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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung von Verbindungsleitungen,
die in diversen Metallisierungsschichten von integrierten Schaltungen,
etwa von CPUs, Speicherchips und dergleichen erforderlich sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der Herstellung integrierter Schaltungen, etwa CPUs, Speicherchips,
anwenderspezifische Schaltungen und dergleichen, ist es im Allgemeinen notwendig,
eine oder mehrere Metallschichten, so genannte Metallisierungsschichten,
auf dem Schaltungssubstrat bereitzustellen, die zur elektrischen Verbindung
der einzelnen Elemente, etwa Transistorelemente, Kondensatoren und
dergleichen, dienen. Abhängig
von der Komplexität
der betrachteten Schaltung, der Art des für die Metallisierung verwendeten
Materials und den Abmessungen der Metallisierungsleitungen, die
wiederum teilweise durch die Art des Materials und den verfügbaren Platz
auf dem Substrat bestimmt sind, kann eine Vielzahl von Metallisierungsschichten
erforderlich sein, um die benötigte
Funktionalität
bereitzustellen. Das reproduzierbare Herstellen der einzelnen Metallisierungsschichten
ist für
die Leistungsfähigkeit
und die Zuverlässigkeit
der integrierten Schaltung von großer Bedeutung, wobei die Eigenschaft
jeder Metallisierungsleitung in jeder Metallisierungsschicht vorhersagbar
innerhalb spezifizierter Toleranzen liegen muss, da bereits die
Fehlfunktion einer einzelnen Leitung die komplette Schaltung gefährden kann.
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Da
Halbleiterhersteller nicht nur die Anforderungen hinsichtlich der
Leistungsfähigkeit
und der Zuverlässigkeit
der integrierten Schaltungen, sondern auch hinsichtlich minimaler
Produktionskosten berücksichtigen
müssen,
werden die Substrate, auf denen die integrierten Schaltungen hergestellt
werden, im Durchmesser ständig
vergrößert, da
die Mehrzahl der Prozessschritte während des Herstellens der integrierten
Schaltung auf Substratbasis und nicht so sehr auf Chipbasis ausgeführt werden,
so dass eine große
Anzahl von Chips in einem einzelnen Prozessschritt gleichzeitig
bearbeitet werden kann. Zu nehmende Substratdurchmesser erfordern jedoch
eine präzise
Steuerung der Prozessparameter, um Strukturelemente über das
gesamte Substrat hinweg zu erzeugen, die möglichst gleichförmige Eigenschaften
unabhängig
von ihrer Position auf dem Substrat aufweisen.
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Herkömmlicherweise
wurde Aluminium für Metallisierungsschichten
verwendet, jedoch haben Halbleiterhersteller kürzlich damit begonnen, Kupfer als
die Metallisierungsschicht aufgrund der überlegenen Eigenschaften von
Kupfer hinsichtlich der Leitfähigkeit
und der Elektromigration zu verwenden, die äußerst wichtige Gesichtspunkte
für die
Herstellung integrierter Schaltungen mit geringen Strukturgrößen sind.
Ein häufig
angewendeter Prozess zum Herstellen von Metallisierungsschichten
ist der so genannte Damaszenerprozess, in dem Löcher – die auch als Durchgangsöffnungen
oder Kontaktöffnungen
bezeichnet werden – Gräben und/oder
andere vertiefte Bereiche in einer Isolierschicht, z.B. einer Siliziumdioxidschicht,
erzeugt werden und anschließend
mit dem Metall, etwa Kupfer, gefüllt
werden. Eine bevorzugte Technik zum Einbringen des Kupfers in die Kontaktöffnungen
und Gräben
ist das Elektroplattieren, da Elektroplattieren moderate Abscheideraten bei
einer ansprechenden Gleichförmigkeit über große Substratflächen im
Vergleich zu anderen Abscheideverfahren erlaubt, wodurch eine hohe
Kosteneffizienz sichergestellt ist. Das Elektroplattieren erfordert vor
der Abscheidung des Volumenmaterials die Bereitstellung einer metallischen
Saatschicht, die verwendet wird, um elektrischen Strom während der
Volumenabscheidung zu leiten. In einigen Fällen kann die Saatschicht auch
als eine Diffusionsbarrierenschicht und/oder eine Adhäsionsschicht
für das
Volumenmaterial, beispielsweise für Kupfer, dienen, das in die
Kontaktöffnungen
und Gräben
eingefüllt
wird. Im Allgemeinen ist die Saatschicht eine sehr dünne Schicht
aus Metall mit einer Dicke von ungefähr 100 nm und kann durch ein
beliebiges bekanntes Verfahren abgeschieden werden, etwa die physikalische Dampfabscheidung
(PVD) oder die chemische Dampfabscheidung (CVD). Nach der Abscheidung der
Saatschicht wird das Substrat in Kontakt mit einem Elektrolytbad
gebracht, das ionische Verbindungen einschließlich der Metallionen des erforderlichen Typs
enthält,
und eine Spannung wird zwischen einer Anode in dem Elektrolytbad
und dem Substrat, das als eine Katode fungiert, angelegt, wobei
die Saatschicht dazu dient, den Strom über die gesamte Substratfläche zu verteilen.
Die Metallschicht wird bis zu einem Grade abgeschieden, um eine
deckende Schicht zu bilden, wodurch eine Metallschicht bereitgestellt
wird, die die Gräben
und die Kontaktöffnungen
füllt und
sich leicht über
diese Struktur merkmale hinaus erstreckt. Typischerweise ist die
Dicke der Metallschicht in der Größenordnung von 1 μm.
