DE19938781B4

DE19938781B4 - Conditioning disc for conditioning CMP pads

Info

Publication number: DE19938781B4
Application number: DE1999138781
Authority: DE
Inventors: Peter Thieme; André RICHTER
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2019-08-17
Also published as: DE19938781A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Grinding Disk zum Konditionieren, d. h. zum Wiederherstellen der Reinheit, Ebenheit und/oder Rauhigkeit einer Polierfläche vorzugsweise zum chemisch-mechanischen Polieren von Halbleiterstrukturen, wobei die Grinding Disk auf ihrer Oberfläche Diamant enthält. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Diamant in Form von mindestens einer natürlich gewachsenen Diamantschicht vorliegt. Im Gegensatz zu einzelnen, in eine Bindematrix eingebetteten Diamantkörnern, die beim Konditionieren herausgebrochen und von der Polierfläche auf Halbleiterstrukturen übertragen werden können, sind die natürlich gewachsenen Diamantschichten so fest gebunden, daß eine Beschädigung von CMP-Pads und dadurch von Halbleitersubstraten nicht mehr auftritt.The invention relates to a grinding disk for conditioning, i. H. for restoring the purity, flatness and / or roughness of a polishing surface, preferably for chemical-mechanical polishing of semiconductor structures, the grinding disk containing diamond on its surface. The invention is characterized in that the diamond is in the form of at least one naturally grown diamond layer. In contrast to individual diamond grains embedded in a binding matrix, which can be broken out during conditioning and transferred from the polishing surface to semiconductor structures, the naturally grown diamond layers are bonded so tightly that damage to CMP pads and therefore to semiconductor substrates no longer occurs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konditionierscheibe zum Konditionieren, d. h. zum Wiederherstellen der Reinheit, Ebenheit und/oder Rauhigkeit einer Polierfläche vorzugsweise zum chemisch-mechanischen Polieren von Halbleiterstrukturen.The invention relates to a conditioning disc for conditioning, d. H. to restore purity, flatness and / or roughness of a polishing surface, preferably for chemical-mechanical Polishing semiconductor structures.

In der Halbleiterfertigung hat sich das chemisch-mechanische Polieren (CMP) als Verfahren zur Planarisierung von z. B. Zwischenoxiden in Mehrlagen-Metallisierungen hochintegrierter Schaltkreise als Standardverfahren etabliert. Mit wachsender Integrationsdichte und steigender Anzahl von Metallisierungsebenen erhöhen sich die Anforderungen an die Stabilität und Reproduzierbarkeit der CMP-Prozesse beständig. Zum Polieren der Halbleitersubstrate werden als Pads bezeichnete Poliertücher verwendet, die unter Anwendung von mechanischem Druck und unter Zuhilfenahme chemischer Substanzen translatorisch und rotatorisch über die Substratoberfläche geführt werden.Has in semiconductor manufacturing chemical mechanical polishing (CMP) as a process for planarization from Z. B. Intermediate oxides in multilayer metallizations highly integrated Circuits established as standard procedures. With increasing integration density and increasing number of metallization levels increase the requirements for stability and reproducibility of the CMP processes persistent. To polish the semiconductor substrates are referred to as pads polishing cloths used that using mechanical pressure and under With the help of chemical substances translationally and rotationally via the Substrate surface are performed.

Dieser Vorgang führt jedoch zu einem Verschleiß der Poliertücher selbst, weshalb diese in regelmäßigen Abständen wiederaufbereitet werden müssen. Hierzu besitzen CMP-Anlagen einen Konditionierer (Conditioner) mit einer Konditionierscheibe (Grinding Disk), die herkömmlich mit einer Vielzahl von Diamantsplittern belegt ist. Diese tragen beim Konditionieren des Pads einen Teil ihrer Oberfläche ab und bürsten Verunreinigungen aus größeren Vertiefungen heraus, wobei auch hierbei Chemikalien wie etwa Ammoniak-Lösungen unterstützend zum Einsatz kommen.However, this process leads to wear of the polishing cloths themselves, which is why it is reprocessed at regular intervals Need to become. For this, CMP systems have a conditioner a conditioning disk (grinding disk), which is conventionally used with a variety of diamond chips is coated. These contribute to the conditioning part of the surface of the pad and brush Impurities from larger wells out, with chemicals such as ammonia solutions being used to support this come.

