DE60008985T2 - Herrichtungsanordnung einer chemisch-mechanischen polierscheibe und dazugehöriges verfahren - Google Patents

Herrichtungsanordnung einer chemisch-mechanischen polierscheibe und dazugehöriges verfahren Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterschaltungen und ihre Fertigung und spezieller auf Halbleiterschaltungen und Werkzeuge für ihre Herstellung, bei der chemisch-mechanisches Polieren (CMP), wie es zum Beispiel aus dem Dokument JP-A-110 105 24 bekannt ist, beteiligt ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Elektronikindustrie ist weiterhin auf Fortschritte in der Halbleiterfertigungstechnologie angewiesen, um bei Verbesserung von Zuverlässigkeit und Kosten Schaltungen mit höherer Funktionalität zu realisieren. Für viele Anwendungen ist die Herstellung solcher Bauelemente komplex und das Aufrechterhalten kosteneffektiver Fertigungsprozesse bei gleichzeitigem Aufrechterhalten oder Verbessern der Produktqualität schwer zu schaffen. Während die Anforderung an die Bauelementleistung und Kosten anspruchsvoller werden, wird die Realisierung eines erfolgreichen Fertigungsprozesses schwieriger.
  • Ein Nebenprodukt der angewachsenen Komplexität von Halbleiterschaltungen enthält unebene Bauelementoberflächen, die auffälliger werden, wenn zusätzliche Ebenen zu Mehrebenen-Verdrahtungs-Plänen hinzugefügt werden und Schaltungsstrukturen auf Submikron-Dimensionen verkleinert werden. Typischerweise ist jede Ebene innerhalb des Bauelements strukturiert, woraus sich eine Oberfläche mit unterschiedlichen "Stufenhöhen" dort, wo das die Struktur bildende Metall an der Oberfläche bleibt, ergibt.
  • Planarisierung ist ein Ausdruck, der die Oberflächengeometrie eines Halbleiterbauelements beschreibt. Eine vollständige Planarisierung tritt auf, wenn die Oberfläche des Dielektrikums flach wie eine Ebene ist. Keine Planarisierung tritt auf, wenn die Oberfläche des Dielektrikums direkt die Stufenhöhen-Oberfläche der Metallstruktur in der Schicht darunter nachbildet. Der Grad der Planarisierung weist auf den Grad hin, bis zu dem die unterschiedliche Oberflächengeometrie "planarisiert" oder in eine planare Oberfläche geglättet werden kann. Unterschiedliche Oberflächengeometrie ist oft unerwünscht.
  • Deshalb nimmt der geforderte Grad der Planarisierung zu, wenn zusätzliche Schichten innerhalb der Bauelemente ausgebildet werden.
  • Ein weithin benutzter neuer Planarisierungsprozess in der Halbleiterfertigung ist das chemisch-mechanische Polieren oder CMP. CMP ist bei der Planarisierung von Siliziumscheiben und von VLSI-Schaltungen zwischen verschiedenen Fertigungsprozessen nützlich. CMP ist ein weitverbreitetes Planarisierungsverfahren, teilweise wegen seiner Nützlichkeit in der umfassenden Planarisierung von Halbleiterbauelementen. Traditionelle Planarisierungsprozesse sind darauf beschränkt, auf lokale Planarität oder topologische Variationen in geringem Umfang zu wirken, während CMP oft in einem umfassenden Umfang größer zehn Mikrometer nutzbar ist.
  • In einer Anwendung schließt ein CMP-Prozess das Sichern einer Halbleiterscheibe auf einem Scheibenhalter mit der aktiven Scheibenseite nach unten auf einem Polierpad ein. Polierpad und Scheibe rotieren. Für den Prozess wird eine Slurry, typischerweise ein kolloidales Siliziumdioxid, das ist eine Aufschlämmung von SiO2-Partikeln, verwendet.