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Nach
der Abscheidung der Metallschicht wird Überschussmetall entfernt, um
die Strukturierung der Metallleitungen abzuschließen. In
dem Damaszenerprozess hat sich das chemisch mechanische Polieren
als die bevorzugte Technik zum Entfernen des Überschussmetalls erwiesen.
Während
des chemisch mechanischen Polierens (CMP) wird die kombinierte Wirkung
eines chemischen Ätzmittels und
eines Schleifmittels angewendet, um gemeinsam die exponierte Metalloberfläche durch
Reaktion, Schleifen und Polieren abzutragen, wodurch die verbleibende
Substratoberfläche
eingeebnet wird. Obwohl CMP sehr erfolgreich bei der Herstellung
von Metallierungsschichten angewendet wird, hat sich das Erstellen
einer CMP-Technik, die eine minimale Ungleichförmigkeit über die gesamte Substratfläche bewirkt,
als eine herausfordernde Aufgabe für Prozessingenieure erwiesen,
insbesondere wenn Substrate mit großem Durchmesser betrachtet
werden. Bei der Bereitstellung einer gleichförmigen eingeebneten Oberfläche nach
dem Entfernen des Überschussmetalls
ist es nicht nur wichtig während
eines CMP-Prozesses, das Abtragen des Metalls und des umgebenden
dielektrischen Materials, was auch als Einkerbung und Erosion bezeichnet
wird, innerhalb spezifizierter Toleranzen für die diversen Elementstrukturen auf
einem einzelnen Chip zu halten, sondern diese spezifizierten Toleranzen
in Hinblick auf die Einkerbung und die Erosion ebenso an Stellen
einzuhalten, die weiter voneinander entfernt sind, beispielsweise in
der Mitte und am Rand des Substrats.
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Mit
Bezug zu den 1a und 1b ist
ein typisches Metallisierungsmuster schematisch dargestellt, um
die Wirkungen von der Einkerbung und der Erosion während des
CMP zu demonstrieren. In 1a umfasst
eine Metallisierungsstruktur 100 eine Isolierschicht 101 mit
einer darin ausgebildeten einzelnen Metallleitung 102 und
mehreren eng benachbarten Metallleitungen 103. Die Isolierschicht 101 kann
beispielsweise aus Siliziumdioxid hergestellt sein und die Metallleitungen 102 und 103 können im Wesentlichen
Kupfer aufweisen. Die Metallisierungsstruktur 100 kann
beispielsweise an einer zentralen Stelle des Substrats angeordnet
sein. Während
die Metallisierungsstruktur 100 dem CMP-Prozess unterzogen
wird, wird isolierendes Material von der anfänglichen Isolierschicht 101 entfernt,
wie dies durch die Pfeile E dargestellt ist. Dieser Abtrag von Material im
Vergleich zur Anfangsmaterialschicht wird als Erosion bezeichnet
und kann von der Art der Elementstruktur, die in der Isolierschicht 101 gebildet
ist, abhängen.
Beispielsweise kann die Erosion in der Nähe der einzelnen Metallleitung 102 deutlich
kleiner sein als in der Nähe
der mehreren Metallleitungen 103. Zusätzlich wird Kupfer in den Metallleitungen 102 und 103 stärker abgetragen
als Material der umgebenden Isolierschicht 101. Dieser
Vorgang des übermäßigen Materialabtrags
in den Metallleitungen 102 und 103 wird als „Einkerbung" bezeichnet und ist
durch D in 1a gekennzeichnet.
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1b zeigt
schematisch eine Metallisierungsstruktur 150 mit einer
Isolierschicht 151 und Metallleitungen 152 und 153,
die in der Isolierschicht 151 gebildet sind. Prinzipiell
entspricht die Metallisierungsstruktur 150 der Struktur 100,
ist jedoch am Rand des Substrats angeordnet. Da in dem betrachteten
CMP-Prozess die Abtragsrate am Rand des Substrats kleiner ist als
im Vergleich zu einer zentralen Position, sind die Erosion und die
Einkerbung in der Metallisierungsstruktur 150 im Vergleich
zu der Struktur 100 reduziert. Folglich zeigen die Metallisierungsleitungen 152, 153 einen
größeren Querschnitt und
damit eine verbesserte Leitfähigkeit
im Vergleich zu den Metallleitungen 102, 103.
Um die Zuverlässigkeit
und die Leistungsfähigkeit über die
gesamte Substratfläche
hinweg erzeugter integrierter Schaltungen zu gewährleisten, müssen die
Entwurfsregeln die oben dargestellten Ungleichförmigkeiten der Metallleitungen
in unterschiedlichen Substratgebieten berücksichtigen. Dies trägt zur Prozesskomplexität und somit
zu den Produktionskosten bei.
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Die
Patentschrift
US 6,107,186
A offenbart ein Verfahren zum Bilden von Metallisierungsschichten
mit Strukturen mit hoher Dichte (Metall-Strukturen die mit kleinem
Abstand angeordnet sind) und hoher Planarität mittels eines Damaszener-CMP-Prozesses.
Die im Bereich dieser Strukturen beim CMP-Prozess auftretende Erosion
wird durch eine größere Dicke
der elektroplattierten Schicht in diesem Bereich kompensiert.
