DE19839086B4

DE19839086B4 - Rückhaltering für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung und chemisch-mechanische Poliervorrichtung damit

Info

Publication number: DE19839086B4
Application number: DE19839086A
Authority: DE
Inventors: Juen-Kuen Lin; Chien-Hsin Lai; Peng-Yih Peng; Kun-Lin Wu; Daniel Chiu; Chih-Chiang Yang; Juan-Yuan Wu; Hao-Kuang Chiu
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: NL1010252C2; FR2767735B1; DE19839086A1; NL1010252A1; FR2767735A1

Abstract

Rückhaltering für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit:
– einer Vielzahl von Poliermitteldurchgängen (42, 52, 82, 102), die von einer Innenflache des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) zu einer Außenfläche des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) hin verlaufen; und
– wenigstens einem kreisförmigen Pfad (54, 104), der die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang des Rückhalteringes (40, 50, 80, 100) kreuzt.

Description

Die Erfindung betrifft die Halbleiterbauteilherstellung und insbesondere die Struktur eines Rückhalteringes zur Verwendung auf einem Polierkopf einer chemisch-mechanischen Poliervorrichtung (CMP-Vorrichtung) zum Festhalten eines Halbleiter-Wafers während der Durchführung eines CMP-Verfahrens.

Bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen wird die CMP-Technik häufig verwendet, um Halbleiter großflächig zu glätten, die für die Herstellung von VLSI-ICs (very large scale Integration-ICs) und ULSI-ICs (ultra large scale integration-ICs) verwendet werden.

Aus den 1A und 1B ist eine herkömmliche CMP-Vorrichtung ersichtlich. Die CMP-Vorrichtung weist einen Poliertisch 10, auf dem ein Polierkissen 12 vorgesehen ist, einen Polierkopf 14 zum Festhalten eines Halbleiter-Wafers 16 und eine Düse 18 auf, um dem Halbleiter-Wafer 16 während des CMP-Verfahrens ein Poliermittel zuzuführen.

Aus Figur IC ist schematisch die Struktur des Polierkopfes 14 ersichtlich. Wie aus der Figur ersichtlich, weist der Polierkopf 14 eine Luftdruckvorrichtung 20 auf, die einen bestimmten Luftdruck auf einen Wafer-Halter 22 überträgt, der zum Halten des Wafers 16 dient. Zusätzlich ist um den Halter 22 und den Wafer 16 herum ein Rückhaltering 24 vorgesehen, der den Wafer 16 während des CMP-Verfahrens festhält. Ferner ist ein Polsterkissen (nicht gezeigt) zwischen dem Wafer 16 und dem Halter 22 vorgesehen.

Aus den 2A und 2B ist die Struktur eines herkömmlichen Rückhalterings 24 ersichtlich. Unter Verwendung der aus den 2A und 2B ersichtlichen Struktur des Rückhalteringes wird das Poliermittel unter dem Polierkopf 14 auf die Oberfläche des zu polierenden Wafers zugeführt. Ohne eine geeignete Röhre oder einen geeigneten Durchgang in dem Rückhaltering wird das Poliermittel jedoch nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers verteilt. Es wurde festgestellt, dass bei der herkömmlichen Vorrichtung das Poliermittel auf der Wafer-Oberfläche nicht gleichmäßig verteilt wird. Dies hat Nachteile, wie große nicht polierte Bereiche an den Rändern der Wafer-Oberfläche, eine hohe Ausschußrate, eine schlechte Ausnutzung des Poliermittels und eine kurze Lebensdauer des Polsterkissens zur Folge. Die auf diese Weise erzielte Oberflächenebenheit des Wafers nach Beendigung des unter Verwendung des aus den 2A und 2B ersichtlichen Rückhalteringes durchgeführten CMP-Verfahrens ist aus 3 ersichtlich. In dem aus 3 ersichtlichen Graph ist die Dicke des Wafers in Abhängigkeit vom Abstand verschiedener, auf einer durch den Mittelpunkt des Wafers laufenden Linie vom Mittelpunkt ersichtlich. Aus der aus 3 ersichtlichen Auftragung erkennt man, dass die Ebenheit des Wafers nicht zufriedenstellend ist. Die Standardabweichung der Dicke beträgt etwa 5,06%.

Die Druckschrift US 5 597 346 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten eines Halbleiter-Wafers während eines CMP-Prozesses, welche eine gleichmäßigere CMP-Verarbeitung des Halbleiter-Wafers bei höheren Geschwindigkeiten ermöglicht, um eine verbesserte Polierqualität und einen erhöhten Verarbeitungsdurchsatz elektronischer Bauteile zu erhalten.

Die Druckschrift JP 07237120 A (Patent Abstracts of Japan) beschreibt eine Vorrichtung, mit der die Oberfläche eines Substrats gleichmäßig mit einer festen Schleifrate geschliffen werden kann, und welche gleichzeitig den Verbrauch an Schleifmittel verringert.