  • Die Partikelgröße variiert typisch von 100 Ångström bis 3 Mikrometer. Die Slurry wird generell angewendet, indem man eine Sprüh-Zuführung zum Scheibenhalter und zum Pad benutzt. Die Abtragsrate des Materials von der Scheibe ist eine Kombination von chemischer und mechanischer Rate. Die mechanische Abtragsrate ist etwa proportional zum Druck und der relativen Geschwindigkeit der Scheibe. Die chemische Abtragsrate ist eine Funktion der Größe der Slurrypartikel und dem pH-Wert der Lösung, wobei die maximale Abtragsrate im allgemeinen bei einer Slurry mit einem pH-Wert von etwa 11,5 erreicht wird.
  • Zusätzlich zum Gebrauch von Slurry in einem CMP-Prozess wird typischerweise auch ein Konditionierer zum Aufbereiten des Polierpads eingesetzt. Der Konditionierer hilft im CMP-Prozess und trägt zur Langlebigkeit des Pads bei. Eine andere Notwendigkeit im CMP-Prozess besteht in der ausreichenden und effektiven Reinigung des Pads und der Scheibe selber. In Reinraumumgebungen ist es wichtig, einen CMP-Prozess aufrechtzuerhalten, der sowenig Verunreinigungen wie möglich produziert. Da die Slurry-Partikel im Bereich unterhalb 3 Mikrometer liegen, ist die Reinigung schwierig und trotzdem von hoher Wichtigkeit. Zusätzlich ist es hilfsreich, das Nebenprodukt, das vom Polieren jeder Scheibe herrührt, darin zu hindern, sich auf dem Pad anzusammeln und weitere Scheiben zu erreichen.
  • Das traditionelle Verfahren, das Pad zu konditionieren und Slurry auszugeben, ist, zwei separate mechanische Komponenten zu benutzen: einen Slurry-Ausgabe-Sprüher und eine Pad-Konditionierungs-Konstruktion. Es gibt Nachteile beim Benutzen zweier separater Komponenten. Zum Beispiel kann die Slurry nicht gleichmäßig über das Pad verteilt werden und könnte sich am Pad-Konditionierungs-Kopf ansammeln. Die ungleichmäßige Verteilung der Slurry-Verteilung behindert den Polierprozess. Zusätzlich können die Reaktionsnebenprodukte nicht gründlich vom Pad entfernt werden. Wenn mehr als eine Scheibe auf einmal prozessiert wird, führt eine ungenügende Reinigung des Pads dazu, dass Reaktionsnebenprodukte und andere aus einer Scheibe stammende Materialien mit anderen Scheiben in Kontakt kommen. Diese Nachteile können zum Beispiel zu langen, bogenförmigen Kratzern, flachen Mikro-Kratzern, Dickenvariationen zwischen den Scheiben und zurückbleibenden Slurry-Partikeln führen. Diese Nachteile resultieren letztendlich in einem signifikanten Ausbeuteverlust und in Zuverlässigkeitsproblemen teilweise wegen Metalleinschlüssen in der flachen Kratzerfläche und diese umgebende restliche Slurry-Partikel.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des CMP-Prozesses gerichtet, wobei die Verbesserungen eine verbesserte Pad-Reinigung, eine bessere Slurry-Verteilung, verbesserte Scheiben-Qualität und eine schnellere Produktion umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Die vorliegende Erfindung wird an einer Anzahl von Ausführungsformen und Anwendungen veranschaulicht, von denen einige weiter unten zusammengefasst sind.
  • Entsprechend einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung eine CMP-Pad-Konditionierungsanordnung, welche die Merkmale von Anspruch 1 umfasst.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Konditionierung eines CMP-Pads gerichtet, welches die Merkmale von Anspruch 7 umfasst.
  • Entsprechend noch einer weiteren Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gerichtet, welches die Merkmale von Anspruch 8 umfasst.
