DE60029437T2 - Verfahren zum reinigen eines chemisch-mechanischen polierkissens - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft chemisch-mechanische Polier-(CMP-) Techniken und das damit zusammenhängende Reinigen der Wafer und insbesondere verbesserte CMP-Vorgänge.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gibt es einen Bedarf an der Durchführung von chemisch-mechanischen Polier- (CMP-) Vorgängen und der Reinigung der Wafer. Typischerweise haben Bauelemente mit integrierten Schaltkreisen die Form von Strukturen mit mehreren Ebenen. Auf der Substratebene sind Transistorbauelemente mit Diffusionsbereichen ausgebildet. Auf anschließenden Ebenen sind metallisierte Verbindungsleitungen ausgebildet und mit den Transistorbauelementen elektrisch verbunden, so dass das gewünschte funktionelle Element erhalten wird. Wie allgemein bekannt ist, sind strukturierte leitende Schichten von anderen leitenden Schichten durch dielektrische Materialien, wie zum Beispiel Siliziumdioxid, isoliert. Wenn mehr metallisierte Ebenen und zugeordnete dielektrische Schichten ausgebildet werden, erhöht sich die Notwendigkeit, das dielektrische Material zu planarisieren. Bedingt durch die größeren Schwankungen in der Oberflächentopografie, wird die Fertigung von zusätzlichen metallisierten Schichten ohne Planarisierung erheblich schwieriger. Bei anderen Anwendungen werden metallisierte Leitungsstrukturen im dielektrischen Material gebildet, und dann werden Metall-CMP-Vorgänge durchgeführt, um die überschüssige Metallisierung zu entfernen. Nach jedem dieser CMP-Vorgänge ist es erforderlich, den planarisierten Wafer zu reinigen, um Partikel und Verunreini gungen zu entfernen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines chemisch-mechanischen Polier- (CMP-)Systems 14, eines Waferreinigungssystems 16 und einer Wafernachbehandlungseinheit 18. Nachdem ein Halbleiterwafer 12 einem CMP-Vorgang in dem CMP-System 14 unterzogen worden ist, wird der Halbleiterwafer 12 in einem Waferreinigungssystem 16 gereinigt. Der Halbleiterwafer 12 wird dann einer CMP-Nachbehandlungseinheit 18 zugeführt, in der der Wafer einem von mehreren verschiedenen Fertigungsvorgängen unterworfen werden kann, einschließlich zusätzlichem Abscheiden von Schichten, Sputtern, Photolithographie und damit zusammenhängendem Ätzen.
  • Ein CMP-System 14 umfasst typischerweise Systemkomponenten zum Behandeln und Polieren der Oberfläche des Wafers 12. Derartige Komponenten können beispielsweise ein umlaufendes Polierkissen oder ein Polierkissen in Form eines linearen Bandes umfassen. Das Kissen selbst besteht typischerweise aus einem Polyurethanmaterial. Im Betrieb wird das bandförmige Kissen in Bewegung gesetzt, und dann wird ein Aufschlämmmaterial aufgebracht und über die Oberfläche des bandförmigen Kissens verteilt. Wenn sich das mit dem Aufschlämmmaterial versehene bandförmige Kissen mit einer gewünschten Geschwindigkeit bewegt, wird der Wafer auf die Oberfläche des bandförmigen Kissens abgesenkt. Auf diese Weise wird die Waferoberfläche, die planarisiert werden soll, im Wesentlichen geglättet, ungefähr so, wie Sandpapier verwendet werden kann, um Holz zu schleifen. Der Wafer wird dann zur Reinigung in das Waferreinigungssystem 16 gesandt.
  • Es ist wichtig, einen Halbleiterchip zu reinigen, nachdem ein Halbleiterwafer 12 einem CMP-Vorgang in einem chemisch-mechanischen Poliersystem (CMP-System) 14 unterworfen wurde, da Partikel, Staub und andere Rückstände auf der Oberfläche des Halbleiterwafers 12 nach dem CMP-Vorgang zurückbleiben. Diese Rückstände können bei weiteren CMP-Nachbehandlungsvorgängen zu Beschädigungen an dem Halbleiterwafer 12 führen. Die Rückstände können beispielsweise die Oberfläche des Wafers zerkratzen oder zu fehlerhaften Reaktionen zwischen den leitenden Elemen ten führen. Darüber hinaus werden mehrere identische Halbleiterchip-Plättchen aus einem Halbleiterwafer 12 hergestellt. Ein unerwünschtes Partikel auf der Oberfläche des Wafers während der CMP-Nachbehandlung kann im Wesentlichen die komplette Oberfläche des Wafers zerkratzen, wodurch die Plättchen ruiniert werden, die aus diesem Halbleiterwafer 12 hätten hergestellt werden können. Eine derartige Panne bei dem Reinigungsvorgang kann sehr kostspielig sein.
