DE69823100T2

DE69823100T2 - Abrichtgerät für chemisch-mechanisches Polierkissen

Info

Publication number: DE69823100T2
Application number: DE69823100T
Authority: DE
Inventors: Robert Ploessl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: EP0887151A3; EP0887151B1; DE69823100D1; JPH1158217A; TW393700B; KR19990007315A; US5885137A; EP0887151A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Halbleiterbauelementherstellung und insbesondere ein verbessertes chemisch-mechanisches Polieren („CMP") eines Halbleiterwafers, das zu einer effizienteren Ausbeute bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen führt.
Beschreibung des Stands der Technik
Zu den Fortschritten bei elektronischen Bauelementen zählt im allgemeinen die Größenreduzierung der Komponenten, die integrierte Schaltungen, ICs, wie etwa Speicherchips, Logikbauelemente und dergleichen bilden. Bei kleineren Schaltungskomponenten erhöht sich der Wert jeder Flächeneinheit eines Halbleiterwafers, da die Fähigkeit verbessert wird, den ganzen Waferbereich für IC-Komponenten zu verwenden. Um einen IC ordnungsgemäß auszubilden, der einen viel höheren Prozentsatz an verwendbarer Waferfläche verwendet, ist es äußerst wichtig, daß die Anzahl der Verunreinigungsteilchen auf der Halbleiterwaferoberfläche unter Niveaus reduziert wird, die zuvor akzeptabel waren. Beispielsweise sind für viele der populären fortgeschrittenen Schaltungsdesigns winzige Teilchen aus Oxiden und Metallen mit weniger als 0,2 Mikrometern unakzeptabel, da sie zwei oder mehr Leitungen kurzschließen können. Für das Reinigen eines Halbleiterwafers und das Entfernen unerwünschter Teilchen hat ein als chemisch-mechanisches Polieren („CMP") bekannter Prozeß großen Erfolg erlangt.
Allgemein wird bei CMP-Systemen ein Halbleiterwafer in Kontakt mit einem Poliertuch angeordnet, das sich relativ zu dem Halbleiterwafer bewegt. Der Halbleiterwafer kann stationär sein, oder er kann sich auch auf einem Träger, der den Wafer hält, drehen. CMP-Systeme verwenden oftmals zwischen dem Halbleiterwafer und dem Poliertuch eine Aufschlämmung. Die Aufschlämmung ist eine Flüssigkeit, die die sich bewegende Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer und. dem Poliertuch schmieren kann, während sie die Halbleiterwaferoberfläche mit einem Poliermittel wie etwa Siliziumoxid oder Aluminiumoxid sanft abschleift und poliert.
Da das Poliertuch die Halbleiterwaferoberfläche kontaktiert, ist es während des CMP-Prozesses üblich, daß das Poliertuch schließlich über seine Oberfläche hinweg ungleichmäßig erodiert oder sich abnutzt. Das Poliertuch muß deshalb durch eine Konditionierungsanordnung regelmäßig konditioniert werden. Die Konditionierungsanordnung enthält in der Regel mehrere Diamanten auf ihrer Konditionierungsoberfläche und bewegt sich seitlich über das Poliertuch, damit die Oberfläche des Tuchs gleichförmig konditioniert wird.
Eines der mit herkömmlichen CMP-Systemen verbundenen Grundprobleme ist die Anhäufung von Teilchen und Schmutzstoffen auf der Oberfläche des Poliertuchs, die in der Regel von dem Polierprozeß und dem Konditionierungsprozeß herrühren. Die Teilchen und die Schmutzstoffe beeinträchtigen den Polierprozeß, da sie im allgemeinen die Oberfläche des Halbleiterwafers verkratzen und sich wie Verunreinigungen abträglich auf den Betrieb der resultierenden integrierten Schaltung auswirken können.
