DE69610821T2

DE69610821T2 - Chemisch-mechanisch polieren mit gebogenen traegern

Info

Publication number: DE69610821T2
Application number: DE69610821T
Authority: DE
Inventors: M. Lee; Subramanian Venkatkrishnan
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2016-01-12
Also published as: EP0808231A1; EP0808231B1; WO1996024467A1; US5766058A; TW301771B; DE69610821D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für eine CMP-Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein Beispiel für eine solche Einrichtung ist in EP 451 471 offenbart.

Hintergrundinformationen

Integrierte Halbleiterschaltungen werden durch Ausbilden eines Arrays separater Dies auf einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer hergestellt. Bei der Verarbeitung wird das Wafer derart behandelt, dass spezifische Regionen isolierender, leitender und halbleitender Materialien gebildet werden. Der steigende Bedarf an hochdichten Vorrichtungen mit Verdrahtungsstrukturen mit immer geringeren Abständen zwischen Leitern stellt eine beträchtliche technische Herausforderung dar. Herkömmlicherweise wird eine Verdrahtungsstruktur mit einem dichten Leiterarray durch Auftragen einer Metallschicht und Ätzen zwecks Ausbildung eines Leitungsmusters hergestellt. Ein Dielektrikum wird dann auf das Verdrahtungsmuster aufgebracht und z. B. durch chemisch-mechanisches Polieren geebnet. Es ist jedoch extrem schwierig, gleichförmig geebnete Oberflächen zu erhalten, insbesondere bei dichten Leiterarrays, die um geringe Distanzen, z. B. weniger als ein Mikrometer, voneinander beabstandet sind.
Gemäß Fig. 1A wird in einer anfänglichen Verarbeitungsphase zum Herstellen einer integrierten Schaltung ein dielektrischer Film 10 über einer strukturierten Leitungsschicht, wie einem Metall 11, angebracht. Die Aufgabe besteht darin, die Stufen 12 in der dielektrischen Schicht 10 zu ebnen, wie in Fig. 1B dargestellt. Nach dem Anbringen der Schicht 10 muss der sich außerhalb des Grabens befindende Bereich entfernt werden. Ein solches Entfernen kann durch Plasmaätzen oder durch Anwenden eines vereinfachten schnelleren und verhältnismäßig kostengünstigen Verfahrens, das als chemisch-mechanisches Ebnen oder Polieren (CMP) bekannt ist, erfolgen.
CMP ist eine herkömmliche Technik wie z. B. bei Salugsugan, US-Patent Nr. 5,245,794; Beyer et al., US-Patent Nr. 4,944,836; Youmans, US-Patent Nr. 3,911,562 offenbart. CMP wird in Bezug auf frühere Verfahren zum Herstellen von Verbindungsstrukturen aus Metall von Kaufman et al., in "Chemical- Mechanical Polishing for Fabricating Patterned W Metal Features as Chip Interconnects", J. Electrochem. Soc., Vol. 138, Nr. 11, November 1991, Seite 3460-3464 beschrieben. Die US-Patente Nr. 4,193,226 und 4,811,522 von Gill, Jr. und das US-Patent Nr. 3,841,031 von Walsh betrifft eine CMP-Einrichtung.
Grundsätzlich sind bei der Verwendung einer herkömmlichen CMP-Einrichtung zu polierende Wafers auf einer Trägeranordnung montiert, die auf der CMP- Einrichtung angeordnet ist. Ein Polierkissen greift an den auf der. Trägeranordnung befindlichen Wafers an. Ein ein Poliermittel enthaltendes chemisches Mittel, typischerweise eine Suspension, wird während des Polierens kontinuierlich auf das Kissen geträufelt, während ein Druck über die. Trägeranordnung auf das Wafer aufgebracht wird.
Eine typische CMP-Einrichtung 100 ist in Fig. 2 dargestellt und weist eine drehbare Polierplatte 102 auf, auf der ein Polierkissen 104 befestigt ist, wobei die Platte derart von einem (nicht gezeigten) mikroprozessorgesteuerten Motor angetrieben wird, dass sie sich mit ungefähr 10 bis ungefähr 100 UpM dreht. Ein Wafer 106 ist auf dem Unterteil einer drehbaren Trägeranordnung 108 befestigt, so dass eine Hauptfläche des zu polierenden Wafers 106 derart positionierbar ist, dass sie mit dem darunter liegenden Polierkissen 104 in Berührung kommt. Das Wafer 106 und die Trägeranordnung 108 sind