DE19833052A1 - Chemical-mechanical polishing unit, especially for polishing semiconductor wafers, has a resistive sensor with a resistance varying with the sensor material quantity removed during polishing for accurate and reliable end-point detection - Google Patents
Chemical-mechanical polishing unit, especially for polishing semiconductor wafers, has a resistive sensor with a resistance varying with the sensor material quantity removed during polishing for accurate and reliable end-point detectionInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen chemisch me chanisches Poliergerät zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers und auf ein Verfahren zum Bestimmen des von einem Halbleiterwafer entfernten Materiales während eines Po lierens mit einem chemisch mechanischen Poliergerät. Insbe sondere bezieht sie sich auf die Endpunkterfassung während des chemisch mechanischen Polierens.The present invention relates to a chemical me mechanical polisher for polishing a surface of a Semiconductor wafers and a method for determining the a semiconductor wafer removed material during a Po with a chemical mechanical polisher. In particular in particular, it relates to endpoint acquisition during the chemical mechanical polishing.
Chemisch mechanisches Polieren (CMP) ist als wichtige Halblei tertechnologie insbesondere für Vorrichtungen mit kritischen Abmessungen kleiner als 0,3 µm aufgetaucht. Ein wichtiger Aspekt der CMP-Steuerung ist die Endpunkterfassung (EPD), d. h. das Bestimmen, wann das Polieren während des Poliervorganges zu beenden ist. Die EPD-Systeme sind im Prinzip EPD-Systeme an Ort und Stelle, die die Endpunkterfassung während des Polier vorganges ermöglichen. Chemical mechanical polishing (CMP) is an important semi-lead tertechnologie especially for devices with critical Dimensions submerged less than 0.3 µm. An important The aspect of the CMP control is the end point acquisition (EPD), i. H. determining when to polish during the polishing process is to be ended. The EPD systems are basically EPD systems Place that the end point acquisition during the polishing enable the process.
Eine Klasse der EPD-Techniken zur Ausführung an Ort und Stelle nach dem Stand der Technik beinhaltet das elektrische Messen der Änderungen der Kapazität, der Impedanz oder der Konduktanz des Testaufbaues auf dem Wafer und Berechnen des Endpunktes auf der Grundlage der Analyse dieser Daten.A class of EPD techniques to perform on the spot according to the state of the art includes electrical measurement changes in capacitance, impedance or conductance of the test setup on the wafer and calculation of the end point based on the analysis of this data.
Eine andere elektrische Annäherung, die sich als der Produkti on Wert erwiesen hat, ist die Erfassung der Änderungen in der Reibung zwischen dem Wafer, der poliert wird, und dem Polier kissen. Das Erfassen der Änderungen des Motorstromes führt solche Messungen durch. Dieses Verfahren ist nur für die EPD für das Metall-CMP zuverlässig wegen der Unähnlichkeit des (Reibungs-)Koeffizienten zwischen dem Polierkissen und dem Wolframtitan-Nitridtitanfilm im Vergleich mit dem des Polier kissens und dem Oxid unter dem Metall. Mit den fortgeschritte nen Verbindungsleitern wie Polysilizium, Oxid, Kupfer und Bar rierenmetallen, z. B. Tantal oder Tantalnitrid ist der Rei bungskoeffizient ähnlich zu dem unterliegenden Oxid. Diese An näherung beruht auf der Erfassung des Cu-Tantalnitridübergan ges und das Zufügen einer zusätzlichen Polierzeit. Innere Vor gangsvariationen in der Dicke und der Zusammensetzung der ver bleibenden Zwischenschicht bedeuten, daß die letzte Endpunk tauslösezeit weniger genau als wünschenswert ist.Another electrical approach that turns out to be the product has proven value is the capture of changes in the Friction between the wafer being polished and the polisher pillow. The detection of changes in motor current leads such measurements by. This procedure is only for the EPD reliable for the metal CMP because of the dissimilarity of the (Friction) coefficient between the polishing pad and the Tungsten titanium nitride titanium film compared to that of polishing kissens and the oxide under the metal. With the progress connecting conductors such as polysilicon, oxide, copper and bar renal metals, e.g. B. Tantalum or tantalum nitride is the Rei exercise coefficient similar to the underlying oxide. This to approximation is based on the detection of the Cu tantalum nitride transition and adding an additional polishing time. Inner front gear variations in the thickness and composition of the ver permanent interlayer mean that the last end point Thawing time less accurate than is desirable.
Ein anderes Verfahren benutzt eine akustische Annäherung. Bei der ersten akustischen Annäherung erzeugt ein Akustikmeßwand ler ein Akustiksignal, das sich durch die Oberflächen schicht(en) des Wafers ausbreitet, der poliert wird. Einige Reflexionen treten an der Schnittstelle zwischen den Schichten auf, und ein zum Erfassen der reflektierten Signale angeordne ter Sensor kann zum Bestimmen der Dicke der obersten Schicht benutzt werden, während sie poliert wird. Die zweite Akusti kannäherung ist die Benutzung eines Akustiksensors zum Erfas sen der Akustiksignale, die während des CMP erzeugt werden. Solche Signale haben einen Spektral- und Amplitudeninhalt, der sich während des Ablaufes des Polierzyklus entwickelt. Bis jetzt ist jedoch noch kein Endpunkterfassungssystem für die Benutzung an Ort und Stelle kommerziell erhältlich, das aku stische Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes benutzt.Another method uses acoustic approximation. At The first acoustic approach creates an acoustic measuring wall an acoustic signal that is reflected in the surfaces spreads layer (s) of the wafer being polished. Some Reflections occur at the interface between the layers and arranged to detect the reflected signals The sensor can be used to determine the thickness of the top layer be used while it is being polished. The second acoustic approximation is the use of an acoustic sensor for detection the acoustic signals generated during the CMP. Such signals have a spectral and amplitude content that develops during the course of the polishing cycle. To however, there is still no endpoint detection system for that Use commercially available on the spot, the aku statistical methods used to determine the end point.