Durch diesen Konditioniervorgang wird jedoch auch die Konditionierscheibe selbst, d. h. insbesondere der darin eingebundene Diamant mechanisch stark beansprucht.Through this conditioning process however, the conditioning disc itself, i.e. H. in particular the diamond incorporated therein is subjected to high mechanical stresses.

Herkömmliche Konditionierscheiben bestehen aus einem metallischen Körper, auf dem eine Vielzahl einzelner Diamantstücke in eine Bindematrix eingebettet ist. Die mechanische Beanspruchung dieser Konditionierscheiben führt immer wieder zu einem Herausbrechen einzelner Diamantsplitter aus der Bindungsmatrix und zu deren Festsetzen in den Poliertüchern. Wird solch ein Splitter dann beim chemisch-mechanischen Polieren auf das Halbleitersubstrat übertragen, führt er zu schweren Beschädigungen der auf dem Halbleitersubstrat gefertigte Strukturen, wie in 1 abgebildet.Conventional conditioning discs consist of a metallic body on which a large number of individual diamond pieces are embedded in a binding matrix. The mechanical stress on these conditioning disks repeatedly leads to the breaking out of individual diamond chips from the bond matrix and their fixing in the polishing cloths. If such a splitter is then transferred to the semiconductor substrate during chemical mechanical polishing, it leads to severe damage to the structures produced on the semiconductor substrate, as in FIG 1 displayed.

Sofern die Bindematrix Metall enthält, kann dieses durch Chemikalien wie Ammoniak teilweise aufgelöst und ebenfalls auf dem Poliertuch abgeschieden werden. Von dort wird es beim chemisch-mechanischen Polieren ebenfalls auf das Substrat getragen und führt zu Metallkontaminationen.If the binding matrix contains metal, this can partially dissolved by chemicals such as ammonia and also on the polishing cloth be deposited. From there it gets chemical-mechanical Polishing is also carried on the substrate and leads to metal contamination.

Beide Effekte verursachen elektrische Ausfälle der hergestellten Bauteile bzw. deren Zerstörung. Bislang wurde lediglich die Nutzungsdauer der Konditionierscheibe eingeschränkt, um die Gefahr einer Substratbeschädigung zu verringern. Ferner sind beispielsweise aus den Druckschriften JP 10-44023 A und WO 99/02309 A1 Konditionierscheiben mit natürlich gewachsenen Diamantschichten bekannt.Both effects cause electrical failures of the manufactured components or their destruction. So far, only the service life of the conditioning disc has been restricted in order to reduce the risk of substrate damage. Furthermore, for example, from the publications JP 10-44023 A and WO 99/02309 A1 conditioning disks with naturally grown diamond layers are known.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Konditionierscheibe bereitzustellen, die sich durch einen niedrigen Verschleiß und eine einfache Herstellbarkeit auszeichnet.It is the task of the present Invention to provide a conditioning disc, which is characterized by low wear and is easy to manufacture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch eine Konditionierscheibe mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.This object is achieved according to the invention a conditioning disc with the features specified in claim 1 solved. Preferred configurations are described by the features of the subclaims.

Angesichts der Schwächen der Bindungsmatrix herkömmlich hergestellter Konditionierscheiben wird auf diese vollständig verzichtet und stattdessen eine gewachsene, polykristalline Diamantschicht eingesetzt. Durch das natürliche Wachstum entsteht eine in sich feste Schicht, die beim Konditionieren entstehende mechanische Belastungen als Ganzes aufnimmt. Aufgrund ihrer inneren Festigkeit ist die Gefahr eines Herausbrechens einzelner Diamantbruchstücke praktisch ausgeschlossen. Durch den Verzicht auf eine Fremdbindung mit einer Bindematrix wird ferner einem Freiätzen unerwünschter Metallionen vorgebeugt.Given the weaknesses of the Binding matrix conventional manufactured conditioning disks are completely dispensed with and used a grown, polycrystalline diamond layer instead. Through the natural Growth creates a layer that is solid in itself, which is created during conditioning absorbs mechanical loads as a whole. Because of their inner Strength, the risk of individual diamond fragments breaking out is practical locked out. By not using an external link with a Binding matrix is also prevented from free etching of unwanted metal ions.