Die Druckschrift US 5 749 771 A beschreibt eine Poliervorrichtung für einen Halbleiter-Wafer, die es ermöglicht, den Halbleiter-Wafer bei einer hohen Polierrate und mit geringen Betriebskosten oberflächenzubehandeln.

Die Druckschrift JP 3-294160 A (Patent Abstracts of Japan M-1229 3. April 1992, Ausgabe 16/Nr. 132) beschreibt eine Schleifvorrichtung, welche die Festigkeit des zu schleifenden Materials nicht beeinträchtigen und zuverlässig sein soll.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Rückhaltering zur Verwendung auf dem Polierkopf einer CMP-Vorrichtung bereitzustellen, wobei mit dem Rückhaltering gewährleistet ist, dass das Poliermittel gleichmäßig auf der Oberfläche eines zu polierenden Wafers verteilt wird, wodurch die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Vorrichtung vermieden werden, sowie eine CMP-Vorrichtung mit dem Rückhaltering.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rückhaltering für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 15, sowie eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung gemäß Anspruch 9 bzw. 18.

Ein Rückhaltering für den Polierkopf einer CMP-Vorrichtung gemäß der Erfindung weist auf: eine Mehrzahl bzw. Vielzahl von Poliermitteldurchgängen, die auf der Unterseite des Rückhalteringes ausgebildet sind. Die Poliermitteldurchgänge sind im Wesentlichen gleich voneinander beabstandet und bilden jeweils einen spitzen Winkel mit einer radial durch den Mittelpunkt des Rückhalteringes und der äußeren Öffnung des Durchgangs verlaufenden Linie.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Rückhaltering eine Vielzahl von gerade verlaufenden Ausnehmungen im Boden des Rückhalteringes auf, die gleich voneinander beabstandet sind. Dabei bildet jede der gerade verlaufenden Ausnehmungen, wie oben beschrieben, einen spitzen Winkel mit einer radial verlaufenden Linie, die durch die äußere Öffnung der Ausnehmung hindurch verläuft.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist der Rückhaltering ferner an seinem Boden zwischen dem Innenumfang des Rückhalterings und dem Außenumfang des Rückhalterings einen kreisförmigen Pfad auf. Die gleichmäßig voneinander beabstandete Anordnung der gerade verlaufenden Ausnehmungen führt dazu, dass das Poliermittel von allen radialen Richtungen aus in das Innere des Rückhalteringes befördert wird, so dass gewährleistet ist, dass das Poliermittel gleichmäßig über die vom Rückhaltering eingefasste Oberfläche des Wafers verteilt wird. Ferner gewährleistet der kreisförmige Pfad, dass das Poliermittel in diesem umläuft und von diesem abgepuffert wird, wodurch den Randbereichen in der Nähe der inneren Öffnungen der gerade verlaufenden Ausnehmungen ein abgepufferter Poliermittelfluss zugeführt wird.

Gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Poliermitteldurchgänge einen sich von deren Einlass zu deren Auslass allmählich erweiternden Verlauf auf, wobei der Diffusionswinkel zwischen 0° und 10° liegt, und der Angriffswinkel Φ₁ aus der Gleichung: sin Φ1 = xl berechnet werden kann, wobei x der minimale Abstand zwischen der durch den Einlasspunkt verlaufenden Tangente und der durch den Auslasspunkt verlaufende Tangente ist, und l die Pfadlänge eines jeweiligen Poliermitteldurchgängs ist.

Gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform weist der Rückhaltering eine Kombination der Poliermitteldurchgänge gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform und dem kreisförmigen Pfad gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform auf.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche CMP-Vorrichtung zur Durchführung eines CMP-Verfahrens auf einem Halbleiterwafer;
1B einen schematischen Schnitt der aus 1A ersichtlichen herkömmlichen CMP-Vorrichtung;
1C einen schematischen Schnitt des Polierkopfes der aus den 1A und 1B ersichtlichen herkömmlichen CMP-Vorrichtung;
2A eine schematische Draufsicht auf einen herkömmlichen Rückhaltering, der in dem aus 1C ersichtlichen Polierkopf verwendet wird;
2B eine schematische Ansicht der Unterseite des aus 2A ersichtlichen herkömmlichen Rückhalteringes.
3 einen Graphen, aus dem die erzielte Ebenheit eines Halbleiter-Wafers nach einem unter Verwendung des herkömmlichen, aus den 2A und 2B ersichtlichen Rückhalteringes durchgeführten CMP-Verfahrens ersichtlich ist;
4A eine schematische Draufsicht auf einen Rückhaltering gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4B eine schematische Ansicht der Unterseite des aus 4A ersichtlichen Rückhalteringes;
5A eine schematische Draufsicht auf einen Rückhaltering gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5B eine schematische Ansicht der Unterseite des aus 5A ersichtlichen Rückhalteringes;
6 einen Graphen, aus dem die erzielte Ebenheit eines Halbleiter-Wafers nach einem unter Verwendung des aus den 4A und 4B ersichtlichen Rückhalteringes durchgeführten CMP-Verfahrens ersichtlich ist;
7 einen Graphen, aus dem die erzielte Ebenheit eines Halbleiter-Wafers nach einem unter Verwendung des aus den 4A und 4B ersichtlichen Rückhalteringes durchgeführten CMP-Verfahrens ersichtlich ist;
8A und 8B eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines Rückhalteringes gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
8C einen schematischen Schnitt der Poliermitteldurchgänge;
9A bis 9D den Mechanismus des Poliermittelflusses;
10 eine schematische Draufsicht auf einen Rückhaltering gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
11A und 11B schematisch Schritte eines Verfahrens zum Glätten einer Beschichtung eines Wafers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
12A und 12B schematisch Schritte eines Ätzverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
13A bis 13D schematisch Schritte eines Herstellungsverfahrens einer dünnen Isolierstruktur unter Verwendung des chemisch-mechanischen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird eine verbesserte Struktur eines Rückhalterings bereitgestellt. Aufgrund der verbesserten Struktur des Rückhalterings wird gewährleistet, daß das Poliermittel zum Polieren des Wafers auf dem Wafer gleichmäßig verteilt wird. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4A und 4B eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Aus 4A ist eine schematische Draufsicht auf den Rückhaltering 40 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, und aus 4B ist eine schematische Ansicht der Unterseite des aus 4A ersichtlichen Rückhalterings 40 ersichtlich. Der Innendurchmesser des Rückhalterings 40 kann zwischen 4 Zoll und 12 Zoll variieren oder selbst größer als 12 Zoll sein. Da der Rückhaltering 40 jedoch zum Festhalten eines Halbleiter-Wafers während eines CMP-Verfahrens verwendet wird, hängt der tatsächlich verwendete Innendurchmesser des Rückhalterings 40 von der Größe des zu polierenden Wafers ab. Wie aus 4B ersichtlich, weist der Rückhaltering 40 eine Mehrzahl von Poliermittelpfaden, Poliermitteldurchgängen oder Poliermittelröhren 42 auf. Die Poliermitteldurchgänge 42 können als Ausnehmungen im Boden des Rückhalterings oder als Kanäle oder Röhren durch den Rückhaltering hindurch oder auch durch andersförmige Ausnehmungen gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform werden gerade verlaufende Ausnehmungen verwendet, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind und rund um den gesamten Rückhaltering 40 vorgesehen sind. Jeder dieser Poliermitteldurchgänge 42 weist einen derartigen Winkel relativ zum Radius des Rückhalteringes 40 auf, daß in Drehrichtung des Rückhalterings 40 gesehen bei dessen Drehung das äußere Ende dem inneren Ende voraneilt. Bei der Durchführung eines Polierverfahrens wird der Rückhaltering 40 mit einer erforderlichen Geschwindigkeit gedreht, so daß die Poliermitteldurchgänge 42 einen spitzen Angriffswinkel relativ zu dem von außerhalb des Rückhalterings 40 