  • Die obige Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung soll nicht jede illustrierte Ausführungsform oder jede Anwendung der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die Zeichnung und die detaillierte Beschreibung, die jetzt folgen, veranschaulichen diese Ausführungsformen genauer.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Zum vollständigeren Verständnis ist die Erfindung in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 die Draufsicht und die Seitenansicht einer ersten CMP-Pad-Konditionierungsanordnung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 die Draufsicht und die Seitenansicht einer zweiten CMP-Pad-Konditionierungsanordnung entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 die Draufsicht und die Seitenansicht einer dritten CMP-Pad-Konditionierungsanordnung entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Während die Erfindung verschiedenen Abwandlungen und alternativen Formen unterworfen ist, sind nähere Einzelheiten dazu durch Beispiele in der Zeichnung gezeigt und werden im Detail beschrieben. Es sollte sich aber verstehen, dass die Absicht nicht ist, die Erfindung auf die speziellen, beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz, die Absicht ist es, alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen, die in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert, abzudecken.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Entsprechend einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf eine Anordnung zur Verwendung in einem CMP-Prozess gerichtet. Die Anordnung enthält Einsetzbarkeiten zum Aufnehmen, Verteilen und Ausgeben von Bearbeitungselementen, wie auch für die Konditionierung des CMP-Pads. Zusätzlich kann die Anordnung auch die Einsetzbarkeit der Rotation enthalten. Die Konditionierung des Pads kann zum Beispiel das Entfernen von Ablagerungen, Aufrauen des Pads oder andere Vorbereitungen für die Verwendung im CMP-Prozess enthalten. Die Anordnung enthält einen Einlass zur Aufnahme von Bearbeitungsgrundstoffen. Eine Verteilungsoberfläche ist mit der Einlassöffnung gekoppelt und ist konfiguriert und angeordnet, um die Bearbeitungsgrundstoffe zu verteilen. Eine Vielzahl von Auslassöffnungen ist an die Verteilungsoberfläche gekoppelt und ist konfiguriert und angeordnet, um die Bearbeitungsgrundstoffe auf das CMP-Pad auszugeben.
  • 1 zeigt die Draufsicht und die Seitenansicht einer CMP-Pad-Konditionierungsanordnung 100 zur Verwendung in einem CMP-Prozess entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Versorgung 130 ist konfiguriert und angeordnet, um Bearbeitungsgrundstoffe an den Pad-Konditionierer-Kopf 140 abzugeben. Der Pad-Konditionierungs-Kopf 140 enthält Löcher 110 zum Ausgeben von Bearbeitungsgrundstoffen auf die zu konditionierende Oberfläche. Die Bürsten 120 sind mit dem Pad-Konditionierungs-Kopf gekoppelt. Die Bürsten können zum Beispiel chemisch resistentes Material wie Plastik oder Teflon enthalten. Die Verwendung von chemisch resistenten Bürsten ist speziell bei Anwendungen, wo die Bearbeitungsgrundstoffe Chemikalien enthalten, die mit chemisch nicht-resistentem Bürstenmaterial reagieren, vorteilhaft.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Konditionierung eines CMP-Pads verschafft. Wieder auf 1 verweisend ist die Versorgung 130 mit dem Pad-Konditionierungs-Kopf 140 gekoppelt. Bearbeitungsgrundstoffe werden über die Versorgung 130 dem Pad-Konditionierungs-Kopf 140 zugeführt. Die Bearbeitungsgrundstoffe können zum Beispiel Chemikalien in einem pH-Bereich von hochgradig basisch bis hochgradig sauer oder Lösungsmittel wie deionisiertes (DI) Wasser enthalten. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden im Kopf 140 verteilt und durch Löcher 110 ausgegeben. Bürsten 120 sind an den Pad-Konditionierungs-Kopf 140 gekoppelt und werden mit einem CMP-Pad in Kontakt gebracht. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden auf das CMP-Pad verteilt und das CMP-Pad ist konditioniert. Die Konditionierung des CMP-Pad kann zum Beispiel auch eine Rotation des Pad-Konditionierungs-Kopfes enthalten, und zwar in einer Weise wie z.B. Rotieren um dessen Mittelpunkt.
