DE19946493A1 - Bestimmung der Abtragzeit beim Planarisieren mit Hilfe einer Hilfsschicht - Google Patents

Bestimmung der Abtragzeit beim Planarisieren mit Hilfe einer Hilfsschicht

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Abstract

Bei der Planarisierung integrierter Halbleiterschichten durch beispielsweise chemisch-mechanisches Polieren ist häufig der Durchbruch der abzutragenden Schicht, d. h. der Übergang zum Untergrund, der nicht abgetragen werden soll, nicht deutlich genug oder nicht früh genug erkennbar. Erfindungsgemäß werden daher zusätzliche Schichten vorgesehen, die sich von der abzutragenden Schicht und von dem Untergrund hinsichtlich zu vermessender Kenngrößen unterscheiden. Durch den Einbau solcher Schichten kann eine abzutragende Schicht vollständig abgetragen werden, ohne den Untergrund zu beschädigen.

Description

Die Erfindung betrifft ein erstes Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung vorzugsweise durch Planarisieren, bei dem eine abzutragende Schicht zuerst auf einen Untergrund aufgebracht und dann kontrolliert abgetragen wird, möglichst ohne den Untergrund abzutragen, wobei während des Abtragens der abzutragenden Schicht ein Signal erfaßt wird, das sich ändert, wenn oder nachdem zumindest stellenweise die abzutragende Schicht vollständig abgetragen ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein zweites Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung vorzugsweise durch Planarisieren, bei dem eine abzutragende Schicht zuerst auf einem Untergrund aufgebracht und dann kontrolliert bis auf eine bestimmte Restdicke abgetragen wird.
Beim Planarisieren von Schichten in integrierten Halbleiterschaltungen durch chemisch-mechanisches Polieren oder Trockenätzen besteht das Problem, daß der Zeitpunkt, zu dem eine abzutragende Schicht stellenweise schon vollständig abgetragen ist und darunter ein Untergrund, der nicht abgetragen werden soll, mitentfernt wird, zu spät erkannt wird. Dabei werden Untergrundschichten zerstört oder deren elektrische Eigenschaften verändert.
Die verspätete Erkennung des Schichtdurchbruchs der abzutragenden Schicht beim Planarisieren rührt daher, daß die Signale, die während des Planarisierens erfaßt werden, sich beim Übergang der abzutragenden Schicht zum Untergrund nicht oder nicht hinreichend voneinander unterscheiden. Je nach Art des erfaßten Signals entsteht zudem auch durch die Art der Erfassung bzw. Messung eine zusätzliche Zeitverzögerung der Signalveränderung gegenüber dem Schichtdurchbruch.
Soweit die Abtragsrate und die Dicke der abzutragenden Schicht bekannt sind, kann vor Prozeßbeginn die zum Abtragen der Schicht benötigte Zeit berechnet werden. Diese Größen sind jedoch nicht immer bekannt.
Sofern die Ertragsrate des Untergrunds deutlich geringer ist als die der abzutragenden Schicht, d. h. sofern der Untergrund eine Stopschicht bildet, ist die Dauer des Schichtabtrags relativ unkritisch. Jedoch läßt sich der Untergrund - insbesondere in einer integrierten Halbleiterschaltung mit einer Vielzahl übereinanderliegender Schichten - nicht immer so wählen, daß er deutlich härter ist als die darüber liegende Schicht.
Auch der Versuch, ein solches Signal auszuwählen und zu erfassen, das sich besonders auffällig und charakteristisch und möglichst ohne Zeitverzögerung ändert, löst das beschriebene Problem nicht grundsätzlich.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren bereitzustellen, mit denen erstens eine abzutragende Schicht möglichst vollständig abgetragen werden kann, ohne den Untergrund zu beschädigen, oder zweitens eine abzutragende Schicht bis auf eine vorgegebene Restdicke abgetragen werden kann.
Die erste Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem ersten Verfahren vor dem Auftragen der abzutragenden Schicht zunächst eine Hilfsschicht und auf diese die abzutragende Schicht aufgebracht wird, wobei die Hilfsschicht so gewählt wird, daß während ihres Abtrags ein anderes Signal erfaßt wird als beim Abtragen der abzutragenden Schicht, und daß, wenn oder nachdem die abzutragende Schicht zumindest stellenweise vollständig bis zur Hilfsschicht abgetragen ist, die Hilfsschicht während einer festgelegten oder festzulegenden Zeitdauer abgetragen wird.