zugeführten Poliermittel bilden. Somit wird das Poliermittel gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers innerhalb des Rückhalterings 40 verteilt. Bei dem aus 4B ersichtlichen Rückhaltering 40 entspricht die anzuwendende Drehrichtung einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn. Soll der Rückhaltering 40 für Drehungen im Uhrzeigersinn verwendet werden, ist klar, daß die Poliermitteldurchgänge 42 entsprechend umorientiert werden müssen. Bei dieser Ausführungsform weisen die Poliermitteldurchgänge 42 jeweils eine Breite von 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm auf. Die tatsächlich verwendete Breite bzw. Tiefe der Poliermitteldurchgänge müssen an die jeweiligen Erfordernisse des Polierverfahrens angepaßt werden. Da die Poliermitteldurchgänge 42 gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind, wird das Poliermittel in dem Rückhaltering 40 von allen Radialrichtungen aus der Waferoberfläche im wesentlichen gleichmäßig zugeführt, so daß das Poliermittel gleichmäßig darüber verteilt wird.
Die erzielte Ebenheit eines mit einem CMP-Verfahrens unter Verwendung des aus den 4A und 4B ersichtlichen Rückhalterings behandelten Wafers ist aus den 6 und 7 ersichtlich. Die Ebenheit des Wafers wird als dessen Dicke entlang einer geraden, den Mittelpunkt des Wafers durchlaufenden Linie gemessen. Aus den aus den 6 und 7 ersichtlichen Graphen ist zu ersehen, daß die Ebenheit der derart behandelten Wafer wesentlich besser als die Ebenheit des aus 3 ersichtlichen Wafers ist, der unter Verwendung eines herkömmlichen, aus den 2A und 2B ersichtlichen Verfahrens behandelt wurde. Die Standardabweichung der Dicke beträgt 0,92% im Fall der 6 bzw. 1,38% im Fall der 7, was beides signifikant besser als die Standardabweichung von 5,06% im Fall der 3 ist. Wie aus 7 ersichtlich, weisen die Randbereiche des Wafers eine signifikant geringere Dicke als die anderen Bereiche des Wafers auf, da die Randbereiche des Wafers immer in nächster Nähe der inneren Enden der Poliermitteldurchgänge 42 sind und somit eine größere Poliermittelmenge als andere Bereiche des Wafers zugeführt bekommen, wodurch der Poliereffekt in diesen Randbereichen wesentlich effektiver ist.
Zweite Ausführungsform
Aus 5A ist eine schematische Draufsicht auf einen Rückhaltering 50 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, und aus 5B ist eine schematische Ansicht der Unterseite des aus 5A ersichtlichen Rückhalterings 50 ersichtlich.
Wie aus 5B ersichtlich, ist die Struktur der Poliermitteldurchgänge 52 des Rückhalterings 50 bei dieser Ausführungsform gleich zur vorhergehenden Ausführungsform. Das heißt, daß die Poliermitteldurchgänge 52 als im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandete Ausnehmungen ausgebildet sind. Die Poliermitteldurchgänge 52 sind auf gleiche Weise wie bei der vorhergehenden Ausführungsform orientiert und weisen ebenfalls eine Breite von 0,1 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm auf. Die tatsächlich verwendete Breite bzw. Tiefe der Poliermitteldurchgänge 52 hängt ebenfalls von den jeweiligen Erfordernissen des Polierverfahrens ab. Bei dieser Ausführungsform ist wenigstens ein kreisförmiger Ausnehmungsring 54 ausgebildet, wie z.B. eine kreisförmige Nut, die in der Bodenfläche des Rückhalterings 50 zwischen dem Außenumfang und dem Innenumfang desselben ausgebildet ist, wobei die kreisförmige Nut alle gerade verlaufenden Ausnehmungen 52 kreuzt. Die kreisförmige Nut 54 wirkt als Pufferring. Das in die Polierdurchgänge 52 aufgenommene Poliermittel wird teilweise in der kreisförmigen Nut 54 gepuffert und zirkuliert in dieser, wodurch die nahe an den inneren Enden der Poliermitteldurchgänge 52 liegenden Randbereiche des Wafers einen geringeren Anteil des Poliermittels als bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhalten. Somit kann eine gleichmäßig ebene Oberfläche des Wafers erhalten werden, ohne daß die Randbereiche dünner sind als die anderen Bereiche des Wafers. Die kreisförmige Nut 54 weist ähnliche Abmessungen, wie die Poliermitteldurchgänge 52 auf, d.h. eine Breite von etwa 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von etwa 2 bis 4 mm.
Bei den oben beschriebenen beiden Ausführungsformen wurden qualitative Gesichtspunkte der Erfindung diskutiert. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Poliermitteldurchgänge und durch die die Poliermitteldurchgänge kreuzende kreisförmige Nut wird eine viel bessere Ebenheit als mit herkömmlichen Vorrichtungen erzielt. Bei diesen Ausführungsformen wurden jedoch Parameter, wie die genaue Form der Poliermitteldurchgänge, der Angriffswinkel, d.h. der Winkel zwischen der Mittellinie eines Poliermitteldurchgangs und einer entsprechenden Tangente, sowie der Diffusionswinkel nicht diskutiert. In den folgenden Ausführungsformen wird auf diese quantitativen Punkte eingegangen. Die den Poliermittelfluß bestimmenden Parameter werden im folgenden genauer betrachtet.