an einer vertikalen Spindel 110 angebracht, die drehbar an einem seitlich montierten Roboterarm 112 befestigt ist, der die Trägeranordnung 108 mit ungefähr 10 bis ungefähr 75 UpM in die gleiche Richtung dreht wie die Platte 102 und die Trägeranordnung auf der Platte radial positioniert. Der Roboterarm 112 führt auch eine vertikale Positionierung der Trägeranordnung 108 durch, so dass das Wafer 106 mit dem Polierkissen 104 in Berührung gebracht und ein geeigneter Polierkontaktdruck aufrechterhalten wird. Ein gegenüber der Trägeranordnung 108 und oberhalb des Polierkissens 104 befindliches rohrförmiges Element 114 versorgt das Kissen mit einem geeigneten Reinigungsmittel 116, typischerweise einer Suspension, bis es gleichmäßig damit gesättigt ist.
Die normalerweise in einer CMP-Einrichtung eingesetzte Trägeranordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist in Fig. 3 gezeigt und umfasst typischerweise eine Grundplatte 30, auf der ein Trägerfilm 32 angebracht ist, und einen Haltering 34. Ein strukturiertes Halbleiter-Wafer 33 ist an dem Trägerfilm 32 positioniert, und ein nach unten wirkender Druck wird in von Pfeil 35 angezeigter Richtung aufgebracht. Die Grundplatte 30 ist typischerweise aus Metall, wie rostfreiem Stahl, gefertigt, wohingegen der Haltering 34 typischerweise aus Kunststoff gefertigt und mittels (nicht gezeigter) Schrauben auf der Grundplatte 30 befestigt ist. Herkömmlicherweise ist die Grundplatte mit (nicht gezeigten) Durchgängen versehen, durch die ein Vakuum angelegt wird, damit das strukturierte Wafer manipuliert und von und zu dem Polierkissen transportiert werden kann.
Es ist schwierig, durch Anwendung herkömmlicher CMP-Techniken und -vorrichtungen eine gleichförmig geebnete Oberfläche zu erzielen, insbesondere eine Oberfläche mit einem hochdichten Leitungsmuster mit Zwischenräumen, die mit einem dielektrischen Material gefüllt sind. Wie in Fig. 5 dargestellt, führt z. B. die Anwendung von herkömmlichem CMP eines strukturierten Wafers 50 mit einer Struktur 51 im Metall und einem Dielektrikum 52 in unerwünschter Weise zu Abweichungen 53 von einer erwünschten gleichförmigen Ebenheit 54.
Bei anfänglichem Anbringen eines Trägerfilms auf einer Trägereinrichtung einer CMP-Einrichtung wird ein Test-Wafer auf herkömmliche Weise hinsichtlich der Polierrate und gleichförmig ausgebildeter Oberfläche ausgewertet. Das Ebenen mittels CMP erfolgt mit der Trägereinrichtung, wobei das Wafer bearbeitet wird, bis der Ungleichförmigkeitswert den spezifizierten Grenzwert übersteigt. Eine normale Fehlerart hinsichtlich der Ungleichförmigkeit tritt bei einem Wafer auf, das an den Rändern stärker poliert worden ist als in der Mitte des Wafers. Fig. 4 zeigt ein durch CMP geebnetes und durch ein herkömmliches Neun-Punkte-Programm für Dickenmessungen ausgewertetes Test- Wafer 40. Die Punkte in der Mitte des Wafers, z. B. die Punkte 1-5, weisen nach dem Polieren eine größere Dicke auf als die durch die Punkte 6-9 dargestellten Randbereiche.
Das Problem des ungleichförmigen Ebnens aufgrund des Einsatzes herkömmlicher CMP-Techniken und -einrichtungen ist von der Halbleiterindustrie erkannt worden, Siehe Ali et al. "Chemical-mechanical polishing of interlayer dielectric: A review", Solid-State Technology, Oktober 1994, Seite 63-68. Bei früheren Versuchen zur Lösung dieses Problems sah man den Schwerpunkt in der Verbesserung der beim CMP eingesetzten Verbrauchsmaterialien, wie dem Polierkissen und dem Reinigungsmittel, oder in der Verbesserung der Hardware selbst, wie der CMP-Einrichtung.
In EP-A-451 471 wird beschrieben, dass der untere flache Bereich eines Wafer-Trägers aus einem Material gefertigt ist, das einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist als der obere flache Bereich des Wafer-Trägers. Bei Temperaturerhöhung wird eine konvexe Vorspannung des Wafers aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten erzeugt.

