DE60116148T2

DE60116148T2 - System zur endpunktbestimmung beim chemisch-mechanischen polieren

Info

Publication number: DE60116148T2
Application number: DE60116148T
Authority: DE
Inventors: A. Katrina MIKHAYLICH; Mike Ravkin; Yehiel Gotkis
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: DE60116148D1; JP5027377B2; EP1399294A1; ATE313412T1; CN1246125C; EP1399294B1; JP2004522310A; CN1520348A; WO2003002301A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das chemisch-mechanische Polieren (CMP) von Halbleiterwafern und insbesondere Techniken zur Endpunktbestimmung beim Polieren.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen gibt es einen Bedarf an der Durchführung von CMP-Vorgängen, einschließlich Glanzschleifen, Polieren und Waferreinigen. Typischerweise haben Bauelemente mit integrierten Schaltkreisen die Form von Strukturen mit mehreren Ebenen. Auf der Substratebene werden Transistor-Bauelemente mit Diffusionsbereichen ausgebildet. Auf anschließenden Ebenen werden metallisierte Verbindungsleitungen ausgebildet und mit den Transistor-Bauelementen elektrisch verbunden, um das gewünschte funktionelle Bauelement zu erhalten. Wie allgemein bekannt ist, sind strukturierte leitfähige Schichten von anderen leitfähigen Schichten durch dielektrische Materialien, wie zum Beispiel Siliziumdioxid, isoliert. Auf jeder metallisierten Ebene besteht die Notwendigkeit das Metall und/oder zugehöriges dielektrisches Material zu planarisieren. Ohne Planarisierung wird die Fertigung von zusätzlichen metallisierten Schichten wegen der größeren Schwankungen in der Oberflächentopografie erheblich schwieriger. Bei anderen Anwendungen werden metallisierte Leitungsstrukturen im dielektrischen Material ausgebildet, und dann werden Metall-CMP-Vorgänge durchgeführt, um die überschüssige Metallisierung, beispielsweise Kupfer, zu entfernen.
CMP-Systeme gemäß dem Stand der Technik umfassen typischerweise Band-. Umlauf- oder Bürstenstationen, in denen Bänder, Kissen oder Bürsten zum Glanzschleifen, Polieren oder Schruppen eines Wafers verwendet werden. Ein Aufschlämm-Material wird verwendet, um den CMP-Vorgang zu vereinfachen und zu verbessern. Das Aufschlämm-Material wird üblicherweise auf eine sich bewegende Bearbeitungsoberfläche, d.h. ein Band, ein Kissen, eine Bürste und ähnliches, aufgebracht und sowohl auf der Bearbeitungsfläche als auch auf der Oberfläche des Halbleiterwafers verteilt, der poliert, glanzgeschliffen oder auf andere Weise mit dem CMP-Vorgang bearbeitet werden soll. Die Verteilung wird im Allgemeinen durch eine Kombination aus der Bewegung der Bearbeitungsoberläche, der Bewegung des Halbleiterwafers und der zwischen dem Halbleiterwafer und der Bearbeitungsoberfläche erzeugten Reibung bewirkt.
1A zeigt eine Schnittansicht einer dielektrischen Schicht 102, die einem Herstellungsvorgang unterworfen wird, der bei der Erzeugung von metallisierten Verbindungsleitungen mit Damaszener- oder Doppel-Damaszener-Struktur gebräuchlich ist. Die dielektrische Schicht 102 weist eine Diffusionssperrschicht 104 auf, die auf die durch Ätzen strukturierte Oberfläche der dielektrischen Schicht 102 aufgebracht ist. Wie hinreichend bekannt ist, besteht die Diffusionssperrschicht typischerweise aus Titannitrid (TiN), Tantal (Ta), Tantalnitrid (TaN) oder einer Kombination aus Tantalnitrid (TaN) und Tantal (Ta). Wenn die Diffusionssperrschicht 104 mit der gewünschten Dicke aufgebracht worden ist, wird eine Kupferschicht 106 auf die Diffusionssperrschicht in einer Weise aufgebracht, dass die geätzten Strukturen in der dielektrischen Schicht 102 ausgefüllt werden. Etwas überschüssiges Sperrschicht- und Metallisierungsmaterial lagert sich unvermeidbar auch auf den Feldbereichen ab. Um diese überschüssigen Materialien zu entfernen und die gewünschten metallisierten Verbindungsleitungen und zugeordneten Durchlässe (nicht dargestellt) auszubilden, wird ein chemisch-mechanischer Poliervorgang (CMP) durchgeführt.