  • Eine bessere Reinigung des Wafers kann in dem Waferreinigungssystem 16 erzielt werden, indem die in dem CMP-System 14 angewendeten Vorgänge verbessert werden, bevor der Wafer selbst dem Waferreinigungssystem 16 zugeführt wird. Das CMP-System 14 kann für den nächsten Wafer verbessert werden, indem die Oberfläche des bandförmigen Kissens konditioniert wird. Das Konditionieren des Kissens wird im Allgemeinen durchgeführt, um überschüssiges Aufschlämmmaterial und Rückstände, die sich durch das Zusetzen des bandförmigen Kissens aufbauen, zu entfernen. Je mehr Wafer poliert werden, desto mehr Rückstände sammeln sich auf dem bandförmigen Kissen an, die das Durchführen von effizienten CMP-Vorgängen schwierig machen können. Ein gut bekanntes Verfahren zum Konditionieren des bandförmigen Kissens ist das Schruppen des bandförmigen Kissens mit einer Konditionierungsscheibe. Die Konditionierungsscheibe hat typischerweise ein nickelbeschichtetes Diamantraster oder eine Nylonbürste auf ihrer Oberfläche. Das Diamantraster wird typischerweise zum Konditionieren von bandförmigen Kissen mit einer harten Oberfläche verwendet. Im Gegensatz dazu wird die Nylonbürste typischerweise zum Konditionieren von bandförmigen Kissen mit einer weicheren Oberfläche verwendet. Das Konditionieren des bandförmigen Kissens kann an Ort und Stelle erfolgen, indem das bandförmige Kissen konditioniert wird, während das bandförmige Kissen den Wafer poliert, oder an einem anderen Ort, an dem das bandförmige Kissen konditioniert wird, wenn das bandförmige Kissen einen Wafer nicht poliert.
  • Während Konditionierungsscheiben Aufschlämmmaterial und Rückstände entfernen, wird in unvermeidbarer Weise auch etwas von der Oberfläche des bandförmigen Kissens entfernt. Durch das Entfernen der Oberfläche des bandförmigen Kissens wird natürlich eine frische Schicht des bandförmigen Kissens freigelegt, wodurch die Polierrate während des CMP erhöht wird. Leider führt das Entfernen der Oberfläche des bandförmigen Kissens unter Verwendung von herkömmlichen Konditionierungsverfahren zu einem schnellen Verschleiß des bandförmigen Kissens, wodurch die Kosten für das Betreiben des CMP-Systems 14 in die Höhe getrieben werden. Andererseits kann die Standzeit des bandförmigen Kissens verlängert werden, wenn das bandförmige Kissen unterkonditioniert ist, da weniger von dem bandförmigen Kissen selbst entfernt wird. Jedoch bleiben anhaftende Rückstandsmaterialien auf der Oberfläche des bandförmigen Kissens zurück. Somit kann das bandförmige Kissen im Allgemeinen nicht mit einer effizienten Rate polieren, und das CMP selbst weist keine sehr hohe Qualität auf.
  • Aus den oben erwähnten Gründen sind Techniken zum Konditionieren des bandförmigen Kissens ein wichtiger Bestandteil des Halbleiterchip-Fertigungsprozesses. Es gibt daher einen Bedarf an verbesserten Verfahren zum Konditionieren des bandförmigen Kissens.
  • US-A-5,879,226 offenbart ein Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens, das zuvor für die Durchführung eines CMP-Vorganges auf einer Waferoberfläche, die ein aus Kupfer oder Oxid bestehendes Material enthält, verwendet wurde, wobei das CMP-Kissen Rückstände auf einer Oberfläche des CMP-Kissens aufweist und wobei das Verfahren umfasst:
    Aufbringen von Chemikalien (z.B. NH4OH) auf die Oberfläche des CMP-Kissens;
    Ermöglichen, dass die Chemikalien mit den Rückständen reagieren, so dass ein Nebenprodukt erzeugt wird;
    Spülen der Kissenoberfläche, um das Nebenprodukt im Wesentlichen zu entfernen; und
    Durchführen eines mechanischen Konditionierungsvorganges auf der Oberfläche des Kissens.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reinigen eines chemisch-mechanischen Polierkissens (CMP-Kissens) nach Anspruch 1 vorgesehen.
  • Allgemein gesprochen, erfüllt die vorliegende Erfindung diesen Bedarf, indem ein verbessertes Verfahren zum Konditionieren eines chemisch-mechanischen Polierkissens (CMP-Kissens) bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst eine chemische Behandlung und ein mechanisches Abschaben des CMP-Kissens.
  • Es wird ein Verfahren zum Konditionieren eines CMP-Kissens, das zuvor für die Durchführung eines CMP-Vorganges auf einer Waferoberfläche verwendet wurde und das bereits Rückstände auf seiner Oberfläche aufweist, offenbart. Das Verfahren beginnt mit dem Aufbringen von Chemikalien auf die Oberfläche des CMP-Kissens.
  • Dann können die Chemikalien mit den Rückständen reagieren, um ein Nebenprodukt zu erzeugen. Danach wird die Kissenoberfläche gespült, um das Nebenprodukt im Wesentlichen zu entfernen. Dann wird ein mechanischer Konditionierungsvorgang auf der Oberfläche des Kissens durchgeführt. Ein Teil der Waferoberfläche besteht aus Kupfer. Die Chemikalie ist vorzugsweise HCl, und die Lösung besteht vorzugsweise aus HCl und DI-Wasser.
  • Das CMP-Kissen kann die Form eines linearen Bandes, die Form einer umlaufenden Scheibe oder irgendeine andere mechanische oder physikalische Ausrichtung haben.
  • Durch das Konditionieren eines CMP-Kissens gemäß der vorliegenden Erfindung ist das CMP-Kissen in vorteilhafter Weise in der Lage, effizientere und sauberere Poliervorgänge auf den Waferoberflächen durchzuführen. Da die Wafer, die einen CMP-Vorgang unter Verwendung eines gut konditionierten Kissens durchlaufen haben, ferner sauberer sind, können die sich anschließenden Waferreinigungsvorgänge ebenfalls verbesserte Reinigungsparameter hervorbringen. Als Ergebnis der verbesserten CMP- und Reinigungsvorgänge können die Wafer und die erzeugten integrierten Schaltkreise von höherer Qualität und damit verlässlicher sein. Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Be schreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor, in denen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in beispielhafter Weise gezeigt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung ist durch die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen problemlos zu verstehen. Um diese Beschreibung zu vereinfachen, sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht eines chemisch-mechanischen Poliersystems (CMP-Systems), eines Waferreinigungssystems und einer CMP-Nachbehandlungseinheit.