Schließlich erfassen optische EPD-Systeme, wie sie beispiels weise in dem US-Patent 5 433 651 an Lustig u. a. ausgegeben ist, Änderungen in einem reflektierten optischen Signal, das ein Fenster in der Auflagenplatte eines drehenden CMP- Werkzeuges benutzt. Das Fenster verkompliziert jedoch den CMP- Vorgang, da es eine Ungleichmäßigkeit in dem Polierkissen für den Wafer darstellt. Solch ein Bereich kann auch Schlamm und Polierabfall aufsammeln.Finally, optical EPD systems, such as those recorded in U.S. Patent 5,433,651 to Lustig et al. a. spent is changes in a reflected optical signal that a window in the platen of a rotating CMP Tool used. However, the window complicates the CMP Operation as there is an unevenness in the polishing pad for represents the wafer. Such an area can also be mud and Collect polishing waste.
Das US-Patent 5 413 941 offenbart ein Verfahren, bei dem der Wafer von dem Kissen um kleinen Betrag abgehoben wird und ein Lichtstrahl zwischen den Wafer und das mit Schlamm beschichte ten Kissen gerichtet wird. Der Lichtstrahl tritt in einem kleinen Winkel so auf, daß vielfache Reflexion auftritt. Die irreguläre Topographie auf dem Wafer verursacht Streuung, wenn jedoch eine ausreichende Polierung vor dem Anheben des Trägers durchgeführt ist, ist die Waferoberfläche im wesentlichen flach, und es gibt sehr wenig Streuung aufgrund der Topogra phie auf dem Wafer. Die Schwierigkeit mit dieser Annäherung ist die, daß man den normalen Prozeßzyklus zum Durchführen der Messung unterbrechen muß.U.S. Patent 5,413,941 discloses a method in which the Wafer is lifted off the pillow by a small amount and one Beam of light between the wafers and coated with mud pillow. The light beam comes in one small angle so that multiple reflection occurs. The irregular topography on the wafer causes scatter when however, adequate polishing before lifting the beam is performed, the wafer surface is essentially flat, and there is very little variation due to the topogra phie on the wafer. The difficulty with this approach is that you can use the normal process cycle to perform the Interrupt measurement.
Das US-Patent 5 643 046 beschreibt die Benutzung des Überwa chens der Absorption spezieller Wellenlängen in dem Infra rotspektrum eines Strahles, der durch einen Wafer geht, der poliert wird. Änderungen in der Absorption innerhalb von schmalen, wohldefinierten Spektralfenstern entsprechen der Än derung der Dicke des speziellen Types der Schicht.U.S. Patent 5,643,046 describes the use of the monitor absorption of specific wavelengths in the infra red spectrum of a beam that passes through a wafer that is polished. Changes in absorption within narrow, well-defined spectral windows correspond to the Än change in the thickness of the special type of layer.
Jedes dieser obigen Verfahren hat Nachteile. Was nötig ist, ist ein neues Verfahren zur Endpunkterfassung, das in Fabrika tionsumgebung nutzbar sein kann.Each of the above methods has drawbacks. What is needed is a new endpoint capture process that is used in Fabrika tion environment can be used.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Poliergerät und ein Endpunktbestimmungsverfahren vorzusehen, mit denen der End punkt des Polierens genau und zuverlässig bestimmt werden kann.It is therefore an object of the invention, a polisher and a Endpoint determination procedures to provide for the end point of polishing can be determined precisely and reliably can.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Poliergerät mit den Merk malen des Anspruches 1.This problem is solved by a polisher with the Merk paint of claim 1.
Diese Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 12.This task is also solved by a method with the features of claim 12.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.Preferred embodiments of the invention result from the respective subclaims.