Ein weiteres, mit herkömmlichen CMP-Systemen verbundenes Problem besteht darin, daß sich die Oberfläche des Poliertuchs ungleichmäßig abnutzen kann, da Wafer in der Regel in einer Position auf der Oberfläche des Poliertuchs ausgerichtet sind, wodurch die Poliergleichförmigkeit abträglich beeinflußt wird. Bei einem Versuch zur Korrektur dieses Problems enthalten herkömmliche Tuchkonditionierer (siehe beispielsweise JP 02 065967 A ) die Fähigkeit, sich seitlich über die Oberfläche des Tuchs zu bewegen. Sie weisen jedoch kein Mittel zum Justieren der relativen Position der Konditionierungselemente relativ zum Tuch auf, um die Konditionierungsintensität zu optimieren.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung zum Konditionieren eines Poliertuchs eines CMP-Systems, das Teilchen und Schmutzstoffe von der Oberfläche des Tuchs entfernt und die Optimierung der Konditionierungsintensität ermöglicht.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Vorrichtung enthält einen Poliertuchkonditionierer für ein CMP-System, das folgendes umfaßt: einen einen Hohlraum definierenden Körper, eine flexible Membran, die so positioniert ist, daß sie den Hohlraum einschließt, mindestens ein Konditionierungselement, das an der flexiblen Membran befestigt ist, und Mittel zum Justieren des Drucks im Hohlraum, um eine Position einer Membran relativ zu einem Poliertuch zu variieren. Das Mittel zum Justieren des Drucks im Hohlraum kann eine Fluidquelle umfassen, so daß ein Profil der flexiblen Membran als Reaktion auf einen reduzierten oder erhöhten Druck im Hohlraum variiert werden kann, um den Konditionierungsprozeß zu optimieren.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis des vorliegenden CMP-Tuchkonditionierers wird auf die folgende Beschreibung seiner Ausführungsbeispiele und auf die beiligenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers;
2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung, die der in 1 gezeigten ähnlich ist und einen Teilquerschnitt durch den vorliegenden CMP-Konditionierer zeigt;
3 eine Seitenansicht eines Poliertuchkonditionierers, teilweise im Querschnitt, gemäß einem von der vorliegenden Erfindung nicht abgedeckten Beispiel;
4 eine Seitenansicht eines Poliertuchkonditionierers im Querschnitt mit einer konkaven flexiblen Membran gemäß einer Ausführungsform;
5 eine Seitenansicht des Poliertuchkonditionierers von 4 im Querschnitt mit einer konvexen flexiblen Membran;
6 eine Bodenansicht, die eine geometrische Konfiguration mehrerer Konditionierungselemente darstellt, und
7 eine Bodenansicht, die eine weitere geometrische Konfiguration mehrerer Konditionierungselemente darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Poliertuchkonditionierer und ein Verfahren zum Konditionieren eines Poliertuchs eines chemischmechanischen Poliersystems. Bei einer Ausführungsform umfaßt der Foliertuchkonditionierer einen Körperteil, mindestens ein Konditionierungselement mit einer Konditionierungsoberfläche und eine Unterdruckquelle, die mit einer Öffnung im Konditionierungselement in Wirkverbindung steht. Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt der Poliertuchkonditionierer einen Körperteil, der einen Hohlraum definiert, eine flexible Membran, die so positioniert ist, daß sie den Hohlraum einschließt, mindestens ein daran befestigtes Konditionierungselement und Mittel zum Justieren des Drucks im Hohlraum, um ein Profil der flexiblen Membran zu variieren. Zu Vorteilen, die sich von dem vorliegenden Poliertuchkonditionierer ableiten lassen, zählt allgemein die Fähigkeit zu Bereitstellung einer effizienteren Ausbeute von Halbleiterwafern. Genauer gesagt stellt der Poliertuchkonditionierer Mittel zum Entfernen von Schmutzstoffen und Teilchen von der Oberfläche eines Poliertuchs und Mittel zum Optimieren des Konditionierungsprozesses bereit.
Nunmehr unter ausführlicher Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Stufe in dem typischen Halbleiterwafer-CMP-Prozeß, der eine Ausführungsform der Erfindung enthält. Zum Einleiten des Prozesses holt der am Roboterarm 24 angebrachte Waferträger 22 einen nicht gezeigten Halbleiterwafer von einer Ladekassette, die zahlreiche Halbleiterwafer enthalten kann. Der Halbleiterwafer umfaßt mehrere ICs, wie etwa Logikbauelemente oder Direktzugriffsspeicher (RAMs) einschließlich dynamischer RAMs (DRAMs), statischer RAMs (SRAMs) und synchroner DRAMs (SDRAMs). Die ICs auf dem Wafer können sich in verschiedenen Verarbeitungsstufen befinden. Der Halbleiterwafer wird in der Regel auf der Bodenfläche des Waferträgers 22 durch eine Unterdruckkraft gehalten. Der Waferträger 22 wird dann zu einer in 1 gezeigten Stelle bewegt, wo er eine Oberfläche des Halbleiterwafers einen Poliertuch 26 gegenüber hält, wobei zwischen Waferträger 22 und Poliertuch 26 ein Druck ausgeübt wird.