Dritte Ausführungsform
Aus 8A ist eine schematische Draufsicht auf einen Rückhaltering ersichtlich. Bei dieser Ausführungsform sind zwölf Poliermitteldurchgänge 82 im Boden des Rückhalterings 80 ausgebildet. Es wird davon ausgegangen, daß es dem Fachmann möglich ist, die Anzahl der Poliermitteldurchgänge 82 den jeweiligen Erfordernissen eines entsprechenden Polierverfahrens anzupassen. Der Rückhaltering 80 weist einen Außendurchmesser von 25,40 cm und einen Innendurchmesser von 22,86 cm auf. Die Breite des Rückhalterings 80 beträgt somit 25,4 cm–22,86 cm = 2,54 cm. Aufgrund dieser Form der Poliermitteldurchgänge 82 kann das Poliermittel in den Rückhaltering einfließen und über die Oberfläche des zu polierenden Wafers verteilt werden. Wie oben beschrieben, können die Poliermitteldurchgänge 82 in Form von Röhren, Ausnehmungen, Kanälen oder Führungslöchern gebildet sein, die durch die gesamte Breite des Rückhalterings 80 hindurch verlaufen. Der Zentralwinkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden (zwei benachbarten) Poliermitteldurchgängen 82 ist mit θ₁ bezeichnet, und der Angriffswinkel eines jeden Poliermitteldurchgangs 82 ist mit ϕ₁ bezeichnet. Der Durchmesser des inneren Endes des Poliermitteldurchgangs 82 ist d₂ und der Durchmesser des äußeren Endes des Poliermitteldurchgangs 82 ist d₁. Aus 8B ist eine schematische Seitenansicht des Rückhalterings 80 ersichtlich, der Poliermitteldurchgänge 82 in Form von Führungslöchern aufweist. Zeichnet man eine Mittellinie durch die Mittelpunkte der inneren Öffnung bzw. der äußeren Öffnung eines Poliermitteldurchgangs 82, so kann ein Diffusionswinkel ϕ₂ als der Winkel zwischen der Mittellinie und einer parallel zu dieser auf dem äußeren Rand des Poliermitteldurchgangs 82 verlaufenden Linie definiert werden.
Aus den 9A bis 9D ist der Mechanismus des Polierverfahrens unter Verwendung des aus den 8A bis 8C ersichtlichen Rückhalterings 80 gezeigt. In diesem Fall dreht sich der Poliertisch 90 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω ⇀₁, und der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Poliertisches 90 und dem Mittelpunkt des Polierkopfes 94 beträgt r ⇀₁.
Wie aus 9A ersichtlich, rotiert, falls der Winkel zwischen r ⇀₁ und der j-Achse θ₃ beträgt, und der Winkel zwischen r ⇀₂ und der j-Achse θ₄ beträgt, jeder Punkt auf dem Umfang des Polierkopfes 94 somit mit einer Geschwindigkeit V ⇀_h. Die Geschwindigkeit kann mit folgender Formel errechnet werden: Vh = ω × (r1 + r2) + ω2 × r2 = (r1ω1cosθ3 + r2ω1cosθ4 + r2ω2cosθ4)i – (r1ω1sinθ3 + r2ω1sinθ4 + r2ω2sinθ4)j = Ai + Bj. (1)
Aus 9B ist die Bewegung des Rückhalterings 80 ersichtlich. Es sei bemerkt, daß die Bewegung des Rückhalterings 80 synchron zur Bewegung des aus 9A ersichtlichen Polierkopfes 94 ist. Sind die Poliermitteldurchgänge derart ausgebildet, daß deren Mittellinie entlang der Geschwindigkeitsrichtung des Rückhalterings 80 verläuft, so ist gemäß der obigen Gleichung die Richtung der Geschwindigkeit V ⇀_h, d.h. der Angriffswinkel des Poliermitteldurchgangs:
Für einen Rückhaltering 80 mit einem minimalen Abstand von 1,25 cm zwischen der Tangente durch den Einlaßpunkt und der Tangente durch den Auslaßpunkt und einer Länge des Poliermitteldurchgangs von l ergibt sich:
Somit kann der Poliermitteldurchgang entsprechend der mithilfe der oben angegebenen Formel berechneten Paramter gestaltet werden.
Aus 9C ist ein Schnitt durch einen Poliermitteldurchgang mit einem engen Eingang und einem weiten Ausgang ersichtlich. Das bedeutet, daß der Poliermitteldurchgang an seinem inneren Ende einen größeren Querschnitt als an seinem äußeren Ende aufweist. Bei dieser Struktur verbreitert sich der Poliermitteldurchgang allmählich, wodurch der positive Druckgradient und die Ablenkung des Poliermittelflusses abgemildert werden. Somit wird die Menge des durch den Poliermitteldurchgang hindurch zugeführten Poliermittels erhöht. In 9C stellen P₁ den Druck, A₁ die Querschnittsfläche des Eingangs und V₁ die Poliermittelflußrate am Eingang dar, wohingegen P₂ den Druck am Ausgang, A₂ die Querschnittsfläche am Ausgang und V₂ die Poliermittelflußrate am Ausgang darstellen. Im folgenden wird angenommen, daß die Schwerkraft des Poliermittels vernachläßigbar ist und daß das Poliermittel selbst inkompressibel ist. Falls der Diffusionswinkel ϕ₂ ist und l die Länge des Durchgangs ist, kann unter Vernachlässigung der Wirbel des Poliermittelflusses am Eingang des Poliermitteldurchgangs, Vernachlässigung der Barriere am Ausgang und Vernachlässigung jeglicher externer Schwingungen die Bernoulli-Gleichung angewendet werden:
wobei P der Druck ist, ϱ die Dichte ist, V die Flußgeschwindigkeit ist und P_o der Stagnationsdruck ist. Unter Verwendung von Gleichung (4) ergibt sich der Elastizitätskoeffizient des Drucks C_p als
Aus der Kontinuitätsgleichung folgt: A1V1 = A2V2 (6).
Der Elastizitätskoeffizient des Drucks kann erhalten werden als:
Somit ist A₁/A₂ umso größer, je größer C_p ist. Darüber hinaus ist der Wert von A₁/A₂ umso größer je größer der Diffusionswinkel ϕ₂ ist, womit der Poliermittelfluß umso besser ist. Wird der Diffusionswinkel ϕ₂ jedoch über 10° erhöht, wird ein Flußablenkungseffekt 91 oder eine Abrißgeschwindigkeit 93 erzeugt, wie aus 9D ersichtlich. Wie ferner aus 9D ersichtlich, kann ein Rückfluß 95 erzeugt werden, so daß die Querschnittsfläche verringert ist.
Nach den obigen Betrachtungen sollten folgende Paramter bei der Konstruktion eines Poliermitteldurchgangs berücksichtigt werden: (1) tanϕ₂, (2) tanϕ₂ < 10°, und (3) A₂/A₁. Bei einem Rückhaltering 80 mit einem Außendurchmesser von 25,40 cm und einem Innendurchmesser von 22,86 cm, wie aus 8A ersichtlich, beträgt der Durchmesser d₁ des Eingangs des Poliermitteldurchgangs 82 etwa 1 cm. Der Durchmesser d₂ des Ausgangs des Poliermitteldurchgangs 82 beträgt etwa 1,8 cm. Der Zentralwinkel θ₁ zwischen zwei benachbarten Poliermitteldurchgängen 82 beträgt etwa 30°, und der Diffusionswinkel θ₂ eines jeden Poliermitteldurchgangs beträgt etwa 30°.
Vierte Ausführungsform
Aus 5A ist schematisch eine Draufsicht auf einen Rückhaltering 100 gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Die Struktur der Poliermitteldurchgänge 102 des Rückhalterings 100 bei dieser Ausführungsform ist identisch zu der bei der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Poliermitteldurchgänge 102 sind in Form von im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandeten Ausnehmungen mit einer größeren Querschnittsfläche an deren innerem Ende als an deren äußerem Ende ausgebildet, d.h. sie weisen einen größeren Ausgang und einen kleineren Eingang auf. Jeder dieser Poliermitteldurchgänge 102 ist wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ausgerichtet. Wieder hängen die Breite bzw. die Tiefe der Poliermitteldurchgänge 102 von den jeweiligen Erfordernissen des verwendeten Polierverfahrens ab. Das heißt, daß die Abmessungen der Poliermitteldurchgänge 102 von folgenden Faktoren bestimmt werden: (1) tanϕ₂, (2) tanϕ₂ < 10°, und (3) A₂/A, die bei der Beschreibung der dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung diskutiert wurden. Bei der vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein kreisförmiger Pfad 104, z.B. eine kreisförmige Nut, ein kreisförmiger Kanal, eine kreisförmige Röhre oder ein kreisförmiges Führungsloch in der Bodenfläche des Rückhalterings 100 zwischen dem Außenumfang und dem Innenumfang desselben derart ausgebildet, daß alle gerade verlaufenden Ausnehmungen 102 davon gekreuzt werden. Die kreisförmige Nut 104 wirkt als Pufferring. Das in die Poliermitteldurchgänge eintretende Poliermittel wird in der kreisförmigen Nut 104 teilweise gepuffert und zirkuliert in dieser, wodurch die Randbereiche des Wafers in der Nähe der inneren Enden der Poliermitteldurchgänge 102 nur einen Teil des Poliermittels erhalten. Auf diese weise wird gewährleistet, daß eine gleichmäßig ebene Oberfläche des Wafers ausgebildet wird, ohne daß die Randbereiche des Wafers dünner sind als dessen andere Bereiche. Die kreisförmige Nut 104 weist ähnliche Abmessungen wie die Poliermitteldurchgänge 102 auf.
Fünfte Ausführungsform
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist das chemisch-mechanische Polieren das einzige Verfahren, bei dem eine großflächige Ebenheit bei der Herstellung von VLSCI-ICs oder ULSCI-ICs erzielbar ist. CMP-Verfahren können bei vielen Herstellungsverfahren verwendet werden, z.B. zum Glätten einer unebenen Oberfläche eines Halbleitersubstrats, um nachfolgende Verfahrensschritte einfacher durchführen zu können, oder z.B. um eine genaue Ausrichtung in folgenden Fotolitographieätzschritten zu erzielen. Im folgenden wird ein Beispiel der Herstellung eines Halbleiterbauelementes unter Verwendung eines CMP-Verfahrens beschrieben.