  • 2 zeigt eine Draufsicht einer CMP- und Reinigungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3A ist eine vergrößerte Ansicht eines CMP-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3B zeigt, wie der Reinigungsvorgang erheblich verbessert werden kann, indem ein lineares bandförmiges Polierkissen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung chemisch behandelt wird, bevor eine Konditionierungsscheibe verwendet wird, um das lineare bandförmige Polierkissen abzuschaben.
  • 4A zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterwafers mit einer auf der Oberseite des Wafers aufgebrachten Kupferschicht.
  • 4B zeigt eine Schnittansicht eines Halbleiterwafers, nachdem seine Oberseite während eines CMP-Vorganges poliert wurde, um eine polierte Waferoberfläche zu erhalten.
  • 4C zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Polierkissens während oder nach dem CMP-Vorgang von 4B.
  • 5A zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Konditionieren des linearen bandförmigen Polierkissens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, nachdem ein CMP-Vorgang auf dem Metallisierungsmaterial des Wafers durchgeführt worden ist.
  • 5B zeigt das lineare bandförmige Polierkissen, nachdem die Kissenoberfläche vor dem mechanischen Konditionieren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung chemisch behandelt und dann mit DI-Wasser gespült wurde und dann mechanisch konditioniert wurde, um Rückstände, wie beispielsweise Kupferoxid-Nebenprodukte, im Wesentlichen zu entfernen.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird eine Erfindung für Verfahren zum Konditionieren von CMP-Kissen offenbart. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezielle Einzelheiten beschrieben, um für ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung ohne einige oder alle diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind hinreichend bekannte Verfahrensschritte nicht im Einzelnen beschrieben worden, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
  • 2 zeigt eine Draufsicht einer CMP- und Reinigungseinheit 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Bedienperson kann mittels eines Steuercomputersystems mit einer grafischen Benutzeroberfläche 130 Parameter einstellen und Vorgänge für die CMP- und Reinigungseinheit 100 überwachen.
  • Waferkassetten 102, die vorzugsweise mindestens einen Haibleiterwafer 101 enthalten, können der CMP- und Reinigungseinheit 100 zugeführt werden. Ein Trocken-Roboter 104 kann den Wafer 101 dann in eine Ausrichtstation 106 überführen, in der der Wafer 101 für die nachfolgende Behandlung ordnungsgemäß ausgerichtet wird. Der Nass-Roboter 108 kann den Wafer 101 dann von der Ausrichtstation 106 zu der Beladung/Entladung einer Drehscheibe 116 überführen. Ein Polierkopf (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um den Wafer 101 zu halten, wenn der Wafer über dem Polierkissen des CMP-Systems platziert wird. Die Drehscheibe 116 wird verwendet, um den Wafer 101 zu anschließenden CMP- und Reinigungsorten zu drehen. Beispielsweise kann die Drehscheibe 116 verwendet werden, um den Wafer zu einem ersten CMP-System 114a, in dem der Wafer 101 auf dem Polierkopf platziert wird, zu drehen. Der Polierkopf hält den Wafer 101 an seinem Platz, während der Wafer 101 auf ein lineares bandförmiges Polierkissen abgesenkt wird, das Teil des ersten CMP-Systems 114a ist. Wie nachstehend erläutert wird, zeigt 3A eine genauere Ansicht des CMP-Systems 114. Der Wafer 101 kann in dem ersten CMP-System 114a einem CMP-Vorgang unterworfen werden, um eine gewünschte Materialmenge von der Oberfläche des Wafers 101 zu entfernen. Obwohl hier lineare bandförmige Poliersysteme 114 beschrieben sind, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass ein umlaufendes Polierkissen, das mit einer kreisartigen Bewegung rotiert, alternativ verwendet werden kann.
  • Nachdem der Wafer einem CMP-Vorgang in dem ersten CMP-System 114a unterworfen wurde, kann der Wafer 101 durch die Drehscheibe 116 zu einem an vorgelagerter Stelle in einem zweiten CMP-System 114b liegenden Polierkopf 118 überführt werden, wo der Wafer weiteren CMP-Vorgängen unterworfen werden kann. Der Wafer 101 kann dann zu dem vorgelagert liegenden Rotationsmodul 120 überführt werden, in dem der Wafer 101 Vorreinigungsvorgängen unterworfen werden kann. In diesem Beispiel umfasst das vorgelagerte Rotationsmodul 120 eine weiche umlaufende Kissenfläche. Der Wafer 101 kann dann in eine in einem Waferreinigungssystem 122 vorgesehene Ladestation 124 geladen werden. Das Waferreinigungssystem 122 wird im Allgemeinen verwendet, um unerwünschte Rückstände des Aufschlämmmaterials, die von den CMP-Vorgängen in den CMP-Systemen 114 zurückgelassen wurden, zu entfernen. Die unerwünschten Rückstände können mit den Arbeitsabläufen in den Bürstengehäusen 126 weggebürstet werden.