Das Poliertuch 26 kann an einer Platte angebracht sein, die bewirkt, daß sich das Tuch 26 bei diesem Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Während des Polierens kann sich auch der Waferträger 22 drehen, so daß die Oberfläche des Halbleiterwafers das Poliertuch 26 berührt, während sich beide bewegen. Obwohl gezeigt ist, daß sich der Waferträger 22 in der gleichen Richtung wie das Poliertuch 26 dreht (d. h. entgegen dem Uhrzeigersinn), kann es sich auch in einer dem Poliertuch 26 entgegengesetzten Richtung drehen. Die Drehkraft poliert zusammen mit der Polieroberfläche des Tuchs 26 und den schmierenden und abtragenden Eigenschaften der Aufschlämmung 28 den Halbleiterwafer. Ein Aufschlämmungsabgabemechanismus 30 gibt eine erforderliche Menge an Aufschlämmung 28 ab, damit das Tuch 26 beschichtet wird. Wenngleich der Prozeß beschrieben worden ist, bei dem sich das Poliertuch 26 dreht, wird in Betracht gezogen, daß sich das Poliertuch 26 in einer seitlichen Richtung oder einer Kombination aus seitlicher und Drehrichtung bewegen kann.
Da das Poliertuch 26 über seine Oberfläche hinweg schließlich eine Erosion oder Abnutzung erfährt, wird der Poliertuchkonditionierer 32 bereitgestellt, um die Oberfläche des Poliertuchs 26 zu konditionieren, damit eine konstante Polierrate und ein gleichförmiger, Polierprozeß beibehalten werden. Der Poliertuchkonditionierer 32 kann sich in einer Richtung drehen, die entweder die gleiche ist, wie die, in der sich das Poliertuch 26 dreht, oder dieser entgegengesetzt ist. Außerdem kann der Poliertuchkonditionierer 32 durch den Roboterarm 34 gesteuert seitlich, diametral oder radikal über das Tuch 26 bewegt werden, um ein Poliertuchprofil zu erzeugen, das größer ist als der Durchmesser des Poliertuchkonditionierers 32.
Nachdem das Polieren der Halbleiterwaferoberfläche beendet ist, bewegt der Roboterarm 24 den Waferträger 22 und den Halbleiterwafer zu einer nicht gezeigten Reinigungsstation, in der durch ein wäßriges Lösungsspray restliche Aufschlämmung vom Halbleiterwafer entfernt wird. Die wäßrige Lösung enthält beispielsweise eine den pH-wert steuernde Verbindung zum Steuern des vorbestimmten pH-Werts der Aufschlämmung und Entfernen der Aufschlämmung vom Halbleiterwafer. Die Lösung kann eine konzentrierte NH₄OH-Mischung enthalten, wie aus US-Patentnummer 5,597,443 an Hempel bekannt ist. Danach wird der Halbleiterwafer zu einer Ausladekassette bewegt, wo er einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden kann.
Wie oben erörtert, besteht ein mit herkömmlichen CMP-Systemen verbundenes Problem in der Anhäufung von Schmutzstoffen und Teilchen, die sich sowohl aus dem Polierprozeß als auch dem Konditionierungsprozeß ergeben, auf der Oberfläche des Poliertuchs 26, was Defekte auf der Oberfläche des polierten Halbleiterwafers hervorruft.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Poliertuchkonditionierer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie gezeigt, umfaßt der Poliertuchkonditionierer 40 einen an einem Roboterarm 44 angebrachten Waferträger 42 und ein Poliertuch 46. Außerdem umfaßt der Poliertuchkonditionierer 40 mehrere Kanäle im Roboterarm 48, die an einem proximalen Ende mit dem Körperteil 50 des Poliertuchkonditionierers 40 in Verbindung stehen. Wie dargestellt, steht ein distales Ende jedes der beiden äußeren Kanäle 52 mit einer Unterdruckquelle in Wirkverbindung, die an die Oberfläche des Poliertuchs 46 einen Unterdruck anlegt, wie unten ausführlicher erörtert wird. Ein distales Ende des mittleren Kanals 54 steht mit einer Fluidquelle in Wirkverbindung, um die Position einer flexiblen Membran zu variieren, die innerhalb des Poliertuchkonditioniererkörperteils 50 angeordnet ist, wie unten ausführlicher erörtert wird. Es wird somit in Betracht gezogen, daß die in 2 gezeigte Ausführungsform des Poliertuchkonditionierers 40 ein Hybrid ist, der mindestens eines der Merkmale der Ausführungsformen enthält, die unter Bezugnahme auf die 3–7 erörtert werden.