Aus 11A ist ein Halbleitersubstrat 100 mit einer unebenen Oberfläche 110 ersichtlich. Auf dem Halbleitersubstrat 100 ist eine Schicht 120 aufgebracht. Die aufgebrachte Schicht 120 ist entsprechend der unebenen Schicht des Halbleitersubstrats ebenfalls mit einer unebenen Oberfläche ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird eine CMP-Vorrichtung mit einem Poliermitteldurchgänge aufweisenden Rückhaltering verwendet. Die CMP-Vorrichtung weist einen Poliertisch, einen dem Poliertisch gegenüberliegend angeordneten Polierkopf und eine Poliermittelzuführung auf, mit der Poliermittel auf den Poliertisch zugeführt wird. Der Rückhaltering ist am unteren Rand des Polierkopfes angeordnet. Das Halbleitersubstrat 100 wird derart im Polierkopf angeordnet, daß die mit der Schicht 120 beschichtete Seite des Substrats 100 dem Poliertisch gegenüberliegt. Das Halbleitersubstrat 100 wird von dem Rückhaltering gehalten. Auf diese Weise wird die aufgebrachte Schicht 120 geglättet. Es sei erwähnt, daß mit einer herkömmlichen CMP-Vorrichtung aufgrund des ungleichmäßig verteilten Poliermittels die aufgebrachte Schicht 120 nicht wie gewünscht geglättet werden kann. Durch Hindurchleiten des Poliermittels durch die Poliermitteldurchgänge des Rückhalteringes hindurch oder sogar durch den kreisförmigen Pfad hindurch, wird das Poliermittel-gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers, d.h. die Oberfläche der aufgebrachten Schicht 120, verteilt, und eine gleichmäßig ebene Oberfläche kann erzielt werden, wie aus 11B ersichtlich.
Das CMP-Verfahren kann auch für Abätzverfahren verwendet werden, um z.B. einen Anschluß auszubilden. Aus 12A ist ein Substrat 200 mit einer Öffnung 210 ersichtlich. Eine Schicht 220 ist auf das Substrat 200 aufgebracht und füllt die Öffnung 210. Um in der Öffnung einen Anschluß auszubilden, muß die aufgebrachte Schicht 220 abgeätzt werden. Oft wird dafür ein CMP-Verfahren verwendet. Unter Verwendung einer CMP- Vorrichtung, die einen erfindungsgemäßen Rückhaltering aufweist, kann ein Anschluß 220A mit einer ebenen Oberfläche erzielt werden, wie aus 12B ersichtlich.
Eine andere besondere und oft verwendete Anwendung von CMP-Verfahren ist die Herstellung einer dünnen Isolierstruktur. Ein entsprechendes Verfahren ist aus den 13A bis 13D ersichtlich. Wie aus 13A ersichtlich, wird eine Oxidschicht 302 mit einer Dicke von etwa 100 Å bis 150 Å auf ein Substrat 300 aufgebracht, das vorzugsweise ein Silizium-Wafer ist. Eine Maskenschicht 304, z.B. eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von etwa 1000 Å bis 3000 Å wird auf der Oxidschicht 302 ausgebildet. Durch Hindurchätzen durch die Maskenschicht 304, durch die Oxidschicht 302 und in das Substrat 300 hinein wird eine Ausnehmung 306 mit einer Tiefe von etwa 0,5 μm gebildet. Wie aus 13B ersichtlich, wird entlang den Seitenwänden der ausgeätzten Ausnehmung 306 eine Oxidschicht 308 mit einer Dicke zwischen etwa 150 Å und 200 Å gebildet. Dann wird eine Isolierschicht 310 derart aufgebracht, daß die Maskenschicht 304 bedeckt wird und die Ausnehmung 306 ausgefüllt wird. Die Isolierschicht 310 wird vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 9000 Å bis etwa 11000 Å ausgebildet. Danach folgt typischerweise eine Verdichtung, um die Struktureigenschaften zu verbessern.
Aus 13C ist ersichtlich, wie die Isolierschicht 310 unter Verwendung der Maskenschicht 304 als Stoppschicht mithilfe eines CMP-Verfahrens derart poliert wird, daß eine Isolierfläche 310a gebildet wird. Unter Verwendung einer herkömmlichen CMP-Vorrichtung werden, da das Poliermittel nicht gleichmäßig über die Oberfläche der Isolierschicht 310 verteilt werden kann, aufgrund der im Poliermittel enthaltenen Teilchen Mikrokratzer oder andere Defekte gebildet. Aufgrund der Bildung dieser Mikrokratzer und anderer Defekte können in nachfolgenden Verfahrensschritten Kurzschlußeffekte und ähnliches auftreten. Auf diese Weise wird die Produktausbeute verringert.
Erfindungsgemäß wird eine CMP-Vorrichtung mit einem Rückhaltering mit Poliermitteldurchgängen bereitgestellt. Das Substrat 300 wird mit einem Rückhaltering mit Poliermitteldurchgängen gehalten. Während des Polierverfahrens weist die Isolierschicht 310 (13B) in Richtung zu einem Polierkissen auf dem Poliertisch der CMP-Vorrichtung hin, um die aus 13C ersichtliche Isolierfläche 310a auszubilden. Da das Poliermittel gleichmäßig über die Isolierschicht 310 verteilt wird, wird die Isolierfläche 310a eben und ohne Mikrokratzer ausgebildet. Die Maskenschicht 304 wird dann unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens entfernt, so daß eine dünne Isolierstruktur ausgebildet wird.