Erfindungsgemäß wird unter der abzutragenden Schicht zunächst eine Hilfsschicht auf den Untergrund aufgebracht, so daß beim Durchbruch der abzutragenden Schicht der Untergrund zunächst noch nicht beschädigt wird. Statt dessen wird lediglich die Hilfsschicht während einer bestimmten Zeitdauer abgetragen.
Eine bevorzugte Ausführungsart sieht vor, daß diese Zeitdauer aus den Schichtdicken der abzutragenden Schicht und der Hilfsschicht sowie aus dem Verhältnis der Abtragsraten dieser beiden Schichten ermittelt wird. Die Schichtdicke der Hilfsschicht läßt sich im Rahmen einer kontrollierten Schichtabscheidung im voraus bestimmen. Ist die Abtragsrate dieser Hilfsschicht nicht bekannt, sondern nur die Größe der Abtragsrate der abzutragenden Schicht im Verhältnis zur Hilfsschicht, so kann bei Kenntnis lediglich der Schichtdicke der abzutragenden Schicht die Zeitdauer berechnet werden, während derer die Hilfsschicht vollständig abgetragen wird. Der vollständige Abtrag einer Schicht tritt naturgemäß nur lokal, d. h. stellenweise auf der Substratoberfläche auf, da durch Strukturierungen etliche Höhenveränderungen abgeschiedener Schichten über die Substratoberfläche entstehen.
Eine alternative bevorzugte Ausführungsart sieht vor, daß die Zeitdauer aus der Schichtdicke und der Abtragsrate der Hilfsschicht ermittelt wird. Sind beide Größen bekannt, braucht die Hilfsschicht nur noch so dick abgeschieden zu werden, daß die zum Durchbruch der Hilfsschicht benötigte Zeit die Zeitverzögerung durch die Signalerkennung übersteigt.
Eine bevorzugte Anwendung sieht vor, daß die abzutragende Schicht im wesentlichen aus Polysilizium und der Untergrund im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.
Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem zweiten Verfahren die abzutragende Schicht zunächst nur mit einer ersten Schichtdicke, dann eine Hilfsschicht und auf diese wiederum die abzutragende Schicht mit einer zweiten Schichtdicke aufgebracht wird, wobei während des Abtragens der Schichten ein Signal erfaßt wird, das sich verändert, wenn oder nachdem zumindest stellenweise eine Schicht vollständig bis zur unter ihr liegenden Schicht abgetragen ist, und wobei die Hilfsschicht so gewählt wird, daß während ihres Abtrags ein anderes Signal erfaßt wird als bei der abzutragenden Schicht, und daß, wenn oder nachdem die abzutragende Schicht zumindest stellenweise vollständig bis zur Hilfsschicht abgetragen ist, die Hilfsschicht an dieser Stelle vollständig und dann die darunter liegende abzutragende Schicht während einer festgelegten oder festzulegenden Zeitdauer abgetragen wird.
Erfindungsgemäß wird in die Schicht, die abgetragen werden soll, eine Hilfsschicht eingebettet, die dann beidseitig von der abzutragenden Schicht umgeben ist. Die Hilfsschicht liefert dabei ein Signal, das angibt, wann ein bestimmter Prozentsatz der gesamten Schichtdicke der abzutragenden Schicht abgetragen ist. Diese Information läßt sich nutzen, um nach Durchbrechen der Hilfsschicht die darunter liegende abzutragende Schicht bis auf eine bestimmte Mindestrestdicke über dem Untergrund abzutragen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:
Die Fig. 1 und 2 Ausführungsarten zur Abtragung einer durch eine Hilfsschicht von einem Untergrund getrennten abzutragenden Schicht und
Fig. 3 eine Ausführungsart zur Abtragung einer bis auf eine bestimmte Restdicke abzutragenden Schicht, in die eine Hilfsschicht eingebettet ist.