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 zeigt ein Poliertuchkonditionierer 60 ein Beispiel, das eine nicht gezeigte Unterdruckquelle umfaßt, die mit einem distalen Ende mindestens eines der im Roboterarm 68 ausgebildeten Kanäle 62, 64 und 66 in Wirkverbindung steht. Der mittlere Kanal 64 verläuft durch den Arm 68 und öffnet sich zu einem Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche des Körperteils 76, Konditionierungselemente 80 und die Oberfläche des Poliertuchs 70 gebildet wird. Die beiden äußeren Kanäle 62 und 66 stehen mit Kanäle 72 und 74 im Körperteil 76 und Öffnungen 78 in Konditionierungselementen 80 in Verbindung. Somit steht die Unterdruckquelle in Wirkverbindung mit der Oberfläche des Poliertuchs 70, um in Richtung der Pfeile Schmutzstoffe und Teilchen von dort zu entfernen. Es wird außerdem in Betracht gezogen, daß ein einziger Kanal eine Unterdruckquelle mit einer Oberfläche des Poliertuchs 70 verbinden kann, statt der mehreren oben beschriebenen Kanäle. Vorteilhafterweise kann die Unterdruckkraft justiert werden, um die Teilchen effektiv zu entfernen, wobei auf dem Poliertuch 70 eine erhebliche Menge der Aufschlämmung zurückbleibt. Während die Konditionierungsoberfläche 82 der Konditionierungselemente 80 die Oberfläche des Poliertuchs 70 konditioniert, bildet außerdem die Oberfläche 82 eine Dichtung an der Oberfläche des Tuchs 70, so daß die Unterdruckkraft beibehalten wird und die Schmutzstoffe und Teilchen, die sich aus dem Konditionierungsprozeß ergeben, effektiv entfernt werden.
Wenngleich andere Konfigurationen in Betracht gezogen werden können, ist die bevorzugte geometrische Konfiguration der Konditionierungselemente 80 von 3 in 6 dargestellt. So gestattet der in 3 dargestellte Poliertuchkonditionierer, daß der Konditionierungsprozeß und das Entfernen von Schmutzstoffen und Teilchen gleichzeitig und nebeneinander ablaufen, um die Menge an Schmutzstoffen und Teilchen, die die Oberfläche eines einem chemisch/mechanischen Polieren unterzogenen Halbleiterwafers beeinträchtigen können, zu eliminieren oder auf ein Minimum zu reduzieren.
Wie in den 4 und 5 dargestellt, enthält eine Ausführungsform des vorliegenden Poliertuchkonditionierers einen einen Hohlraum 92 definierenden Körperteil 90. Eine flexible Membran 94 ist so positioniert, daß sie den Hohlraum 92 einschließt, und ist an seiner Peripherie fixiert. Ein Kanal 96 mit einem proximalen Ende, das in den Hohlraum 92 auf der oberen Oberfläche der flexiblen Membran 94 mündet, steht an einem distalen Ende mit einer Fluidquelle in Wirkverbindung, um im Kanal 96 und im Hohlraum 92 einen erhöhten oder reduzierten Druck zu erzeugen.
Wie in 4 dargestellt, biegt sich die Mitte der flexiblen Membran 94 als Reaktion auf einen reduzierten Druck im Hohlraum 92 und im Kanal 96 in Richtung des Pfeils nach oben. So ist das Profil der flexiblen Membran 94 relativ zu einem Poliertuch konkav. Wie gezeigt, werden an der Bodenfläche der Membran 94 angebrachte Konditionierungselemente 98 von der Oberfläche eines Poliertuchs weggezogen, wodurch die Konditionierungsintensität geändert und die Fähigkeit zum Steuern des Tuchprofils bereitgestellt wird. Bei einer Ausführungsform wird das Tuchprofil so justiert, daß man eine optimale Poliergleichförmigkeit erhält. Der reduzierte Druck im Hohlraum 92 und im Kanal 96 liegt beispielsweise bevorzugt im Bereich zwischen etwa 0 psig und 5 psig. Es eignen sich auch andere Drücke, die zu dem gewünschten Tuchprofil führen.
Wie in 5 gezeigt, biegt sich die Mitte der flexiblen Membran 94 als Reaktion auf einen erhöhten Druck im Hohlraum 92 und im Kanal 96 in Richtung des Pfeils nach unten. So wird das Profil der flexiblen Membran 94 relativ zu einem Poliertuch konvex. Wie gezeigt, werden die an der Bodenfläche der flexiblen Membran 94 angebrachten Konditionierungselemente 98 in Richtung einer Oberfläche eines Poliertuchs ausgefahren, wodurch die Konditionierungsintensität durch Steuern des Tuchprofils geändert wird, was zu einer optimalen Poliergleichförmigkeit führt. Der erhöhte Druck im Hohlraum 92 und im Kanal 96 liegt beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0 psig und 5 psig. Zusätzlich sind auch andere Drücke geeignet, die das gewünschte Tuchprofil erzeugen.