Das neue chemisch mechanische Poliergerät benutzt eine elek trische Läppungsführung zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers. Das Poliergerät weist einen Poliertisch zum Halten eines Polierkissens auf. Ein drehbares Waferspannfutter hält den Halbleiterwafer gegen das Polierkissen. Eine elektri sche Läppungsführung ist an dem Waferspannfutter befestigt. Ein Mikroprozessor wandelt die Läppungsrate in einen normali sierten Wert um. Die elektrische Läppungsführung weist einen Polierwiderstandssensor und eine Vorspannvorrichtung auf. Der Polierwiderstandssensor weist einen variablen Widerstand in Abhängigkeit des Betrages des Materiales, das von dem Wider standssensor während des Polierens entfernt worden ist, auf. Die Vorspannvorrichtung übt eine Vorspannung auf den Wider standssensor derart aus, daß der Widerstandssensor während des Polierens in Kontakt mit dem Polierkissen steht. Das Gerät weist noch eine Widerstandserfassungseinrichtung zum Bestimmen des variablen Widerstandes des Widerstandssensors auf.The new chemical mechanical polisher uses an elec trical lapping guide for polishing a surface of a Semiconductor wafers. The polisher has a polishing table Hold on to a polishing pad. A rotatable wafer chuck holds the semiconductor wafer against the polishing pad. An electrical Lapping guide is attached to the wafer chuck. A microprocessor converts the lapping rate into a normal one value. The electric lapping guide has one Polishing resistance sensor and a pretensioner. The Polishing resistance sensor has a variable resistance Dependence of the amount of the material on the contra level sensor has been removed during polishing. The pretensioner applies a pretension to the counter level sensor so that the resistance sensor during the Polishing is in contact with the polishing pad. The device also has a resistance detection device for determining of the variable resistance of the resistance sensor.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:Further features and advantages of the invention result itself from the following description based on the figures. Of the figures show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines CMP- Gerätes, das eine Ausführungsform der vor liegenden Erfindung darstellt; Fig. 1 is a schematic representation of a CMP device, which is an embodiment of the prior invention;
Fig. 2 eine schematische Abbildung der elektri schen Läppungsführung, die gemäß der Aus führungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist; Fig. 2 is a schematic illustration of the electrical lapping guide, which is formed according to the imple mentation form of the present invention;
Fig. 3 eine schematische Abbildung eines Wider standssensors, der gemäß der Ausführungs form der Erfindung gebildet ist; Fig. 3 is a schematic illustration of an opposing level sensor, which is formed according to the embodiment of the invention;
Fig. 4 eine schematische Abbildung einer elektri schen Schaltung, die gemäß der Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung ge bildet ist; FIG. 4 is a schematic illustration of an electrical circuit formed according to the embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 5 eine detaillierte Ansicht eines Wider standssensors, der aus einem Widerstands feld gebildet ist; und Fig. 5 is a detailed view of an opposing sensor, which is formed from a resistance field; and
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform des Widerstandssensors. Fig. 6 is a schematic view of another embodiment of the resistance sensor.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Endpunkterfassen (EPD) unter Benutzung einer elektrischen Läp pungsführung, die an einem Waferträger befestigt ist. Chemisch mechanische Poliermaschinen (CMP-Maschinen) enthalten typi scherweise eine Vorrichtung zum Halten eines Wafers oder Sub strates, die zu polieren sind (auch als "Waferspannfutter" be zeichnet), ein Polierkissen und eine Vorrichtung zum Tragen des Kissens (auch als "Auflageplatte" bezeichnet). Ein Schlamm bzw. eine Schmirgelpulver-Emulsion wird zum Polieren benötigt und wird entweder direkt zu der Oberfläche des Kissens oder durch Löcher und Rillen in dem Kissen direkt zu der Oberfläche des Wafers geliefert. Das Steuersystem der CMP-Maschine be wirkt, daß Motoren die Oberfläche des Wafers gegen die Kis senoberfläche mit einen vorgeschriebenen Kraftbetrag drücken. Die Bewegung des Wafers ist willkürlich, aber typischerweise ist es eine Drehbewegung. Weiter ist die Bewegung des Polier kissens entweder eine Drehbewegung oder eine umlaufende Bewe gung. Die anderen Bauteile des CMP-Werkzeuges, die nicht spe ziell gezeigt oder beschrieben sind, sind dem Fachmann be kannt.The present invention relates to a method for Endpoint detection (EPD) using an electrical lap tion guide, which is attached to a wafer carrier. Chemically mechanical polishing machines (CMP machines) contain typi a device for holding a wafer or sub strates that are to be polished (also called "wafer chucks") draws), a polishing pad and a device for carrying the pillow (also known as a "platen"). A mud or an emery powder emulsion is required for polishing and either goes directly to the surface of the pillow or through holes and grooves in the pillow directly to the surface of the wafer delivered. The control system of the CMP machine be acts that motors the surface of the wafer against the kis Press surface with a prescribed amount of force. The movement of the wafer is arbitrary, but typical it is a rotary motion. Next is the movement of the polisher kissens either a rotating movement or a rotating movement supply. The other components of the CMP tool that do not save are shown or described, are skilled in the art knows.
Eine schematische Darstellung des Gesamtsystemes des Polierge rätes ist in Fig. 1 gezeigt. Es wird Bezug genommen auf Fig. 1, ein Waferspannfutter 101 trägt einen zu polierenden Wafer 103. Das Waferspannfutter 101 dreht sich um seine vertikale Achse 105. Ein Kissenaufbau 107 enthält ein Polierkissen 109, das auf einem Poliertisch 111 angebracht ist. Der Poliertisch ist an einem Antrieb oder einer Motorvorrichtung (nicht ge zeigt) befestigt, der zum Bewegen des Kissenaufbaues 107 in der gewünschten Weise betrieben wird.A schematic representation of the overall system of the polishing device is shown in FIG. 1. Reference is made to FIG. 1, a wafer chuck 101 supports a wafer to be polished 103rd The wafer chuck 101 rotates about its vertical axis 105 . A cushion assembly 107 includes a polishing pad 109 that is mounted on a polishing table 111 . The polishing table is attached to a drive or motor device (not shown) that operates to move the pad assembly 107 in the desired manner.