Wie oben ausgeführt worden ist, ist der CMP-Vorgang dazu vorgesehen, das obere Metallisierungsmaterial von der dielektrischen Schicht 102 zu entfernen. Wie beispielsweise in 1B gezeigt ist, sind der überschüssige Teil der Kupferschicht 106 und die Diffusionssperrschicht 104 entfernt worden. Wie es bei CMP-Vorgängen üblich ist, muss der CMP-Vorgang so lange durchgeführt werden, bis das gesamte überschüssige Material der Metallisierung und der Diffusionssperrschicht 104 von der gesamten dielektrischen Schicht 102 entfernt ist. Um jedoch sicherstellen zu können, dass die gesamte Diffusionssperrschicht 104 von der dielektrischen Schicht 102 entfernt worden ist, muss es eine Möglichkeit geben, den Prozessstatus und den Zustand der Waferoberfläche während der CMP-Bearbeitung zu überwachen. Dies wird üblicherweise als Endpunktbestimmung bezeichnet. Bei CMP-Vorgängen mit mehreren Schritten ist es erforderlich, mehrere Endpunkte feststellen zu können (z.B. um sicherzustellen, dass das Kupfer von der Diffusionssperrschicht entfernt worden ist, und um sicherzustellen, dass die Diffusionssperrschicht von der dielektrischen Schicht entfernt worden ist). Somit werden Techniken zur Endpunktbestimmung angewendet, um sicherzustellen, dass das gesamte überschüssige Material entfernt wurde. Ein allgemeines Problem bei den derzeitigen Techniken zur Endpunktbestimmung besteht darin, dass ein gewisser Grad der Überätzung erforderlich ist, um sicherzustellen, dass das gesamte leitfähige Material (z.B. Metallisierungsmaterial oder die Diffusionssperrschicht 104) von der dielektrischen Schicht 102 entfernt wird, um unbeabsichtigte elektrische Verbindungen zwischen den metallisierten Leitungen zu verhindern. Ein Nebeneffekt einer ungeeigneten Endpunktbestimmung oder eines Überpolierens besteht darin, dass Krater 108 ("Dishing"-Effekt) in der Metallisierungsschicht, die auf der dielektrischen Schicht 102 verbleiben soll, auftreten. Bei der Kraterbildung wird im Wesentlichen mehr Metallisierungsmaterial entfernt als erwünscht ist, und sie hinterlässt kraterartige Strukturen auf den metallisierten Leitungen. Es ist bekannt, dass die Kraterbildung negative Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der metallisierten Verbindungsleitungen hat, und eine zu starke Kraterbildung kann dazu führen, dass der gewünschte integrierte Schaltkreis seinen beabsichtigten Zweck nicht mehr erfüllen kann.
1C zeigt ein CMP-Bandsystem gemäß dem Stand der Technik, bei dem ein Kissen 150 um Rollen 151 rotiert. Wie es bei CMP-Bandsystemen üblich ist, ist eine Platte 154 unterhalb des Kissens 150 angeordnet, um eine Oberfläche zu bilden, auf der ein Wafer unter Verwendung einer Halterung 152 platziert werden kann, wie in 1D gezeigt ist. Eine Möglichkeit, eine Endpunktbestimmung durchzuführen, be steht darin, eine optische Erfassungseinrichtung 160 zu verwenden, bei der Licht durch die Platte 154, durch das Kissen 150 und auf die Oberfläche des zu polierenden Wafers 100 geleitet wird. Um eine optische Endpunktbestimmung durchführen zu können, ist in dem Kissen 150 ein Kissenschlitz 150a ausgebildet. In einigen Ausführungsformen kann das Kissen 150 eine Vielzahl von Kissenschlitzen 150a aufweisen, die strategisch an verschiedenen Stellen des Kissens 150 angeordnet sind. Typischerweise sind die Kissenschlitze 150a klein genug ausgebildet, um eine Beeinträchtigung des Poliervorganges zu minimieren. Zusätzlich zu den Kissenschlitzen 150a ist ein Plattenschlitz 154a in der Platte 154 ausgebildet. Der Plattenschlitz 154a ist so gestaltet, dass der optische Strahl während des Poliervorganges durch die Platte 154, durch das Kissen 150 und auf die gewünschte Oberfläche des Wafers 100 gerichtet werden kann.
Durch die Verwendung der optischen Erfassungseinrichtung 160 ist es möglich, einen Grad der Entfernung bestimmter Schichten von der Oberfläche des Wafers zu ermitteln. Durch diese Technik des Erfassens kann die Dicke der Schicht gemessen werden, indem die von der optischen Erfassungseinrichtung 160 empfangenen Interferenzmuster untersucht werden. Obwohl eine optische Endpunktbestimmung für einige Anwendungen geeignet ist, ist eine optische Endpunktbestimmung in den Fällen nicht geeignet, in denen eine Endpunktbestimmung für unterschiedliche Bereiche oder Zonen des Halbleiterwafers 100 erwünscht ist. Um unterschiedliche Zonen des Wafers 100 untersuchen zu können, ist es erforderlich, mehrere Kissenschlitze 150a sowie mehrere Plattenschlitze 154a vorzusehen. Wenn mehr Schlitze in dem Kissen 150 und in der Platte 154 vorgesehen werden, kann dies einen größeren schädlichen Einfluss auf den auf dem Wafer 100 durchgeführten Poliervorgang haben. Das heißt, dass die Oberfläche des Kissens 150 durch die Anzahl der in dem Kissen 150 ausgebildeten Schlitze verändert und dass die Ausbildung der Platte 154 komplizierter wird.
Zusätzlich sind herkömmliche Platten 154 so ausgebildet, dass sie strategisch einen gewissen Gegendruck auf das Kissen 150 ausüben, um eine präzise Entfernung von Schichten von dem Wafer 100 zu ermöglichen. Wenn mehr Plattenschlitze 154a in der Platte 154 ausgebildet sind, wird es schwieriger, die Druck ausübenden Platten 154 zu gestalten und einzusetzen. Dementsprechend ist die optische Endpunktbestimmung im Allgemeinen schwierig in ein CMP-Bandsystem zu integrieren und wirft auch Probleme bei der gesamten Bestimmung der Endpunkte für unterschiedliche Zonen oder Bereiche eines Wafers auf, wenn die Fähigkeit des CMP-Systems, Schichten von dem Wafer präzise herunterzupolieren, nicht beeinträchtigt werden soll.
2A zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines beispielhaften Halbleiterchips 201, nachdem die obere Schicht einem Kupfer-CMP-Vorgang unterworfen worden ist. Unter Verwendung von üblichen Verfahren der Fremdstoffimplantation, Photolithographie und Ätztechnik werden p-leitende Transistoren und n-leitende Transistoren im Siliziumsubstrat 200 des p-Typs erzeugt. Wie gezeigt wird, besitzt jeder Transistor Gate, Source und Drain, die in geeigneten Vertiefungen erzeugt werden. Die abwechselnde Anordnung von p-leitenden Transistoren und n-leitenden Transistoren erzeugt ein komplementäres Metalloxid-Halbleiter-Bauelement (CMOS).
