DE19833052B4 - Process and device for end point detection during chemical mechanical polishing - Google Patents
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Abstract
Chemisch mechanisches Poliergerät zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers (103) mit:
einem Poliertisch (111) zum Halten eines Polierkissens (109);
einem drehbaren Waferspannfutter (101) zum Halten des Halbleiterwafers (103) gegen das Polierkissen (109);
einer elektrischen Läppungssteuerung (113), die an dem äußeren Umfang des Waferspannfutters (101) befestigt ist und die
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 Druckvorrichtung um Anlegen eines Drucks an den Widerstandssensor (205) derart, daß der Widerstandssensor (205) wahrend des Polierens mit dem Polierkissen (109) in Kontkat steht, aufweist; und
einer Widerstandserfassungseinrichtung zum Bestimmen des variablen Widerstandes des Widerstandssensors (205).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 (101) for holding the semiconductor wafer (103) against the polishing pad (109);
an electric lapping controller (113) attached to the outer periphery of the wafer chuck (101) and the
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 pressure device for applying pressure to the resistance sensor (205) such that the resistance sensor (205) is in contact with the polishing pad (109) during polishing; and
a resistance detector for determining the variable resistance of the resistance sensor (205).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein chemisch mechanisches Poliergerät zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers und auf ein Verfahren zum Bestimmen des von einem Halbleiterwafer entfernten Materiales während eines Polierens mit einem chemisch mechanischen Poliergerät . Insbesondere bezieht sie sich auf die Endpunkterfassung während des chemisch mechanischen Polierens.The present invention relates on a chemical mechanical polisher for polishing a surface of a Semiconductor wafers and a method for determining the one Semiconductor wafer removed material during polishing with a chemical mechanical polisher , In particular, it relates to endpoint acquisition during the chemical mechanical polishing.
Chemisch mechanisches Polieren (CMP) ist als wichtige Halbleitertechnologie 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 Endpunkterassung während des Poliervorganges ermöglichen.Chemical mechanical polishing (CMP) is an important semiconductor technology especially for devices surfaced with critical dimensions smaller than 0.3 μm. An important The aspect of the CMP control is the end point acquisition (EPD), i.e. the Determine when to polish during the polishing process is to be ended. The EPD systems are in principle EPD systems in place that allow endpoint acquisition during the Enable polishing.
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 for execution on the spot according to the state of the art includes the electrical Measure the changes the capacity, the impedance or the conductance of the test setup on the wafer and calculating the end point based on the analysis of these Data.
Eine andere EPD-Technik ist die Erfassung der Änderungen in der Reibung zwischen dem Wafer, der poliert wird, und dem Polierkissen. 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 Polierkissens und dem Oxid unter dem Metall. Mit den fortgeschrittenen Verbindungsleitern wie Polysilizium, Oxid, Kupfer und Barrierenmetallen, z.B. Tantal oder Tantalnitrid ist der Reibungskoeffizient ähnlich zu dem unterliegenden Oxid. Diese Annäherung beruht auf der Erfassung des Cu-Tantalnitridüberganges und das Zufügen einer zusätzlichen Polierzeit. Innere Vorgangsvariationen in der Dicke und der Zusammensetzung der verbleibenden Zwischenschicht bedeuten, daß die letzte Endpunktauslösezeit weniger genau als wünschenswert ist.Another EPD technique is acquisition of changes in the friction between the wafer being polished and the polishing pad. Capturing the changes of the motor current leads such measurements by. This procedure is only for the EPD for the Metal CMP reliable because of the dissimilarity of the (friction) coefficient between the polishing pad and the tungsten titanium nitride titanium film compared to that of the polishing pad and the oxide under the metal. With the advanced connection conductors like polysilicon, oxide, Copper and barrier metals, e.g. Is tantalum or tantalum nitride the coefficient of friction is similar to the underlying oxide. This approximation is based on detection of the Cu tantalum nitride transition and inflicting an additional Polishing time. Internal process variations in thickness and composition The remaining interlayer means that the last end point trigger time is less exactly as desirable is.