Die in der natürlich gewachsenen Schicht an der Oberfläche befindlichen Kristallite wirken beim Konditionieren in gleicher Weise wie die bislang in einer Fremdbindungsmatrix eingebetteten Diamantsplitter; sie sind lediglich fester gebunden.The one in the naturally grown layer on the surface Crystallites present have the same effect when conditioning Way like that previously embedded in an external bond matrix Diamond chips; they are only tied more tightly.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Diamantschicht auf einem Halbleitersubstrat gewachsen ist.A preferred embodiment provides that the diamond layer is grown on a semiconductor substrate is.

Hinsichtlich der Größe der einzelnen Kristallite ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Diamantschicht eine Oberflächenrauhigkeit von bis zu 200 um besitzt. Je höher die Oberflächenrauhigkeit, desto größer ist der Oberflächenabtrag auf dem Poliertuch.Regarding the size of each It is preferably provided that the diamond layer a surface roughness of up to 200 µm. The higher the surface roughness, the bigger the surface removal on the polishing cloth.

Bevorzugte Ausführungsformen sehen vor, dass die Oberfläche der Konditionierscheibe mehrere mit natürlich gewachsenem Diamant bedeckte Substratflächen aufweist, und dass diese Substratflächen auf einem einheitlichen Radius der Konditionierscheibe angeordnet sind. Auf diese Weise braucht lediglich ein Teil der Oberfläche der Konditionierscheibe mit Diamant belegt zu werden; die Anordnung auf gleichem Radius gewährleistet eine gleichmäßige Schichtabtragung bei einer Rotation der Konditionierscheibe.Preferred embodiments provide that the surface the conditioning disc has several substrate surfaces covered with naturally grown diamond, and that these substrate surfaces arranged on a uniform radius of the conditioning disc are. In this way, only a part of the surface needs Conditioning disc to be coated with diamond; the order guaranteed on the same radius an even layer removal when the conditioning disc rotates.

Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass die Substratflächen auf eine Trägerplatte geklebt sind und dass die Trägerplatte aus Keramik oder Edelstahl besteht. Durch die ganzflächige Verklebung der Flächenstücke diamantbewachsener Substrate werden mechanische Belastungsspitzen von dem Substrat als Ganzes aufgenommen.Further developments of the invention provide that the substrate surfaces are glued to a carrier plate and that the carrier plate consists of ceramic or stainless steel. Due to the all-over gluing of the patches covered with diamond Mechanical stress peaks are absorbed by the substrate as a whole.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der 1 bis 4 beschrieben. Es zeigen:The invention is based on the 1 to 4 described. Show it:

1 typische Beschädigungen einer Substratoberfläche, wie sie bei chemisch-mechanischem Polieren durch in das Poliertuch geratene Diamantstücke entstehen, 1 typical damage to a substrate surface, such as occurs in chemical-mechanical polishing from pieces of diamond in the polishing cloth,

2 eine schematische Darstellung einer Konditionierscheibe, die auf ihrer ganzen Oberfläche mit einer einzelne Diamantstücke bindenden Bindematrix bedeckt ist, 2 1 shows a schematic representation of a conditioning disk which is covered on its entire surface with a binding matrix which binds individual diamond pieces,

3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Konditionierscheibe, die eine Vielzahl von Flächenstücken mit natürlich gewachsenem Diamant aufweist, und 3 a schematic view of a conditioning disc according to the invention, which has a plurality of surface pieces with naturally grown diamond, and

4 eine graphische Auftragung von Abtragsraten und Ebenheiten bei herkömmlichen und erfindungsgemäßen Konditionierscheiben im Vergleich zueinander. 4 a graphical depiction of removal rates and flatness in conventional and inventive conditioning disks in comparison to one another.

