DE60015513T2 - Verfahren und vorrichtung zum plattieren und polieren eines halbleiterbauelements - Google Patents
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Description
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plattieren und Polieren eines leitenden Materials auf ein Halbleitersubstrat. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um mittels Verwendung einer einzigen Vorrichtung zuerst das leitende Material auf das Halbleitersubstrat zu plattieren und dann zu polieren. Darüberhinaus richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum diskontinuierlichen Auftragen des leitenden Materials auf das Halbleitersubstrat sowie zum diskontinuierlichen Polieren des Substrats, wenn ein solches leitendes Material nicht auf das Substrat aufgebracht wird. Die Erfindung liefert auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plattieren/Aufbringen und/oder Polieren eines leitenden Materials auf eine Substratfläche mittels einer neuartigen Pad-Anordnung
- Hintergrund der Erfindung
- Ein herkömmlicher Verfahrensschritt bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und Vorrichtungen beinhaltet das Plattieren einer Metallschicht auf eine Halbleiterwaferoberfläche mittels einer Plattiervorrichtung. Normalerweise wurde die Waferoberfläche zuvor geätzt und enthält viele Löcher und/oder Rillen. Ein Ziel beim Waferplattieren besteht darin, die Löcher und Rillen gleichmäßig mit einem leitenden Material zufüllen. Es ist jedoch sehr schwierig, die Löcher und Rillen gleichmäßig zu füllen, so dass keine Hohlräume entstehen. Es ist wohlbekannt, dass bestehende Hohlräume eine schlechte Leistung und fehlerhafte Bauteile hervorbringen. Nach einem solchen Plattierschritt wird normalerweise ein Polierschritt mittels einer Poliervorrichtung ausgeführt, um eine generell flache Waferoberfläche zu erhalten.
- Eine Plattier- und Poliervorrichtung zum wiederholten Ausführen von Plattieren und Polieren in aufeinander folgenden Verfahrensschritten ist in der
EP 0903774 offenbart. - Das Plattieren der Waferoberfläche mit dem leitenden Material über einer Grundmetallschicht findet bedeutsame und breite Anwendung in der Halbleiterindustrie. Herkömmlicherweise werden Aluminium und andere Metalle als eine von vielen Metallschichten, die einen Halbleiterchip bilden, plattiert. In letzter Zeit jedoch besteht ein großes Interesse an Kupferablagerung für Zusammenschaltungen auf Halbleiterchips, da Kupfer im Vergleich zu Aluminium den elektrischen Widerstand reduziert und die Halbleiterchips schneller laufen und weniger Wärme erzeugen, wodurch die Chip-Kapazität und Effektivität bedeutend wachsen. Weiterhin ist Kupfer ein besserer Leiter als Aluminium.
- Dünnfilm-Plattieren von Kupfer in Löcher und Rillen im Submikrometerbereich wird zunehmend schwieriger bei der ULSI Chip-Bearbeitung, insbesondere wenn die Objektgröße unterhalb 0,25μm liegt und das Längenverhältnis größer als 5 zu 1 ist. Herkömmliches CVD wird verwendet, um diese in Siliconsubstrate geätzte Löcher und Rillen zu füllen. Leider hat dieses Verfahren bis jetzt hohe Kosten für die Entwicklung und Integration von Zusammenschaltungen für die ULSI-Technik erzeugt.
- Dementsprechend ist eine genauere, kosteneffektive und zuverlässige Weise zum Aufbringen eines leitenden Materials auf das Halbleitersubstrat erforderlich.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer ein leitendes Material auf eine Halbleiter-Werkstückoberfläche plattiert/aufgebracht wird und dann diese Werkstückoberfläche poliert wird.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer ein leitendes Material auf eine Werkstückoberfläche plattiert/aufgebracht wird mittels Pinselgalvanisieren oder elektrochemisch-mechanischer Ablagerung, und diese Werkstückoberfläche mittels Elektropolieren oder chemisch-mechanischem Polieren poliert wird.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit mehreren Kammern in einer einzelnen Vorrichtung zum Plattieren/Aufbringen des leitenden Materials und Polieren der Werkstückoberfläche.
- Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die neuartige Pad-Anordnungen haben, um sowohl das leitende Material zu plattieren/aufzubringen als auch die Werkstückoberfläche zu polieren.
- Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein leitendes Material auf eine Werkstückoberfläche plattieren/aufbringen ohne dass ein Pad oder ein anderes festes Objekt in direkten Kontakt mit der Werkstückoberfläche kommt.
- Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden erzielt durch Bereitstellen von separaten Plattier- und Polierschritten in direkter Nähe zueinander in einer einzigen Vorrichtung. Eine erste Kammer kann verwendet werden, um das leitende Material von einer Elektrolytlösung auf die Werkstückoberfläche zu plattieren/aufzubringen. Dies wird erzielt durch Bereitstellen eines Pads, das an einer zylindrischen Anode angeordnet ist und Aufbringen des leitenden Materials auf die Werkstückoberfläche mittels der auf dem Pad aufgebrachten Elektrolytlösung oder durch das Pad.
- Eine Vorrichtung, die ein solches Plattieren ausführt, beinhaltet eine Anode und eine Kathode, ein Werkstück, oder ein Werkstück, das von der Anode beabstandet ist. Ein an der zylindrischen Anode angeordnetes Pad dreht sich um eine erste Achse und das Werkstück dreht sich um eine zweite Achse, und Metall von der Elektrolytlösung wird auf das Werkstück aufgebracht, wenn eine Potentialdifferenz zwischen dem Werkstück und der Anode angelegt wird.
- Alternativ kann die Plattierkammer eine Anodenelektrode aufweisen, die von der Kathode oder dem Werkstück beabstandet ist. Durch Anlegen eines Stroms an die Anodenelektrode und Kathode wird die Elektrolytlösung, die in der Plattierkammer angeordnet ist, verwendet, um das leitende Material auf die Werkstückoberfläche aufzubringen.
- In einer Polierkammer ist auch ein Pad an einer weiteren zylindrischen Anode oder einer zylindrischen Walze zum Polieren der Werkstückoberfläche befestigt. Polieren kann entweder mittels einem Elektropolierverfahren oder chemisch-mechanischem Polierverfahren ausgeführt werden. Polieren der Werkstückoberfläche verhindert vorzugsweise Ansammlung des leitenden Materials in bestimmten Bereichen des Werkstücks, während eine im allgemeinen planare Oberfläche geschaffen wird.
- Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin neue Anodenanordnungen mit einzelnen Anoden-Pad-Anordnungen, die verwendet werden können, um die Werkstückoberfläche zu plattieren und/oder polieren.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden deutlicher und besser gewürdigt in der folgenden detaillierten Beschreibung der momentan bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
-
1 zeigt einen kennzeichnenden Durchgang, der mit einem Leiter gemäß der Erfindung zu füllen ist; -
2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
3 zeigt einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
5 zeigt eine Seiten-Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten neuartigen Anodenanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
7 zeigt einen Querschnitt einer ersten neuartigen Anodenanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten neuartigen Anodenanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
9 zeigt einen Querschnitt einer zweiten neuartigen Anodenanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
10 zeigt einen Querschnitt einer „kontaktlosen Plattier“-Vorrichtung und -Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
11 zeigt einen Querschnitt eines Substrats mit verschiedenen Schichten und darauf angeordneten Körnern; und -
12A –12B zeigen Querschnitte eines Verfahrens zum vorteilhaften Beeinflussen der Textur eines leitenden Materials gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. - Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf
1 –12 beschrieben. Wie zuvor erwähnt wurde, werden beim herkömmlichen Bearbeiten unterschiedliche Geräte zu unterschiedlichen Zeiten verwendet, um ein leitendes Material in Löchern und Rillen oder an anderen gewünschten Stellen auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers, der viele unterschiedliche Halbleiterchips enthält, zu bringen. Dementsprechend können die Kosten für die Geräte zum Herstellen einer hochqualitativen integrierte Halbleiter-Schaltung unerschwinglich sein. - Die vorliegende Erfindung zieht unterschiedliche Ausführungsformen in Betracht, die es ermöglichen, dass dieselbe Vorrichtung zum Plattieren/Aufbringen eines leitenden Materials auf die Oberfläche und in den Kontakt, Durchgangslöcher und Rillen, sowie zum Polieren der Waferoberfläche verwendet werden kann. Während die vorliegende Erfindung mit jeglichem leitenden Material verwendet werden kann, ist sie besonders zur Verwendung mit Kupfer als Leiter geeignet sowie zur Verwendung bei der Herstellung von ULSI-Integrierten Schaltungen mit Strukturen im Submikrometerbereich mit großen Längenverhältnissen.
- Obwohl ein Halbleiterwafer verwendet wird, um die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, können weiterhin erfindungsgemäß andere Halbleiter-Werkstücke, wie flache Bauteile oder Magnetfilmköpfe verwendet werden.