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Die
Patentschrift
US 6
319 834 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verbessern der Planarität
einer Metallisierungsschicht beim Elektroplattieren und beim CMP.
Vertiefungen, die in der Oberfläche
des Substrates gebildet sind, werden zunächst durch selektives Elektroplattieren
mit einem Metall gefüllt.
Nachfolgend wird nur noch eine dünne ebene
Deckschicht abgeschieden, so dass im anschließenden CMP- Prozess lediglich eine dünne Metallschicht
abgetragen werden muss. Eine eventuelle strukturunabhängige Ungleichförmigkeit
von CMP-Abtragsraten an unterschiedlichen Positionen des Substrats
wird dadurch jedoch nicht kompensiert.
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Angesichts
der obigen Problematik gibt es daher einen Bedarf für eine verbesserte
Prozesssequenz zur Herstellung von Metallisierungsschichtungen,
die ein höheres
Maß an
Gleichförmigkeit
an unterschiedlichen Positionen des Substrats zeigen.
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Überblick über die
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich im Allgemeinen an ein Verfahren,
das es ermöglicht,
in effizienter Weise Prozessschwankungen während der Herstellung von Metallisierungsschichten
zu kompensieren, indem die Abscheidung einer Metallschicht in Übereinstimmung
mit Prozessschwankungen des CMP-Prozesses gesteuert wird. Somit
kann eine unterschiedliche Abtragsrate in mehreren unterschiedlichen
Bereichen eines Substrats kompensiert werden, indem die Abscheiderate
an jedem der mehreren Berei che so gesteuert wird, um entsprechend die
Schichtdicke in einem Bereich mit einer höheren Abtragsrate zu vergrößern oder
entsprechend die Schichtdicke in einem Bereich mit einer reduzierten Abtragsrate
zu verringern. Auf diese Weise können sogar
komplexe Polierschwankungen, d.h. Schwankungen mit einem komplexen
Profil, etwa M-förmige oder
W-förmige
Profile entlang des Substratdurchmessers, korrigiert werden.
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Insbesondere
wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
sind in den angefügten
Patentansprüchen
definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung
deutlicher hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen
studiert wird; es zeigen:
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1a und 1b schematisch
eine Querschnittsansicht einer typischen Metallisierungsstruktur
an unterschiedlichen Stellen auf einem Substrat;
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2 ein
Diagramm, das einen typischen Prozessablauf einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3a schematisch
einen beispielhaften Reaktor zur Elektroplattierung, um eine Metallisierungsschicht
mit einem gewünschten
Profil gemäß einer
Ausführungsform
zu bilden;
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3b schematisch
eine Ausführungsform unter
Anwendung eines Verteilungselements, um ein gewünschtes Metallprofil zu erhalten;
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3c eine
Draufsicht auf das Verteilungselement aus 3b;
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4 schematische
eine Prozesskammer einer Sputteranlage, um eine Saatschicht mit
einem gewünschten
Dickenprofil gemäß einer
weiteren Ausführungsform
zu erzeugen; und
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5a–5e Diagramme,
die Messergebnisse diverser Metallschichtprofile im Hinblick auf
die erhaltene Erosion in einem nachfolgenden CMP-Prozess zeigen.
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Detaillierte
Beschreibung
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Anzumerken
ist, dass, obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den in
der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellten Ausführungsformen
beschrieben ist, diese Beschreibung nicht beabsichtigt, die vorliegende
Erfindung auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern
die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden
Erfindung, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist, dar.
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Wie
im einleitenden Teil der Anmeldung bereits herausgestellt ist, sind
CMP und das Elektroplattieren die bevorzugten Techniken zur Bildung
von Metallisierungsschichtungen, insbesondere zur Bildung einer
Kupfermetallisierung, wobei gegenwärtig große Anstrengungen unternommen
werden, um die einzelnen Prozessschritte hinsichtlich der Gleichförmigkeit über die
Substratoberfläche
hinweg zu optimieren. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung erkannten,
dass die den einzelnen Prozesse innewohnenden Unzulänglichkeiten
vorteilhaft in Kombination ausgenützt werden können, um
eine verbesserte Metallisierungsstruktur, wie sie hierin beschrieben
ist, zu erhalten.
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2 zeigt
im Wesentlichen den Prozessablauf gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 201 werden
Abtragsraten und/oder Parameter, die Abtragsraten während eines
CMP-Prozesses kennzeichnen, an zumindest zwei unterschiedlichen
Gebieten nämlich
in einem zentralen und einem Randgebiet auf einem Substrat bestimmt.
Die Bestimmung der Abtragsraten und/oder der Parameterwerte, die die
Abtragsraten kennzeichnen, kann erreicht werden, indem entsprechende
Testscheiben präpariert werden,
die einem CMP-Prozess, wie er bei der Verarbeitung von Produktscheiben
durchgeführt
wird, unterzogen werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform können die
Testscheiben Gräben,
Kontaktöffnungen und
vertiefte Bereiche aufweisen, die den Elementstrukturen der Produktscheiben
entsprechen. Wie im Schritt 204 angezeigt ist, kann die
Messung von Eigenschaften von Metallleitungen, beispielsweise der Erosion
und der Einkerbung ausgewählter
Linien, durchgeführt
werden, und die erhaltenen Ergebnisse können für die Bestimmung der Abtragsraten und/oder
der Parameterwerte, die die Abtragsrate kennzeichnen, verwendet
werden. Beispielsweise kann die Erosion einen Parameter repräsentieren, der
quantitativ die Qualität
und damit die Abtragsratengleichförmigkeit des CMP beschreibt.