Auf den Transistoren und dem Substrat 200 wird eine erste dielektrische Schicht 202 erzeugt. Zum Herstellen von Wolframstopfen 210 und Kupferleitungen 212 werden herkömmliche Photolithographie-, Ätz- und Abscheidetechniken benutzt. Die Wolframstopfen 210 bilden elektrische Verbindungen zwischen den Kupferleitungen 212 und den aktiven Komponenten der Transistoren. Eine zweite dielektrische Schicht 204 kann auf der ersten dielektrischen Schicht 202 und den Kupferleitungen 212 gebildet werden. Zum Erzeugen von Kupfer-Vias 220 und Kupferleitungen 214 in der zweiten dielektrischen Schicht 204 werden herkömmliche Photolithographie-, Ätz- und Abscheidetechniken benutzt. Die Kupfer-Vias 220 schaffen elektrische Verbindungen zwischen den Kupferleitungen 214 in der zweiten Schicht und den Kupferleitungen 212 oder den Wolframstopfen 210 in der ersten Schicht.
Typischerweise wird der Wafer dann einem Kupfer-CMP-Vorgang unterworfen, um die Oberfläche des Wafers zu planarisieren, wie unter Bezugnahme auf die 1A–1D beschrieben ist, wobei eine im Wesentlichen flache Oberfläche (eventuell mit hier nicht gezeigter, jedoch unter Bezugnahme auf 1B erläuterter Kraterbildung) er zeugt wird. Nach dem Kupfer-CMP-Vorgang wird der Wafer in einem Wafer-Reinigungssystem gereinigt.
2B zeigt eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht, nachdem der Wafer einer optischen Endpunktbestimmung unterworfen wurde, wie unter Bezugnahme auf die 1C und 1D erläutert wird. Wie gezeigt ist, waren die Kupferleitungen 214 auf der obersten Schicht während des Bestimmungsvorganges einer photochemischen Korrosion unterworfen. Es wird angenommen, dass die photochemische Korrosion teilweise von Lichtphotonen verursacht wird, die von der optischen Erfassungseinrichtung abgestrahlt werden und die p/n-Übergänge erreichen, die als Solarzellen fungieren können. Unglücklicherweise kann diese Menge Licht, die im Allgemeinen für eine optische Erfassung normal ist, einen katastrophalen Korrosionseffekt verursachen.
In dieser beispielhaften Querschnittsansicht sind die Kupferleitungen, Kupfer-Vias oder Wolframstopfen mit verschiedenen Teilen der p/n-Übergänge elektrisch verbunden. Die Chemikalien des Aufschlämm-Materials und/oder die chemischen Lösungen, die auf die Waferoberfläche aufgebracht werden, können Elektrolyte enthalten, die die Wirkung haben, dass sie einen elektrischen Stromkreis schließen, so dass Elektronen e^– und Löcher h⁺ über die p/n-Übergänge übertragen werden. Die in dem Übergang photogenerierten Elektron/Loch-Paare werden durch das elektrische Feld getrennt. Die zugeführten Ladungsträger induzieren eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten des Überganges. Diese Potentialdifferenz erhöht sich mit der Lichtintensität. Dementsprechend wird das Kupfer an der mit der p-Seite des Überganges verbundenen Elektrode korrodiert: Cu → Cu²⁺ + 2e^–. Die erzeugten löslichen ionischen Spezies können zu der anderen Elektrode diffundieren, wo die Reduktion: Cu²⁺ + 2e^– → Cu stattfinden kann. Es ist zu beachten, dass die allgemeine Formel für die Korrosion jedes Metalls M → Mⁿ⁺ + ne^– und die allgemeine Formel für die Reduktion jedes Metalls Mⁿ⁺ + ne^– → M ist. Für weitere Information über die Effekte photochemischer Korrosion wird auf einen Artikel von A. Beverina et al.: "Photo-Corrosion Effects During Cu Interconnection Cleanings" (Effekte photochemischer Korrosion während der Reinigung von Cu-Verbindungen) verwiesen, der beim 196. ECS-Treffen, Honolulu, Hawaii (Oktober 1999) veröffentlicht wurde.
Unglücklicherweise verlagert diese Art der photochemischen Korrosion die Kupferleitungen und zerstört die beabsichtigte physikalische Topographie der Kupferstrukturen, wie in 2B dargestellt ist. An einigen Stellen auf der Waferoberfläche über den p-leitenden Transistoren kann der Effekt der photochemischen Korrosion zu korrodierten Kupferleitungen 224 oder vollständig aufgelösten Kupferleitungen 226 führen. Mit anderen Worten kann die photochemische Korrosion die Kupferleitung vollständig korrodieren, so dass es die Leitung nicht mehr gibt. Andererseits kann der Effekt der photochemischen Korrosion über den n-leitenden Transistoren zur Abscheidung von Kupfer 222 führen. Diese gestörte Topographie, die die Korrosion der Kupferleitungen einschließt, kann Defekte an den Bauelementen verursachen, die zum völligen Ausfall des ganzen Chips führen. Ein defektes Bauelement bedeutet, dass der komplette Chip weggeworfen werden muss, wodurch die Produktionsrate vermindert wird und die Kosten des Herstellungsprozesses drastisch erhöht werden. Dieser Effekt tritt jedoch im Allgemeinen auf dem ganzen Wafer auf, so dass viele auf dem Wafer vorhandene Chips zerstört werden. Dies erhöht natürlich die Herstellungskosten.