-
1 zeigt einen Ausschnitt eines Wafers2 , in dem ein Durchgang gebildet werden soll. Die Durchkontaktierung ist ein leitendes Material, das unterschiedliche Schaltungsschichten elektrisch koppelt, was bei Halbleitern bekannt ist. Wie in1 gezeigt ist, enthält die Durchkontaktierung einen Leiter8 , der eine untere leitende Schicht4 mit einer oberen leitenden Schicht6 verbinden kann, wobei ein Isoliermaterial10 um diese angeordnet ist. Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung bei einer beliebigen Metallschicht eines mehrschichtigen Integrierten Schaltungschips verwendet werden kann. -
2 zeigt eine perspektivische Ansicht und3 zeigt einen Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Bezug zurück auf2 –3 wird ein leitendes Material, vorzugsweise Kupfer, in Durchgangslöcher, Rillen und/oder andere gewünschte Bereiche eines Wafers mittels einer Elektrolytlösung11 von einer ersten Kammer100 aufgebracht, während in einer zweiten Kammer20 der Aufbau des leitenden Materials auf nicht erwünschten Bereichen verhindert oder zumindest minimiert wird aufgrund von Elektropolieren oder chemisch-mechanischem Polieren, das auf der Oberfläche des Wafers ausgeführt wird, jedoch nicht in dem Kontakt, Durchgangslöchern und Rillen. Die erste Kammer100 ist von der zweiten Kammer200 über eine mittlere Abtrennung60 getrennt. - Die erste und zweite Kammer
100 ,200 beinhalten jeweils eine Anodenanordnung12 ,14 mit einem kreisförmigen oder quadratischen mechanischen Pad16 ,18 , das an einer zylindrischen Anode20 ,22 angeordnet ist, die sich um eine erste Achse24 dreht und eine Waferkopfanordnung26 mit einem Wafer2 , der sich um eine zweite Achse28 dreht. Die gesamte Waferkopfanordnung26 ist weiterhin so ausgebildet, dass sie sich von einer Seite zur anderen in Richtung des Pfeils30 bewegt, so dass der Mittelbereich des Wafers2 plattiert und poliert werden kann. Die zylindrischen Anoden20 ,22 sind mit Wellen32 ,34 zur Rotation um eine Achse24 verbunden. Wie gezeigt ist, dreht sich der Wafer2 in einem Bereich, der von den mechanischen Pads16 ,18 bedeckt ist, was im folgenden detaillierter beschrieben ist, wobei der Bereich in den Kammern100 ,200 liegt, welche die Elektrolytlösung11 enthalten. Obwohl hier der Betrieb bei einem einzigen Wafer gezeigt ist, ist es klar, dass eine Vielzahl von Waferkopfanordnungen26 mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnte. - In Bezug auf
3 kann die Waferkopfanordnung26 ein nicht leitendes, vorzugsweise kreisförmiges Futter36 mit einem Hohlraum beinhalten, der vorzugsweise ein paar Millimeter tief ist an seinem Mittelpunkt und ein ruhendes Pad (nicht gezeigt) enthalten kann. Der Wafer2 wird mit der Rückseite voraus in den Hohlraum geladen entgegen dem Ruhe-Pad mittels einer herkömmlichen Art von Transport- oder Vakuummechanismus, um sicherzustellen, dass der Wafer2 in Bezug auf die Waferkopfanordnung26 während des Gebrauchs stationär ist. Ein nicht leitender Haltering40 , beispielsweise ein O-Ring oder eine andere Art von Gummidichtung am Umfang der Waferkopfanordnung26 und eine die Kathode berührende Elektrode38 drücken jeweils gegen den Rand des Wafers2 und halten den Wafer2 an Ort und Stelle. Die gesamte Rückseite des Wafers2 , die gegen das Futter36 drückt, das unter dem Haltering40 ist, wird somit vor jeglichen Lösungen, einschließlich der Elektrolytlösung geschützt. Andere herkömmliche Waferkopfanordnungen können gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. - Anstelle der Verwendung der beschriebenen Kathodenkontakte
38 kann das elektrische Potential an den Wafer mittels eines Ringleiters angelegt werden. Weiterhin können andere Verfahren zum Anlegen des elektrischen Potentials an den Wafer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein Flüssigleiter oder ein aufblasbares Rohr, das mit einem leitenden Material überzogen ist, können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. - Erfindungsgemäß kann die erste Kammer
100 zum Plattieren und die zweite Kammer200 zum Polieren verwendet werden. Die zwei Kammern100 ,200 können austauschbar verwendet werden, wobei die erste Kammer100 zum Polieren und die zweite Kammer200 zum Plattieren verwendet werden kann. Wie oben beschrieben wurde, beinhaltet die erste Kammer100 die erste Anodenanordnung12 zum Plattieren und die zweite Kammer200 beinhaltet die zweite Anodenanordnung14 zum Elektropolieren. Elektrische Potentiale werden an die Anode20 , die Anode22 und den Wafer2 angelegt. Bei der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges bekanntes Verfahren zum Bereitstellen der elektrischen Potentiale an die zwei zylindrischen Anoden verwendet werden. In bekannter Weise bestimmt der Unterschied im Betrag des elektrischen Potentials, das an jede der zwei zylindrischen Anoden20 ,22 angelegt wird, welche Anodenanordnung zum Plattieren und welche zum Elektropolieren verwendet wird. - Eine Elektrolytlösung
11 strömt von unteren Öffnungen50 der zwei Kammern100 ,200 bis die Lösung11 in Kontakt mit den Pads16 ,18 kommt. Die Elektrolytlösung11 zirkuliert weiterhin über Seitenöffnungen52 zu dem Kanal54 zu den unteren Öffnungen50 . Die Elektrolytlösung11 kann ursprünglich in die erste und zweite Kammer100 ,200 über ein Reservoir (nicht gezeigt) durch einen Einlasskanal (nicht gezeigt) zugeführt werden. - In der ersten Kammer
100 ermöglicht eine erste elektrische Potentialdifferenz zwischen der zylindrischen Anode20 und dem Kathodenwafer2 , dass das Metall in der Elektrolytlösung11 auf die Waferoberfläche über ein Pad16 plattiert wird. In der zweiten Kammer200 wird der Wafer durch eine zweite elektrischen Potentialdifferenz zwischen der zylindrischen Anode22 und dem Kathodenwafer2 poliert. - Der Plattiervorgang der vorliegenden Erfindung kann ausgeführt werden mittels eines Pinselgalvanisierverfahrens oder eines „elektrochemisch-mechanischen Ablagerungs-Verfahrens“.