Gemäß dieser
Ausführungsform
können
ebenso die Produktscheiben oder zumindest einige der Produktscheiben als
die Testscheiben dienen, wodurch die Anzahl der Testscheiben deutlich
verringert wird oder wodurch die Verwendung von Testscheiben sogar
vollkommen hinfällig
wird. Durch Bestimmen der Abtragsraten und/oder der Parameterwerte,
die diese kennzeichnen, etwa die Erosion und/oder die Einkerbung und/oder
die endgültige
Schichtdicke, auf der Grundlage der Messergebnisse von Produktscheiben
kann ferner die Qualität
des CMP-Prozesses ständig überwacht
werden, so dass unterschwellige Änderungen der
CMP-Parameter aufgrund beispielsweise der Verschlechterung des Polierkissens,
etc., detektiert und für
die Bestimmung der entsprechenden Abtragsraten und/oder der Parameterwerte
berücksichtigt
werden können.
Beispielsweise kann eine Zeitabhängigkeit
der Abtragsraten und/oder der Pa rameterwerte berücksichtigt werden, nachdem
eine anfängliche
Abtragsrate und/oder Parameterwert für die betrachtete CMP-Station
erstellt worden ist.
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Ferner
kann die Bestimmung der Abtragsraten und/oder der dafür kennzeichnenden
Parameterwerte auf der Grundlage eines theoretischen Modells des
CMP-Prozesses ausgeführt
werden. Das heißt, es
können
Berechnungen für
Erosionsraten und Einkerbungsraten während des Betriebs oder im
Voraus durchgeführt
werden, und die Ergebnisse daraus können für die weitere Bearbeitung verwendet
werden. In einem Beispiel wird eine Reihe von Testmessungen durchgeführt und
es können
Abtragsraten und/oder entsprechende Parameterwerte ohne weitere
Messungen erhalten werden, sobald entsprechende Modelldaten aus
den empirischen Daten ermittelt worden sind.
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Gemäß Schritt 202 wird
ein Produktsubstrat, etwa eine Siliziumscheibe, die Metallisierungsstrukturen
an einem ersten und einem zweiten Gebiet trägt, etwa die Metallisierungsstrukturen 100 und 150 aus
den 1a und 1b (selbstverständlich ohne Metall),
dem Elektroplattierungsvorgang unterzogen, wobei Prozessparameter
des Elektroplattierungsprozesses so gesteuert werden, um eine Metalldicke
in dem ersten und dem zweiten Gebiet zu erhalten, die mit den Abtragsraten
und/oder den Parameterwerten, die im Schritt 201 bestimmt
wurden, korreliert ist. Zum Beispiel kann, wie zuvor erläutert wurde,
die Abtragsrate von Kupfer in einem typischen Kupfermetallisierungsprozess
in dem zentralen Bereich des Substrats höher sein als am Rand. Folglich
werden die Prozessparameter des Elektroplattierungsvorgangs so gesteuert,
um eine erhöhte
Metalldicke im zentralen Gebiet zu erhalten, so dass der tatsächliche
Abtrag in dem zentralen Gebiet und in dem Randgebiet innerhalb spezifizierter
Toleranzen liegen, wenn die Abtragsraten und/oder die Parameterwerte,
die im Schritt 201 bestimmt wurden, als Grundlage verwendet
werden. Insbesondere können
die Erosion- und Einkerbungswerte für das Abschätzen der Abtragsraten angewendet
werden, oder diese können
direkt als die Steuerparameter verwendet werden.
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Das
Steuern der Abscheidedicke in den ersten und zweiten Gebieten, d.h.
das Steuern der Prozessparameter des Elektroplattierungsprozesses wird
nun mit Bezug zu den 3 und 4 beschrieben.
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3a zeigt
schematisch ein Elektroplattierungsreaktor 300 zum Abscheiden
einer Metallschicht auf einem Substrat 301. Das Substrat 301 umfasst
eine Arbeitsfläche 302,
auf der das Metall, beispielsweise Kupfer, abzuscheiden ist. Das
Substrat 301 wird von einem Substrathalter 303 gehalten, der
auch ausgebildet ist, eine elektrische Verbindung zu einer in 3 nicht gezeigten Spannungsquelle herzustellen.
Der Reaktor 300 umfasst ferner einen Reaktorhohlraum 304,
der ein Elektrolyt mit Metallionen enthält, die auf der Arbeitsfläche 302 abzuscheiden
sind. Das Elektrolyt kann in dem Reaktorhohlraum 304 mittels
einer Fluidleitung 305 eingeführt werden, die auch mit einer
vertikalen Hebeleitung 306 verbunden ist, die ihrerseits
angeordnet ist, um Elektrolyt zu dem zentralen Bereich der Substratoberfläche 302 zuzuführen. Eine
Fluidverteilungseinrichtung 307 ist in dem Reaktorhohlraum 304 angeordnet
und umfasst zwei oder mehr Blätter
oder Flügel 308,
die wiederum einen Fluiddurchlass 309 und eine Abschirmung 310 aufweisen.