  • Jedes der Bürstengehäuse 126 umfasst einen Satz PVA-Bürsten, die sehr weich und porös sind. Daher sind die Bürsten in der Lage, den Wafer sauber zu schruppen, ohne dass die empfindliche Oberfläche beschädigt wird. Da die Bürsten porös sind, sind sie ebenfalls in der Lage, als Leitung für Flüssigkeiten zu dienen, die während des Reinigens auf die Waferoberfläche aufgebracht werden sollen. Bei diesen Reinigungsvorgängen werden typischerweise Chemikalien sowie deionisiertes (DI-) Wasser verwendet. Eine Spin-Station 128 kann verwendet werden, um die Reinigungsvorgänge an dem Wafer 101 abzuschließen. Der Wafer 101 kann dann zu der Nass-Warteschlange 110 überführt werden, in der der Wafer 101 auf die Überführung zu der CMP-Nachbearbeitung wartet.
  • 3A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines CMP-Systems 114 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Polierkopf 150 kann verwendet werden, um den Wafer 101 während der Bearbeitung zu sichern und an seinem Platz zu halten. Ein lineares bandförmiges Polierkissen 156 ist vorzugsweise an einem dünnen Metallband (nicht dargestellt), das eine Endlosschleife um rotierende Trommeln 160a und 160b bildet, befestigt. Das lineare bandförmige Polierkissen 156 kann an dem Metallband unter Verwendung eines bekannten Klebstoffes oder eines anderen Haftmittels befestigt werden. Das lineare bandförmige Polierkissen 156 selbst besteht vorzugsweise aus Polyurethanmaterial. Das lineare bandförmige Polierkissen 156 rotiert im Allgemeinen in einer von den Pfeilen angedeuteten Richtung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 400 Fuß pro Minute. Während das Band rotiert, kann Polier-Aufschlämmmaterial 154 aufgebracht und über die Oberfläche 156a des linearen bandförmigen Polierkissens 156 verteilt werden. Der Polierkopf 150 kann dann verwendet werden, um den Wafer 101 auf die Oberfläche 156a des rotierenden linearen bandförmigen Polierkissens 156 abzusenken. Auf diese Weise wird die Oberfläche des Wafers 101, der planarisiert werden soll, im Wesentlichen geglättet.
  • In einigen Fällen wird der CMP-Vorgang angewendet, um Materialien, wie beispielsweise Oxid, zu planarisieren, und in anderen Fällen kann er angewendet werden, um metallisierte Schichten zu entfernen. Die Planarisierungsrate kann durch Einstellung des Polierdruckes 152 geändert werden. Die Polierrate ist im Allgemeinen proportional zu der Stärke des Polierdruckes 152, mit der das lineare bandförmige Polierkissen 156 gegen den Polierkissenstabilisator 158 gedrückt wird. Nachdem die gewünschte Materialmenge von der Oberfläche des Wafers 101 entfernt wurde, kann der Polierkopf 150 verwendet werden, um den Wafer 101 von dem linearen bandförmigen Polierkissen 156 abzuheben. Der Wafer ist dann bereit, zu dem an vorgelagerter Stelle liegenden Polierkopf 118 oder zum Waferreinigungssystem 122 weitergeleitet zu werden.
  • Eine bessere Reinigung des Wafers in dem Waferreinigungssystem 122 kann erreicht werden, indem die in dem CMP-System 114 angewendeten Prozesse verbessert werden, sogar bevor der Wafer dem Waferreinigungssystem 122 zugeführt wird. Das CMP-System 114 kann für den nächsten Wafer verbessert werden, indem die Oberfläche des linearen bandförmigen Polierkissens 156 konditioniert wird. Eine Konditionierung des Kissens kann durchgeführt werden, indem überschüssiges Aufschlämmmaterial und sich durch das Zusetzen des bandförmigen Kissens ablagernde Rückstände entfernt werden. Je mehr Wafer planarisiert werden, desto mehr Rückstände sammeln sich auf dem bandförmigen Kissen an, die die Durchführung von effizienten CMP-Vorgängen schwierig machen können. Ein Verfahren zum Konditionieren des bandförmigen Kissens besteht darin, ein Polierkissen-Konditionierungssystem 166 einzusetzen. Ein Konditionierungskopf 170 wird vorzugsweise verwendet, um eine Konditionierungsscheibe 172 zu halten (und in einigen Ausführungsformen zu drehen), während eine Konditionierungsschiene 168 den Konditionierungskopf 170 hält. Die Konditionierungsschiene 168 bewegt den Konditionierungskopf 170 hin und her, während die Konditionierungsscheibe 172 das lineare bandförmige Polierkissen 156 vorzugsweise mit einer nickelbeschichteten Konditionierungsscheibe abschabt.
  • Die Konditionierungsscheibe 172 hat vorzugsweise eine mit einem nickelbeschichteten Diamantraster oder einer Nylonbürste bedeckte Oberfläche. Das Diamantraster wird vorzugsweise verwendet, um bandförmige Kissen mit einer harten Oberfläche zu konditionieren. Die Nylonbürste wird vorzugsweise verwendet, um bandförmige Kissen mit einer weicheren Oberfläche zu konditionieren. Das Konditionieren des bandförmigen Kissens kann an Ort und Stelle erfolgen, indem das bandförmige Kissen konditioniert wird, während das bandförmige Kissen den Wafer poliert, oder an einem anderen Ort, an dem das bandförmige Kissen konditioniert wird, wenn das bandförmige Kissen keinen Wafer poliert. Zwar werden durch das Abschaben des Bandes Aufschlämmmaterial und Rückstände entfernt, jedoch wird das bandförmige Kissen selbst dabei leider unvermeidbar verschlissen, da während jedes Konditionierungsvorganges Material des bandförmigen Kissens in einer Stärke von ungefähr 200 Angström von dem Band entfernt wird.