Claims

Rückhaltering für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit: – einer Vielzahl von Poliermitteldurchgängen (42, 52, 82, 102), die von einer Innenflache des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) zu einer Außenfläche des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) hin verlaufen; und – wenigstens einem kreisförmigen Pfad (54, 104), der die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang des Rückhalteringes (40, 50, 80, 100) kreuzt.
Rückhaltering nach Anspruch 1, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Rückhaltering nach Anspruch 1, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) derart zur radialen Richtung versetzt verlaufen, dass diese einen spitzen Angriffswinkel gegen das Poliermittel außerhalb des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) bilden.
Rückhaltering nach Anspruch 1, der einen Innendurchmesser von mehr als 4 Zoll aufweist.
Rückhaltering nach Anspruch 1, der zehn Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) aufweist.
Rückhaltering nach Anspruch 1, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) jeweils eine Breite von 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm aufweisen.
Rückhaltering nach Anspruch 1, wobei das Poliermittel auf direktem Weg durch die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 30 102) hindurchtreten kann.
Rückhaltering nach Anspruch 1, wobei der kreisförmige Pfad (54, 104) eine Breite von 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm aufweist.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit: – einem Poliertisch (90); – einem Polierkissen auf dem Poliertisch (90); – einer Poliermittelzuführung zum Zuführen von Poliermittel auf den Poliertisch (90) zum Polieren eines Wafers; – einem Polierkopf (94), der den Wafer aufnimmt; und – einem Rückhaltering (40, 50, 80, 100) am unteren Rand des Polierkopfes (94) zum Halten des Wafers; wobei – der Wafer von dem Rückhaltering (40, 50, 80, 100) derart gehalten wird, dass die zu polierende Oberfläche des Wafers dem Polierkissen gegenüberliegt; und – der Rückhaltering (40, 50, 80, 100) aufweist: – eine Vielzahl von Poliermitteldurchgängen (82), um von der Poliermittelzuführung zugeführtes Poliermittel durch den Rückhaltering (40, 50, 80, 100) hindurch auf die Oberfläche (20) des Wafers zuzuführen; – einen kreisförmigen Pfad (54, 104), der die Poliermitteldurchgänge (82) zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) kreuzt.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Poliermitteldurchgänge (82) im Wesentlichen gleich voneinander beabstandet sind.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Poliermitteldurchgänge (82) zur radialen Richtung versetzt verlaufen, so dass diese gegen das Poliermittel 30 außerhalb des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) einen spitzen Angriffswinkel bilden.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Rückhaltering (40, 50, 80, 100) einen Innendurchmesser aufweist, der größer als 4 Zoll ist.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Poliermitteldurchgänge (82) jeweils eine Breite von 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm aufweisen.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 9, wobei der kreisförmige Pfad (54, 104) eine Breite von 0,05 bis 0,3 mm und eine Tiefe von 2 bis 4 mm aufweist.
Rückhaltering für eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung, der eine Vielzahl von Poliermitteldurchgängen (42, 52, 82, 102) aufweist, die durch den Rückhaltering (40, 50, 80, 100) hindurch verlaufen, wobei jeder der Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) vom Eingang zum Ausgang des Rückhalteringes (40, 50, 80, 100) einen sich allmählich verbreiternden Durchgang für das Poliermittel aufweist, und die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) an ihrem inneren Ende eine größere Querschnittsfläche als an ihrem äußeren Ende aufweisen.
Rückhaltering nach Anspruch 15, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) einen Diffusionswinkel zwischen 0° bis 10° und einen Angriffswinkel Φ₁ aufweisen, der durch folgende Gleichung erhalten werden kann: sin Φ1 = xl wobei x der minimale Abstand zwischen einer Tangente durch den Eingangspunkt eines Poliermitteldurchgangs (42, 52, 82, 102) und einer Tangente durch den Ausgangspunkt dieses Poliermitteldurchgangs (42, 52, 82, 102) ist, und l die Pfadlänge des Poliermitteldurchgangs (42, 52, 82, 102) ist.
Rückhaltering nach Anspruch 15, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) jeweils einen direkten Pfad für den Poliermittelfluss bereitstellen.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit: – einem Poliertisch (90); – einem Polierkissen auf dem Poliertisch (90); – einer Poliermittelzuführung zum Zuführen von Poliermittel auf den Poliertisch (90) zum Polieren eines Wafers; – einem Polierkopf (94), der den Wafer aufnimmt; und – einem Rückhaltering (40, 50, 80, 100) am unteren Rand des Polierkopfes (94) zum Halten des Wafers; wobei – der Wafer von dem Rückhaltering (40, 50, 80, 100) derart gehalten wird, dass die zu polierende Oberflache des Wafers dem Polierkissen gegenüberliegt; und – der Rückhaltering (40, 50, 80, 100) eine Vielzahl von Poliermitteldurchgängen (82) aufweist, durch die von der Poliermittelzuführung zugeführtes Poliermittel auf die Oberfläche des Wafers zugeführt wird, wobei die Poliermitteldurchgänge (82) vom Eingang zum Ausgang des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) einen sich allmählich verbreiternden Durchgang für das Poliermittel aufweisen, und die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) an ihrem inneren Ende eine größere Querschnittsfläche als an ihrem äußeren Ende aufweisen.
Rückhaltering nach einem der Ansprüche 15, 16, 18, wobei die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) einen kreisförmigen Pfad (54, 104) aufweisen, der die Poliermitteldurchgänge (42, 52, 82, 102) zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang des Rückhalterings (40, 50, 80, 100) kreuzt.
Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Poliermitteldurchgänge (82) einen Diffusionswinkel zwischen 0° und 10° und einen Angriffswinkel Φ₁ aufweisen, der aus folgender Gleichung erhalten werden kann sin Φ1 = xl wobei x der minimale Abstand zwischen einer Tangente durch den Eingangspunkt eines Poliermitteldurchgangs (82) und einer Tangente durch den Ausgangspunkt dieses Poliermitteldurchgangs (82) ist, und l die Pfadlange der einzelnen Poliermitteldurchgänge (82) ist.