- Der Poliervorgang der vorliegenden Erfindung kann mittels Elektropolieren oder durch chemisch-mechanisches Polieren erfolgen, was im folgenden detaillierter beschrieben wird. Bei Betrieb ist ersichtlich, dass das walzenförmige mechanische Pad
18 den Wafer in ähnlicher Weise poliert wie ein Walzenschleifer Farbe von einer Wand entfernt. - In der Polierkammer
200 kann das mechanische Pad18 eine Größe haben, die einen Abschnitt des Wafers2 zu jedem beliebigen Zeitpunkt poliert. Eine oder mehr Antriebsanordnungen (nicht gezeigt) sind ebenfalls vorgesehen, die die zylindrischen Anoden20 ,22 drehen und dadurch die mechanischen Pads16 ,18 , so dass sie in Kontakt mit dem Abschnitt des Wafers2 sind, der plattiert und poliert werden muss. Die mechanischen Pads16 ,18 sind vorzugsweise aus einem nicht leitenden, porösen Material wie Polyurethan gefertigt. Die mechanischen Pads16 ,18 haben auch vorzugsweise eine kreisförmige Form, können jedoch jegliche andere Form haben, so lange sie den Wafer effektiv plattieren und/oder polieren können. -
4 zeigt eine perspektivische Ansicht und5 einen Querschnitt einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite bevorzugte Ausführungsform weist ebenfalls eine erste Kammer300 zum Plattieren und eine zweite Kammer400 zum Polieren des Wafers2 auf. Die erste Kammer300 ist von der zweiten Kammer400 durch eine mittlere Abtrennung/Wand460 getrennt. - In Bezug nun auf
5 beinhaltet die erste Kammer300 eine Anodenplatte306 unten in der Kammer300 . Jegliches bekannte Verfahren zum Befestigen der Anodenplatte306 oder Form am Boden der Kammer300 kann verwendet werden. Die Elektrolytlösung11 wird über Ablaufkanäle302 zu der unteren Öffnung304 oder durch die Anodenplatte306 zirkuliert. - Die zweite Kammer
400 beinhaltet ein mechanisches Pad402 , das an einer zylindrischen Walze404 befestigt ist, um den Wafer2 chemisch-mechanisch zu polieren (CMP). Die Walze wird mittels einer Welle406 um die Achse408 gedreht. CMP ist ein Materialebnungsverfahren, welches das chemische Entfernen von Halbleiterschichten, so wie Isolatoren oder Metall, mit mechanischem Puffern auf der Substratoberfläche kombiniert. CMP kann ein globales Ebnen der Waferoberfläche ermöglichen. Z.B. während des Wafer-Herstellungsprozesses wird CMP oft verwendet, um die Profile zu polieren, die sich bei mehrschichtigen Metall-Verbindungsschemen bilden. - Bei Betrieb gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung legt die Vorrichtung mittels einer Energiequelle ein negatives Potential an den Kathodenkontakt
38 und ein positives Potential an die Anodenelektrode/Abschirmung306 an. Wenn ein elektrischer Strom zwischen den zwei Elektroden hergestellt ist, wird das Metall in dem Elektrolyt auf die Oberfläche des Wafers2 aufgebracht. - Nach diesem Aufbringen erfolgt ebenfalls mechanisch-chemisches Polieren des Wafers
2 mittels der mechanischen Pad-Anordnung412 . Ein Poliermittel oder Emulsion kann auf das Polierpad402 über einen Emulsionskanal410 aufgebracht werden, um den Wafer2 zu polieren. Eine Mittelwand420 , die die zweite Kammer400 von der ersten Kammer300 trennt, sollte ausreichend hoch sein, so dass die Emulsion nicht in die erste Kammer300 dringt. Andere herkömmliche Verfahren zum Verhindern, dass Emulsion in die Plattierkammer300 gelangt, können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Aufgrund der Polier- oder Reibwirkung des mechanischen Pads402 verhindert die mechanische Pad-Anordnung412 im Wesentlichen, dass Metalle permanent auf die Oberflächen des Wafers2 aufgebracht werden, wo dies unerwünscht ist. Dementsprechend wird Metall, z.B. Kupfer, in Durchgänge, Rillen und dergleichen, wo dies erwünscht ist, aufgebracht und es wird im Wesentlichen verhindert, dass es in unerwünschte Bereiche, wie die Oberfläche oder Feldbereich des Wafers, aufgebracht wird. - Die Waferkopfanordnung