  • 3B zeigt, wie der Reinigungsvorgang erheblich verbessert werden kann, indem das lineare bandförmige Polierkissen 156 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung chemisch behandelt wird, bevor die Konditionierungsscheibe 172 verwendet wird, um das lineare bandförmige Polierkissen 156 abzuschaben. Nachdem ein CMP-Vorgang an einem Wafer durchgeführt worden ist und bevor das lineare bandförmige Polierkissen 156 mit der Konditionierungsscheibe 172 abgeschabt wird, wird vorzugsweise ein Chemikalienverteiler 174 verwendet, um Chemikalien 180 auf dem linearen bandförmigen Polierkissen 156 zu verteilen, während das Band rotiert. Bei dieser Ausführungsform hat der Chemikalienverteiler 174 die Form eines Rohres mit einer Anzahl von Öffnungen. Die Öffnungen sind in zwei oder mehr Reihen so angeordnet, dass jede Öffnung einer Reihe relativ zu den benachbarten Öffnungen der nächsten Reihe versetzt angeordnet ist.
  • Die Chemikalien 180 werden vorzugsweise aus einer Chemikalienquelle 176 zugeführt, die entweder innerhalb der CMP- und Reinigungseinheit 100 oder außerhalb angeordnet sein kann. Eine Leitung 178, die von der Chemikalienquelle 176 zu dem Chemikalienverteiler 174 führt, wird vorzugsweise verwendet, um einen Weg für die Chemikalien 180 zum Chemikalienverteiler 174 zu schaffen. In Abhängigkeit von der erwünschten Reaktion zwischen den Chemikalien und den auf der Oberfläche 156a nach dem CMP-Vorgang zurückgebliebenen Materialien, tragen die Chemikalien gemäß einer Ausführungsform dazu bei, bestimmte vorteilhafte Ergebnisse zu erzielen. Beispielsweise können die Chemikalien mit den Rückständen der von dem Wafer 101 entfernten Materialien und dem in dem CMP-Vorgang verwendeten Aufschlämmmaterial reagieren und sie im Wesentlichen auflösen. Wie oben erwähnt wurde, wird durch den CMP-Vorgang Material von dem Wafer 101 herunterpoliert, wodurch Wafermaterialrückstände auf der Oberfläche 156a des linearen bandförmigen Polierkissens 156 zurückbleiben. Wenn die Chemikalien mit den Rückständen reagiert haben, kann der sich ergebende Film auf der Oberfläche 156a unter Verwendung einer Spülflüssigkeit, bei der es sich vorzugsweise um DI-Wasser handelt, im Wesentlichen vollständig weggespült werden. Das Ergebnis ist ein lineares bandförmiges Polierkissen 156, das chemisch behandelt worden ist, bevor es konditioniert und für einen anderen CMP-Vorgang an einem folgenden Wafer vorbereitet wird.
  • Der zusätzliche Arbeitsschritt der chemischen Behandlung des linearen bandförmigen Polierkissens 156 kann im Vergleich zu herkömmlichen Reinigungsverfahren mehrere Vorteile schaffen. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt mit einer chemischen Behandlung verringert die Stärke des Druckes und die erforderliche Zeitspanne zum Andrücken des Wafers gegen das Polierkissen während eines darauffolgenden CMP-Vorganges erheblich, da das Polierkissen sauberer und damit effektiver ist. Mit einem saubereren Polierkissen betragen der erforderliche Druck typischerweise ungefähr 3 bis 4 Pfund pro Quadratzoll (psi) und die für das Polieren eines Wafers erforderliche Zeitspanne typischerweise ungefähr 60 Sekunden. Für Vergleichszwecke wird angeführt, dass die Zeitspanne zum Polieren eines folgenden Wafers wahrscheinlich wesentlich mehr als ungefähr 2 Minuten beträgt, wenn keine chemische Behandlung der Kissenoberfläche durchgeführt wird.
  • Ferner bewahrt der zusätzliche Arbeitsschritt einer chemischen Behandlung eine erhebliche Menge des Kissenmaterials davor, unnötigerweise abgeschabt zu werden. Wie oben erwähnt wurde, basieren typische Konditionierungstechniken überwiegend darauf, dass ungefähr 200 Angström des Polierkissenmaterials bei jeder Durchführung der Konditionierung abgeschabt werden. Beispielsweise kann ein hartes Polierkissen beim Einsatz der herkömmlichen Konditionierungstechnik, bei der keine chemische Behandlung durchgeführt wird, für ungefähr 300 bis 500 CMP-Vorgänge verwendet werden. Wie oben beschrieben wurde, kann ein typisches hartes Polierkissen beim Einsatz von chemischen Behandlungen jedoch für ungefähr bis zu 800 bis 1000 CMP-Vorgänge verwendet werden. Diese Verlängerung der Standzeit des Kis sens beruht in erster Linie auf der Tatsache, dass der nachfolgende Schritt des Abschabens nicht so intensiv sein muss. Eine verlängerte Standzeit des Kissens führt zu geringeren Ausfallzeiten für Wartungsarbeiten und Reparaturen. Geringere Ausfallzeiten führen wiederum zu erheblich geringeren Kosten für die Eigentümer.
