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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung
einer Polierkissenoberfläche zur
Verwendung beim chemisch-mechanischen Polieren von Halbleiterwafern
unter Verwendung eines Konditionierkopfs, der mit einem Konditionierkissen versehen
ist, wobei das Polierkissen an einem Drehtisch angebracht ist.
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Bei
der Herstellung von Halbleiterwafern sind Planarisierungstechniken
zu einem wichtigen Thema geworden, wenn es darum geht, der anhaltenden
Zunahme an Anforderungen für
das Bauen von Schichtstrukturen zu entsprechen, die zum Beispiel
nicht durch andere Ätztechniken
ausgebildet werden können.
Unter diesen durch Planarisierung aufgebauten Strukturen sind flache
gräben,
Metallkontaktstöpsel,
die Wolfram enthalten, und Zwischenschichtdielektrika prominente
Beispiele. Ein wohlbekanntes Verfahren zur Planarisierung ist das chemisch-mechanische
Polieren der Waferoberflächen,
wobei eine Aufschlämmung,
die Teilchen aus beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid
in entionisiertem Wasser mit einer chemischen Legierung zum Beispiel
aus Ferrinitrid (Fe(NO3)3),
Kaliumhydroxid (KOH) beziehungsweise Ammoniumhydroxid (NH3OH) enthält,
dazu verwendet wird, Oberflächenmaterial
chemisch zu oxidieren und mechanisch abzutragen. Insbesondere kann
durch Einsatz der chemischen Legierungen eine hohe Selektivität für die Polierraten
von zum Beispiel Polysilizium oder Wolfram gegenüber Siliziumdioxid aufrechterhalten werden.
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Eine
Vorrichtung für
das chemisch-mechanische Polieren (CMP) umfasst in der Regel einen Drehtisch,
an dem ein aus Polyurethan hergestelltes Polierkissen angebracht
ist. Ein drehbarer Polierkopf hält
den Wafer, der poliert werden soll, und bringt den Wafer gegen das rotierende
benetzte Polierkissen in Eingriff. Während des Polierens kann der
Polierkopf, der sich entweder in der gleichen Richtung oder in der
entgegengesetzten Richtung zu dem Polierkissen dreht, seine Position
aufgrund eines Schwingarms relativ zur Achse des Drehtischs variieren.
Dadurch nimmt die texturierte Polierkissenoberfläche die Aufschlämmung auf,
die dazu dient, die Waferoberfläche
abzutragen. Die Abtragsrate hängt
von den jeweiligen Drehgeschwindigkeiten, der Aufschlämmungskonzentration
und dem Druck ab, mit dem der Polierkopf gegen das Polierkissen
in Eingriff gebracht wird.
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Entferntes
Waferoberflächenmaterial,
chemisch geändertes
Aufschlämmungsmaterial
sowie verschlissenes Kissenoberflächenmaterial setzt sich schließlich auf
der profilierten Kissenoberfläche
ab, wodurch die Kissenpoliereffizienz abnimmt. Um diesem so genannten "pad glazing effect" entgegenzuwirken,
wird an der Polierkissenoberfläche
ein Konditionierschritt vorgenommen, der eine gleichförmige texturierte
und profilierte Kissenoberfläche
bereitstellt. Bei diesem Schritt werden die Verunreinigungen von
der Kissenoberfläche
entfernt und die Poren wieder geöffnet,
um die Aufschlämmung
aufzunehmen. Es sind mehrere Verfahren zum Konditionieren vorgeschlagen
worden, und es zählen
dazu: Messer oder Rakeln, Siliziumcarbidteilchen, Diamantschmirgelpapier
oder eine keramische Struktur.
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Der
Prozess des Konditionierens kann entweder während oder nach dem Polierschritt
durchgeführt
werden. Bei einem Beispiel wird Diamantschmirgelpapier auf dem Konditionierkopf
angebracht, der analog zu dem Polierkopf von einem zusätzlichen
Schwingarm getragen wird. Diamantteilchen sind in einem auf einer
Sockelschicht angebrachten Nickelkorn verkapselt. Die Diamantteilchen stehen
in unterschiedlichem Ausmaß von
der Nickeloberfläche
vor – im
Bereich von vollständig
verkapselt bis lediglich geringfügig
an der Nickelschicht haftend.