Ein chemisch-mechanisches Poliersystem und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11 ist aus EP 0 616 362 A2 bekannt. Die bekannte Poliervorrichtung umfasst einen mit Infrarotlicht arbeitenden Temperatursensor zum Erfassen einer Oberflächentemperatur des Polierkissens und einen Prozessor zum Verarbeiten eines eine Oberflächentemperatur des Kissens anzeigenden Signals sowie eine Erfassungseinrichtung für den Endpunkt des Vorganges.
Angesichts der vorstehenden Ausführungen besteht ein Bedarf an Systemen zur Endpunktbestimmung bei CMP-Vorgängen, die keine optischen Erfassungseinrichtungen erfordern und die eine genaue Endpunktbestimmung ermöglichen, um Kraterbildungen zu verhindern und bei denen keine Notwendigkeit besteht, übermäßig zu polieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Allgemein gesprochen erfüllt die vorliegende Erfindung diesen Bedarf, indem sie Systeme und Verfahren zur Endpunktbestimmung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 11 betrifft, die beim chemisch-mechanischen Polieren von Oberflächenschichten von Substraten angewendet werden. Bevorzugte zusätzliche Merkmale sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 und 11 bis 19 beschrieben. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung in Systemen mit linearen bandartigen Kissen, Systemen mit rotierenden Kissen sowie Systemen mit umlaufenden Kissen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die in beispielhafter Weise die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist durch die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen sofort verständlich, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden.
1A und 1B zeigen eine Schnittansicht einer dielektrischen Schicht, die einem Herstellungsvorgang unterworfen wird, der bei der Erzeugung von metallisierten Verbindungsleitungen und -strukturen mit Damaszener- oder Doppel-Damaszener-Struktur gebräuchlich ist.
1C und 1D zeigen ein CMP-Bandsystem gemäß dem Stand der Technik, bei dem ein Kissen um Rollen rotiert und bei dem ein optisches System zur Endpunktbestimmung verwendet wird.
2A zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiterchips, nachdem die oberste Schicht einem Kupfer-CMP-Vorgang unterworfen wurde.
2B zeigt eine Querschnittsansicht des herkömmlichen Halbleiterchips von 2A, nachdem der Wafer photochemischer Korrosion un terworfen war, die beispielsweise durch eine optische Endpunktbestimmung verursacht wurde.
3A zeigt ein CMP-System mit einem System zur Endpunktbestimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines sich linear bewegenden Kissens.
3C zeigt eine Seitenansicht einer Halterung, mit der ein Wafer auf ein Kissen gedrückt wird.
3D ist eine Ansicht von 3C mit genaueren Einzelheiten.
4A ist eine Schnittansicht einer dielektrischen Schicht, einer Diffusionssperrschicht und einer Kupferschicht, wobei die Kupferschicht und die Diffusionssperrschicht während eines CMP-Vorganges, der eine Endpunktbestimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, entfernt werden sollen.
4B und 4C zeigen ein Verlaufsdiagramm eines Temperaturunterschieds gegen die Zeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5A zeigt eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Vielzahl von Sensoren 1 bis 10 und ein Paar Referenzsensoren R um eine Halterung herum und in deren Nähe angeordnet sind (daher kann je nach Anwendungsfall jede beliebige Anzahl von Sensorenpaaren verwendet werden).
5B zeigt eine Tabelle mit angestrebten Temperaturunterschieden für jeden Bereich eines Wafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein schematisches Diagramm der in 5A dargestellten Sensoren 1 bis 10.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird eine Erfindung für Systeme zur Endpunktbestimmung beim chemischmechanischen Polieren (CMP) und Verfahren zum Anwenden dieser Systeme offen bart. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten erläutert, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung ohne einige oder alle dieser spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen Fällen wurden weitläufig bekannte Verfahrensschritte nicht im Einzelnen beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötigerweise undeutlich zu machen.
3A zeigt ein CMP-System 300 mit einem System zur Endpunktbestimmung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System zur Endpunktbestimmung umfasst Sensoren 310a und 310b, die in der Nähe einer zu einer Halterung 308 benachbarten Position angeordnet sind. Wie hinreichend bekannt ist, ist die Halterung 308 dahingehend ausgebildet, dass sie einen Wafer 301 hält und den Wafer 301 auf die Oberfläche eines Kissens 304 drückt. Das Kissen 304 bewegt sich in einer Kissenbewegungsrichtung 305 um Rollen 302a und 302b herum. Das Kissen 304 wird im Allgemeinen mit einer Aufschlämmung 306 beschickt, die das chemischmechanische Polieren des Wafers 301 unterstützt. In dieser Ausführungsform umfasst das CMP-System 300 weiterhin einen Konditionierungskopf 316, der mit einer Führungsbahn 320 verbunden ist. Der Konditionierungskopf ist vorgesehen, um die Oberfläche des Kissens 304 entweder an Ort und Stelle oder an einem anderen Ort zu schruppen. Wie hinreichend bekannt ist, wird das Konditionieren des Kissens 304 durchgeführt, um die Oberfläche des Kissens wieder aufzubereiten und die Leistung der Poliervorgänge zu verbessern.
Die Sensoren 310a und 310b sind so ausgebildet, dass sie über der Position des Kissens 304 befestigt werden können, während die Halterung 308 den Wafer 301 auf der Oberfläche des Kissens 304 dreht. Demgemäss drehen sich die Sensoren 310a und 310b nicht zusammen mit der Halterung 308, sondern bleiben stets ungefähr an der gleichen Stelle über der Platte 322. Bei den Sensoren 310a und 310b handelt es sich vorzugsweise um Temperatursensoren, die die Temperatur des Kissens 304 während eines CMP-Vorganges erfassen. Die erfasste Temperatur wird dann zur Erzeugung von Signalen 309a und 309b verwendet, die einem Endpunkt-Signalprozessor 312 zugeführt werden. Wie gezeigt ist, weist die Halterung 308 auch eine Po sitioniereinrichtung 308a für die Halterung auf, die vorgesehen ist, um die Halterung 308 und den ihr zugeordneten Wafer 301 über dem Kissen 304 in der Richtung 314 abzusenken und anzuheben.