  • 2 zeigt die Draufsicht und die Seitenansicht einer CMP-Pad-Konditionierungsanordnung 200 zur Verwendung in einem CMP-Prozess entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Versorgung 230 ist konfiguriert und angeordnet, um Bearbeitungsgrundstoffe an den Pad-Konditionierungs-Kopf 240 abzugeben. Der Pad-Konditionierungs-Kopf 240 enthält Löcher 210 zum Ausgeben von Bearbeitungsgrundstoffen auf die zu konditionierende Oberfläche. Die Gitter-Anordnung 220 ist an den Pad-Konditionierungs-Kopf 240 gekoppelt. Die Gitter-Anordnung 220 kann zum Beispiel Materialien wie Diamant oder mit Ni beschichteten CVD-Diamant enthalten.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Konditionierung des CMP-Pads verschafft. Wieder auf 2 verweisend ist die Versorgung 230 mit dem Pad-Konditionierungs-Kopf 240 gekoppelt. Bearbeitungsgrundstoffe werden über die Versorgung 230 dem Pad-Konditionierungs-Kopf 240 zugeführt. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden im Kopf 240 verteilt und durch Löcher 210 ausgegeben. Die Gitter-Anordnung 220 ist an den Pad-Konditionierungs-Kopf 240 gekoppelt und wird mit einem CMP-Pad in Kontakt gebracht. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden auf dem CMP-Pad verteilt und das CMP-Pad ist konditioniert. Die Konditionierung des CMP-Pad kann zum Beispiel auch eine Rotation des Pad-Konditionierungs-Kopfes 240 enthalten, und zwar in einer Weise wie z.B. Rotieren um dessen Mittelpunkt, wobei eine Motor/Achsen-Anordnung (nicht gezeigt), die an das Gehäuse für die Versorgung 230 (oder 130) gekoppelt ist, verwendet wird.
  • 3 zeigt die Draufsicht und die Seitenansicht einer CMP-Pad-Konditionierungsanordnung 300 zur Pad-Reinigung in einem CMP-Prozess entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Bearbeitungsgrundstoff-Versorgungen 350 und 360 sind konfiguriert und angeordnet, um die Grundstoffe an die Versorgung 330 abzugeben. Versorgung 330 ist konfiguriert und angeordnet, um Bearbeitungsgrundstoffe an den Pad-Konditionierungs-Kopf 340 abzugeben. Der Pad-Konditionierungs-Kopf 340 enthält Löcher 310 zum Ausgeben von Bearbeitungsgrundstoffen auf die zu konditionierende Oberfläche. Die Bürsten 320 sind mit dem Pad-Konditionierungs-Kopf gekoppelt.
  • Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Konditionierung des CMP-Pads verschafft. Wieder auf 3 verweisend sind die Bearbeitungsgrundstoff-Versorgungen 350 und 360 an die Versorgung 330 gekoppelt. Die Versorgung 330 ist mit dem Pad-Konditionierungs-Kopf 340 gekoppelt. Bearbeitungsgrundstoffe werden über die Versorgung 330 dem Pad-Konditionierungs-Kopf 340 zugeführt. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden im Kopf 340 verteilt und über Löcher 310 ausgegeben. Die Bürsten-Anordnung 320 ist an den Pad-Konditionierungs-Kopf 340 gekoppelt und wird mit einem CMP-Pad in Kontakt gebracht. Die Bearbeitungsgrundstoffe werden auf dem CMP-Pad verteilt und das CMP-Pad ist konditioniert. Die Konditionierung des CMP-Pad kann zum Beispiel auch eine Rotation des Pad-Konditionierungs-Kopfes 340 enthalten, und zwar in einer Weise wie z.B. Rotieren um dessen Mittelpunkt.
  • Die Bearbeitungsgrundstoff-Versorgungen 350 und 360 können benutzt werden, um mehrere verschiedene Grundstoffe zuzuführen. Zum Beispiel kann eine Versorgung zur Zuführung von Chemikalien benutzt werden und die andere zur Zuführung von DI-Wasser. In einer Ausführungsform wird die Pad-Konditionierungsanordnung 300 in Verbindung mit einem Metall-Polierprozess verwendet, in dem die chemische Versorgung eine chemische Substanz mit niedrigem pH-Wert enthält. In einer anderen Ausführungsform wird die Pad-Konditionierungsanordnung 300 in einem Oxid-Polierprozess verwendet, in dem die chemische Versorgung Chemikalien mit hohem pH-Wert enthält, so wie zum Beispiel eine Chemikalie mit einem pH-Wert von etwa 11,5.
