DE4317750A1 - Vorrichtung zum Planarisieren von Halbleiterplättchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Planarisieren bzw. planaren Polieren von Halbleiterplättchen und insbe­ sondere eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren (CMP).

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen werden typi­ scherweise auf einem einzigen Wafer viele integrierte Schal­ tungen gebildet. Anschließend wird der Wafer in einzelne integrierte Schaltungen vereinzelt. Für das Herstellungsver­ fahren ist es oft nötig, die Oberfläche des Wafer zu polie­ ren, um topographische Höhen, Oberflächendefekte wie Kri­ stallgitterschäden, Kratzer, Rauhigkeiten oder anhaftende Schmutz- oder Staubpartikel zu entfernen. Dieser Polierpro­ zeß wird oft als mechanisches Planarisieren bezeichnet und verbessert die Qualität der Halbleiter. Das Verfahren wird gewöhnlich während der Bildung verschiedener Einrichtungen und integrierter Schaltungen auf den Plättchen durchgeführt.

Das Polierverfahren kann unter Zuführung eines chemischen Schlammes durchgeführt werden, um die Abtragleistung zu er­ höhen und die Selektivität zwischen den Filmen der Halblei­ teroberfläche zu verbessern. Dieses Verfahren wird oft als chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) bezeichnet.

In Fig. 3 ist eine bekannte CMP-Vorrichtung 10 dargestellt, mit der ein dünnen flaches Halbleiterplättchen an eine be­ feuchtete Polierfläche unter Druck und bei bestimmter Tempe­ ratur angedrückt und rotiert wird. Die Vorrichtung 10 hat einen drehbaren Polierteller 12, einen Polierkopf 14 und ein chemisches Zuführsystem 16. Der Teller 12 wird von einem Motor 18 mit bestimmter Drehzahl gedreht. Der Teller 12 ist mit einem auswechselbaren, relativ weichen Material 20, wie geschäumtes Polyurethan, versehen, das mit einem Schmiermit­ tel, wie Wasser, befeuchtet sein kann.

Der Polierkopf 14 hat eine nicht dargestellte Fassung, die den Wafer 22 an dem Teller 12 hält. Ein Motor 24 dreht den Polierkopf und den Wafer 22 und ein Verschiebungssystem 26 bewegt den Wafer 22 über den Teller 12 in Pfeilrichtung 28 und 30. Der Polierkopf 14 übt einen nach unten gerichteten Druck P in Pfeilrichtung 32 aus, um den Wafer 22 auf den Teller 12 zu drücken.

Über das Zuführsystem 16 gelangt Polierschlamm in Pfeilrich­ tung 34 als Schleifmittel zwischen den Teller 12 und den Halbleiter 22. Das Zuführsystem hat einen Speicher 36 und eine Leitung 38.

Andere Poliervorrichtungen für derartige Halbleiter sind in US-PS 5,081,796 der Anmelderin erläutert sowie in US-PS 4,193,226; 4,811,522 und 3,841,031.

Ein dabei auftretendes Problem besteht in dem nicht gleich­ förmigen Abtragen der Halbleiter-Oberfläche. Die Schleiflei­ stung ist unmittelbar proportional zum Druck auf den Wafer, sowie zu den Drehzahlen des Tellers und des Plättchens, der Dichte und Größe der Schlammpartikel, sowie zum wirksamen Kontaktbereich zwischen dem Polierkissen und der Waferober­ fläche. Das Abtragen hängt auch von der radialen Position auf dem Teller ab. Die Schleifleistung wird vergrößert, wenn der Wafer auf dem Teller radial nach außen geschoben wird, da dort die Drehgeschwindigkeit größer ist. Außerdem ist die Schleifleistung am Waferrand für gewöhnlich höher als in der Wafermitte, da der Waferrand mit höherer Drehzahl als die Wafermitte rotiert.