3B zeigt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines sich in der Bewegungsrichtung 305 bewegenden Kissens 304. Wie gezeigt ist, ist die Halterung 308 von der Positioniereinrichtung 308a für die Halterung auf das Kissen 304 abgesenkt worden. Die Sensoren 310a und 310b werden ebenfalls in Richtung auf das Kissen 304 abgesenkt, wie in den 3C und 3D gezeigt ist. Wie oben beschrieben ist, rotieren die Sensoren 310a und 310b nicht zusammen mit der Halterung 309, sondern bleiben stets in der gleichen relativen Stellung über dem Kissen 304. Obwohl die Sensoren 310a und 310b stationär ausgebildet sind, können sie in vertikaler Richtung synchron mit der Halterung 308 in Richtung auf das Kissen 304 und vom Kissen 304 weg bewegt werden. Wenn die Halterung 308 somit in Richtung auf das Kissen 304 abgesenkt wird, werden die Sensoren 310a und 310b ebenfalls in Richtung auf die Oberfläche des Kissens 304 abgesenkt. In einer anderen Ausführungsform kann die Halterung 308 unabhängig von den Sensoren 310a und 310b bewegt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Sensoren 310a und 310b so ausgebildet, dass sie eine von dem Kissen 304 ausgehende Temperatur erfassen. Da der Wafer während des Polierens ständig in einer Reibverbindung mit dem Kissen 304 steht, ändert sich die Temperatur des Kissens 304 von dem Zeitpunkt an, an dem sich das Kissen 304 von den festen Positionen der Sensoren 310a und 310b weg bewegt. Typischerweise wird die Wärme von dem Wafer, dem Kissenmaterial, der benutzten Aufschlämmung und von Nebenprodukten des Prozesses absorbiert. Hierdurch wird ein Temperaturunterschied erzeugt, der erfasst werden kann. Somit ist die erfasste Temperatur für den Sensor 310a eine "IN-Temperatur" (Tin) und die an dem Sensor 310b erfasste Temperatur eine "OUT-Temperatur" (Tout). Ein Temperaturunterschied (ΔT) wird dann ermittelt, indem Tin von Tout subtrahiert wird. Der Temperaturunterschied ist als Gleichung in dem Kasten 311 von 3B dargestellt.
3C zeigt eine Seitenansicht der Halterung 308, mit der der Wafer 301 auf das Kissen 304 gedrückt wird. Wie gezeigt ist, drückt die Halterung 308 den Wafer 301, der von einem Haltering 308b gehalten wird, gegen das über der Platte 322 angeordnete Kissen 304. Wenn sich das Kissen 304 in der Bewegungsrichtung 305 bewegt, erfasst der Sensor 310a eine Temperatur Tin, die dem Endpunkt-Signalprozessor 312 als erfasstes Signal 309a zugeführt wird. Der Sensor 310b ist ebenfalls so ausgebildet, dass er eine Temperatur Tout erfasst und die erfasste Temperatur als erfasstes Signal 309b an den Endpunkt-Signalprozessor 312 weitergibt. In einer Ausführungsform sind die Sensoren 310 vorzugsweise in der Nähe des Kissens 304 angeordnet, so dass die Temperatur mit ausreichender Genauigkeit gemessen und dem Endpunkt-Signalprozessor 312 zugeführt werden kann. Beispielsweise sind die Sensoren vorzugsweise so eingestellt, dass sie zwischen ungefähr 1 Millimeter und ungefähr 250 Millimeter von der Oberfläche des Kissens 304 entfernt sind, wenn die Halterung 308 den Wafer 301 gegen die Oberfläche des Kissens 304 drückt. Der in 3D gezeigte Sensor 310a ist in einer bevorzugten Ausführungsform so angeordnet, dass er ungefähr 5 Millimeter von der Oberfläche des Kissens 304 entfernt ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren 310 vorzugsweise Infrarotsensoren, die so ausgebildet sind, dass sie die Temperatur des Kissens 304 erfassen, wenn sich das Kissen linear in der Kissenbewegungsrichtung 305 bewegt. Ein Infrarot-Temperatursensor, der als Beispiel genannt werden kann, ist das Modell Nr. 39670-10, das von Cole Parmer Instruments, Co., Vernon Hills, Illinois, vertrieben wird. In einer anderen Ausführungsform brauchen die Sensoren 310 nicht notwendigerweise in unmittelbarer Nähe zu der Halterung 308 angeordnet zu werden. Beispielsweise können die Sensoren mit einem Abstand zu der Halterung 308 angeordnet werden, der ungefähr 1/8 Zoll bis ungefähr 5 Zoll (ca. 3,17 mm bis ca. 127 mm) beträgt, und sie sind vorzugsweise mit einem Abstand von ungefähr 1/4 Zoll (6,35 mm) zu der Seite der Halterung 308 angeordnet. Vorzugsweise ist der Abstand so gewählt, dass die Sensoren 310 die Rotation der Halterung 308 nicht behindern, da die Sensoren 310 relativ zu dem Kissen stationär sind, während die Halterung 308 den Wafer 301 in Richtung auf und gegen die Oberfläche des Kissens 304 dreht.