Offenbarung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein CMP-Verfahren und eine CMP-Einrichtung zum Ebnen einer Oberfläche eines strukturierten Wafers bereitzustellen, wobei die geebnete Oberfläche eine verbesserte Gleichförmigkeit aufweist.
Weitere Aufgaben, Vorteile und andere Merkmale der Erfindung sind teilweise in der nachstehenden Beschreibung aufgeführt und teilweise für Fachleute auf dem Gebiet nach dem Lesen der folgenden Beschreibung offensichtlich oder ergeben sich aus der Anwendung der Erfindung. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können so durchgeführt bzw. erzielt werden, wie es insbesondere in den beiliegenden Patentansprüchen dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für eine chemischmechanische Poliereinrichtung zum Ebnen eines Halbleiter-Wafers, wobei die Trägeranordnung eine Grundplatte aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Grundplatte einen konvexen Oberflächenbereich mit einem Krümmungsradius aufweist, der einen Scheitel von ca. 1 bis ca. 25 um hat, gemessen mit einem 127 mm- (5 Inch-) Sphärometer.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bereit, mit dem Schritt des Ebnens eines strukturierten Wafers durch chemisch-mechanisches Polieren, wobei das Verfahren das Aufbringen von Druck auf das strukturierte Wafer mittels einer Trägeranordnung gemäß dem vorstehenden Absatz umfasst.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung erkennbar, wobei durch Erläuterung der besten Anwendungsweise der Erfindung nur die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wird. Es ist offensichtlich, dass andere und unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, und es ist offensichtlich, dass die zahlreichen Details in unterschiedlicher Hinsicht modifiziert werden können, ohne dass dadurch von der Erfindung abgewichen wird. Entsprechend dienen die Zeichnungen und die Beschreibung nur der Erläuterung und nicht als Einschränkung.