  • Darüber hinaus kann die chemische Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung das Fertigungssystem vor einigen der Konsequenzen einer Über- oder Unterkonditionierung schützen. Wenn ein Polierkissen überkonditioniert ist, funktioniert das Kissen wahrscheinlich nicht wie erwartet, und das Material auf der Oberfläche der Konditionierungsscheibe kann vorzeitigem Verschleiß unterliegen. Das Material auf der Oberfläche der Konditionierungsscheibe kann ein Diamantraster aufweisen, dessen Austausch wahrscheinlich sehr teuer ist. Ferner können Fragmente des Diamantrasters während seiner Verschleißphase wahrscheinlich auf die Oberfläche des Kissens und die Oberfläche des Wafers gelangen. Dieses unerwünschte Verstreuen macht es wahrscheinlich erforderlich, den gesamten Wafer wegzuwerfen.
  • Andererseits können in dem Fall, dass ein Polierkissen unterkonditioniert ist, unerwünschte Rückstandsmaterialien auf dem Polierkissen verbleiben. Es ist eine in diesem Fach bekannte Tatsache, dass es wichtig ist, einen Wafer nach einem CMP-Vorgang aufgrund der Rückstände dieses Aufschlämmmaterials, die zu Beschädigungen an dem Wafer in nachfolgenden CMP-Nachbearbeitungsvorgängen oder beim Betrieb eines Gerätes führen können, sorgfältig zu reinigen. Die Rückstände können beispielsweise zu einem Zerkratzen der Waferoberfläche oder zu fehlerhaften Reaktionen zwischen leitenden Elementen führen. Darüber hinaus werden mehrere identische Halbleiterchip-Plättchen aus einem Halbleiterwafer hergestellt. Ein unerwünschtes Rückstandspartikel auf der Oberfläche des Wafers während der CMP-Nachbehandlung kann im Wesentlichen die komplette Oberfläche des Wafers zerkratzen, wodurch die Plättchen ruiniert werden, die aus diesem Halbleiterwafer hätten hergestellt werden können. Eine derartige Panne bei dem Reinigungsvorgang kann sehr kostspielig sein. Daher stellt der Arbeitsschritt einer chemischen Behandlung ein Polierkissen zur Verfügung, das in einem besseren Zustand für die CMP-Vorgänge ist, wodurch für eine stabile Abtragsrate gesorgt wird und ferner das Risiko vermindert wird, dass sich unerwünschte Partikel und Rückstände bei nachfolgenden Fertigungsprozessen auf dem Wafer befinden. Weniger unerwünschte Rückstände und Partikel führen zu weniger schadhaften Wafern und damit zu einer Steigerung der Produktionsrate.
  • Die auf die Oberfläche 156a aufzutragenden bevorzugten Chemikalien sind abhängig von der Art des Aufschlämmmaterials, das während des CMP-Vorganges verwendet wird, und von der Art des Materials, das von dem Wafer 101 während des CMP-Vorganges wegpoliert wird. Die folgende Beschreibung offenbart verschiedene Arten von Fertigungsvorgängen und die jeweils bevorzugten Chemikalien zum Konditionieren des Polierkissens.
  • 4A zeigt eine Schnittansicht eines Wafers 200 mit einer auf der Oberseite des Wafers 200 aufgebrachten Kupferschicht 208. Auf einem Halbleitersubstrat 202 ist eine Oxidschicht 204 aufgebracht. Zum Ausbilden von strukturierten Merkmalen in der Oxidschicht 204 können hinreichend bekannte Photolithographie- und Ätztechniken verwendet werden. Die Oberseite des Wafers wird dann mit einer Ta/TaN-Schicht 206 beschichtet. Als nächstes wird die Oberseite des Wafers mit einer Kupferschicht 208 überzogen, und die strukturierten Merkmale werden dabei mit Kupfermaterial 210 gefüllt.
  • 4B zeigt eine Schnittansicht des Halbleiterwafers 200, nachdem seine Oberseite während eines CMP-Vorganges poliert wurde, um eine polierte Waferoberfläche 212 zu erhalten. Während des aktuellen Poliervorganges wird Polier-Aufschlämmmaterial 154 auf die Oberfläche 156a des linearen bandförmigen Polierkissens 156 aufgebracht. Wenn ein CMP-Vorgang auf einer Metallschicht, wie beispielsweise einer hier gezeigten Kupferschicht 208, durchgeführt werden soll, enthält das bevorzugte Polier-Aufschlämmmaterial 154 Al2O3-Schleifmittel und andere chemische Bestandteile. Für einen Fachmann ist es jedoch selbstverständlich, dass verschiedene andere chemische Zusammensetzungen für das Polier-Aufschlämmmaterial 154, die mit Metallen, wie beispielsweise Kupfer, zusammenarbeiten, verwendet werden können. Der Wafer 200 wird dann auf das lineare bandförmige Polierkissen 156 abge senkt, so dass ein gewünschter Anteil der Waferoberfläche planarisiert wird, bis die darunter liegende Oxidschicht 204 schließlich freigelegt ist.
  • 4C zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des linearen bandförmigen Polierkissens 156 nach dem CMP-Vorgang von 4B. Wie gezeigt ist, ist die Oberfläche 156a des linearen bandförmigen Polierkissens 156 durch einen Rückstandsfilm 214 aus Kupfermaterial 210 und Aufschlämmmaterial mit darin enthaltenen Partikeln 216 zugesetzt. Im Allgemeinen verbindet sich das Kupfermaterial 210 des Wafers 200 mit dem Polier-Aufschlämmmaterial 154 und bildet den Rückstandsfilm 214, der in der Form von Kupferoxid (CuOx) und Partikeln 216 vorliegt. Wenn das Polier-Aufschlämmmaterial 154 auf Al2O3 basiert, bestehen die Partikel hauptsächlich aus Aluminiumoxid. Es ist erwünscht, dass das eingebettete Partikel 216 enthaltende Kupferoxid im Wesentlichen von der Oberfläche 156a entfernt wird.