Gemäß Fig. 1 wird auf einem Untergrund, der im Rahmen einer späteren Schichtabtragung als Stopschicht dient, zunächst eine Detektionsschicht B abgeschieden, auf die dann die später zu planarisierende Schicht A aufgebracht wird. Wenn beim Planarisieren die Detektionsschicht B erreicht wird, wird durch den Übergang von der Schicht A zur Schicht B ein Signal erzeugt. Aus dem Zeitpunkt dieses Signals kann die für die Abtragung der Schicht A benötigte Zeit t(A) bestimmt werden; dazu wird die Schichtdicke r(A) der Schicht A durch eine kontrollierte Abscheidung vorgegeben oder auch nachträglich bestimmt. Die Dicke der Detektionsschicht B wird in gleicher Weise vorgegeben, so daß sich die zur Abtragung der Detektionsschicht erforderliche Zeit t(B) errechnen läßt. Die Schicht B wird genau über diese Zeitdauer abgetragen, so daß die Planarisierung gerade mit Erreichen der Stopschicht C endet.
Für die oben beschriebene Ausführungsart ist die Kenntnis sowohl der Abtragsrate als auch der Dicke der Schicht A erforderlich, wobei die Abtragsrate zumindest im Verhältnis zu der der Schicht B bekannt sein muß. Sind diese Größen - etwa auf Grund von Vorprozessen - nicht bekannt, so kann die Erfindung dennoch mit Hilfe einer Detektionsschicht, deren Dicke und Abtragsrate beide absolut bekannt sind, aufgeführt werden. Dazu wird gemäß Fig. 2 die Schicht A wiederum bis zum Übergang zur Schicht B planarisiert. Das durch diesen Übergang erzeugte Signal dient als Startpunkt zum Polieren der Schicht B, wobei sich die Zeit einfach aus der Schichtdicke und der Abtragsrate der Detektionsschicht B ergibt. Diese wird in gleicher Weise wie in Fig. 1 vollständig bis zur Stopschicht C abgetragen.
In den Fig. 1 und 2 ist die Schicht A vorzugsweise Polysilizium, die Schicht C vorzugsweise aus Siliziumnitrid gefertigt. Zur Endpunkterkennung kann die Messung des Motorstroms der Poliermaschine genutzt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften der Schichten wie Härte, Reibungskoeffizient und Gefüge zum Erkennen des Schichtübergangs genutzt werden können. Auch durch eine Änderung der Dotierung während einer Polysiliziumabscheidung oder durch eine Veränderung beim thermischen Ausheizen, dem Annealing kann eine Siliziumschicht mit veränderten mechanischen Eigenschaften erzeugt werden, die z. B. durch Motorstrommessungen erfaßbar sind.
Soll eine Schicht nur bis zu einer bestimmten Restdicke abgetragen werden, so wird gemäß Fig. 3 zunächst nur eine Teildicke A1 der zu planarisierenden Schicht aufgebracht. Auf dieser wird zunächst die Detektionsschicht B und darauf dann eine zweite Teildicke A2 der zu planarisierenden Schicht abgeschieden. Sobald diese oberste Schicht beim Planarisieren stellenweise durchbrochen wird, zeigt ein Signal den Übergang zur Schicht B an. Diese wird an dieser Stelle innerhalb einer Zeit t(B) vollständig, d. h. bis zur Teildicke A1 der zu planarisierenden Schicht abgetragen. Sofern die Restdicke der zu planarisierenden Schicht kleiner sein soll als A1, wird diese ebenfalls noch eine bestimmte Zeitdauer planarisiert. Durch das Verhältnis der Teildicken A1 und A2 und mit Hilfe der durch das Signal am Übergang A2 B gemessenen Zeitdauer zum Abtrag der Schicht A2 läßt sich die zum Abtragen der Schicht A1 benötigte Zeit errechnen. Dadurch ist es möglich, die Schicht A1 nach dem Durchbruch der Schicht B bis auf eine definierte Restdicke abzutragen. Abhängig von der Gesamtprozeßführung wird die Detektionsschicht B entweder in die Schicht A eingebettet oder aber als obere Schicht aufgebracht.