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Das
so strukturierte Konditionierkissen schleift in einer Drehbewegung
des Konditionierkopfs, der auf dem Polierkissen in Eingriff gebracht ist, über die
nachgiebige Polyurethan-Polierkissenoberfläche. Nach dem Konditionierschritt
ist die Effizienz des Abtrags im Wesentlichen wiederhergestellt, was
zu einer verlängerten
Lebensdauer des Kissens und weniger Bemühungen durch den Bediener zum Ersetzen
verschlissener Kissen führt.
Selbst die verbesserte Lebensdauer des Polierkissens aufgrund der
Konditionierung ist dennoch auf 12 bis 18 Stunden begrenzt, wonach
das durch Klebemittel am Drehtisch angebrachte Polierkissen durch
ein neues ersetzt werden muss.
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Auf
dem Gebiet des Konditionierens kommt es aufgrund abnehmender Abtragsraten
bereits während
der Lebensdauer der Polierkissen zu einem Problem. Einerseits verschleißt sich
das Polierkissen ständig,
weil die Oberfläche
des Kissens unstetig wird und sich die Komprimierbarkeit des Kissens
aufgrund der Verdünnung ändert. Beide
Effekte führen zu
einer Abnahme bei der Gleichförmigkeit.
Andererseits geht im Lauf der Zeit entweder das Konditionierkopfschleifmaterial,
zum Beispiel die in der Nickelschicht verkapselten Diamanten, verloren
oder diese werden aufgrund einer mechanischen Wechselwirkung mit
dem Kissenoberflächenmaterial
abgerundet. Dies führt
auch zu einer Reduzierung der Abtragsrate als Funktion der Zeit.
Diese Merkmale führen
nachteiligerweise zu einer Ungleichförmigkeit des Polierprozesses.
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Aus
WO-A-01/15865 ist eine CMP-Vorrichtung mit einem Drehtisch, einem
Polierkissen und einem Konditionierkopf bekannt. Der Konditionierkopf wird
von einer Steuereinheit gesteuert, die an einen Sensor für elektrischen
Strom zum Messen von in den Konditionierkopf eingegebener elektrischer
Leistung angeschlossen ist. Eine Zielreibungskraft wird eingestellt,
die konstantgehalten werden soll. Die Steuereinheit signalisiert
einem Drehaktuator des Konditionierkopfs, die Konditioniergeschwindigkeit als
Reaktion auf die von dem Sensor für elektrischen Strom empfangenen
Signale nachzustellen.
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Aus
US-A-6,093,080 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die in den Drehtisch
eingegebene elektrische Leistung während eines Waferpolierprozesses
gemessen wird. Auf der Basis der gemessenen elektrischen Leistung
wird eine ideale Menge von Parametern für einen nachfolgenden Konditionierprozess
berechnet.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, für die Gleichförmigkeit
des Prozesses des chemisch-mechanischen Polierens zu sorgen und
dadurch die Waferherstellungsqualität zu erhöhen und die Prozesszeit zu
reduzieren.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Konditionierung der Oberfläche eines
Polierkissens zur Verwendung zum chemisch-mechanischen Polieren
von Halbleiterwafern unter Verwendung eines Konditionierkopfs, der
mit einem Konditionierkissen versehen ist, wobei das Polierkissen
an einem Drehtisch angebracht ist, mit den folgenden Schritten:
- – Setzen
einer Grenze für
eine elektrische Leistungseingabe eines Motors zum Drehen des Drehtischs,
- – Anwenden
des Konditionierkopfs auf die Oberfläche des Polierkissens mit einer
Druckkraft,
- – Drehen
des Drehtischs mit der Oberfläche
des Polierkissens unter Verwendung des Motors mit der elektrischen
Leistungseingabe zum Abtragen des Polierkissens gegen das Konditionierkissen,
- – Schwingen