Eine elektrische Läppungsführung (ELG) 113 ist vorgesehen zur Anbringung an dem Umfang des Waferspannfutters 101. Die An bringung an dem Waferspannfutter 101 findet durch Klebstoff oder mechanische Schrauben statt. Weiter können eine Mehrzahl von ELGs entlang des Umfanges des Waferspannfutters 101 zum Ermöglichen eines robusten Betriebes angeordnet sein. Insbe sondere können einen Mehrzahl von ELGs 113 benutzt werden zum Bestätigen des Betrages von Material, das während des Polie rens entfernt wird, und zum Vorsehen des Messens der Gleich förmigkeit des Polierens.An electrical lapping guide (ELG) 113 is provided for attachment to the periphery of the wafer chuck 101 . The attachment to the wafer chuck 101 takes place by adhesive or mechanical screws. Furthermore, a plurality of ELGs can be arranged along the periphery of the wafer chuck 101 to enable robust operation. In particular, a plurality of ELGs 113 can be used to confirm the amount of material removed during polishing and to provide for measuring the uniformity of the polishing.
Fig. 2 ist ein detailliertere Darstellung der ELG 113. Es wird Bezug genommen auf Fig. 2, die ELG 113 weist ein Gehäuse 201, eine Feder 203 und einen Widerstandssensor 205 auf. Das Gehäuse weist eine zylindrische Form mit einem offenen Hohl raum 202 auf, der nach unten zu dem Polierkissen 109 offen ist. Wie oben ausgeführt wurde, ist das Gehäuse 201 fest an dem Waferspannfutter 101 angebracht und bewegt sich daher im mit dem Waferspannfutter 101. Obwohl das Gehäuse 201 als zy lindrisch gezeigt ist, kann das Gehäuse 201 in anderen Formen ausgeführt werden. Das Gehäuse 201 muß nur geeignet sein zum einfachen Anbringen an dem Waferspannfutter 101 und geeignet sein zum Aufnehmen der Feder 103 und des Widerstandssensors 205. Das Gehäuse 201 könnte zum Beispiel rechteckig oder qua dratisch sein. Der Widerstandssensor 205 paßt in den offenen Hohlraum 202 und gleitet in Längsrichtung innerhalb des offe nen Hohlraumes 202 nach unten. Der Widerstandssensor 205 (wei ter unten beschrieben) ist aus einem Siliziumsubstrat mit ei nem Feld paralleler elektrischer Widerstände gebildet, die aus Polysilizium gebildet sind. Fig. 2 is a detailed illustration of the ELG 113th Referring to FIG. 2, the ELG 113 includes a housing 201, a spring 203 and a resistance sensor 205. The housing has a cylindrical shape with an open cavity 202 , which is open down to the polishing pad 109 . As stated above, the housing 201 is fixedly attached to the wafer chuck 101 and therefore moves in the same way as the wafer chuck 101 . Although housing 201 is shown as cylindrical, housing 201 can be embodied in other forms. The housing 201 only has to be suitable for simple attachment to the wafer chuck 101 and suitable for receiving the spring 103 and the resistance sensor 205 . For example, housing 201 could be rectangular or square. The resistance sensor 205 fits into the open cavity 202 and slides longitudinally within the offe NEN cavity 202 downward. Resistance sensor 205 (described below) is formed from a silicon substrate with an array of parallel electrical resistors that are formed from polysilicon.
Die Feder 203 ist an der hinteren inneren Oberfläche des offe nen Hohlraumes und an einem Ende des Widerstandssensors 205 befestigt. Die Feder 203 dient zum Ausüben einer mechanischen Vorspannung auf den Widerstandssensor 205 nach unten. Auf die se Weise steht der Widerstandssensor 205 in Kontakt mit dem Polierkissen 109 zu der Zeit, zu der der Wafer 103 in Kontakt mit dem Polierkissen 109 steht. Die Feder 203 kann durch ande re Vorspannmechanismen ersetzt werden, wie zum Beispiel ein einfaches Gewicht oder ein Hydraulikmechanismus mit variablem Druck. Der Hydraulikmechanismus mit variablem Druck kann einen einstellbaren Druck nach unten auf den Widerstandssensor 205 ausüben.The spring 203 is attached to the rear inner surface of the open cavity and at one end of the resistance sensor 205 . The spring 203 serves to exert a mechanical prestress on the resistance sensor 205 downwards. In this manner, the resistance sensor 205 is in contact with the polishing pad 109 at the time the wafer 103 is in contact with the polishing pad 109 . The spring 203 can be replaced by other biasing mechanisms, such as a simple weight or a hydraulic mechanism with variable pressure. The variable pressure hydraulic mechanism can apply an adjustable pressure downward to the resistance sensor 205 .
Aber auch mit einer Feder 203 kann unter Kenntnis der Bezie hungen zwischen ausgeübtem Druck und Polierrate der Betrag des durch die Feder 203 ausgeübten Druckes "normalisiert" werden zu dem auf den Wafer ausgeübten Druck. Auf solche Weise können die Polierraten zueinander normalisiert werden.But even with a spring 203 , knowing the relationships between the pressure exerted and the polishing rate, the amount of pressure exerted by the spring 203 can be "normalized" to the pressure applied to the wafer. In this way, the polishing rates can be normalized to one another.