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsart eignet sich vorzugsweise zum Polieren eines Inter-Layer-Dielektrikums A1 bzw. A2. Als Dielektrika werden Oxide eingesetzt, vorzugsweise mit Phosphor- und/oder Bordotierung (PSG oder BPSG). Die physikalischen Eigenschaften dieser Schichten sind stark dotierungsabhängig, somit kann durch Veränderung der Dotierkonzentration oder der Dotierstoffe während der Abscheidung eine Detektionsschicht B an geeigneter Stelle erzeugt werden. Ferner ist der Einbau eines anderen Materials wie etwa Siliziumnitrid in die Oxidschicht möglich. In beiden Fällen ergeben sich am Übergang zwischen den Schichten charakteristische Änderungen der gemessenen Signalverläufe derjenigen Größen, die zum Erkennen der Schichtübergänge gemessen werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung vorzugsweise durch Planarisieren, bei dem eine abzutragende Schicht (A) zuerst auf einen Untergrund aufgebracht und dann kontrolliert abgetragen wird, möglichst ohne den Untergrund abzutragen, wobei während des Abtragens der abzutragenden Schicht (A) ein Signal erfaßt wird, das sich ändert, wenn oder nachdem zumindest stellenweise die abzutragende Schicht (A) vollständig abgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der abzutragenden Schicht (A) zunächst eine Hilfsschicht (B) und auf diese die abzutragende Schicht (A) aufgebracht wird, wobei die Hilfsschicht (B) so gewählt wird, daß während ihres Abtrags ein anderes Signal erfaßt wird als beim Abtragen der abzutragenden Schicht (A), und daß, wenn oder nachdem die abzutragende Schicht (A) zumindest stellenweise vollständig bis zur Hilfsschicht (B) abgetragen ist, die Hilfsschicht (B) während einer festgelegten oder festzulegenden Zeitdauer abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer aus den Schichtdicken der Schichten (A) und (B) sowie aus dem Verhältnis der Abtragsraten beider Schichten ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer aus der Schichtdicke und der Abtragsrate der Hilfsschicht (B) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht (A) im wesentlichen aus Polysilizium und der Untergrund (C) im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.
5. Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung vorzugsweise durch Planarisieren, bei dem eine abzutragende Schicht (A; A1, A2) zuerst auf einen Untergrund (C) aufgebracht und dann kontrolliert bis auf eine bestimmte Restdicke abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht (A) zunächst nur mit einer ersten Schichtdicke (A1), dann eine Hilfsschicht (B) und auf diese wiederum die abzutragende Schicht (A) mit einer zweiten Schichtdicke (A2) aufgebracht wird, wobei während des Abtragens der Schichten ein Signal erfaßt wird, das sich ändert, wenn oder nachdem zumindest stellenweise eine Schicht vollständig bis zur unter ihr liegenden Schicht abgetragen ist, und wobei die Hilfsschicht (B) so gewählt wird, daß während ihres Abtrags ein anderes Signal erfaßt wird als bei der abzutragenden Schicht (A; A1, A2), und daß, wenn oder nachdem die abzutragende Schicht (A2) zumindest stellenweise vollständig bis zur Hilfsschicht (B) abgetragen ist, die Hilfsschicht (B) an dieser Stelle vollständig und vorzugsweise auch noch die darunterliegende abzutragende Schicht (A1) während einer festgelegten oder festzulegenden Zeitdauer abgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer aus dem Verhältnis der Schichtdicken (A1) und (A2) und der Abtragsrate der abzutragenden Schicht (A) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht (A1, A2) aus einem Dielektrikum, insbesondere aus einem Oxid, aus PSG oder BPSG besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) eine gegenüber der abzutragenden Schicht (A) unterschiedliche oder unterschiedlich starke Dotierung aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) sich hinsichtlich Härte, Reibungskoeffizient und/oder Gefüge von der abzutragenden Schicht (A) und/oder von dem Untergrund (C) unterscheidet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches, insbesondere infrarotoptisches, ein mechanisches, ein elektrisches oder ein temperaturabhängiges Signal erfaßt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erreichen der Hilfsschicht (B) durch Motorstrommessungen erfaßt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch chemisch- mechanisches Polieren planarisiert wird.
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