Die Fluidverteilungseinrichtung 307 ist um die zentrale
Hebeleitung 306 durch geeignete Antriebsmittel, die in
der Figur nicht gezeigt sind, drehbar. Eine großflächige Anode 311 ist
an der Unterseite des Reaktorhohlraums 304 angeordnet und
ist mit dem Elektrolyt in Kontakt.
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Im
Betrieb dreht sich die Fluidverteilungseinrichtung 307 und
es wird Elektrolyt zu der Arbeitsfläche 302 zugeführt, die
nunmehr als eine Kathode fungiert, so dass sich Metall auf der Arbeitsfläche 302 abscheidet.
Die Fluidverteilungseinrichtung 307 kann mittels eines
beliebigen geeigneten Antriebssystems in Drehung versetzt werden,
etwa einem Elektromotor, durch Ankopplung an ein drehendes Magnetfeld, und
dergleichen. Da das an der Oberfläche 302 vorherrschende
elektrische Feld merklich von der Form der Abschirmungen 310 abhängt – da diese
den Ionenausbreitungspfad bestimmen – ist die Abscheiderate an
spezifischen Gebieten auf der Substratoberfläche 302 durch die
Form der Abschirmungen 310 beeinflusst. Folglich kann durch
geeignetes Wählen der
Form der Abschirmungen 310 das Dickenprofil der schließlich erhaltenen
Metallschicht eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Form der
Abschirmungen 310 so gewählt werden, um ein „kuppelartiges" Dickenprofil zu
erhalten, wobei die Arbeitsfläche 302 im
zentralen Gebiet eine gemittelte größere Metalldicke annimmt. Alternativ
und abhängig
von dem anschließenden
CMP-Prozess kann ein Dickenprofil erreicht werden, in dem das zentrale
Gebiet eine reduzierte Metalldicke aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann
in einer Ausführungsform
das Strömen
des Elektrolyts zu der Arbeitsfläche 302 so
gesteuert werden, um das gewünschte
Dickenprofil zu erreichen. Diesbezüglich können die Ab schirmungen 310 oder zusätzliche
Abschirmungen so angeordnet sein, um die Fluidströmung des
Elektrolyts in Substratgebiete zu behindern, in denen eine reduzierte
Metalldicke gewünscht
ist. Beispielsweise können
zusätzliche Abschirmungen
am Rand des Substrats 301 vorgesehen werden, um die Fluidströmung in
diesen Gebieten einzuschränken.
Die Abschirmungen 310 und die zusätzlichen Abschirmungen können aus
einem nicht leitenden, vorzugsweise inerten Material, etwa Teflon,
hergestellt sein, um somit nicht mit dem Elektrolyt zu reagieren.
Ferner ist durch die Beeinflussung der Fluidströmung das elektrische Feld in
diesen Gebieten ebenso beeinflussbar.
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3b zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform,
die ähnlich
zu der in 3a dargestellten Ausführungsform
ist, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Zwischen
der Fluidverteilungseinrichtung 307 und dem Substrat 301 ist ein
Verteilungselement 312 vorgesehen, das ein darin ausgebildetes
Muster aus Öffnungen 313 aufweist,
das das elektrische Feld und/oder die Fluidströmung zu den entsprechenden
Gebieten auf dem Substrat 301 steuert, um damit die Abscheiderate und
damit das endgültige
erhaltene Dickenprofil zu steuern. In 3b ist
das Muster 313 im Wesentlichen durch gleich große Öffnungen
gebildet, die im zentralen Bereich dichter als am Rand vorgesehen sind.
Das dargestellte Muster 313 ist lediglich beispielhafter
Natur und kann eine beliebige geeignete Form und eine Anzahl an Öffnungen
kann vorgesehen sein, um die gewünschte
Strömungsverteilung zu
erhalten. Zum Beispiel können
die Öffnungen
am Rand dichter vorgesehen sein, wenn in diesem Gebiet eine höhere Abscheiderate
notwendig ist. Ferner kann das Material des Verteilungselements 312 leitend
sein, so dass das dem Weg der Ionen beeinflussende elektrische Feld
in der Fluidströmung
auch steuerbar ist.
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3c zeigt
das Verteilungselement 312 detaillierter. Wie zu erkennen
ist, bilden die Öffnungen 313 ein
Muster, das eine erhöhte
Fluidströmung
im zentralen Gebiet des Substrats 301 zulässt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Anode 311 aus einer Vielzahl einzelner Anodenelemente
hergestellt sein, die so angeordnet sind, um eine benötigte elektrische
Feldverteilung zum Erhalten des gewünschten Dickenprofils bereitzustellen.
In einer Ausführungsform
sind Anodenelemente mit im Wesentlichen gleicher Größe unterhalb
des Substrats vorgesehen, wobei in einem Gebiet, das dem zentralen
Gebiet des Sub strats entspricht, deutlich mehr Anodenelemente angeordnet
sind, als in einem Gebiet, das dem Rand des Substrats entspricht.
Daher kann eine höhere
Stromdichte und damit Abscheiderate im zentralen Gebiet des Substrats
erreicht werden.
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Anzumerken
ist, dass die zuvor erläuterten Verfahren
zum Erhalten des gewünschten
Dickenprofils auch in Kombination verwendbar sind. Ferner werden
auf dem Gebiet des Elektroplattierens große Anstrengungen unternommen,
um eine gleichförmige
Metallschicht zu erhalten, wobei eine Vielzahl von Parameter, die
das endgültig
erhaltene Profil der Metallschicht beeinflussen, untersucht worden
sind. Die entsprechenden Ergebnisse können somit angewendet werden,
um die entsprechenden Parameter so einzustellen, dass die Metallschicht „deformiert" wird, um ein Dickenprofil
zur Kompensation der unterschiedlichen Abtragsraten während eines
CMP-Prozesses zu erhalten.