Herkömmliche, entsprechend 2 ganzflächig mit einzeln gebundenen Diamantsplittern belegte Konditionierscheiben besitzen typischerweise Durchmesser von ca. 10 cm. In dieser Größe lassen sich natürlich gewachsene Diamantschichten jedoch nicht ohne weiteres erzeugen. Die erfindungsgemäß eingesetzten natürlich gewachsenen Diamantschichten werden daher in Stücken 1 der Größe von beispielsweise 5 × 7 mm² auf die Trägerplatte 2 geklebt, wie in 3 dargestellt.Conventional, accordingly 2 Conditioning discs covered with individually bonded diamond chips typically have a diameter of approx. 10 cm. However, naturally grown diamond layers cannot be easily produced in this size. The naturally grown diamond layers used according to the invention are therefore cut into pieces 1 the size of, for example, 5 × 7 mm ² on the carrier plate 2 glued as in 3 shown.

4 zeigt die die an polierten Halbleitersubstraten gemessenen Abtragsraten und die Gleichmäßigkeit des Abtrags in den Fällen, dass das Poliertuch mit einer erfindungsgemäßen Konditionierscheibe, einer herkömmlichen Konditionierscheibe oder überhaupt nicht konditioniert wurde. In den ersten beiden Fällen wurde das Poliertuch nach jedem Wafer, der damit poliert wurde, konditioniert. 4 shows the removal rates measured on polished semiconductor substrates and the uniformity of removal in cases where the polishing cloth has been conditioned with a conditioning disk according to the invention, a conventional conditioning disk or not at all. In the first two cases, the polishing cloth was conditioned after each wafer that was polished with it.

Die Abtragsraten sind in relativen Werten angegeben. Die mit dem erfindungsgemäßen, mit CVD-gewachsenem Diamant bestückten Schleifkranz erhaltenen Abtragsraten erreichen nach einer anfänglichen Bearbeitungsphase von wenigen Substraten bald ein in etwa konstantes Niveau. Obwohl lediglich Teilflächen der erfindungsgemäßen Konditionierscheibe mit Diamant bedeckt ist, ist diese offensichtlich zum Konditionieren gut geeignet.The removal rates are in relative Values specified. The with the inventive, with CVD-grown diamond stocked Abrading rates obtained from the grinding wheel reach after an initial Processing phase of a few substrates will soon be roughly constant Level. Although only partial areas the conditioning disc according to the invention covered with diamond, it is obviously for conditioning well suited.

Die Gleichmäßigkeit des Schichtabtrags der polierten Halbleitersubstrate ist in relativen Zahlenwerten ausgedrückt, die angeben, wie groß die Gleichmäßigkeit des Schichtabtrags im Vergleich zur Abtragsrate selbst prozentual ausfällt. Der Vergleich der Graphen in 4 lässt auf eine Steigerung der Gleichmäßigkeit des Schichtabtrags mit Hilfe der erfindungsgemäßen Konditionierscheibe hoffen. Eine gleichmäßige Verklebung aller Diamantschichten vorausgesetzt, könnte diese Steigerung durch eine bei natürlichem Schichtwachstum einheitlichere Korngröße der Diamantkristalle verursacht sein.The uniformity of the layer removal of the polished semiconductor substrates is expressed in relative numerical values, which indicate how large the uniformity of the layer removal is compared to the removal rate itself as a percentage. The comparison of the graphs in 4 gives hope for an increase in the uniformity of the layer removal with the aid of the conditioning disc according to the invention. Assuming uniform bonding of all diamond layers, this increase could be caused by a more uniform grain size of the diamond crystals with natural layer growth.

Claims

Conditioning disc for conditioning the polishing surface in the frame a chemical-mechanical polishing process, being the conditioning disc diamond on its surface contains and the diamond in the form of a single naturally grown diamond layer is present, the diamond layer directly on a main surface of a Semiconductor substrate has grown and completely covered it, and where naturally grown on the surface of the diamond layer Diamond crystallites are found which are the most effective for conditioning Form the structure of the conditioning disc.

Conditioning disc according to claim 1, characterized in that the diamond layer has a surface roughness of up to 200 μm.

Conditioning disk according to one of claims 1 or 2, characterized in that its surface several with naturally grown Diamond covered substrate surfaces having.

Conditioning disc according to claim 3, characterized in that the substrate surfaces arranged on a uniform radius of the conditioning disc are.

Conditioning disc according to one of claims 3 or 4, characterized in that the substrate surfaces on a carrier plate are glued.

Conditioning disc according to claim 5, characterized in that the backing plate made of ceramic or stainless steel.