4A zeigt eine Schnittansicht der dielektrischen Schicht 102, der Diffusionssperrschicht 104 und der Kupferschicht 106. Die Dicke der Diffusionssperrschicht 104 und der Kupferschicht 106 kann von Wafer zu Wafer und von Oberflächenbereich zu Oberflächenbereich eines bestimmten zu polierenden Wafers variieren. Während eines Poliervorganges wird jedoch eine ungefähre Zeitspanne benötigt, um die gewünschte Menge des Materials von dem Wafer 301 herunterzupolieren. Beispielsweise wird relativ zu einer Zeit T₀, die den Zeitpunkt des Beginns des Poliervorganges bezeichnet, ungefähr eine Zeitspanne T₂ benötigt, um die Diffusionssperrschicht 104 zu entfernen, und es ist ungefähr eine Zeitspanne T₁ erforderlich, um das Kupfer 106 bis hinunter auf die Diffusionssperrschicht 104 zu entfernen.
Zu Veranschaulichungszwecken zeigt 4B eine Auftragung 400 eines Temperaturunterschiedes gegen die Zeit. Die Auftragung 400 des Temperaturunterschiedes gegen die Zeit zeigt eine Änderung des Temperaturunterschiedes auf der Oberfläche des Kissens 304 zwischen den Sensoren 310a und 310b. Beispielsweise ist der Wert 402a des Temperaturunterschiedes zu einem Zeitpunkt T₀ gleich Null, da der Poliervorgang noch nicht begonnen hat. Sobald der Poliervorgang auf dem Kupfermaterial beginnt, steigt der Temperaturunterschied 402b bis auf einen Temperaturunterschied ΔT_A an. Dieser Temperaturunterschied stellt einen Anstieg relativ zur AUS-Stellung dar, da die Temperatur des Kissens 304 zunimmt, wenn die Reibungsbelastung des Wafers 301 auf das Kissen 304 übertragen wird.
Der Temperaturunterschied ΔT_A steigt ebenfalls in Abhängigkeit von der Art des zu polierenden Materials auf einen gewissen Wert an. Sobald die Kupferschicht 106 von der gesamten in 4A gezeigten Struktur entfernt worden ist, wird der CMP-Vorgang auf der Diffusionssperrschicht 104 fortgesetzt. Zu Beginn des Poliervorganges des Materials der Diffusionssperrschicht ändert sich der Temperaturunterschied von 402b zu 402c. Der Temperaturunterschied 402c ist als ΔT_B dargestellt. Aufgrund der Tatsache, dass die Diffusionssperrschicht 104 aus einem härteren Material als die Kupferschicht 106 besteht, handelt es sich hier um einen Anstieg im Temperaturunterschied. Sobald die Diffusionssperrschicht 104 von der gesamten dielektrischen Schicht 102 entfernt worden ist, wird damit begonnen, weiteres dielektrisches Mate rial zu polieren, wodurch eine weitere Änderung im Temperaturunterschied zu einem Zeitpunkt T₂ verursacht wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Temperaturunterschied 402d durch ΔT_C dargestellt. Die Änderung zwischen ΔT_B und ΔT_C stellt somit ein Ziel für die Änderung des Temperaturunterschiedes 404 am Endpunkt dar. Dieses Ziel für die Änderung des Temperaturunterschiedes 404 am Endpunkt tritt ungefähr zu einem Zeitpunkt T₂ auf. Um zu gewährleisten, dass der geeignete Zeitpunkt für das Anhalten des Poliervorganges gekommen ist, und um sicherzustellen, dass die Diffusionssperrschicht 104 ordnungsgemäß von der dielektrischen Schicht 102 entfernt worden ist, wird vorzugsweise eine Überprüfung des Überganges von 402c auf 402d vorgenommen.
Wie in 4C gezeigt ist, wurden bei dem vergrößert dargestellten Ziel für die Änderung des Temperaturunterschiedes 404 am Endpunkt an mehreren Punkten P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, P₆ und P₇ Tests durchgeführt. Diese Punkte decken den Bereich zwischen den Temperaturunterschieden ΔT_B und ΔT_C ab. Wie gezeigt ist, deckt die Zeit T₂ den Bereich zwischen einem Zeitpunkt T₂ (P₁) und einem Zeitpunkt T₂ (P₇) ab. Um den besten und genauesten Endpunkt zu bestimmen, ist es erforderlich zu ermitteln, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der Zeitspanne T₂ angehalten werden soll. Die verschiedenen Punkte P₁ bis P₇ werden vorzugsweise analysiert, indem mehrere Testwafer poliert werden, die die gleichen Materialien und die gleichen Schichtdicken aufweisen. Durch Untersuchung der verschiedenen Schichten, die über unterschiedliche Zeitspannen poliert werden, und der Dicke der zugeordneten Schichten ist es möglich, einen genauen Zeitpunkt zu ermitteln, an dem der Poliervorgang angehalten werden muss. Beispielsweise kann der Poliervorgang an einem Punkt P₅ 405 angehalten werden statt an einem Punkt P_OP 407, der einen Zeitpunkt des Überpolierens darstellt. Die Technik des Überpolierens wird typischerweise beim Stand der Technik benutzt, wenn nicht sicher ist, ob die Diffusionssperrschicht oder irgendeine andere zu polierende Schicht wirklich von der gesamten Grundschicht (z.B. der dielektrischen Schicht) entfernt worden ist.
Durch Untersuchung des Überganges zwischen dem Zeitunterschied 402c und dem Zeitunterschied 402d ist es jedoch möglich, den richtigen Zeitpunkt zum Anhalten des Poliervorganges innerhalb eines Intervalls zu bestimmen (und somit einen genauen oder ziemlich genauen Endpunkt zu ermitteln), so dass die oben genannten Probleme der Kraterbildung und andere durch übermäßiges Polieren hervorgerufene Schäden, die bei empfindlichen metallisierten Verbindungsleitungen oder Strukturen auftreten könnten, vermieden werden.