  • 5a zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Konditionieren des linearen bandförmigen Polierkissens 156 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, nachdem ein CMP-Vorgang auf einem Metallisierungsmaterial, wie beispielsweise Kupfer, durchgeführt wurde. Das Verfahren beginnt bei Schritt 410 mit dem Bereitstellen eines CMP-Systems mit einem Polierkissen, das zuvor für das Polieren von Metallisierungsmaterial verwendet worden ist.
  • Das Verfahren geht dann zu Schritt 412 über, in dem eine gleichmäßige Chemikalienschicht auf der Kissenoberfläche verteilt wird. Im Allgemeinen ist das lineare bandförmige Polierkissen 156 vorzugsweise in Bewegung. Bei einem Beispiel kann sich das lineare bandförmige Polierkissen 156 mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 Fuß pro Minute bewegen. Nachdem die Chemikalien verteilt sind, können die Chemikalien mit dem Rückstandsfilm 214 auf der Kissenoberfläche reagieren, um ein wasserlösliches Nebenprodukt zu bilden. Die Chemikalien können in Form einer Lösung vorliegen, die vorzugsweise DI-Wasser und Salzsäure (HCl) enthält. Die Konzentration von HCl in der Lösung liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 0,05 Gewichtsprozent und ungefähr 1,0 Gewichtsprozent, besser zwischen ungefähr 0,2 Gewichtsprozent und ungefähr 0,8 Gewichtsprozent und im bevorzugtesten Fall ungefähr 0,5 Gewichtsprozent. Der Rest der Lösung besteht vorzugsweise aus DI-Wasser. Die Wartezeit, die Lösung mit den Rückständen reagieren zu lassen, beträgt vorzugsweise ungefähr 30 Sekunden bis ungefähr 3 Minuten, besser ungefähr 60 Sekunden bis ungefähr 2 Minuten und im bevorzugtesten Fall ungefähr 90 Sekunden. Die hier voraussichtlich auftretende chemische Reaktion ist CuOx + HCl → CuCl2 + H2O, wobei das Nebenprodukt CuCl2 + H2O ein wasserlösliches Material ist.
  • Eine weitere bevorzugte Chemikalienlösung enthält DI-Wasser, NH4Cl, CuCl2 und HCl. Die Konzentration von NH4Cl beträgt vorzugsweise ungefähr 0,5 mol pro Liter bis ungefähr 2,4 mol pro Liter. Die Konzentration von CuCl2 beträgt vorzugsweise ungefähr 0,5 mol pro Liter bis ungefähr 2,5 mol pro Liter. Die Konzentration von HCl beträgt vorzugsweise ungefähr 0,02 mol pro Liter bis ungefähr 0,06 mol pro Liter. Der Rest der Lösung besteht vorzugsweise aus DI-Wasser.
  • Noch eine weitere bevorzugte Chemikalienlösung enthält DI-Wasser, Ammoniumpersulfat ((NH4)2S2O8) und Schwefelsäure (H2SO4). Die Konzentration von ((NH4)2S2O8) beträgt vorzugsweise ungefähr 0,5 M bis ungefähr 1,0 M. Die Konzentration von H2SO4 beträgt vorzugsweise ungefähr 0,25 M bis ungefähr 0,5 M. Der Rest der Lösung besteht vorzugsweise aus DI-Wasser. Die Wartezeit, diese Lösung mit den Rückständen reagieren zu lassen, beträgt vorzugsweise ungefähr 30 Sekunden bis 180 Sekunden und im bevorzugtesten Fall ungefähr 60 Sekunden.
  • Noch eine andere bevorzugte Chemikalienlösung enthält DI-Wasser, Kupferchlorid (CuCl2), Ammoniumchlorid (NH4Cl) und Ammoniumhydroxid (NH4OH). Die Konzentration von CuCl2 beträgt vorzugsweise ungefähr 2 bis ungefähr 5 Gramm pro Liter. Die Konzentration von NH4Cl beträgt vorzugsweise ungefähr 5 bis ungefähr 10 Gramm pro Liter. Die Konzentration von NH4OH beträgt vorzugsweise ungefähr 0,2 Gewichtsprozent bis ungefähr 0,5 Gewichtsprozent. Der Rest der Lösung besteht vorzugsweise aus DI-Wasser. Die Wartezeit, diese Lösung mit den Rückständen reagieren zu lassen, beträgt vorzugsweise ungefähr 30 Sekunden bis 180 Sekunden und im bevorzugtesten Fall ungefähr 60 Sekunden.
  • Als nächstes wird die Oberfläche des Kissens in Schritt 414 mit DI-Wasser gespült, um das lösliche Nebenprodukt im Wesentlichen zu entfernen. Dann wird ein mechanischer Konditionierungsvorgang 416 auf dem Kissen durchgeführt. Die Konditionierungsscheibe 172 kann auf die Oberfläche des Polierkissens mit einem Druck aufgepresst werden, der auf vorzugsweise ungefähr 1 bis 2 Pfund pro Quadratzoll (psi) eingestellt wurde. Zu diesem Zeitpunkt, wenn das Kissen konditioniert und zum Polieren eines nächsten Wafers vorbereitet worden ist, geht das Verfahren zu Schritt 418 über, in dem ein Wafer poliert wird. Der polierte Wafer wird anschließend zu einem Nach-CMP-Reinigungschritt 420 überführt. Das Verfahren ist jetzt an einem Entscheidungsschritt 422 angekommen, bei dem ermittelt wird, ob ein nächster Wafer einem CMP-Vorgang unterworfen werden soll. Wenn es keinen weiteren Wafer gibt, ist das Verfahren abgeschlossen. Wenn es jedoch einen nächsten Wafer gibt, geht das Verfahren zu Schritt 412 zurück und wird von diesem Punkt fortgesetzt. Der obige Zyklus wiederholt sich, bis es keinen nächsten Wafer am Entscheidungsschritt 422 mehr gibt.