Insbesondere werden vier Primärfaktoren benutzt, die sich auf
die Polierrate des Widerstandssensors 205 zu der Polierrate
des Wafers 103 beziehen:
In particular, four primary factors are used which relate to the polishing rate of the resistance sensor 205 and the polishing rate of the wafer 103 :
- (1) der mit P1 bezeichnete durch die Feder 203 auf den Wider standssensor 205 ausgeübte Druck;(1) the P 1 designated by the spring 203 on the resistance sensor 205 exerted pressure;
- (2) der mit P2 bezeichnete durch das Waferspannfutter 101 auf den Wafer 103 ausgeübte Druck (als "Rückseitendruck" bekannt);(2) the pressure, designated P 2 , exerted on the wafer 103 by the wafer chuck 101 (known as "backside printing");
- (3) das Material des Widerstandssensors 205 und(3) the material of the resistance sensor 205 and
- (4) das von dem Wafer 103 zu polierende Material (typischer weise Oxide, Polysilizium oder Wolfram).(4) the material to be polished by wafer 103 (typically oxides, polysilicon or tungsten).
Es bestimmt worden, daß allgemein die Polierrate für die mei sten Materialien linear mit den Druckvariationen variieren. Daher kann unter der Annahme, daß sowohl das Wafermaterial, das zu polieren ist, und das Material des Widerstandssensors 205 die gleichen sind, die Polierrate für sowohl den Wider standssensor als auch den Wafer 103 leicht auf der Grundlage der ausgeübten Drücke P1 und P2 bestimmt werden. Sobald die zwei Polierraten bestimmt worden sind, ist es einfach, den Be trag des Wafermateriales, der entfernt worden ist, auf der Grundlage des Betrages des Widerstandssensors 205, der ent fernt worden ist, zu bestimmen. Der wichtige Faktor hier ist nicht die absolute Polierrate des Widerstandssensors 205, son dern seine relative Polierrate zu der des überwachenden und zu steuernden Materiales.In general, the polishing rate for most materials has been determined to vary linearly with pressure variations. Therefore, assuming that both the wafer material to be polished and the material of the resistance sensor 205 are the same, the polishing rate for both the resistance sensor and the wafer 103 can be easily based on the pressures P 1 and P 2 be determined. Once the two polishing rates have been determined, it is easy to determine the amount of wafer material that has been removed based on the amount of the resistance sensor 205 that has been removed. The important factor here is not the absolute polishing rate of the resistance sensor 205 , but rather its relative polishing rate to that of the material to be monitored and controlled.
Der Widerstandssensor 205 weist zwei elektrische Leitungen auf, die sich von ihm erstrecken: eine positive Leitung 207 und eine negative Leitung 209. Diese Leitungen erstrecken sich aus dem Gehäuse 201 und durch das Waferspannfutter 101 zu der Außenseite zur einer Verarbeitungseinrichtung. Diese Leitungen sind, wie in dem elektrischen schematischen Bild des Wider standssensors 205 in Fig. 3 gezeigt ist, an den beiden ent sprechenden Enden von elektrischen Widerstandselementen 301 angebracht. Somit sind die Widerstandselemente 301 parallel zueinander geschaltet. Weiter sind die Widerstandselemente 301 gleichförmig in einem Abstand d voneinander angeordnet, der 0,3 µm beträgt, der Abstand d kann auch kleiner gewählt wer den, so daß die Auflösung und Genauigkeit der Endpunkterfas sung erhöht wird.The resistance sensor 205 has two electrical lines extending from it: a positive line 207 and a negative line 209 . These lines extend from the housing 201 and through the wafer chuck 101 to the outside to a processing device. These lines are, as shown in the electrical schematic image of the resistance sensor 205 in Fig. 3, attached to the two corresponding ends of electrical resistance elements 301 . The resistance elements 301 are thus connected in parallel to one another. Furthermore, the resistance elements 301 are arranged uniformly at a distance d from each other, which is 0.3 μm, the distance d can also be chosen to be smaller, so that the resolution and accuracy of the end point detection solution is increased.
Der Widerstandssensor 205 ist auf einem Siliziumsubstrat mit Dünnfilmpolysiliziumwiderständen gebildet. Insbesondere können Widerstandsfelder, wie sie gemeinsam in den Magnetköpfen von Plattenantrieben benutzt werden, geeignet modifiziert als der Widerstandssensor 205 benutzt werden. Zum Beispiel enthält der Magnetkopf eines Plattenantriebsgerätes ein geordnetes Feld von Kupferwiderständen, die in einem Aluminiumsubstrat gebil det sind. Diese Magnetköpfe können in Segmente zur Benutzung als der Widerstandssensor 205 mit der geeigneten Modifikation für die Anbringung elektrischer Leitungen "geschnitten" wer den.The resistance sensor 205 is formed on a silicon substrate with thin film polysilicon resistors. In particular, resistance fields, as used in common in the magnetic heads of disk drives, can be suitably modified as the resistance sensor 205 . For example, the magnetic head of a disk drive device contains an ordered field of copper resistors formed in an aluminum substrate. These magnetic heads can be "cut" into segments for use as the resistance sensor 205 with the appropriate modification for the attachment of electrical leads.