des Konditionierkopfs in einem Zyklus über das Polierkissen von einer
Mittelposition des Polierkissens zu einem Rand des Polierkissens
und zurück
zur Mittelposition des Polierkissens,
- – Messen
der elektrischen Leistungseingabe zu dem Motor während des Konditionierens für jeden Schwingzyklus,
- – Vergleichen
der gemessenen elektrischen Leistungseingabe mit der Grenze der
elektrischen Leistungseingabe für
jeden Schwingzyklus und
- – Ausgeben
eines Warnsignals als Reaktion auf den Vergleich, wenn die gemessene
elektrische Leistungseingabe die Grenze übersteigt.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird der elektrische Strom oder die elektrische
Spannung als eine elektrische Leistungseingabe zu dem Motor, der
die Drehung des Drehtischs antreibt, gemessen, um ein Maß für die Abtragsrate
zu gewinnen. Die Grenze, die für
die elektrische Leistungseingabe gesetzt wird, d.h. den Strom oder
die Spannung, entspricht deshalb mittelbar der Abtragsleistung,
die benötigt
wird, um die Verschmutzungen aus der Kissenoberfläche zu entfernen
und die Poren wieder zu öffnen.
Aufgrund des Verschleißes
des Polierkissens und der wachsenden Stumpfheit des Konditionierkopfs
verschlechtert sich in der Regel der Abtrag mit der Zeit, und deshalb
nimmt die elektrische Leistungseingabe ab, wenn eine konstante Drehrate aufrechterhalten
werden soll.
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Die
Messung des Drehtischstroms ist in dem Stand der Technik bekannt.
Er wird deshalb dazu verwendet, einen Endpunkt des Prozesses zu
detektieren, wenn sich z.B. die Zusammensetzung des gegenwärtig entfernten
Waferoberflächenmaterials ändert, weil
eine neue Oberflächenschicht
auf dem Wafer offen gelegt wird. In diesem Fall ändert sich der Abriebwiderstand,
was zu einer anderen Energieeingabe in den Motor führt. Da
die neue freigelegte Oberflächenschicht
auf dem Wafer möglicherweise den
Erfolg eines Polierschritts markiert, kann die Änderung bei der elektrischen
Leistungseingabe in den Motor den Endpunkt des aktuellen Polierschritts
markieren. In der Regel schwingt der sich drehende Konditionierkopf über die
Polierkissenoberfläche
von der Mitte zum Rand und zurück
zu seinem Ursprung. Während
dieser Bewegung erreicht der dem Motor zugeführte elektrische Strom oder
die dem Motor zugeführte
elektrische Spannung einen Maximalwert an einer Position des Konditionierkopfs
in der Nähe
des Rands des Polierkissens. Im Fall eines fehlende Verschleißes des
Polierkissens würde
der elektrische Strom oder die elektrische Spannung als Funktion der
Zeit von Schwingzyklus zu Schwingzyklus reproduziert werden.
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Bei
Anwesenheit eines Verschleißes
nimmt diese Funktionskurve für
einen Schwingzyklus bezüglich
des vorausgegangenen Zyklus ab. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Grenze entsprechend entweder einfach einem Schwellwert
oder eine Funktionsgrenze entsprechend einem Schwingzyklus gesetzt,
die im Fall des Verschleißes
von einem Messwert bzw. einer Funktionskurve des gemessenen Tischstroms
der elektrischen Eingangsleistung überschritten werden kann. Nach
jeder Messung erfolgt ein Vergleich zwischen der gemessenen elektrischen
Leistungseingabe und der gesetzten Grenze. Nachdem das Überschreiten
aufgetreten ist, wird ein Warnsignal ausgegeben, das automatisch oder
von einem Bediener ausgewertet und interpretiert werden kann.
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Es
kann auch eine zweite Grenze gesetzt werden, die ein Toleranzintervall
für elektrische
Leistungseingaben markiert, in Verbindung mit der ersten Grenze.