5A zeigt eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Vielzahl von Sensoren 1 bis 10 und ein Paar Referenzsensoren R um eine Halterung 308 herum und in deren Nähe angeordnet sind. Es ist selbstverständlich, dass auch jede beliebige Anzahl von Sensorenpaaren verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform sind die Sensoren in fünf sich über den zu polierenden Wafer erstreckende Bereiche unterteilt. Wenn das Kissen in der Richtung 305 rotiert, werden Temperaturunterschiede zwischen den Sensoren 9 und 10, 5 und 6, 1 und 2, 3 und 4 und 7 und 8 erfasst. Jeder dieser Temperaturunterschiede ΔT₁ bis ΔT₅ entspricht einem der Bereiche 1 bis 5. Für jeden dieser Bereiche gibt es ein ermitteltes Ziel für den Temperaturunterschied, um den Endpunkt festzulegen.
Durch geeichte Tests kann festgestellt werden, dass sich die angestrebten Temperaturunterschiede für jeden Bereich wie in 5B dargestellt ändern können. Beispielsweise können die Bereiche 1 und 5 einen angestrebten Temperaturunterschied von 15, die Bereiche 2 und 4 einen angestrebten Temperaturunterschied von ungefähr 20 und der Bereich 3 einen Temperaturunterschied von ungefähr 35 haben. Durch Untersuchung der Temperaturunterschiede in jedem der Bereiche ist es möglich festzustellen, ob der geeignete Endpunkt für die unterschiedlichen Bereiche des zu polierenden Wafers in 5A erreicht worden ist. Dementsprechend sind die Ausführungsformen der 3 und 4 auch auf die Ausführungsformen der 5A und 5B anwendbar. Durch Analyse der unterschiedlichen Bereiche der Waferoberfläche ist es jedoch möglich, den Endpunkt für die verschiedenen Bereiche eines bestimmten Wafers genauer zu ermitteln. Es können natürlich mehr oder weniger Sensoren verwendet werden, was von der Anzahl der Bereiche abhängt, die überwacht werden sollen.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Sensoren 1 bis 10, die in 5A dargestellt sind. Die Sensoren 1 bis 10 (z.B. die Sensoren 110a und 110b in 3) sind in einer sich in der Nähe des Kissens befindenden, jedoch stationären Stellung angeordnet, die nicht wie die Halterung 308 rotiert. Durch Ermittlung der Temperatur an verschiedenen Stellen des gesamten Kissens 304 beim Fortschreiten des Poliervorganges können die Temperaturunterschiede ΔT₁ bis ΔT₅ an den verschiedenen Relativstellen des Kissens 304 ermittelt werden. Die erfassten Signale 309 werden dann dem Endpunkt-Signalprozessor 312 zugeführt.
Der Endpunkt-Signalprozessor 312 ist so gestaltet, dass er eine Mehrkanal-Digitalisierungskarte 462 (oder eine Digitalisierungsschaltung) umfasst. Die Mehrkanal-Digitalisierungskarte 462 ist so ausgebildet, dass sie jedes der Signale abtastet und ein entsprechendes Ausgangssignal 463 an einen CMP-Steuerungscomputer 464 ausgibt. Der CMP-Steuerungscomputer 464 kann dann die von der Mehrkanal-Digitalisierungskarte 462 erhaltenen Signale verarbeiten und sie in Form eines Signals 465 an eine graphische Anzeigeeinheit 466 weiterleiten. Die graphische Anzeigeeinheit 466 kann eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) umfassen, die die unterschiedlichen Bereiche des zu polierenden Wafers bildlich darstellt und anzeigt, wenn der geeignete Endpunkt für jeden einzelnen Bereich erreicht worden ist. Wenn der Endpunkt für einen Bereich vor dem Endpunkt für einen anderen Bereich erreicht worden ist, ist es möglich, einen entsprechenden Gegendruck auf den Wafer auszuüben oder den Gegendruck des Polierkissens in diesen bestimmten Bereichen zu ändern, in denen das Polieren verlangsamt abläuft, um die Gleichmäßigkeit des CMP-Vorganges zu verbessern und somit das Erreichen eines Endpunktes für den gesamten Wafer in einer gleichmäßigen Art und Weise (d.h. ungefähr zum gleichen Zeitpunkt) zu ermöglichen.