Der Zweck der Bereitstellung einer flexiblen Membran besteht darin, das Tuchprofil zu steuern, wodurch ein Bediener den Konditionierungsprozeß optimieren kann. Wenngleich das Variieren des Profils der flexiblen Membran 94 unter Bezugnahme auf einen Kanal beschrieben worden ist, der in der Regel mit einem pneumatischen, hydraulischen oder Unterdruck in Verbindung steht, eignen sich auch andere Techniken, wie etwa beispielsweise die Verwendung piezoelektrischer Elemente. Der angelegte Druck zwischen Konditionierungselementen 98 und einem Poliertuch kann auch dadurch gesteuert werden, daß der Roboterarm den Abstand des Körperteils 90 vom Poliertuch variiert, um die Poliergleichförmigkeit weiter zu optimieren. Ungeachtet einer Erhöhung oder Reduzierung des von der Fluidquelle oder einem anderen Mittel auferlegten Drucks wird sich die flexible Membran auch mechanisch biegen, indem die Kraft auf den Körperteil 90 über den Roboterarm variiert wird. Es wird in Betracht gezogen, daß der Poliertuchkonditionierer justiert werden kann, um Kontakt mit einer Oberfläche eines Tuchs aufrechtzuerhalten, während ein Verlust an Tuchdicke aufgrund seiner Erosion kompensiert wird.
Es wird in Betracht gezogen, daß bei dem vorliegenden Poliertuchkonditionierer mehrere Konditionierungselemente mit verschiedenen geometrischen Konfigurationen verwendet werden können. Zwei Ausführungsformen dieser sind in den 6 und 7 dargestellt. Wie oben erörtert, können in 6 dargestellte Konditionierungselemente 80, die mehrere konzentrische kreisförmige Ringe bilden, vorteilhafterweise in dem in 3 dargestellten Poliertuchkonditionierer eingesetzt werden. 7 zeigt einen Poliertuchkonditionierer 100 mit mehreren im wesentlichen kreisförmig geformten Konditionierungselementen 102. Wenn es vorteilhaft ist, im wesentlichen kreisförmige Polierelemente 102 zu verwenden, beispielsweise in der bezüglich 3 beschriebenen Ausführungsform, kann an der Außenperipherie des Poliertuchkonditionierers 100 eine Dichtung 104 vorgesehen sein, um die Unterdruckkraft aufrechtzuerhalten. Bei jeder geometrischen Konfiguration sind bevorzugt mehrere Diamanten an der Oberfläche der Konditionierungselemente 80 und 102 angebracht, um den Konditionierungsprozeß zu erleichtern.
Wenngleich hier veranschaulichende Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden sind, versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf jene präzisen Ausführungsformen beschränkt ist und daß darin vom Fachmann innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, zahlreiche andere Änderungen und Modifikationen bewirkt werden können.

Claims

Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem zum Polieren eines Halhleiterwafer, umfassend: einen einen Hohlraum (92) definierenden Körper, eine flexible Membran (94), die so positioniert ist, daß sie den Hohlraum einschließt, mindestens ein Konditionierungselement (98), das an der flexiblen Membran befestigt ist, und Mittel zum Justieren des Drucks im Hohlraum, um eine Position der Membran relativ zu einem Poliertuch zu variieren.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Justieren des Drucks im Hohlraum eine Fluidquelle umfaßt.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 2, wobei die flexible Membran infolge eines reduzierten Drucks im Hohlraum relativ zum Poliertuch ein konkaves Profil aufweist.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 2, wobei die flexible Membran infolge eines erhöhten Drucks im Hohlraum relativ zum Poliertuch ein konvexes Profil aufweist.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, wobei das Konditionierungselement eine Konditionierungsoberfläche enthält, die darauf Diamantteilchen trägt.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine an der flexiblen Membran befestigte Konditionierungselement (102) eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweist.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, wobei mehrere Konditionierungselemente (80), die konzentrische Ringe bilden, an der flexiblen Membran befestigt sind.
Poliertuchkonditionierer für ein chemisch/mechanisches Poliersystem nach Anspruch 1, weiterhin mit einem an einer oberen Oberfläche des Körpers angebrachten Arm, wobei der Körper relativ zum Arm gedreht werden kann.