  • Fachleute werden erkennen, dass die oben besprochenen Ausführungsformen durch Modifikation von kommerziell erhältlichem Equipment eingeführt werden können. Beispiele für solch Equipment sind MIRRA und 6DS SP, hergestellt von Applied Material beziehungsweise Strausbough.
  • Während die vorliegende Erfindung anhand mehrerer spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute feststellen, dass viele Änderungen hieran möglich sind. Zum Beispiel sind viele Merkmale der obigen Ausführungsformen in einer einzelnen Konditionierungsanordnung und/oder Konditionierungs-Prozess kombinierbar. Derartige Änderungen weichen nicht von dem Rahmen der vorliegenden Erfindung ab, die in den folgenden Ansprüchen dargelegt wird.

Claims (8)

  1. CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (100, 200, 300), mit – mindestens einen Einlassanschluss (130, 230, 330) zum Aufnehmen von Bearbeitungsgrundstoffen; – einer Verteilungsoberfläche (140, 240, 340), die an den Einlassanschluss (130, 230, 330) gekoppelt ist und zum Verteilen der Bearbeitungsgrundstoffe konfiguriert und angeordnet ist; und – einer Vielzahl von an die Verteilungsoberfläche (140, 240, 340) gekoppelten Auslassöffnungen (110, 210, 310), die konfiguriert und angeordnet sind, um die Bearbeitungsgrundstoffe auf ein CMP-Pad auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiterhin umfasst: – eine Bürsten-Anordnung (120, 320) oder eine Gitter-Anordnung (220), die darauf eingerichtet ist, das CMP-Pad zu kontaktieren, und – eine Rotationsvorrichtung, die konfiguriert ist, die Verteilungsoberfläche (140, 240, 340) in Rotation zu versetzen.
  2. CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (100, 200, 300) nach Anspruch 1, in der sich die Verteilungsoberfläche in einem Pad-Konditionierungs-Kopf (140, 240, 340) befindet, an den die Bürsten- oder Gitter-Anordnung (120, 220, 230) gekoppelt ist.
  3. CMP-Pad-Konditionierungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Pad-Konditionierungsanordnung (100, 200, 300) eine Auslassseite hat, an der sich die Auslassöffnungen (110, 210, 310) befinden, und – sich die Bürsten- oder Gitter-Anordnung (120, 220, 320) an der Auslassseite befindet, derart, dass die Auslassöffnungen (110, 210, 310) auf dieser Seite zwischen den Bürsten oder Gitterteilen (120, 220, 320) verteilt sind.
  4. CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (200) nach Anspruch 3, in der die Bürsten- oder Gitter-Anordnung eine Gitter-Anordnung (220) ist und Löcher enthält, die es ermöglichen, die Bearbeitungsgrundstoffe von den Auslassöffnungen (210) aus auf das CMP-Pad auszugeben.
  5. CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (100, 300) nach Anspruch 3, in der die Bürsten- oder Gitter-Anordnung eine Bürsten-Anordnung (120, 320) ist.
  6. CMP-Polier-Maschine, die die CMP-Pad-Konditionierungsanordnungen (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1–5 umfasst.
  7. Verfahren zur Konditionierung eines CMP-Pads, bei dem die CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1–5 verwendet wird, um die Bearbeitungsgrundstoffe auf das CMP-Pad zu bringen.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, bei dessen Herstellung eine Halbleiterscheibe mit chemisch-mechanischer Planarisierung (CMP) planarisiert wird, wobei das Polieren folgende Schritte umfasst: – Sicherung der Halbleiterscheibe auf einem Scheibenträger mit einem Polierpad, mit der aktiven Seite der Scheibe nach unten auf dem Polierpad; – Aufbringung von Slurry auf das Polierpad, wobei die Scheibe und auch das Polierpad rotieren und damit die Scheibe polieren und Material von der Scheibe entfernen, und zusätzlich dazu – das Polierpad konditionieren und damit das Pad reinigen und um Reaktionsnebenprodukte und anderes Material, das von der Scheibe entfernt wurde, zu entfernen, – wobei im CMP-Prozess die CMP-Pad-Konditionierungsanordnung (100, 200,300) nach einem der Ansprüche 1–5 verwendet werden.
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