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Mit
Bezug zu 4 wird eine weitere Ausführungsform
beschrieben, in der Prozessparameter zum Abscheiden einer Metallschicht
auf einem Substrat so gesteuert werden, um ein erforderliches Dickenprofil
zu erreichen. In 4 umfasst eine Sputteranlage 400 eine
Reaktionskammer 401 mit mehreren Magneten 402,
einer Plasmaabschirmung 403 und einem Sputterabscheidematerial 404.
Auf einer Substrathalterung 405 ist ein Substrat 406 vorgesehen,
das ein erstes Substratgebiet 407 und ein zweites Substratgebiet 408 aufweist.
Ein Kollimator 409 ist zwischen dem Sputterabscheidematerial 404 und der
Substrathalterung 405 angeordnet. Der Kollimator 409 umfasst Öffnungen 410,
deren Durchmesser sich entlang dem Radius des Kollimators 409 so ändert, dass
die Öffnungen 410,
die dem ersten Gebiet 407 entsprechen, einen größeren Durchmesser
aufweisen als die Öffnungen 410,
die dem zweiten Gebiet 408 entsprechen. Der Einfachheit
halber sind in 4 weitere Mittel, die zum Betrieb
der Sputteranlage 400 erforderlich sind, etwa Zufuhrleitungen, Plasmaanregungseinrichtungen,
Radiofrequenzgenerator, eine Vorspannungsquelle und dergleichen, weggelassen.
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Wie
zuvor erläutert
ist, wird beim Abscheiden einer Metallschicht mittels Elektroplattierens
eine dünne
Saatschicht benötigt,
die als eine Stromverteilungsschicht dient. Bekanntlich hängt die
Abscheiderate des Elektroplattierens u.a. von der Stromdichte an
den entsprechenden Stellen auf dem Substrat ab. Wenn daher die anfängliche
Leitfähigkeit
für den Stromtransport
der Saatschicht so gestaltet ist, dass diese ein benötigtes Profil
aufweist, kann die anfängliche
Abscheiderate während
des Elektroplattierens und damit die Abscheiderate während näherungsweise
des gesamten Abscheidevorganges nach Bedarf erhöht oder verringert werden.
Insbesondere kann die anfänglich
verringerte Abscheiderate im zentralen Gebiet des Substrats, die
durch den erhöhten
elektrischen Widerstand verursacht wird, wirksam durch die in 4 gezeigte
Sputteranlage kompensiert werden.
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Während des
Betriebs werden Zielatome aus dem Sputterabscheidematerial 404 durch
ankommende geladene Partikel des Plasmas (nicht gezeigt) herausgelöst und bewegen
sich in Richtung des Kollimators 409. Aufgrund des Profils
der Öffnungen 410 trifft
eine größere Menge
Zielatome das Substrat 406 in dem ersten Gebiet 407 im
Vergleich zu dem zweiten Gebiet 408. Das endgültig erhaltene
Dickenprofil der Saatschicht entspricht im Wesentlichen dem Profil
der Öffnungen 410.
In der vorliegenden Ausführungsform
zieht das Dickenprofil der Saatschicht das kuppelartige Dickenprofil
der endgültigen
Metallschicht nach sich, das durch das anschließende Elektroplattieren erhalten
wird. Gemäß dieser
Ausführungsform
können
herkömmliche
Elektroplattierungsreaktoren verwendet werden, da keine weitere
Steuerung von Prozessparametern mit Ausnahme der konventionellen
Prozesssteuerung für
die Bildung einer gleichmäßigen Metallschicht
während des
Elektroplattierens erforderlich ist. In weiteren Ausführungsformen
können
jedoch zusätzliche
Prozessparameter des Elektroplattierens in der zuvor mit Bezug zu 3 dargestellten Weise gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Dickenprofil der Saatschicht durch Variieren der Plasmaform,
beispielsweise durch Einführen
entsprechend geformter Plasmaabschirmungen, und/oder durch Beeinflussen
der Abscheiderate mittels Steuern der Temperatur des Substrats 406 gesteuert
werden. Anzumerken ist, dass die Prozessparameter anderer Abscheideverfahren
zur Bildung der Saatschicht gesteuert werden können, um das gewünschte Dickenprofil
zu erhalten. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das chemische Dampfabscheiden angewendet
werden, wobei eine entsprechend geformte Abscheidemaske vorgesehen
ist, die in effizienter Weise die Abscheiderate auf dem Substrat steuert.
Ferner kann die Substrattemperatur zur Modifizierung der Abscheiderate
gesteuert werden.
