DE19946493C2 - Verfahren zum Abtragen von Schichten - Google Patents

Verfahren zum Abtragen von Schichten

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    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung durch Plan­ arisieren, 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.
Beim Planarisieren von Schichten in integrierten Halbleiter­ schaltungen durch chemisch-mechanisches Polieren oder Tro­ ckenätzen besteht das Problem, daß der Zeitpunkt, zu dem eine abzutragende Schicht stellenweise schon vollständig abgetra­ gen 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 abzutra­ genden Schicht beim Planarisieren rührt daher, daß die Signa­ le, 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 Erfas­ sung bzw. Messung eine zusätzliche Zeitverzögerung der Sig­ nalveränderung 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 Abtragsrate des Untergrunds deutlich geringer ist als die der abzutragenden Schicht, d. h. sofern der Untergrund eine Stopschicht bildet, ist die Dauer des Schichtabtrags re­ lativ unkritisch. Jedoch läßt sich der Untergrund - insbeson­ dere 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 er­ fassen, das sich besonders auffällig und charakteristisch und möglichst ohne Zeitverzögerung ändert, löst das beschriebene Problem nicht grundsätzlich.
Aus der Druckschrift US 5,736,462 und der US 5,668,063 ist jeweils ein gattungsgemäßes Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung durch Planarisieren bekannt, bei dem eine abzutragende Schicht zuerst auf einen Untergrund aufge­ bracht und dann kontrolliert bis auf eine bestimmte Restdicke abgetragen wird. Hierbei wird unter Verwendung einer Hilfs­ schicht ein Endpunkt für das Abtragen der Schichten bestimmt, wobei ein die Hilfsschicht anzeigendes Signal ausgewertet wird.
Aus der Druckschrift US 5,674,784 ist ein Verfahren zum Plan­ arisieren von Halbleiterschichten bekannt, bei dem eine voll­ ständig planare bzw. flache Polierstoppschicht verwendet wird. Diese Polierstoppschicht wird hierbei mittels Ionen­ implantation innerhalb einer abzutragenden Schicht ausgebil­ det, wodurch sich eine geänderte Härte in diesem Bereich er­ gibt. Nachteilig ist jedoch bei diesem Verfahren, dass auf­ grund der Verwendeten Ionenimplantation lediglich ein "wei­ cher" Übergang zwischen der abzutragenden Schicht und der eingebrachten Polierstoppschicht entsteht, wodurch eine Erfassungsgenauigkeit für die Stoppschicht und somit für einen Endpunkt der abzutragenden Schicht verschlechtert ist.
Aus der weiteren Druckschrift US 5,851,135 ist ein Verfahren zum Polieren bzw. Abtragen von Schichten bekannt, bei dem zur Vereinheitlichung der Abtragsraten über den gesamten Wafer eine Steuereinheit vorgesehen ist, die einen jeweiligen Po­ lierpfad während des Planarisierens ansteuert bzw. einstellt. Hierbei werden infrarotoptische, akustische und mechanische Signale bei einer Endpunkterfassung ausgewertet.
Aus der Druckschrift US 5,668,063 ist ein weiteres Verfahren zum Abtragen von Schichten bekannt, bei dem eine Mehrfach­ schicht mit Hilfsschicht zur Realisierung einer Endpunkt- Steuerung verwendet wird. Die Mehrfachschicht besteht hierbei aus einer abgeschiedenen ersten Schicht, der Hilfsschicht und einer zweiten Schicht. Die Genauigkeit bei dieser herkömmli­ chen Endpunktbestimmung ist jedoch relativ gering, da weder Signalverzögerungszeiten noch jeweilige Abtragsraten berück­ sichtigt werden.
Aus der Druckschrift US 5,659,492 ist ein weiteres herkömmli­ ches Verfahren zum Abtragen von Schichten bekannt, bei dem ein Endpunkt unter Verwendung einer Signal-Kurvenform be­ stimmt wird. Die abzutragende Schicht besteht hierbei aus ei­ ner einfachen Schicht, wobei ein erfasstes Signal eine Fre­ quenz darstellt, die von einem Sensor aufgenommen wird. Die charakteristische Signal-Kurvenform bestimmt hierbei charak­ teristische Zeitpunkte von denen aus der Endpunkt für das Planarisieren bestimmt wird.
Die Druckschrift US 5,830,041 offenbart ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines derartigen Endpunktes für das Abtragen von Schichten, wobei eine Abtragsrate der Schichten ermittelt und daraus der ideale Endpunkt bestimmt wird. Genauer gesagt wird diese Abtragsrate für die Schichten durch Polieren eines Test-Halbleiterwafers unmittelbar vor dem Planarisieren des eigentlichen Wafers ermittelt und auf der Grundlage dieser Ergebnisse eine Zeitdauer für den idealen Endpunkt für das Abtragen der Schichten bestimmt. Nachteilig ist hierbei je­ doch der hohe Zeitaufwand und wiederum eine nicht ausreichen­ de Genauigkeit, die sich auch bei der Bestimmung der Abtrags­ raten mit derartigen Testwafern ergibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein gattungs­ gemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass mit verringer­ tem Aufwand eine erhöhte Genauigkeit für das Abtragen von Schichten erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die abzutragende Schicht mit einer ersten Schichtdicke, dann eine Hilfsschicht und auf diese wiederum die abzutragende Schicht mit einer zweiten Schichtdicke aufgebracht wird, wobei wäh­ rend 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 abge­ tragen ist, und wobei die Hilfsschicht so gewählt wird, dass während ihres Abtrags ein anderes Signal erfasst wird als bei der abzutragenden Schicht, und dass unter Verwendung einer Zeitdauer bis zum Auftreten des anderen Signals für die Hilfsschicht und einem Verhältnis der Schichtdicken der abzu­ tragenden Schicht eine Zeitdauer zum Abtragen der Schicht mit der ersten Schichtdicke bestimmt wird.
In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figur be­ schrieben. Es zeigt die
Figur eine Ausführungsart zur Abtragung einer bis auf eine bestimmte Restdicke abzutragenden Schicht, in die eine Hilfs­ schicht eingebettet ist.
Soll eine Schicht nur bis zu einer bestimmten Restdicke abgetragen werden, so wird gemäß der Figur zunächst nur eine Teildicke A1 der zu planarisierenden Schicht aufgebracht. Auf dieser wird zunächtst 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.
Die in der Figur 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 (9)

1. Verfahren zum zumindest teilweisen Abtragen von Schichten in der Halbleiterfertigung 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) 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 lie­ genden 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 unter Verwendung einer Zeitdauer bis zum Auftreten des anderen Signals für die Hilfsschicht (B) und einem Ver­ hältnis der Schichtdicken (A1, A2) der abzutragenden Schicht eine Zeitdauer zum Abtragen der Schicht mit der ersten Schichtdicke (A1) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht (A1, A2) aus einem Dielektrikum besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht (A1, A2) aus einem Oxid, aus PSG oder BPSG besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) eine gegenüber der abzutragenden Schicht (A) unterschied­ liche oder unterschiedlich starke Dotierung aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) sich hinsichtlich Härte, Reibungskoeffizient und/oder Ge­ füge von der abzutragenden Schicht (A) und/oder von dem Un­ tergrund (C) unterscheidet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht (B) im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches, insbesondere infrarotoptisches, ein mechanisches, ein elekt­ risches oder ein temperaturabhängiges Signal erfaßt wird.
8. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erreichen der Hilfsschicht (B) durch Motorstrommessungen erfaßt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch chemisch- mechanisches Polieren planarisiert wird.
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