Ein anderes Verfahren benutzt eine akustische Annäherung. Bei der ersten akustischen Annäherung erzeugt ein Akustikmeßwandler ein Akustiksignal, das sich durch die Oberflächenschicht(en) des Wafers ausbreitet, der poliert wird. Einige Reflexionen treten an der Schnittstelle zwischen den Schichten auf, und ein zum Erfassen der reflektierten Signale angeordneter Sensor kann zum Bestimmen der Dicke der obersten Schicht benutzt werden, während sie poliert wird. Die zweite Akustikannäherung 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 akustische Verfahren zum Bestimmen des Endpunktes benutzt.Another method uses one acoustic approach. Generated at the first acoustic approach an acoustic transducer an acoustic signal that is transmitted through the surface layer (s) of the wafer spreads, which is polished. Some reflections occur at the interface between the layers, and one to detect the reflected Signals arranged sensor can be used to determine the thickness of the top one Used during shift it is polished. The second acoustic approach is to use a Acoustic sensor for detecting the acoustic signals that occur during the CMP are generated. Such signals have spectral and amplitude content, who during of the course of the polishing cycle. So far, however, is still no endpoint detection system for the use on the spot commercially available, the acoustic method used to determine the end point.
Schließlich erfassen optische EPD-Systeme, wie sie beispielsweise 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, EPD optical systems capture such as that described in U.S. Patent 5,433,651 to Lustig et al. is spent making changes in a reflected optical signal that a window in the Platen of a rotating CMP tool used. The window complicates however, the CMP process because there is an unevenness in the polishing pad for represents the wafer. Such an area can also contain mud and polishing waste pick up.
Das US-Patent 5 413 941 offenbart ein Verfahren, bei dem der Wafer von dem Kissen um einen kleinen Betrag abgehoben wird und ein Lichtstrahl zwischen den Wafer und das mit Schlamm beschichteten 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 Topographie 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 process in which the wafer is removed from the cushion by a small Amount is lifted and a beam of light between the wafer and the pillow covered with mud is straightened. The beam of light occurs at a small angle so that multiple reflection occurs. The irregular Topography on the wafer causes scatter, if any sufficient polishing is carried out before lifting the carrier, is the wafer surface essentially flat, and there is very little scatter due to it the topography on the wafer. The difficulty with this approach is the one that the normal process cycle to perform interrupt the measurement.
Das US-Patent 5 643 046 beschreibt die Benutzung des Überwachens der Absorption spezieller Wellenlängen in dem Infrarotspektrum eines Strahles, der durch einen Wafer geht, der poliert wird. Änderungen in der Absorption innerhalb von schmalen, wohl definierten Spektralfenstern entsprechen der Änderung der Dicke des jeweiligen Types der Schicht.U.S. Patent 5,643,046 describes the use of surveillance the absorption of specific wavelengths in the infrared spectrum of a beam going through a wafer being polished. amendments in absorption within narrow, well-defined spectral windows correspond to the change the thickness of the respective type of layer.
Aus dem US-Patent 5 265 378 ist ein chemisch-mechanisches Poliergerät zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers zu entnehmen, bei dem mindestens zwei leitende Strukturen auf dem Wafer vorgesehen sind.From U.S. Patent 5,265,378 is a chemical mechanical polisher for polishing a surface a semiconductor wafer in which at least two conductive Structures are provided on the wafer.
Aus dem US-Patent 6 015 754 ist ein chemisch-mechanisches Poliergerät zum Polieren einer Oberfläche eines Halbleiterwafers zu entnehmen, bei dem der elektrische Widerstand zwischen Paaren von Meßpunkten gemessen wird, die auf gegenüberliegenden Seiten von Schnittlinien auf der Zieloberfläche gebildet sind.From U.S. Patent 6,015,754 is a chemical mechanical polisher for polishing a surface a semiconductor wafer, in which the electrical resistance between pairs of measuring points is measured on opposite Sides of cut lines are formed on the target surface.