26 weist in Richtung der mechanischen Padanordnung412 und wird mit geregelter Kraft nach unten gedrückt. Die Waferkopfanordnung26 ist ähnlich zu der in Bezug auf2 und3 beschriebenen und dreht sich um die Achse28 mittels einer herkömmlichen motorisierten Spindel (nicht gezeigt). Die Waferkopfanordnung26 ist ebenfalls so ausgebildet, dass sie sich von einer Seite zur anderen in Richtung des Pfeils30 bewegt, so dass der mittlere Bereich des Wafers2 plattiert und poliert werden kann. - Die vorliegende Erfindung kann den Bedarf an Impuls-erzeugenden Stromversorgungen reduzieren, da das mechanische Pulsieren, erzeugt durch die Bewegung des Pads, ausreichend Pulsieren erzeugt. Dieses mechanische Pulsieren entsteht als Folge dadurch, dass der Wafer in Kontakt mit dem Pad ist, wenn sich dieses in Bezug auf den Wafer bewegt. Der Nutzen des mechanischen Pulsierens besteht darin, dass es die Korngröße und Kupferfilmintegrität verbessert, ohne dass Stromversorgungen mit Pulsierfähigkeit bereitgestellt werden müssen.
- Es wird darauf hingewiesen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung das Auswechseln der Plattierverfahren und Polierverfahren der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung untereinander in Betracht zieht. Zum Beispiel kann das CMP-Verfahren der zweiten bevorzugten Ausführungsform mit dem Elektropolierverfahren der ersten bevorzugten Ausführungsform ausgewechselt werden. Entsprechend kann das Plattierverfahren der ersten Ausführungsform mit dem Plattierverfahren der zweiten Ausführungsform ausgewechselt werden.
- Obwohl nur zwei Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, kann die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen Anzahl von Behältern mittels verschiedener Plattier- und Polierverfahren verwendet werden, um die Aufgaben der Erfindung zu lösen. Es können z.B. drei Kammern bei der Erfindung verwendet werden, wobei die mittlere Kammer zum Polieren verwendet werden kann, während die linke und rechte Kammer zum Plattieren/Aufbringen verwendet werden können.
- Die in
6 –9 gezeigte Erfindung beschreibt weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum diskontinuierlichen Aufbringen von leitendem Material auf das Halbleitersubstrat und ebenso diskontinuierlichem Polieren des Substrats, wenn ein solches leitendes Material nicht auf das Substrat aufgebracht wird. Beim diskontinuierlichen Aufbringen des leitenden Materials wird bei der vorliegenden Erfindung ein elektrischer Strom mit einer Potentialdifferenz zwischen dem Werkstück und der Anode angelegt, so dass das leitende Material auf das Werkstück aufgebracht werden kann, wenn ein solcher Strom angelegt ist. Weiterhin können Gegenstromimpulse zwischen den Werkstücken angelegt werden. -