Wie ersichtlich ist, hat die Endpunktüberwachung der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass sie genauere CMP-Vorgänge auf dem gesamten Wafer und gezieltes Arbeiten in ausgewählten Bereichen des zu polierenden Wafers ermöglicht, um sicherzustellen, dass das gewünschte Material entfernt wurde, um eine saubere und trotzdem vollkommen unbeschädigte Oberfläche der unteren Schicht zu erhalten. Es sollte ebenfalls bemerkt werden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Er findung zum Überwachen ebenfalls so ausgebildet sind, dass sie einen Wafer nicht beschädigen können, der empfindlich gegenüber einer photochemischen Korrosion ist, wie oben beschrieben wurde. Ferner erfordern die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht, dass ein CMP-Kissen durch Kissenschlitze verändert wird oder dass Schlitze in eine Platte oder einen Drehtisch, die unterhalb des Kissens angeordnet sind, gebohrt werden müssen. Somit ist die Überwachung ein eher passiver Vorgang, der das präzise Polieren eines Wafers nicht behindert und trotzdem sehr genaue Angaben bezüglich des Endpunktes liefert, um den Poliervorgang präzise anhalten zu können.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass ein Fachmann nach dem Lesen der vorstehenden Beschreibung und dem Studium der Zeichnungen verschiedene Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten und gleichwertige Ersatzmöglichkeiten erkennen wird. Beispielsweise funktionieren die Techniken der Endpunktbestimmung bei allen Polierplattformen (z.B. Band, Tisch, rotierend, umlaufend usw.) und bei allen Größen von Wafern oder Substraten, wie beispielsweise 200 mm, 300 mm und größeren, sowie bei anderen Abmessungen und Formen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung all diese Änderungen, Zusätze, Austauschmöglichkeiten und gleichwertigen Ersatzmöglichkeiten umfasst, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Chemisch-mechanisches Poliersystem (300), umfassend: – ein Polierkissen (304), das so gestaltet ist, dass es sich linear von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt bewegen kann; – eine Halterung (308), die so gestaltet ist, dass sie ein zu polierendes Substrat (301) über dem Polierkissen halten kann, wobei die Halterung das Substrat in einer Polierlage, die sich zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten Punkt befindet, auf das Polierkissen drücken kann; gekennzeichnet durch: – einen ersten Sensor (310a), der an dem ersten Punkt angeordnet und so ausgerichtet ist, dass er eine IN-Temperatur des Polierkissens erfassen kann; – einen zweiten Sensor (310b), der an dem zweiten Punkt angeordnet und so ausgerichtet ist, dass er eine OUT-Temperatur des Polierkissens erfassen kann; – wobei während des Polierens des Substrats ein Temperaturunterschied zwischen der OUT-Temperatur und der IN-Temperatur überwacht wird und eine Änderung des Temperaturunterschiedes eine Änderung bei dem vom Substrat herunterzupolierenden Material anzeigt.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, weiter umfassend: – einen Endpunkt-Signalprozessor (312), wobei der Endpunkt-Signalprozessor so ausgebildet ist, dass er von dem ersten und dem zweiten Sensor erfasste Signale (309a, 309b) empfängt.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 2, bei dem die empfangenen Signale verarbeitet werden, um während des Polierens des Sub strats einen Temperaturunterschied zwischen der OUT-Temperatur und der IN-Temperatur zu überwachen.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 2, bei dem eine Änderung im Temperaturunterschied eine Änderung im Material anzeigt, das von dem Substrat herunterpoliert wird.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Sensor jeweils Infrarotsensoren sind.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Sensor in einem Abstand von ungefähr 1 mm bis ungefähr 250 mm zum Polierkissen angeordnet sind.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 2, bei dem der Endpunkt-Signalprozessor weiter umfasst: – eine Mehrkanal-Digitalisierungsschaltung, wobei die Mehrkanal-Digitalisierungsschaltung (462) zur Verarbeitung der erfassten Signale von dem ersten und dem zweiten Sensor ausgebildet ist.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 7, weiter umfassend: – ein Display für eine graphische Benutzeroberfläche (GUI), die mit dem Endpunkt-Signalprozessor verbunden und so ausgebildet ist, dass es die Endpunkt-Überwachungsbedingungen darstellt.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, weiter umfassend: – ein Array von Sensorpaaren, wobei das Array von Sensorpaaren den ersten Sensor und den zweiten Sensor einschließt und wobei jedes Paar der in dem Array angeordneten Sensoren so angeordnet ist, dass es Temperaturunterschiede, die zwei oder mehr Bereichen des zu polierenden Substrats zugeordnet sind, erfasst.
Chemisch-mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, bei dem das Substrat ein Halbleiter-Wafer oder eine Datenspeicherscheibe ist.
Verfahren zur Endpunktbestimmung, umfassend: – Bereitstellen eines Polierkissens (304); – Drücken eines Wafers (301) in einer Polierlage auf das Polierkissen, um eine erste Materialschicht von dem Wafer zu entfernen; gekennzeichnet durch: – Erfassen einer ersten Temperatur des Polierkissens an einer IN-Position, die sich vor der Polierlage befindet, durch einen ersten Sensor (310a); und – Erfassen einer zweiten Temperatur des Polierkissens an einer OUT-Position, die sich hinter der Polierlage befindet, durch einen zweiten Sensor (310b); – Berechnen eines Temperaturunterschiedes zwischen der zweiten Temperatur und der ersten Temperatur, und – Überwachen einer Änderung des Temperaturunterschiedes, wobei die Änderung einen Hinweis auf die Entfernung der ersten Schicht von dem Wafer darstellt.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 11, bei dem es sich bei dem Kissen um ein bandförmiges Kissen, ein plattenförmiges Kissen, ein rotierendes Kissen oder ein umlaufendes Kissen handelt.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 11, weiter umfassend: – Erzeugen einer Tabelle für den Temperaturunterschied, wobei die Tabelle für den Temperaturunterschied mehrere Temperaturunterschiede umfasst und wobei jeder Temperaturunterschied einem Typ von Material zugeordnet ist, das von dem Wafer herunterpoliert werden soll.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 11, bei dem die Änderung des Temperaturunterschiedes ferner eine Änderung bei der Entfernung der ersten Schicht, die aus dem ersten Materialtyp besteht, zur Entfernung einer anderen Schicht, die aus einem zweiten Materialtyp besteht, anzeigt.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 14, bei dem der erste Materialtyp ein Metallisierungsmaterial und der zweite Materialtyp ein Sperrschichtmaterial ist.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 14, bei dem der erste Materialtyp ein Diffusionssperrschichtmaterial und der zweite Materialtyp ein dielektrisches Material ist.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 12, bei dem das Erfassen die Erfassung der Temperatur durch Infrarot umfasst.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 12, weiter umfassend: – Erfassen mehrerer weiterer Paare von Positionen, wobei jedes weitere Paar von Positionen einen ersten Punkt, der vor der Polierlage liegt, und einen zweiten Punkt, der hinter der Polierlage liegt, umfasst.
Verfahren zur Endpunktbestimmung nach Anspruch 18, bei dem jedes der zusätzlichen Paare von Positionen zum Bereitstellen einer Endpunktbestimmung für mehrere zugeordnete Bereiche des Wafers ausgebildet ist.