Die Widerstandselemente 301 weisen einen Widerstandswert auf, der von der Länge und der Breite des Widerstandselementes 301 als auch des spezifischen Widerstandes des Dünnfilmwiderstan des, der als ρ bekannt ist, abhängt.The resistance elements 301 have a resistance value which depends on the length and the width of the resistance element 301 as well as the resistivity of the thin-film resistance, which is known as ρ.
Andere Mechanismen, die einen variablen Widerstand vorsehen, wenn Material durch Polieren entfernt wird, können benutzt werden. Wie bekannt ist, hängt der Widerstand eines Materiales von der Länge und Breite des Materiales ab. Somit gibt es eine Vielzahl von Materialien, die für die Benutzung als der Wider standssensor geeignet sind. Die Benutzung von diskreten Wider ständen ist bevorzugt wegen der Möglichkeit des leichten Über wachens der Änderung des Widerstandes.Other mechanisms that provide variable resistance if material is removed by polishing, can be used become. As is known, the resistance of a material depends on the length and width of the material. So there is one Variety of materials for use as the cons level sensor are suitable. The use of discrete cons stands is preferred because of the possibility of easy over of changing the resistance.
Im Betrieb legt, wie in Fig. 4 gezeigt ist, eine Spannungs quelle 401 eine Spannung an die Leitungen 207 und 209 des Wi derstandssensors 205 an. Die Spannung ist in der Größenordnung von 0,5 bis 3 Volt. Die angelegte Spannung bewirkt, daß ein Strom fließt. Ein Stromdetektor 403 überwacht den Stromaus gang, der den Betrag polierten Materiales anzeigt. Statt des sen kann eine Stromquelle die Spannungsquelle 401 ersetzen, und dann kann ein Spannungsdetektor den Stromdetektor 403 er setzen.In operation, as shown in FIG. 4, a voltage source 401 applies a voltage to the lines 207 and 209 of the resistance sensor 205 . The voltage is on the order of 0.5 to 3 volts. The applied voltage causes a current to flow. A current detector 403 monitors the current output, which indicates the amount of polished material. Instead of sen, a current source can replace voltage source 401 , and then a voltage detector can replace current detector 403 .
Der Betrag des fließenden Stromes, wie er durch den Stromde tektor 403 bezeichnet wird, ist proportional zu dem Betrag des Widerstandes, der durch den Widerstandssensor 205 gegeben ist, und er zeigt ihn an. Insbesondere wird, während der CMP- Vorgang vorangeht, der Widerstandssensor 205 ebenfalls po liert. Während der Widerstandssensor 205 poliert wird, brechen die Widerstandselemente 301 und der Gesamtbetrag des Wider standes, der durch den Widerstandssensor 205 dargestellt wird, verändert sich.The amount of current flowing, as designated by the current detector 403 , is proportional to the amount of resistance given by the resistance sensor 205 and indicates it. In particular, as the CMP process proceeds, the resistance sensor 205 is also polished. While the resistance sensor 205 is being polished, the resistance elements 301 break and the total amount of the resistance represented by the resistance sensor 205 changes.
Als ein Beispiel sei angenommen, daß der Widerstandssensor 205
neun Widerstandselemente 301 aufweist, von denen jeder einen
Widerstand von 5 Ohm aufweist. Der Gesamtbetrag des Wider
standssensors 205 ist durch die folgende Formel gegeben:
As an example, assume that the resistance sensor 205 has nine resistance elements 301 , each of which has a resistance of 5 ohms. The total amount of the resistance sensor 205 is given by the following formula:
Rt = 1/[Σ(1/Ri)].R t = 1 / [Σ (1 / R i )].
Somit beträgt für neun parallele Widerstände von jeweils 5 Ohm der Gesamtwiderstand 0,555 Ohm. Es sei weiter angenommen, daß die Spannungsquelle 401 eine Spannung von 1 Volt zur Verfügung stellt. Der durch den Stromdetektor 403 gemessene Strom würde dann 1,8 Amp betragen.For nine parallel resistors of 5 ohms each, the total resistance is 0.555 ohms. It is further assumed that the voltage source 401 provides a voltage of 1 volt. The current measured by the current detector 403 would then be 1.8 amps.