Beispielsweise könnte
der Fall vorliegen, dass die Abtragsrate aus irgendeinem Grund zunimmt,
weshalb die Lebensdauer des Kissens abnimmt. Wenn dies nicht bemerkt
wird, kann dies zu einer verkratzten oder beschädigten Oberfläche führen. In
diesem Fall würde
die elektrische Leistungseingabe zunehmen und schließlich die
eine oder die zwei Grenzen überschreiten,
und zwar je nachdem, ob nur eine Maximalgrenze oder ein Toleranzbereich angewendet
wird.
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Aufgrund
dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann die Ungleichförmigkeit
des Konditionierprozesses vorteilhafterweise detektiert werden und
eine ausreichende Qualität
des Polierkissens für
den CMP-Prozess
von Wafern kann bereitgestellt werden. Insbesondere kann verhindert
werden, dass unzureichend regenerierte Polierkissen für das weitere
Polieren von Wafern verwendet werden. Vielmehr können Aktionen von Steuermechanismen unternommen
werden, um gleichförmige
Prozessbedingungen wiederherzustellen.
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Bei
einem Aspekt wird das Nachstellen der elektrischen Leistungseingabe
in Betracht gezogen, was dafür
sorgt, dass eine Drehtischwinkelgeschwindigkeit innerhalb eines
Toleranzbereichs liegt. In diesem Fall wird ein Regelkreis konstruiert,
damit die Drehrate des Polierkissens fast konstant gehalten wird.
Der Motor empfängt
eine derartige Menge elektrischer Leistung, d.h. Strom oder Spannung,
dass eine konstante Winkelgeschwindigkeit geliefert wird.
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Bei
einem weiteren Aspekt besteht die Aktion, die ergriffen wird, um
eine ausreichende Konditionierqualität bereitzustellen, darin, das
Konditionierkissen oder das Polierkissen als Reaktion auf das ausgegebene
Signal auszutauschen. Der Konditionierprozess wird für die Substitution
abgebrochen. Vorteilhafterweise können dann Situationen mit erheblich
verschlissenen Polierkissen oder Konditionierkissen nicht auftreten.
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Bei
einem weiteren Aspekt wird der von dem (inneren) Regelkreis aufrechterhaltene
Toleranzbereich von Drehtischwinkelgeschwindigkeiten selbst in einem
(äußeren) Regelkreis
nachgestellt, was durch Auswerten des Warnsignals aktiviert wird.
Beispielsweise wird ein Warnsignal aufgrund einer reduzierten elektrischen
Leistungseingabe abgegeben, die auf eine reduzierte Abtragsrate
zurückzuführen ist,
und die Untergrenze wird von Messwerten für elektrische Leistungseingabe überschritten.
Dann wird die Winkelgeschwindigkeit, die mit einem konstanten Wert erzielt
werden soll, einmal auf einen höheren
Wert nachgestellt, um eine Abtragsrate bereitzustellen, die über die
Zeit hinweg gleichförmig
ist. Die elektrische Leistungseingabe zum Motor nimmt dann wieder
in einem Selbstnachstellschritt zu, um die ursprüngliche Drehrate aufrechtzuerhalten.
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Ein
wichtiges Thema ist, dass die elektrische Leistungseingabe Werte
annimmt, die ein Ergebnis der Drehrate des Polierkissendrehtischs
in Kombination mit einem zeitabhängigen
Abtragswiderstand sind. Da bei diesem Aspekt die Abtragsrate eines
geringfügig
verschlissenen Polierkissens durch einfaches Erhöhen der Drehgeschwindigkeiten
fast konstant gehalten wird, erhält
man vorteilhafterweise eine längere
Nutzungszeit eines Polierkissens oder Konditionierkissens. Somit
werden die Waferqualität erhöht und die
Kosten für
den CMP-Prozess reduziert aufgrund der pro Zeit benötigten geringeren Menge
an Polierkissen.
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Bei
einem weiteren Aspekt wird die Abtragsrate durch Erhöhen der
Druckkraft des Konditionierkopfs als Reaktion auf das ausgegebene
Signal konstant gehalten. Auch dieser Aspekt kann durch einen Regelkreis
realisiert werden.