Figurenkurzbeschreibung

Fig. 1A zeigt eine schematische Darstellung einer Struktur vor dem Ebnen.
Figur iß zeigt eine schematische Darstellung einer geebneten Struktur.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer typischen CMP-Einrichtung.
Fig. 3 zeigt eine herkömmliche Trägeranordnung.
Fig. 4 zeigt ein Testwafermuster mit Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems des ungleichförmigen Ebnens.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems des ungleichförmigen Ebnens.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Grundplatte.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Problem hinsichtlich Oberflächen, die durch Anwendung herkömmlicher CMP-Techniken und -vorrichtungen nicht gleichförmig geebnet werden, d. h. die so hergestellte Oberfläche ist durch Abweichungen von einer gleichförmigen Ebenheit, wie z. B. durch die Abweichungen 53 in Fig. 5 dargestellt, gekennzeichnet. Eine nicht gleichförmig geebnete Oberfläche eines strukturierten Wafers beeinträchtigt die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung, insbesondere einer Vorrichtung mit Mehrebenen-Durchgängen, wobei die flachen Durchgänge zum Sicherstellen vollständigen Ätzens auf niedriger liegenden Ebenen überätzt werden. Erfindungsgemäß wird die Gleichförmigkeit von durch CMP geebneten Oberflächen strukturierter Halbleiter-Wafers durch Modifizieren der Grundplatte einer herkömmlichen Trägeranordnung zum Herstellen eines konvexen Oberflächebereichs spürbar verbessert.
Gemäß Fig. 6 weist die erfindungsgemäße Grundplatte 60 einen konvexen Oberflächenbereich 61 auf. Bei der Benutzung wird ein (nicht gezeigter) Trägerfilm auf der Oberfläche der Grundplatte mit dem konvexen Oberflächenbereich 61 angebracht und ein Wafer auf dem Trägerfilm positioniert. Ein Haltering und Vakuumdurchgänge sind vorzugsweise vorgesehen, wie auf dem Gebiet bekannt ist.
Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Grundplatte, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, steht der konvexe Bereich 61 derart vor, dass während des CMP der mittlere Bereich des strukturierten Wafers mit einer höheren Rate poliert wird als die Randbereiche des Wafers, wodurch ungleichförmiges Ebnen verhindert wird, das andernfalls gemäß Fig. 5 bei Einsatz einer herkömmlichen Grundplatte mit einer im wesentlichen flachen Oberfläche, auf der der Trägerfilm angebracht ist, wie in Fig. 3 gezeigt, auftreten würde.
Die Trägeranordnung weist eine Grundplatte mit einem konvexen Oberflächenbereich aus Metall, vorzugsweise rostfreiem Stahl, auf. Die Trägeranordnung umfasst vorzugsweise einen Haltering, vorzugsweise aus Kunststoff, der mittels Schrauben auf herkömmliche Weise auf der Grundplatte befestigt ist. Vakuumdurchgänge sind in der Grundplatte sowie dem Trägerfilm vorgesehen, die die Manipulation des Wafers durch Erleichtern des Wafertransports zu und von dem Polierkissen der CMP-Einrichtung vereinfachen.
Die Krümmung des konvexen Oberflächenbereichs der Grundplatte ist hinsichtlich einer speziellen CMP-Situation optimiert. Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass der optimale Krümmungsradius unter anderem von der Art und Größe des speziellen dem CMP zu unterziehenden strukturierten Wafers und der CMP-Einrichtung sowie den Prozessparametern abhängt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Krümmung des konvexen Oberflächenbereichs der Grundplatte mit einem Scheitel von ungefähr 1 bis ungefähr 25 Mikrometern, vorzugsweise einem Scheitel von ungefähr 5 bis ungefähr 15 Mikrometern, gemessen mit einem 5-Inch-Sphärometer, geeignet ist. Der Krümmungsradius kann anhand des Scheitels und der Sphärometerabmessung unter Anwendung bekannter mathematischer Beziehungen errechnet werden, wie in "Applied Optics" von Levi, John Wiley & Sons, 1968, Seite 424-425 beschrieben.
Der konvexe Oberflächenbereich der Grundplatte kann durch Modifizieren einer herkömmlichen Grundplatte unter Anwendung von Techniken, wie maschinelles Bearbeiten, ausgebildet werden. Alternativ kann die Grundplatte mittels herkömmlicher Techniken direkt mit einem konvexen Oberflächenbereich hergestellt werden.
Eine Grundplatte mit einem konvexen Oberflächenbereich erlaubt das Ebnen von Oberflächen strukturierter Halbleiter-Wafers durch CMP mit dem Ergebnis stark verbesserter Gleichförmigkeit. Die vorliegende Erfindung verlängert in vorteilhafter Weise auch die Lebensdauer des Trägerfilms ohne Beeinträchtigung der CMP-Entfernungsrate oder der Ebenheit. Der Trägerfilm übt einen großen Einfluss auf die mittels CMP geebneten Oberflächen aus. Die normale Lebensdauer eines Trägerfilms mit einer herkömmlichen Grundplatte mit im wesentlichen flacher Oberfläche beträgt ungefähr 200-300 Wafers. Bei Einsatz der Grundplatte mit einem konvexen Oberflächenbereich hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die Lebensdauer eines Trägerfilms auf über 500 und sogar über 1000 Wafers verlängert. Diese dramatische Verlängerung der Lebensdauer eines Trägerfilms führt zu einer beträchtlich reduzierten Ausfallzeit der Einrichtung und zu einem wesentlich erhöhten Durchsatz.
Die vorliegende Erfindung ist auch in Zusammenhang mit anderen herkömmlichen CMP-Techniken und anderen herkömmlichen CMP-Einrichtungen einsetzbar. So kann z. B. die in den obengenannten Patenten von Gilt, Jr. oder Walsh offenbarte CMP-Einrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Es wird ein optimaler Anfangsdruck gewählt, so dass das Material effektiv mit einer ökonomisch wünschenswerten hohen Geschwindigkeit, typischerweise zwischen ungefähr 6 und ungefähr 10 psi, entfernt werden kann. Bei dem verwendeten Polierkissen kann es sich um ein solches handeln, das herkömmlicherweise für CMP eingesetzt wird, wie solche mit zellenförmigen Kissen aus Polyurethan. Bei dem eingesetzten Reinigungsmittel kann es sich um ein solches handeln, das herkömmlicherweise für CMP verwendet wird; vorzugsweise weist das Reinigungsmittel eine Suspension auf. Der verwendete Trägerfilm kann ein handelsüblicher Trägerfilm sein. So sind z. B. Trägerfilme DF200 und R200 von Rodel, Newark, Delaware geeignet.
Die CMP-Einrichtung und das CMP-Verfahren sind in einer Vielzahl von Situationen verwendbar/anwendbar, in denen ein Ebnen im Verlauf der Herstellung einer Halbleitervorrichtung erforderlich ist. Das verbesserte CMP-Verfahren und die verbesserte CMP-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verbessern in hohem Maße die Gleichförmigkeit der geebneten strukturierten Halbleiter-Wafer, reduzieren in vorteilhafter Weise die Ausfallzeit der Einrichtung und die Produktionskosten, wobei sie gleichzeitig die Herstellung vereinfachen und die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtungen erhöhen. Die vorliegende Erfindung dient dem Ebnen verschiedener Arten von Oberflächen auf einem strukturierten Halbleiter-Wafer, einschließlich leitenden und isolierenden Materialien, wie Oxiden, Nitriden, Polysilizium, einzelkristallinem Silizium, amorphem Silizium und Mischungen daraus. Das Substrat des das leitende oder nichtleitende Material aufweisenden strukturierten Wafers ist im wesentlichen ein Halbleitermaterial, wie Silizium.