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Wieder
mit Bezug zur 2 wird nach dem Abscheiden der
Metallschicht das Substrat dem CMP-Prozess unterzogen, indem eine
Endpunktdetektion ausgeführt
wird, um die Metallfreiheit der Substratoberfläche zu bestimmen. In einer
speziellen Ausführungsform
wird die Endpunktdetektion in dem ersten und dem zweiten Gebiet
ausgeführt,
und die Messergebnisse werden für
das Bestimmen der Abtragsraten und/oder der die Abtragsraten kennzeichnenden
Parameterwerte verwendet. Zum Beispiel kann der Zeitunterschied
zwischen dem Auftreten der Metallfreiheit in den ersten und zweiten
Gebieten als ein Maß für die Differenz
der Abtragsraten dieser Gebiete verwendet werden und ein entsprechender Korrekturwert
für das
Abscheiden der Metallschicht in einem nachfolgenden Substrat kann
erhalten werden. Dieses Vorgehen ist vorteilhaft, wenn das Elektroplattieren
und das CMP im Wesentlichen zur gleichen Zeit stattfinden, so dass
Korrekturen, die zur Formung des Profils der Metallschicht erforderlich sind,
unmittelbar an die Elektroplattierstation weitergeleitet werden,
um die Abscheiderate entsprechend zu ändern. In den meisten Fällen findet
jedoch das Elektroplattieren für
ein Los von Substraten statt, bevor das Los den CMP-Prozess durchläuft und
Abweichungen der Abtragsraten und/oder der dafür kennzeichnenden Parameterwerte
können
beispielsweise auf einer Los-Basis gewonnen werden und für den Abscheideprozess
nachfolgend bearbeiteter Substratlose verwendet werden. Eine systematische
Parameterverschiebung während
des CMP-Prozesses kann daher auf Los-Basis erfasst und berücksichtigt werden.
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In
einer Ausführungsform
kann eine „Vorwärts"-Korrektur von „tatsächlichen" CMP-Schwankungen ausgeführt werden,
selbst wenn die Metallabscheidung abgeschlossen ist. Dazu kann ein
Modell des CMP Simulationsergebnisse für anfänglich profilierte Substrate
erzeugen und deren Entwicklung während
des „Ablaufs" des (simulierten)
CMP-Vorganges „vorhersagen". Das modellierte
CMP kann durch Erosionswerte, Einkerbungswerte, Schichtdicke und
dergleichen dargestellt werden.
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Die
Berechnungen können
auf der Basis einzelner (Modell-) Wafer durchgeführt werden, und die Simulationsergebnisse
können
unmittelbar in die Prozesssteuerung des tatsächlichen Elektroplattierungsprozesses
eingeführt
werden. Wenn z.B. im Wesentlichen ein „kuppelartiges" Profil erforderlich ist,
kann die maximale Kuppelhöhe
individuell auf der Grundlage der Simulationsergebnisse, die aus
dem CMP-Modell dieses Substrat erhalten worden sind, fein eingestellt
werden. Um die Genauigkeit dieses Prozesses weiterhin zu verbessern,
können
tatsächliche
Messergebnisse, die auf einer Los-Basis des eigentlichen CMPs gewonnen
werden, in das CMP-Modell rückgekoppelt
werden, um geringe Diskrepanzen zwischen dem Modell und dem tatsächlichen
Prozess zu kompensieren.
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Nachdem
das CMP abgeschlossen ist, kann gemäß Schritt 204 eine
Messung von Eigenschaften der Metallleitungen durchgeführt werden,
um beispielsweise die Erosion und die Einkerbung in den ersten und
zweiten Gebieten zu bestimmen. Die entsprechenden Messergebnisse
können
auch verwendet werden, um die Abtragsraten und/oder andere Parameterwerte
zu bestimmen. In einer speziellen Ausführungsform werden diese Messergebnisse
zur Etablierung eines Modells, beispielsweise in der Form von Tabellen
mit Erosions- und/oder Einkerbungswerten, um Parameterwerte, die
mit dem Steuern des Elektroplattierungsprozesses in Beziehung stehen,
bearbeitet. Somit kann das Bestimmen von Abtragsraten und/oder beliebigen
dafür kennzeichnenden
Parameter für
eine Vielzahl von Substraten erreicht werden, sobald anfängliche
Abtragsraten zu Beginn eines neuen Prozesszyklus aufgestellt worden
sind. Zum Beispiel wird ein erstes Los von Substraten gemäß dem Ablauf
aus 2 bearbeitet, wobei die anfänglichen Abtragsraten im Voraus
bestimmt worden sind, um die Abscheidung und damit die Dickenprofile
während
des Elektroplattierens zu steuern. Im Schritt 204 werden
Erosions- und Einkerbungswerte erhalten und unmittelbar in die Elektroplattierungsstation
rückgespeist,
um Korrekturen, die zum Einhalten der erforderlichen Toleranzen
notwendig sind, zu berücksichtigen.
Auf diese Weise wird eine Art geschlossener Rückkopplungsschleife erstellt,
in der mögliche Änderungen
beim Elektroplattieren und dem CMP-Prozess kompensiert werden können.
-
Mit
Bezug zu den 5a–5e wird
nun eine weitere anschauliche Ausführungsform beschrieben. Mehrere
Substrate in Scheibenform mit einem Durchmesser von ungefähr 300 mm
sind vorbereitet worden, so dass jede der Scheiben mehrere Kontaktöffnungen
und Gräben
aufweist, die in einer Isolierschicht gebildet sind, beispielsweise
in der Art, wie es in 1 gezeigt ist.
Jede Scheibe umfasst ein zentrales Gebiet, das in der Mitte der
Scheibe angeordnet ist und sich über
zumindest mehrere Millimeter erstreckt, und ein Randgebiet, das
an dem Rand der Scheibe angeordnet ist und sich um zumindest einige
Millimeter nach innen erstreckt, zumindest eine Metallleitung, die
für Messungen
verwendbar ist, um Abtragsraten und/oder für die Abtragsraten kennzeichnende
Parameter, etwa die Erosion und/oder die Einkerbung, zu bestimmen.