6 zeigt eine perspektivische Ansicht und7 einen Querschnitt einer ersten Anodenanordnung gemäß der Erfindung. Die Anodenanordnung500 beinhaltet eine einzige Anodenpad-Anordnung zum Plattieren als auch Polieren des Werkstücks802 . Mehrere Streifen eines Pads502 sind an einer zylindrische Anode504 befestigt, geklebt oder maschinell bearbeitet, so dass das Pad502 von der Außenfläche der Anode504 vorsteht. Ein elektrischer Strom wird an die zylindrische Anode504 und das Kathoden-Werkstück802 angelegt. Wenn sich die zylindrische Anode504 um eine erste Achse510 dreht und das Werkstück802 sich um eine zweite Achse512 dreht, wird das Werkstück802 plattiert, wenn die Anode504 dem Werkstück (Kathode)802 zugewandt ist und kein Pad dazwischen ist, und wird poliert, wenn das Pad502 in mechanischem Kontakt mit dem Werkstück802 ist. Das Werkstück802 ist weiterhin so ausgebildet, dass es sich, falls erforderlich, von einer Seite zur anderen über die Werkstückkopfanordnung (nicht gezeigt) bewegt, was durch Pfeil520 angedeutet ist. Dieses einmalige Plattieren und Polieren ergibt sich aus der Anodenanordnung500 aufgrund der mechanischen Poliereffekte, die durch das Bürsten des Pads502 gegen die Werkstückoberfläche bewirkt werden, und dem Plattieren von Metall von der Anode, dem Elektrolyt und der Werkstückkonfiguration. -
8 zeigt eine perspektivische Ansicht und9 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Anodenanordnung gemäß der Erfindung. Die Anodenanordnung600 beinhaltet auch eine einzige Anoden-Pad-Anordnung sowohl zum Plattieren als auch Polieren des Werkstücks802 . Die Anodenanordnung600 hat die Form eines Donuts oder eine kreisförmige Form mit einem Loch606 in der Mitte. Mehrere Streifen des Pads602 sind an der Anode604 angebracht, so dass das Pad602 von der Oberfläche der Anode604 vorsteht. Wenn ein elektrischer Strom an die Anode604 und das Kathodenwerkstück802 angelegt wird, und wenn sich die Anode604 um eine erste Achse610 dreht und das Werkstück802 sich um eine zweite Achse612 dreht, wird das Werkstück802 plattiert, wenn die Anode604 dem Werkstück802 zugewandt ist und kein Pad dazwischen vorgesehen ist, und wird poliert, wenn das Pad602 in mechanischem Kontakt mit dem Werkstück802 ist. Wie oben beschrieben ist, ergibt sich ein solches einmaliges Plattieren und Polieren aus der Anodenanordnung600 , aufgrund der mechanischen Poliereffekte, die durch das Bürsten des Pads602 an der Werkstückoberfläche resultieren. Der Durchmesser oder die Größe der Anodenanordnung600 kann auch kleiner sein als der Durchmesser oder Größe des Werkstücks802 . - Während des Betriebs der Anodenanordnungen in
6 –9 kann der Elektrolyt oder eine andere Lösung in die mechanischen Pads502 ,602 aus einem Reservoir (nicht gezeigt) eingeführt werden, welches in der Nähe der Anoden504 ,604 angeordnet ist. Bei einer spezifischen Ausführungsform können die Anoden504 ,604 einen Einlasskanal haben, welcher Durchgänge in dem Mittelpunkt der Anoden504 ,604 beinhaltet und Löcher, die in der Anode504 ,604 vorgesehen sind, welche zusammen einen Pfad bilden, um die Lösung dem Spalt zwischen Anode und Kathode zuzuführen. Alternativ dazu kann die Elektrolytlösung direkt auf die Anodenanordnungen500 ,600 durch einen anderen Kanal gemäß den oben beschriebenen Verfahren aufgebracht werden. - Außerdem kann die Elektrolytlösung, wie in
7 gezeigt ist, in einer nicht leitenden Kammer530 enthalten sein, die um das Werkstück herum angeordnet ist. O-Ringe und andere herkömmliche Strukturen, wie oben beschrieben, können verwendet werden, um die Lösung in der Kammer530 bei dieser Ausführungsform zu halten. - Erfindungsgemäß ist bei jeder der Ausführungsformen, da ein mechanischer Prozess verwendet wird, um unerwünschte Ablagerung eines Leiters in nicht erwünschten Bereichen einer Waferoberfläche zu verhindern, der Bedarf an Egalisiermitteln reduziert oder in kleinerer Menge als herkömmlich erforderlich.