Claims

1. Trägeranordnung für eine chemisch-mechanische Poliereinrichtung zum Ebnen eines Halbleiter-Wafers, wobei die Trägeranordnung eine Grundplatte (60) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte einen konvexen Oberflächenbereich (61) mit einem Krümmungsradius aufweist, der ungefähr bei Raumtemperatur einen Scheitel von ca. 1 bis ca. 25 um hat, gemessen mit einem 127 mm- (5 Inch-) Sphärometer.

2. Trägeranordnung nach Anspruch 1, bei der die Krümmung einen Scheitel von ca. 5 bis ca. 15 um aufweist.

3. Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der die Grundplatte aus einem einzelnen Metall besteht.

4. Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Grundplatte aus rostfreiem Stahl besteht.

5. Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen auf der Oberfläche der Grundplatte mit dem konvexen Oberflächenbereich angebrachten Trägerfilm (32) aufweist.

6. Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit einem Haltering (34).

7. Trägeranordnung nach Anspruch 5, bei der Grundplatte und Trägerfilm Vakuumdurchgänge aufweisen.

8. Chemisch-mechanische Poliereinrichtung mit einer Trägeranordnung nach Anspruch 1.

9. Chemisch-mechanische Poliereinrichtung nach Anspruch 8, ferner mit einem Polierkissen.

10. Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen mit dem Schritt des Ebnens eines strukturierten Wafers durch chemisch-mechanisches Polieren, wobei das Verfahren das Aufbringen von Druck auf das strukturierte Wafer mittels einer Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Trägeranordnung ferner einen auf der Oberfläche der Grundplatte mit dem konvexen Oberflächenbereich angebrachten Trägerfilm (32) aufweist und bei dem Druck über den Trägerfilm auf das strukturierte Wafer aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 bis 11, bei dem das strukturierte Wafer ein Isoliermuster aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 10 bis 11, bei dem das strukturierte Wafer ein Leitungsmuster aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, mit dem Schritt des chemisch-mechanischen Polierens des strukturierten Wafers mittels eines Polierkissens.

15. Verfahren nach Anspruch 14, mit dem Schritt des Auftragens eines Reinigungsmittels auf das Polierkissen während des chemisch-mechanischen Polierens.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Reinigungsmittel eine Suspension ist.