Aus der
Jedes dieser obigen Verfahren hat Nachteile. Was nötig ist, ist ein neues Verfahren zur Endpunkterfassung, das in Fabrikationsumgebung nutzbar ist.Each of these methods has Disadvantage. What is necessary is a new endpoint capture process that is in a manufacturing environment is usable.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Poliergerät und ein Endpunktbestimmungsverfahren vorzusehen, mit denen der Endpunkt des Polierens genau und zuverlässig bestimmt werden kann.It is therefore an object of the invention a polisher and to provide an end point determination method with which the end point of polishing accurately and reliably can be determined.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Poliergerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 12.This task is solved by a polisher with the features of claim 1 and 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.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. von den Figuren zeigen:Other features and practicalities the invention will become apparent from the following description based on of the figures. from the figures show:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Endpunkterfassen (EPD) unter Benutzung einer elektrischen Läppungssteuerung, die an einem Waferträger befestigt ist . Chemisch mechanische Poliermaschinen (CMP-Maschinen) enthalten typischerweise eine Vorrichtung zum Halten eines Wafers oder Substrates, die zu polieren sind (auch als "Waferspannfutter" bezeichnet), 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 bewirkt, daß Motoren die Oberfläche des Wafers gegen die Kissenoerfläche mit einen vorgeschriebenen Kraftbetrag drücken. Die Bewegung des Wafers ist willkürlich, aber typischerweise ist es eine Drehbewegung. Weiter ist die Bewegung des Polierkissens entweder eine Drehbewegung oder eine umlaufende Bewegung. Die anderen Bauteile des CMP-Werkzeuges, die nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind, sind dem Fachmann bekannt.The present invention relates refer to a method of endpoint acquisition (EPD) using an electric lapping control, the one on a wafer carrier is attached. Chemical mechanical polishing machines (CMP machines) typically include a device for holding a wafer or substrates to be polished (also referred to as "wafer chucks"), a polishing pad, and a Device for carrying the pillow (also referred to as a "support plate"). A mud or one Abrasive powder emulsion is required for polishing and is either used directly to the surface of the pillow or through holes and grooves in the pillow are delivered directly to the surface of the wafer. The Control system of the CMP machine causes the surface of the motors Wafers against the cushion surface press with a prescribed amount of force. The movement of the wafer is arbitrary but typically it's a spinning motion. The movement is further of the polishing pad either a rotary movement or a rotating one Move. The other components of the CMP tool that are not special shown or described are known to those skilled in the art.
Eine schematische Darstellung des
Gesamtsystemes des Poliergerätes
ist in
Eine elektrische Läppungssteuerung
(ELG)
Die Feder
Aber auch mit einer Feder
Insbesondere werden vier Primärfaktoren
benutzt, die sich auf die Polierrate des Widerstandssensors
-
(1) der mit P1 bezeichnete
durch die Feder
203 auf den Widerstandssensor205 ausgeübte Druck;(1) the one labeled P 1 by the spring203 on the resistance sensor205 pressure applied; -
(2) der mit P2 bezeichnete durch das
Waferspannfutter
101 auf den Wafer103 ausgeübte Druck (als "Rückseitendruck" bekannt);(2) the one designated P 2 by the wafer chuck101 on the wafer103 pressure applied (known as "backside printing"); -
(3)das Material des Widerstandssensors
205 und(3) the material of the resistance sensor205 and -
(4) das von dem Wafer
103 zu polierende Material (typischerweise Oxide, Polysilizium oder Wolfram).(4) that of the wafer103 material to be polished (typically oxides, polysilicon or tungsten).
Es ist bestimmt worden, daß allgemein
die Polierrate für
die meisten Materialien linear mit den Druckvariationen variieren.
Daher kann unter der Annahme, daß sowohl das Wafermaterial,
das zu polieren ist, und das Material des Widerstandssensors
Der Widerstandssensor
Der Widerstandssensor
Die Widerstandselemente
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 Widerstandssensor geeignet sind. Die Benutzung von diskreten Widerständen ist bevorzugt wegen der Möglichkeit des leichten Überwachens der Änderung des Widerstandes.Other mechanisms that have a variable Provide resistance if material is removed by polishing can to be used. As is known, the resistance of a material depends of length and width of the material. So there are a variety of materials the for use as the resistance sensor are suitable. The usage of discrete resistors is preferred because of the possibility of easy monitoring of change of resistance.
Im Betrieb legt, wie in
Der Betrag des fließenden Stromes,
wie er durch den Stromdetektor
Als ein Beispiel sei angenommen,
daß der
Widerstandssensor
Somit beträgt für neun parallele Widerstände von
jeweils 5 Ohm der Gesamtwiderstand
Wenn jedoch während der CMP-Bearbeitung einer
der Widerstandselemente
Aus dieser Tabelle kann somit der
Mikroprozessor bestimmen, wieviel Widerstandselemente
Weiter kann mit dem vorbestimmten
Wissen, das jedes Widerstandselement
Damit dieses Problem gelöst wird,
wird eine andere Ausführungsform
des Widerstandssensors
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 Materialbetrag den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann der CMP-Vorgang beendet werden. Wenn der entfernte Materialbetrag noch nicht den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der CMP-Vorgang fortgesetzt. Auf diese Weise kann das Verfahren zum genauen Steuern des CMP-Vorganges benutzt werden.After the amount of resistance sensor material that has been used up is determined, this information can be used to control the CMP process. For example, the remote Comparing the amount of material to a predetermined threshold, and if the removed amount of material exceeds the predetermined threshold, the CMP process may be terminated. If the amount of material removed does not yet exceed the predetermined threshold, the CMP process continues. In this way, the method can be used to precisely control the CMP process.
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