Ein weiteres Problem bekannter Verfahren besteht darin, daß es schwierig ist, ungleichförmig aufgebrachte Filme oder Schichten zu entfernen. Bei der Herstellung integrierter Schaltungen wird eine bestimmte Schicht abgelagert oder wird diese in einem gewünschten ungleichmäßigen Muster gezüchtet, so daß sich eine ungleichförmige Oberfläche ergibt, die dann poliert werden soll. Die Dicke solcher Schichten kann sehr klein sein, in der Größenordnung von 0,5 bis 5,0 µ, so daß die Toleranzen beim Polieren sehr eng sind. Ähnliche Proble­ me stellen sich ein, wenn man gewölbte Flächen von Halblei­ terplättchen polieren will. Aufwölbungen können sich erge­ ben, wenn der Wafer Temperaturänderungen bei der Herstellung unterworfen wird. Infolge dieser Wölbung besitzt die Fläche höhere und niedrigere Bereiche, wobei die höheren Bereiche stärker poliert werden als die niedrigen Bereiche.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Planarisieren anzugeben bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die vorgenannten Nachteile vermieden sind und auch ungleichmäßige oder gewölbte Halbleiterflächen schnell, sauber und einwandfrei glatt poliert werden.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und insbesondere auch 6 gelöst. Es bleibt vorbehalten, für einen Patentanspruch 1 auch einen Verfahrensanspruch zu wählen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Poliervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Poliervorrichtung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer bekannten Poliervorrichtung und

Fig. 4 bis 6 schematische Draufsichten zur Darstellung des Poliermusters.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Poliervorrichtung 50 zum Pla­ narschleifen von Halbleiterplättchen. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Vorrichtung 50 ein chemisches Zu­ führsystem 52 zum Zuführen eines chemischen Schlammes zur Verbesserung der Polierleistung. Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung 50 um eine Vorrichtung zum che­ misch-mechanischen Polieren.

Ferner weist die Vorrichtung 50 einen Drehteller 54 zum Po­ lieren einer Oberfläche 55 eines Halbleiterplättchens 56 auf. Der Teller 54 wird um seine Mittelachse 60 von einem Motor 62 in der Drehrichtung x gedreht. Der Teller 54 ist kreisförmig mit einem Kreisumfang 59 und ein erstes kreis­ förmiges Kissen 58 ist auf ihm befestigt. Das erste Kissen 58 schützt den Teller 54 vor dem chemischen Schlamm und besteht typischerweise aus geschäumtem Polyurethan. Das erste Kissen 58 hat einen Kreisumfang 59 und erstreckt sich bis zum Rand des Tellers 54.

Ein zweites, nicht kreisförmiges Kissen 64 mit einem un­ gleichmäßigen Rand 80 ist auf dem ersten Kissen 58 befe­ stigt. Die Kombination beider Kissen 58, 64 liefert eine erwünschte, leicht nachgiebige Oberfläche. Sollte das erste Kissen 58 weggelassen werden, so wird das nicht kreisförmige Kissen 64 direkt auf dem Teller 54 befestigt. Dieses Kissen 64 liegt im wesentlichen innerhalb des Umfangs 59 des ersten Kissen 58 und des Tellers 54. Das Kissen 64 kann so ausge­ schnitten sein, daß der Wafer 56 in der gewünschten Form gleichmäßig poliert wird. Das Kissen 64 wird nachstehend anhand der Fig. 4 und 5 noch näher erläutert.

Die Vorrichtung 50 weist ferner einen Polierkopf 66 mit einer Fassung 68, einem Motor 70 und einen Verschiebungsan­ trieb 72 auf. Die Fassung 68 hält die Fläche 55 des Wafers 56 in Position zum nicht kreisförmigen Kissen 64. Vorzugs­ weise übt der Polierkopf 66 einen gesteuerten, nach unten gerichteten Druck P in Pfeilrichtung 74 aus, so daß die Fläche 55 des Wafers 56 das Kissen 64 derart berührt, daß das Polieren der Fläche 55 möglichst wirksam und gesteuert erfolgt. Der Motor 70 dreht die Fassung 68 und den Wafer 56 in der Drehrichtung Y, die gleich der Drehrichtung des Dreh­ tellers 54 ist.

