruckskraft eingesetzt werden, wobei die gesamte Abtragsrate dennoch auf einem gewünschten hohen Niveau durch Anwendung chemisch reaktiver Schleifmaterialien gehalten wird.
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Weiter Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Ausführungsformen zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