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Bei
einem weiteren Aspekt wird die Drehrate des Konditionierkopfs als
Reaktion auf das ausgegebene Warnsignal derart nachgestellt, dass
die elektrische Leistungseingabe fast konstant bleibt oder zumindest
innerhalb der Grenze bleibt zum Bereitstellen von gleichförmigen Abtragsraten.
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Ein
besseres Verständnis
der Erfindung ergibt sich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
einer Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
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1 schematisch
eine CMP-Vorrichtung mit einem Konditionierkopf und einem Polierkopf
und ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Diagramm gemessener elektrischer Leistungseingabe für Konditionierkopfschwingzyklen
als Funktion der Schwingzeit für
vier Konditionierzyklen (durchgezogene Linien) und eine Funktionsgrenze
(gestrichelte Linie), während
der Lebensdauer eines Polierkissens aufgenommen.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 1 gezeigt. Ein Drehtisch 2,
an dem ein Polierkissen 1 angebracht ist, wird von einem
Motor 7 gedreht. Zum Polieren eines Wafers, der unter dem Polierkopf 3 gehalten
wird, wird er von dem Polierkopf 3 gegen das Polierkissen 1 gedrückt und
in Eingriff gehalten. Während
der Wafer in der gleichen Richtung wie der Drehtisch 2 gedreht
wird, wobei aber beide unterschiedliche Achsen aufweisen, schwingt
ein Polierkopfschwingarm 6 den Polierkopf 3 über das
Polierkissen 1, um ein gleichförmiges Entfernen des Waferoberflächenmaterials über die
Waferoberfläche
zu erzielen. Während
oder nach dem Polierschritt wird eine Konditionierung über einen Konditionierkopf 4 durchgeführt, an
dem ein Konditionierkissen angebracht ist. Auch der Konditionierkopf 4 dreht
sich, z.B. in der gleichen Richtung wie der Drehtisch 2,
und wird ebenfalls mit Hilfe eines Konditionierkopfschwingarms 5 etwa
von der Mitte zum Rand des Polierkissens 1 über das
Polierkissen 1 geschwungen, wie durch die Pfeile in 1 in
der Nähe
des Konditionierkopfs 4 gezeigt.
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An
der gezeigten Anordnung ist ein Flussdiagramm von zwei gekoppelten
Regelkreisen angebracht. Einer davon ist in der Technik bekannt
und ist durch die dünnen
Pfeile in 1 angedeutet. Die vom Motor 7 initiierte
Drehung des Drehtischs 2 wird gemessen und dann mit einem
Drehratenwert, d.h. einer Grenze oder einem Toleranzbereich oder
Raten, verglichen, der herkömmlicherweise
vor dem Prozess eingestellt wird. Wenn die gemessene Rate die Grenze
oder den Bereich übersteigt,
wird die elektrische Leistungseingabe, d.h. der elektrische Strom
in dieser Ausführungsform,
so nachgestellt, dass die vom Motor 7 initiierte Drehrate
in den im Voraus eingestellten Drehratenbereich zurückgestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die elektrische Stromeingabe 8 zum Motor 7 mit
der Abtragsrate in Bezug stehend angesehen, die während des
ganzen Prozesses gleichförmig
sein soll. Dementsprechend werden Toleranzbereichsgrenzen der Abtragsrate
in Toleranzbereichsgrenzen der elektrischen Stromeingabe 8 transformiert
und bevorzugt während
der Lebensdauer eines Polierkissens festgesetzt. Eine Messeinrichtung 9 für die elektrische Stromeingabe 8 liefert
ihre Messwerte für
die Schwingzyklen an eine Steuereinheit 10, die einen Vergleichsschritt
der Kurve des gemessenen elektrischen Stroms mit den Grenzen des
elektrischen Stroms vornimmt.
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Eine
typische Veränderung
von Kurven des gemessenen elektrischen Stroms für ausgewählte Schwingzyklen des Konditionierkopfs über ein
Polierkissen 1 ist in 2 gezeigt.