- Bei einer weiteren Ausführungsform können die neuartigen in
6 –9 gezeigten Anodenanordnungen verwendet werden, um zuerst das leitende Material auf die Werkstückoberfläche zu plattieren/aufzubringen, ohne diese Oberfläche zu polieren. Dies erfolgt, wenn das Pad oder ein anderer fester Punkt nur in Nähe der Werkstückoberfläche verwendet wird, um den Elektrolytmassetransfer zu verbessern. -
10 zeigt beispielsweise einen Querschnitt einer „kontaktlosen Plattier“-Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.10 zeigt eine nicht leitende Kammer700 mit darin enthaltener Elektrolytlösung11 . Die Kammer700 beinhaltet die Anodenanordnung500 mit mehreren Streifen des Pads502 oder montierten festen oder maschinell bearbeiteten Objekten auf der zylindrischen Anode504 . Während des Betriebs, wenn die Padstreifen502 um die Achse510 rotieren und von dem Werkstück802 beabstandet sind (die Padstreifen502 sind nicht in direktem Kontakt mit dem Werkstück802 ), wird das Werkstück802 mittels der Elektrolytlösung11 plattiert. Die Anode510 und Padstreifen502 sollten vorzugsweise mit einer solchen Geschwindigkeit rotieren, dass die Elektrolytlösung11 kontinuierlich ist und auf das Werkstück802 aufgebracht/gespritzt wird und somit einen geschlossenen elektrischen Kreis durch die Anodenanordnung500 , den Elektrolyt und das Werkstück (Kathode)802 bilden. Wenn ein Spalt800 ca. 0–5mm beträgt und eine Mensikus-Lösung eines Elektrolyts enthält, ergibt dies einen sehr hohen Massetransport, wodurch qualitativ hochwertige Metallfilme auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Darüberhinaus kann der Spalt800 größer als 5mm sein je nach Art, Form und Struktur des Pads oder des festen Objekts, das an der zylindrischen Anode504 befestigt ist. - Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen ist die Härte des Pads oder Befestigung mit der relativen Bewegungsgeschwindigkeit des Pads zum Werkstück gekoppelt. Vorzugsweise sollte das Pad porös und hart sein, um eine optimale Leistung zu erzielen.
- Die vorliegende Erfindung kann den Bedarf an Impuls-erzeugenden Stromversorgungen reduzieren, da das mechanische Pulsieren, das durch die Bewegung des Pads relativ zu der Fläche des Werkstücks erzeugt wird, ausreichendes Pulsieren erzeugt. Dieses mechanische Pulsieren wird als Folge davon erzeugt, dass der Wafer in der Nähe des Pads ist, wenn sich dieses in Bezug auf das Werkstück bewegt. Der Nutzen des mechanischen Pulsierens besteht darin, dass es die Korngröße, den Füllungsgrad der Kontaktlöcher, Durchgänge und Rillen und die Kupferfilmintegrität verbessert, ohne dass Stromversorgungen mit Pulsiervermögen erforderlich wären.
-
11 und12A –12B werden nun hinzugezogen, um eine verbesserte Ausführungsform der Erfindung zu beschreiben. Es wurde festgestellt, dass die vorliegende Erfindung auch die Textur eines leitenden Materials, das durch einen Plattiervorgang aufgebracht wurde, vorteilhaft beeinflussen kann.11 zeigt ein herkömmliches Substrat900 , auf dem eine Sperrschicht902 und eine epitaktische Grundschicht904 aufgebracht wurden. Wie gezeigt ist, besteht die Grundschicht904 aus einzelnen Körnern906 , die in vorbestimmter Weise ausgerichtet sind, wie z.B. einer <111> Kristallrichtung. Nach einem herkömmlichen Plattiervorgang werden die Atome, die die leitende Plattierschicht908 bilden, die aufgebracht wird, mit der Zeit klumpen und Körner910 bilden, welche die ursprüngliche Kristallausrichtung der darunter liegenden Grundschicht904 beibehalten. Wenn die Grundschicht904 eine <111> Kristallausrichtung hat, wird diese dementsprechend die leitende Plattierschicht908 auch haben. - Im Gegensatz dazu hat sich bei der Erfindung herausgestellt, dass durch Plattieren und Polieren wie oben beschrieben das Polieren die Kristallausrichtung der aufgebrachten leitenden Plattierschicht ändert, so dass diese willkürlicher wird. Wie in
12A gezeigt ist, poliert der Polierer, z.B. das Pad402 wie zuvor beschrieben, bei Aufbringen einer ersten Schicht958A von Atomen in die Plattierschicht958 , die erste Ebene von Atomen und bewirkt freie Bindungen bei den Atomen in der ersten Schicht. Somit bildet sich wie in12B gezeigt, die nächste Schicht von Atomen, die darüber aufgebracht wird, nicht in derselben Weise wie die erste Schicht. Es wurde festgestellt, das der Poliervorgang bewirkt, dass sich Atome so anordnen, dass mit der Zeit die Körner, die sich auf natürliche Weise bilden wenn die Atome klumpen, eine andere Textur haben, als sie anderenfalls hätten. Diese Textur zeigt sich typischerweise als willkürlicher. Dies ist in12B mit den entstandenen Körnern960 gezeigt. Somit hat die Plattierschicht958 nicht dieselbe Kristallrichtung wie die Grundschicht. - Wenn der Vorgang wiederholt wird und Plattieren fortgesetzt wird, und die aufgebrachten Körner poliert werden, führt dies zu einer Plattierschicht
968 mit einer größeren Unregelmäßigkeit in der Kornschicht und dementsprechend zu einer Plattierschicht mit einheitlicheren Eigenschaften. - Es hat sich gezeigt, dass die ersten paar Schichten von Atomen, die über die Grundschicht
904 aufgetragen wurden, poliert werden können, was das resultierende Kornmuster effektiv ändert. Die während des Plattiervorgangs aufgebrachten Atome können auch weiterhin poliert werden, wodurch diese Wirkung weiter verstärkt wird. - Obwohl nur die obigen Ausführungsformen oben im Detail beschrieben wurden, ist es dem Fachmann klar, dass viele Modifikationen der beispielhaften Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert sind, möglich sind.