Der Verschiebungsantrieb 72 verschiebt den Wafer 56 unter dem Druck P über das Kissen 64, wie die Pfeile 76 und 78 angeben. Der Verschiebungsantrieb 72 kann den Wafer 56 auch in eine Lage über den Rand 80 des Kissen 64 hinausverschie­ ben, so daß der Wafer 56 über den Rand 80 "übersteht". Die­ ses Überstehen ermöglicht es, daß der Wafer 56 teils auf und teils entfernt vom Kissen 64 bewegt wird, um ein ungleich­ mäßiges Polieren auszugleichen, das durch den Geschwindig­ keitsunterschied zwischen den sich schneller bewegenden Außenteilen und den sich langsamer bewegenden Innenteilen des Kissens 64 verursacht ist.

Das Zuführsystem 52 hat einen Speicherbehälter 82 für Schlamm und eine Leitung 84 zum Zuführen des Schlamms auf den Teller 54 in Pfeilrichtung 86 auf das Kissen 64. Der chemische Schlamm enthält ein Schleifmittel, das das Polie­ ren der Fläche 55 verbessert, vorzugsweise eine Lösung aus festem Aluminium oder Siliciumoxid.

Im Betrieb werdender Teller 54 und das nicht kreisförmige Kissen 64 mit bestimmter Drehzahl gedreht. Dabei ist die Drehrichtung des Wafers 56 die gleiche wie des Tellers 54. Die Fläche 55 des Wafers wird auf dem Kissen 64 so gehalten, daß das Polieren erfolgen kann. Der Wafer 56 wird hin und her über das Kissen 64 bewegt, wobei der Druck P ausgeübt wird und der Halbleiter auch über den Umfangsrand 80 des Kissens 64 hinausläuft, um die Fläche 55 gleichförmig zu polieren.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen die Relativbewegung zwischen Dreh­ teller 54 und den Kissen 164 (Fig. 4), 264 (Fig. 5) und 364 (Fig. 6). Alle diese Kissen haben unterschiedliche, unre­ gelmäßige Ränder. Alle Kissen haben vorstehende Abschnitte 90 und zurückgenommene Abschnitte 92. Der radiale Unter­ schied zwischen beiden Abschnitten 90 und 92 ist kleiner als der Waferdurchmesser. Dies ist insbesondere in Fig. 4 darge­ stellt.

Ein vorstehender Abschnitt 90 hat eine äußere Umfangskante 94 tangential an einem Kreis 96. Der Kreis 96 umschließt vollständig den äußersten Rand des Kissens 164. Ein zurück­ genommener Abschnitt 92 hat einen innersten Umfangsrand 98 tangential zu einem Kreis 100. Der Kreis 100 definiert die innerste Grenze des Kissens 164. Die Kreise 96 und 100 sind vorzugsweise konzentrisch zum Mittelpunkt 102 auf der Mit­ telachse 60. Der radiale Abstand zwischen Kreisen 100 und 96 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Wafers 56.

Beim Schleifen wird der Wafer 56 um den Mittelpunkt 104 ge­ dreht. Der Verschiebungsantrieb 72 hält vorzugsweise den Mittelpunkt 104 des Wafers 56 innerhalb der vom Kreis 56 umschriebenen Grenzlinie. Wird der Mittelpunkt des Wafers innerhalb dieser äußersten Grenzlinie gehalten, so hat sich herausgestellt, daß dies die Gleichmäßigkeit der polierten Fläche 55 verbessert. Insbesondere ist es bevorzugt, daß die Fläche etwas weniger als eine Hälfte des Wafers übersteht. Auf diese Weise ist das Zentrum 104 beinahe doppelt solange in Kontakt mit dem nicht kreisförmigen Kissen 164 bzw. 264 oder 364 als die Waferkante. Durch Verändern der Position des Wafers gegenüber der Kissenkante nähert sich das Ver­ hältnis zwischen dem Abtragen im Mittelpunkt und dem Abtra­ gen an der Kante einer "1". Das heißt, die Schleifleistung am Wafermittelpunkt ist annähernd gleich der Schleifleistung an der Waferkante.