Wenn jedoch während der CMP-Bearbeitung einer der Widerstand
selemente 301 entfernt wird (abgetragen wird), dann beträgt
für acht parallele Widerstände von jeweils 5 Ohm der Gesamtwi
derstand 0,625 Ohm: Der resultierende erfaßte Strom würde dann
1,6 Amp betragen. Somit kann gesehen werden, daß die Beziehung
zwischen dem erfaßten Strom und der Zahl von Widerstandsele
menten 301, die verbleiben, leicht bestimmt werden. In diesem
Beispiel kann die folgende Tabelle von dem Mikroprozessor 405
für eine Spannungsquelle von 1,0 Volt benutzt werden:
However, if one of the resistor elements 301 is removed (removed) during the CMP processing, then the total resistance for eight parallel resistors of 5 ohms is 0.625 ohms: the resulting detected current would then be 1.6 amps. Thus, it can be seen that the relationship between the sensed current and the number of resistance elements 301 remaining are easily determined. In this example, the following table can be used by microprocessor 405 for a 1.0 volt power source:
Aus dieser Tabelle kann somit der Mikroprozessor bestimmen, wieviel Widerstandselemente 301 zerbrochen bzw. aufgebraucht sind. Wenn zum Beispiel der Mikroprozessor ein Signal von dem Stromdetektor 403 empfängt, daß ein Strom von 0,8 Amp fließt, dann kann der Mikroprozessor bestimmen, daß fünf Widerstand selemente 301 zerbrochen bzw. aufgebraucht sind.The microprocessor can thus determine from this table how many resistance elements 301 have broken or been used up. For example, if the microprocessor receives a signal from current detector 403 that a current of 0.8 amps is flowing, then the microprocessor can determine that five resistor elements 301 have been used up.
Weiter kann mit dem vorbestimmten Wissen, das jedes Wider standselement 301 gerade 0,3 µm belegt, der Mikroprozessor be stimmen, daß 1,5 µm des Materiales von dem Widerstandssensor 205 entfernt worden sind. Dieses führt zu dem Schluß, daß 1,5 µm des Materiales von dem Wafer entfernt worden sind, der poliert wird. Es soll angemerkt werden, daß der Wider standssensor 205, wenn er ein Widerstandsfeld wie jenes ist, das in Magnetköpfen von Plattenantrieben benutzt wird, abwech seln Widerstandsabschnitte und "leere Abschnitte" (Abschnitte des Aluminiumsubstrates) enthält. Genauer, wie in Fig. 5 ge zeigt ist, enthält der Widerstandssensor 205 Widerstandsele mente 301 und leere Abschnitte 501. Die leeren Abschnitte 501 sind typisch nicht-leitend und dienen zum Trennen der Wider standselemente 301 in diskrete Elemente. Daher hat der Wider standssensor 205 einen Verlust an "Widerstandsauflösung". Mit anderen Worten, der Widerstand des Sensors 205 bleibt der gleiche, wenn leere Abschnitte 501 weg poliert werden, obwohl das Polieren stattfindet.Further, with the predetermined knowledge that each resistance element 301 occupies just 0.3 µm, the microprocessor can determine that 1.5 µm of the material has been removed from the resistance sensor 205 . This leads to the conclusion that 1.5 µm of the material has been removed from the wafer being polished. It should be noted that the resistance sensor 205 , when it is a resistive field such as that used in magnetic heads of disk drives, alternately includes resistive sections and "empty sections" (sections of the aluminum substrate). More specifically, as shown in FIG. 5, the resistance sensor 205 includes resistance elements 301 and empty portions 501 . The empty sections 501 are typically non-conductive and serve to separate the resistive elements 301 into discrete elements. Therefore, the resistance sensor 205 has a loss of "resistance resolution". In other words, the resistance of the sensor 205 remains the same when blank portions 501 are polished away even though the polishing takes place.
Damit dieses Problem gelöst wird, wird eine andere Ausfüh rungsform des Widerstandssensors 205 benutzt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind zwei getrennte Widerstandsfelder 601a und 601b in Reihe zwischen den Leitun gen 207 und 209 angeordnet. Sie sind jedoch so angeordnet, daß der leere Abschnitt des einen Widerstandsfeldes mit dem Wider standselement des anderen Widerstandsfeldes ausgerichtet ist. Somit wird, während ein leerer Abschnitt des einen Wider standsfeldes poliert wird, ein Widerstandselement des anderen Widerstandsfeldes poliert (und aufgebraucht). Auf dieses Weise ist eine vergrößerte Auflösung des Stromflusses möglich.In order to solve this problem, another embodiment of the resistance sensor 205 is used, as shown in FIG. 6. In this embodiment, two separate resistance fields 601 a and 601 b are arranged in series between the lines 207 and 209 . However, they are arranged so that the empty section of one resistance field is aligned with the opposing element of the other resistance field. Thus, while an empty portion of one resistance field is polished, a resistance element of the other resistance field is polished (and used up). In this way, an increased resolution of the current flow is possible.
Nachdem der Betrag des Materiales des Widerstandssensors, der aufgebraucht worden ist, bestimmt ist, kann diese Information zum Steuern des CMP-Vorganges benutzt werden. Zum Beispiel kann der entfernte Materialbetrag mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen werden, und wenn der entfernte Mate rialbetrag den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann der CMP-Vorgang beendet werden. Wenn der entfernte Materialbe trag noch nicht den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der CMP-Vorgang fortgesetzt. Auf diese Weise kann das Verfahren zum genauen Steuern des CMP-Vorganges benutzt wer den.After the amount of the material of the resistance sensor, the has been used up, this information can can be used to control the CMP process. For example the amount of material removed may be predetermined Threshold are compared and if the removed mate rial amount exceeds the predetermined threshold, may the CMP process will be ended. If the removed material does not yet exceed the predetermined threshold, the CMP process continues. That way it can Procedures for accurately controlling the CMP process are used the.