  • 5B zeigt das lineare bandförmige Polierkissen 156, nachdem die Kissenoberfläche in Schritt 412 chemisch behandelt, in Schritt 414 mit DI-Wasser gespült und dann in Schritt 416 mechanisch konditioniert worden ist, um Rückstände im Wesentlichen zu entfernen.
  • Obwohl speziell Bezug auf bandartige CMP-Maschinen genommen wurde, versteht es sich von selbst, das die Konditionierungsverfahren der vorliegenden Erfindung auch bei anderen Arten von CMP-Maschinen Verwendung finden können, beispielsweise bei solchen, bei denen rotierende Mechanismen mit runden Kissen verwendet werden. Durch die Anwendung dieser Kissenkonditionierungsverfahren können mit den gesamten CMP- und Reinigungsvorgängen daher eine größere Menge von qualitativ hochwertigen planarisierten und gereinigten Metall- und Oxidoberflächen erzeugt werden.
  • Obwohl diese Erfindung anhand von einigen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte zur Kenntnis genommen werden, das sich ein Fachmann beim Lesen der vorhergehenden Beschreibung und beim Studium der Zeichnungen verschiedene Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten und Entsprechungen vorstellen kann. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung alle derartige Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten und Entsprechungen umfasst, solange sie in den Umfang der Erfindung fallen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Reinigen eines chemisch-mechanischen Polierkissens (CMP-Kissens), das zuvor für die Durchführung eines CMP-Vorganges auf einer Kupfer (208) enthaltenden Waferoberfläche (410) verwendet wurde, wobei das CMP-Kissen Rückstände (214) auf einer Oberfläche des CMP-Kissens aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Aufbringen (412) von Chemikalien (180) auf die Oberfläche des CMP-Kissens; Ermöglichen, dass die Chemikalien mit den Rückständen reagieren (412), um ein Nebenprodukt zu erzeugen; Spülen (414) der Kissenoberfläche, so dass das Nebenprodukt im Wesentlichen entfernt wird; und Durchführen eines mechanischen Konditionierungsvorganges (416) auf der Oberfläche des Kissens, wobei die Chemikalie aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus (a) HCl, (b) NH4Cl + CuCl2 + HCl (c) (NH4)2S2O8 + H2SO4 und (d) CuCl2 + NH4Cl + NH4OH besteht.
  2. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 1, bei dem die Rückstände (214) sowohl Aufschlämmmaterial (216) als auch Kupferoxide enthalten und das durch Reaktion erzeugte Nebenprodukt in Form eines wasserlöslichen Filmes vorliegt, der während des Spülens im Wesentlichen entfernt wird, wenn die Chemikalie (180) HCl ist.
  3. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 2, bei dem das Aufschlämmmaterial (216) und die Kupferoxide der Rückstände (214) ein Kupferoxid (Cu2O) bilden, das mit dem HCl reagiert, so dass das Nebenprodukt erzeugt wird, das den wasserlöslichen Film bildet.
  4. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 1, wobei der Schritt, bei dem die Reaktion von HCl mit den Rückständen ermöglicht wird, weiter eine Wartezeit von ungefähr 30 Sekunden bis ungefähr 180 Sekunden umfasst.
  5. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 1, bei dem der Schritt, bei dem Chemikalien (180) aufgebracht werden, durchgeführt wird, indem ein Auftragerohr (174) über dem CMP-Kissen platziert wird, wobei das Auftragerohr (174) so ausgebildet ist, dass es sich über die Breite des CMP-Kissens erstreckt.
  6. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren weiter umfasst: Durchführen eines mechanischen Konditionierungsvorganges (416) auf der Oberfläche des Kissens, nachdem das Nebenprodukt erzeugt und entfernt worden ist.
  7. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 5, bei dem die Chemikalien (180) so durch das Auftragerohr (174) auf die Oberfläche des CMP-Kissens aufgebracht werden, dass die Chemikalien (180) im Wesentlichen gleichzeitig über die Breite des CMP-Kissens aufgebracht werden.
  8. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das CMP-Kissen entweder ein sich linear bewegendes Kissen (156) oder ein rundes rotierendes Kissen ist.
  9. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Spülen der Oberfläche des CMP-Kissens weiter das Spülen der Oberfläche des CMP-Kissens mit deionisiertem Wasser umfasst.
  10. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Durchführen eines mechanischen Konditionierungsvorganges (416, 516) weiter die Verwendung einer Konditionierungsscheibe (172) mit einer mit Nickel beschichteten, ein Diamantraster aufweisenden Oberfläche oder einer Konditionierungsscheibe mit einer Nylonborsten aufweisenden Oberfläche umfasst.
  11. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 1, bei dem das CMP-Kissen ein bandförmiges CMP-Kissen (156) ist.
  12. Verfahren zum Reinigen eines CMP-Kissens nach Anspruch 11, bei dem der Vorgang des Aufbringens von Chemikalien (180) so durchgeführt wird, dass die Chemikalien im Wesentlichen gleichmäßig auf der Oberfläche des bandförmigen CMP-Kissens (156) und im Wesentlichen über die gesamte Breite des bandförmigen CMP-Kissens (156) verteilt werden.
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