Ein erfindungsgemäßes, nicht kreisförmiges Kissen kann so ausgestaltet werden, daß der Abtrag vom Wafer in einer be­ stimmten Weise erfolgt. Die Schleifleistung R, also die Abtragung als solche, gehorcht der folgenden Proportionali­ tät:
R ∞ kV (2πr)
wobei k eine Konstante abhängig vom Druck, dem Schlamm und der Kissentype ist; V der Drehzahl des Kissens bzw. des Tellers entspricht und r die radiale Position auf dem Kissen angibt. Damit kann das nicht kreisförmige Kissen so gestal­ tet werden, daß eine höhere Schleifleistung in bestimmten Bereichen der Waferfläche und geringere Abtragungen in ande­ ren Bereichen erzielt werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar, da das nicht kreisförmige Kissen ein Schleifen mit höherer Gleichmäßigkeit oder auch ein Schleifen gewölbter Flächen ermöglicht.

Der Vorteil des nicht kreisförmigen Kissens wird anhand der Fig. 5 noch deutlicher. Das Kissen 264 hat eine schlangen­ förmige Kante der vorstehenden Abschnitte 90 und der zurück­ genommenen Abschnitte 92. Im Vergleich zu der Kreiskante ohne Schlangenlinie bekannter Schleifkissen kann das Kissen 264 mit stärker zurückgenommenen Abschnitten gestaltet wer­ den, um die effektive Polierfläche des Kissens zu verrin­ gern. Ein verringerter Flächenbereich am Rand des Kissens unterstützt die Gleichmäßigkeit des Polierens.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht ein nicht kreisförmiges Kissen in Kombination mit dem überste­ henden Polieren, wobei der Wafer über die Kissenkante hinaus bewegt wird, ein diskriminiertes, jedoch sehr gleichförmiges Polieren, das eine wesentliche Verbesserung des Standes der Technik darstellt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Planarisieren von Halbleiterplätt­ chen mit einem Drehteller (54) zum Polieren einer Fläche des Halbleiterplättchens (56) von bestimmten Durchmesser und einem Antrieb (62) zum Rotieren des Tellers in einer be­ stimmten Drehrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Teller (54) ein nicht kreisförmiges Kissen (64) befestigt ist und das Halbleiterplättchen auf das nicht kreisförmige Kissen von einem Polierkopf (66) gedrückt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das nicht kreisförmige Kissen (64, 164, 264, 364) am Umfang vorstehende und zurückgenommene Abschnitte auf­ weist, deren radialer Abstand voneinander kleiner ist als der Durchmesser des Plättchens.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Zuführsystem (52) zum Zuführen eines chemischen Schlamms auf das nicht kreisförmige Kissen vorge­ sehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmechanismus (72) vorgesehen ist, der das Plättchen mit einem gesteuerten Druck über das nicht kreisförmige Kissen und in eine Lage über den Umfangsrand des Kissens hinaus bewegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht kreisförmige Kissen (64) innerhalb des Randes des Drehtellers befestigt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (54) um seine Mittelachse (60) gedreht wird, daß das Plättchen (56) um seine Mittelachse gedreht wird und daß der Verschiebungsan­ trieb (72) das Plättchen mit einem gesteuerten Druck über das nicht kreisförmige Kissen (64) bis über dessen Rand hinaus verschiebt, wobei der Mittelpunkt des Plättchens in einer um das nicht kreisförmige Kissen umschriebenen Grenz­ linie hält, und die Grenzlinie von einem Kreis um die Mit­ telachse und einer Tangente an dem nach außen am weitesten vorstehenden Abschnitt des nicht kreisförmigen Kissens de­ finiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Polierkopf und das Plättchen ein Drehantrieb (70) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung der beiden Antriebsmotoren (62, 70) für den Drehteller und das Plätt­ chen gleich sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Drehteller (54) ein erstes Kissen (58) befestigt ist, auf dem das nicht kreis­ förmige Kissen (64) befestigt ist.