Claims (15)
einem Poliertisch (111) zum Halten eines Polierkissens (109);
einem drehbaren Waferspannfutter zum Halten des Halbleiterwa fers (103) gegen das Polierkissen (109);
einer elektrischen Läppungsführung (113), die an dem Wafer spannfutter (101) befestigt ist und
einen Polierwiderstandssensor (205), der einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von dem Betrag des Materiales, das von dem Widerstandssensor (205) während des Polierens entfernt worden ist, aufweist, und
eine Vorspannvorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an den Widerstandssensor (205) derart, daß der Wider standssensor (205) während des Polierens mit dem Polier kissen (109) in Kontakt steht, aufweist; und
einer Widerstandserfassungseinrichtung zum Bestimmen des va riablen Widerstandes des Widerstandssensors (205).1. Chemical mechanical polishing device for polishing a surface of a semiconductor wafer ( 103 ) with:
a polishing table ( 111 ) for holding a polishing pad ( 109 );
a rotatable wafer chuck for holding the semiconductor wafer ( 103 ) against the polishing pad ( 109 );
an electrical lapping guide ( 113 ) which is attached to the wafer chuck ( 101 ) and
a polishing resistance sensor ( 205 ) having a variable resistance depending on the amount of material removed from the resistance sensor ( 205 ) during polishing, and
a biasing device for applying a bias to the resistance sensor ( 205 ) such that the resistance sensor ( 205 ) is in contact with the polishing pad ( 109 ) during polishing; and
a resistance detection device for determining the variable resistance of the resistance sensor ( 205 ).
eine Spannungsquelle (401) zum Anlegen einer Spannung an den Widerstandssensor (205) und
einen Stromdetektor (403) zum Erfassen einer Stromflußrate, die den Betrag des durch den Widerstandssensor (205) fließen den Strom anzeigt. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the resistance detection device comprises:
a voltage source ( 401 ) for applying a voltage to the resistance sensor ( 205 ) and
a current detector ( 403 ) for detecting a current flow rate indicative of the amount of current flowing through the resistance sensor ( 205 ).
eine Stromquelle zum Anlegen eines Stromes an den Wider standssensor (205) und
eine Spannungsdetektor zum Erfassen einer Spannung, die die Spannung über den Widerstandssensor (205) anzeigt.4. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the resistance detection device comprises:
a current source for applying a current to the resistance sensor ( 205 ) and
a voltage detector for detecting a voltage indicating the voltage across the resistance sensor ( 205 ).
wobei das Poliergerät einen Poliertisch (111) zum Halten eines Polierkissens (109) und ein drehbares Waferspannfutter (101) zum Halten des Halbleiterwafers (103) gegen das Polierkissen (109) aufweist,
mit den Schritten:
Befestigen einer elektrischen Läppungsführung (113) an dem Wa ferspannfutter (101), das
einen Polierwiderstandssensor (205), der einen variablen Widerstand in Abhängigkeit von dem Betrag des Materiales, das von dem Widerstandssensor (205) während des Polierens entfernt worden ist, aufweist, und
eine Vorspannvorrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an den Widerstandssensor (205) derart, daß der Wider standssensor (205) während des Polierens mit dem Polier kissen (109) in Kontakt steht, aufweist;
Bestimmen des variablen Widerstandes des Widerstandssensors (205); und
Bestimmen des Betrages des von dem Widerstandssensors (205) abpolierten Materiales auf der Grundlage des variablen Wider standes. 12. A method of determining the amount of material removed from a semiconductor wafer ( 103 ) during polishing with a chemical mechanical polisher.
the polishing device having a polishing table ( 111 ) for holding a polishing pad ( 109 ) and a rotatable wafer chuck ( 101 ) for holding the semiconductor wafer ( 103 ) against the polishing pad ( 109 ),
with the steps:
Attaching an electrical lapping guide ( 113 ) to the wafer chuck ( 101 ) that
a polishing resistance sensor ( 205 ) having a variable resistance depending on the amount of material removed from the resistance sensor ( 205 ) during polishing, and
a biasing device for applying a bias to the resistance sensor ( 205 ) such that the resistance sensor ( 205 ) is in contact with the polishing pad ( 109 ) during polishing;
Determining the variable resistance of the resistance sensor ( 205 ); and
Determining the amount of the material polished by the resistance sensor ( 205 ) based on the variable resistance.
Anlegen einer Spannung an den Widerstandssensor (205);
Erfassen einer Stromflußrate, die den Betrag des durch den Wi derstandssensor (205) fließenden Strom anzeigt; und
Bestimmen des variablen Widerstandes als die Spannung divi diert durch die Stromflußrate.14. The method of claim 12 or 13, wherein the step of determining the variable resistance comprises:
Applying a voltage to the resistance sensor ( 205 );
Detecting a current flow rate indicative of the amount of current flowing through the resistance sensor ( 205 ); and
Determine the variable resistance as the voltage divided by the current flow rate.
Anlegen eines Stromes an den Widerstandssensor (205);
Erfassen einer Spannung, die die Spannung über den Wider standssensor (205) anzeigt; und
Bestimmen des variablen Widerstandes als die Spannung divi diert durch den Strom.15. The method of claim 12 or 13, wherein the step of determining the variable resistance comprises:
Applying a current to the resistance sensor ( 205 );
Sensing a voltage indicative of the voltage across the resistance sensor ( 205 ); and
Determine the variable resistance as the voltage divided by the current.
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