Eine erste Scheibe erhält
eine Kupfermetallschicht mit ungefähr 1 μm Dicke gemäß standardmäßigen Pro zessparametern, d.h.
die Elektroplattierparameter sind so eingestellt, um eine möglichst
gleichförmige
Kupferoberfläche
zu erhalten. Eine zweite Scheibe wird mit einer profilierten Kupferschicht
vorbereitet, wobei die Scheibe ein kuppelartiges Profil mit einer
maximalen Dicke in der Mitte des zentralen Gebiets aufweist, die
die Metalldicke am Rand um ungefähr
50 nm übersteigt.
Eine dritte Scheibe wurde mit einer Dicke in der Mitte des zentralen
Gebiets, die den Rand um ungefähr
80 nm übersteigt,
und eine vierte und eine fünfte
Scheibe wurden in der gleichen Weise vorbereitet mit einer Überschussdicke
von 100 nm und 150 nm. Die ersten bis fünften Scheiben werden dann
einem CMP-Prozess
unter ähnlichen
Bedingungen unterzogen, wobei das Ende des CMP-Schritts mittels
Endpunktdetektion in den Rand- und zentralen Gebieten bestimmt wird.
In darauffolgenden Messungen werden die Erosion der zumindest einer
Metallleitung in jeweils dem zentralen und den Randgebieten der
ersten bis fünften
Scheiben an sieben in radialer Richtung beabstandeten Punkten bestimmt.
In 5a–5e ist
die Erosion in den zentralen Gebieten durch Kreise und die Erosion
in den Randgebieten durch Quadrate gekennzeichnet.
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In 5a ist
die Erosion in dem zentralen Gebiet deutlich größer als in dem Randgebiet,
wodurch angedeutet wird, dass die Abtragsrate in dem zentralen Gebiet
größer als
die Abtragsrate in dem Randgebiet ist. Der CMP-Prozess wurde 99
Sekunden lang durchgeführt
und erforderte eine Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden, bis das
Randgebiet vollständig
freigelegt war.
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In 5b,
das das kuppelartige Profil mit 50 nm Überschusshöhe repräsentiert, ist angedeutet, dass
die Abtragsraten in dem zentralen und dem Randgebiet sehr ähnlich sind,
da die in dem zentralen Gebiet gemessene Erosion lediglich geringfügig größer ist
als die in dem Randgebiet gemessene Erosion. Der Endpunkt wurde
im zentralen Gebiet bei 109 Sekunden detektiert und eine Poliernachlaufzeit von
18 Sekunden wurde hinzugefügt.
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5c zeigt
das Ergebnis für
die kuppelartige Struktur mit einer Überschusshöhe von 80 nm und deutet an,
dass die Abtragsraten in dem zentralen und dem Randgebiet im Wesentlichen
gleich sind. Ferner setzte gemäß der Endpunktdetektion
die Freilegung in dem Randgebiet und dem zentralen Gebiet im Wesentlichen
gleichzeitig nach 86 Sekunden ein, und es wurde eine Poliernachlaufzeit
von 18 Sekunden verwendet.
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5d zeigt
die Ergebnisse der kuppelartigen Struktur mit einer Überschusshöhe von 100
nm. Die erhöhte
Erosion des Randgebietes zeigt, dass nun die Abtragsrate in dem
Randgebiet höher
als in dem zentralen Gebiet ist. Ferner war eine Polierzeit von
111 Sekunden mit einer Poliernachlaufzeit von 18 Sekunden erforderlich.
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5e zeigt
deutlich, dass die Abtragsrate in dem Randgebiet nunmehr deutlich
größer als
in dem zentralen Gebiet ist, da die Erosion des Randgebiets deutlich
erhöht
ist.
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Aus
den obigen Ergebnissen wird das kuppelartige Profil mit einer Überschusshöhe von 80
nm ausgewählt
und dieses liefert eine minimale Abweichung der Erosion der Metallleitungen
im Vergleich zum herkömmlich
verwendeten Prozess (5a), und liefert zusätzlich eine
reduzierte Prozesszeit.
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Anzumerken
wäre, dass
in den bislang beschriebenen Ausführungsformen das Substrat in
ein erstes und ein zweites Gebiet unterteilt ist, es kann jedoch
auch ein komplexeres Profil in Übereinstimmung
mit Prozessanforderungen angewendet werden. Beispielsweise kann
für gegenwärtige Strukturgrößen und
Liniendichten die oben ermittelte 80 nm Kuppelhöhe erfolgreich in den Prozess
implementiert werden, aber für
andere Schaltungen, Strukturgrößen, Metall/Kontaktöffnungsschichten
und Technologien können
andere Werte erforderlich sein. Abhängig von künftigen Technologien kann ein
vollständig umgekehrte
Form (Schüsselform)
notwendig sein. Ferner können
komplexere oder fortgeschrittenere Polierprozesse komplexere Profile,
etwa W-Formen oder M-Formen und dergleichen erforderlich machen.
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Weitere
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke, dem Fachmann
die allgemeine Art des Ausführens
der vorliegenden Erfindung zu vermitteln, gedacht. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als
die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen zu
betrachten.