Die oberste Kurve stellt einen Schwingzyklus in der Nähe der ersten
Verwendung eines neuen scharfen Konditionierkissens dar. Im Laufe
der Zeit nehmen die in 2 durch durchgezogene Linien
dargestellten entsprechenden Kurven aufgrund einer abnehmenden Schärfe des
Konditionierkopfs 4 oder einer Abnahme der Abwärtskraft des
Konditionierkopfs 4 auf kleinere Werte des elektrischen
Tischstroms ab. Die Abtragsrate nimmt deshalb ebenfalls ab, während die
Drehgeschwindigkeit aufgrund des oben erwähnten, in der Technik bekannten
Regelkreises fast konstant bleibt. Nach einigen wenigen Stunden überschreitet
der Tischstrom schließlich
die Grenze des elektrischen Tischstroms 8 die eingestellt
ist, um die Untergrenze der tolerierbaren Abtragsrate darzustellen.
Die entsprechende Tischstromgrenzkurve wird durch die gestrichelte
Linie dargestellt.
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Der
innere Regelkreis kann implizit durch einen entsprechenden Elektromotor 7 implementiert werden,
der einfach die Leistungseingabe nimmt, die er benötigt, um
eine bestimmte mechanische Leistungsabgabe bereitzustellen, oder
er ist explizit mit entsprechenden Einheiten konstruiert, die die
mechanische Leistungseingabe und Leistungsabgabe des Motors 7 steuern.
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Da
nach jedem Schwingzyklus die Kurve des gemessenen elektrischen Tischstroms
mit der Kurve des elektrischen Grenzstroms verglichen wird, wird das
Ereignis des Überschreitens
des Ersteren über das
Letztere – zumindest
teilweise – in
dem Vergleichsschritt detektiert. Ein Warnsignal wird ausgegeben,
das anzeigt, dass die Untergrenze der Abtragsrate überschritten
wird. Der (äußere) Regelkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung, in 1 durch dicke Pfeile angezeigt,
wird gebildet, indem das Warnsignal 11 als das Ereignis
genommen wird, um die Drehrate nachzustellen, d.h. zu erhöhen, die
der Motor 7 in seinem inneren Regelkreis bewerkstelligen
muss. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese nachgestellte Drehrate als Eingabe zu dem Vergleichsschritt
des inneren Regelkreises nunmehr nur im Voraus für einen Schwingzyklus anstatt
der Lebensdauer des Konditionierkissens bzw. Konditionierkopfs eingestellt.
Deshalb wird die Abtragsrate vorteilhafterweise fast gleichförmig gehalten,
wodurch man eine homogene, fast zeitlich unabhängige Qualität erhält, die
zu gleichförmigen
Prozessbedingungen für
das Herstellen von Halbleiterwafern während CMP führt.
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Es
liegt keine klare Beziehung vor zwischen dem elektrischen Tischstrom 8 und
dem Verschleiß des
Polierkissens 1, doch kann eine Änderung beim Konditionierprozess
aufgrund von Variationen beim Konditionierkopf 4/Plattenschärfe und/oder
Abwärtskraft
beobachtet werden. Unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens
kann der Konditionierprozess des Polierkissens 1 in vorteilhafterweise
gesteuert werden, und im Fall einer Abnahme bei der Poliereffizienz
kann der Konditionierprozess als Ursache für das Problem ausgeschlossen
werden, wenn z.B. der elektrische Strom kein außergewöhnlichen Verhalten offenbart,
d.h. keine spezifizierten Grenzen übersteigt.
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- 1
- Polierkissen
- 2
- Drehtisch
- 3
- Polierkopf
- 4
- Konditionierkopf
- 5
- Konditionierkopfschwingarm
- 6
- Polierkopfschwingarm
- 7
- Elektrisch
bestromter Motor
- 8
- Elektrische
Leistungseingabe, Tischstrom, Spannung
- 9
- Messeinrichtung
für Tischstrom,
Spannung
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Warnsignal