Claims (23)
- Verfahren zum Plattieren und Polieren einer Oberfläche eines Halbleiter-Werkstücks, wobei das Verfahren die folgenden Schritten aufweist: Plattieren eines leitfähigen Materials auf die Oberfläche des Werkstücks mittels einer Elektrolytlösung, die auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht wird, wobei das Werkstück durch eine Kopfanordnung, die in der Nähe einer Anode angeordnet ist, gehalten wird; und Polieren der Oberfläche des Werkstücks zumindest während bestimmter Zeiten, während derer nicht plattiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenabschnitt des Werkstücks wiederholt plattiert wird, während gleichzeitig ein anderer Oberflächenabschnitt des Halbleiter-Werkstücks wiederholt poliert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Plattierschritt in einer ersten Kammer und der Polierschritt in einer zweiten Kammer ausgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer durch eine Abtrennung getrennt sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattierschritt mittels Pinselgalvanisierung oder elektrochemisch-mechanischer Ablagerung ausgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Polierschritt mittels einer Vorrichtung zum elektrolytischen Polieren oder einer Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren ausgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plattierschritt vor dem Polierschritt ausgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt des Erzeugens einer relativen Bewegung zwischen dem Halbleiter-Werkstück und der Anode aufweist, wobei die relative Bewegung bereitstellt, dass ein Oberflächenabschnitt des Halbleiter-Werkstücks wiederholt poliert wird, während gleichzeitig ein anderer Oberflächenabschnitt des Halbleiters wiederholt plattiert wird.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, das weiterhin den Schritt aufweist, dass ein Pad-Streifen oder ein fester Punkt von einer Außenfläche der Anode vorsteht.
- Verfahren nach Anspruch 8, das umfasst: das Polieren eines Oberflächenabschnitts des Halbleiter-Werkstücks an einem Pad-Streifenbereich der Anode, wogegen ein anderer Oberflächenabschnitt des Halbleiters an einem offenen Bereich der Anode plattiert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Plattierschritt an einem offenen Bereich zwischen der Oberfläche des Halbleiterwerkstücks und der Anode stattfindet.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Polierschritt zwischen dem Pad-Streifen oder dem festen Punkt der Anode und dem Halbleiter-Werkstück stattfindet.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Anode scheibenförmig ist.
- Verfahren nach Anspruch 12, welches den Schritt des Rotierens der Anode um eine erste Achse aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 12, welches den Schritt des Rotierens des Halbleiter-Werkstücks um eine zweite Achse aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 8, welches das Fließen des Elektrolyts auf den Pad-Streifen oder den festen Punkt aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches das Einbringen des Elektrolyts auf den Pad-Streifen aufweist.
- Anordnung zum Plattieren und Polieren eines Halbleiter-Werkstücks, wobei die Anordnung aufweist: eine Anode (
504 ,604 ) mit einer Außenfläche; und eine Mehrzahl von Pad-Streifen oder festen Punkten (502 ,602 ), die an der Anode so befestigt sind, dass die Mehrzahl der Pad-Streifen (502 ,602 ) von der Außenfläche der Anode (504 ,604 ) vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode so ausgebildet ist, dass sie plattiert, wenn die Pad-Streifen oder festen Punkte in der Nähe des Werkstücks sind, und poliert, wenn die Pad-Streifen oder festen Punkte das Werkstück berühren. - Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Anode dazu ausgebildet ist, um eine erste Achse zu rotieren.
- Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Anode zylindrisch ist und so ausgebildet ist, dass sie plattiert, wenn die Pad-Streifen nicht in Kontakt mit dem Werkstück sind, und poliert, wenn die Pad-Streifen in Kontakt mit dem Werkstück sind.
- Anordnung nach den Ansprüchen 17 bis 19, wobei die Anode eine scheibenförmige Anode ist, die eine Außenfläche hat, wobei die Anode dazu ausgebildet ist, um eine erste Achse zu rotieren.
- Anordnung nach Anspruch 20, wobei das Werkstück dazu ausgebildet ist, um eine zweite Achse zu rotieren.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Anode einen größeren Durchmesser als das Werkstück hat.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Anode einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser beinhaltet und jeder Pad-Streifen oder fester Punkt zwischen den Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Anode befestigt ist.
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