DE4125732C2 - Verfahren und Gerät zum Polieren eines flachen Wafers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren und Gerät für das Polieren bzw. die Herstellung von integrierten Schaltungen eines Wafers bzw. Halbleiterwafers insbesondere für die mechanische Planierung.

Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen (ICs) ist es oft notwendig, eine Seite eines Teiles zu polieren, wie einen dünnen, flachen wafer aus Halbleitermaterial. In der Regel wird ein Halbleiterwafer poliert, um die Topografie, Oberflächenfehler wie Kristallglitterdefekte, Kratzer, Rauhigkeiten oder eingebettete Schmutz- oder Staubpartikel zu entfernen. Dieses Polierverfahren wird oft als mechanische Planierung bezeichnet und verwendet, um die Qualität und Verläßlichkeit von Halbleitervorrichtungen zu verbessern. Dieses Verfahren wird normalerweise während der Ausbildung verschiedener Vorrichtungen und integrierter Schaltungen auf dem Wafer verrichtet.

In der Regel schließt das mechanische Planierungsverfahren das Halten und Drehen eines dünnen, flachen Wafers aus Halbleitermaterial gegen eine benetzte Poliberoberfläche unter gesteuertem Druck oder Temperatur mit ein. Eine Polierpaste bzw. -schlamm wie eine Lösung aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid wir als Schleifmittel verwendet. Ein drehender Polierkopf wird typischerweise verwendet, den Wafer unter gesteuertem Druck gegen eine sich drehende Polierplatte zu halten. Die Polierplatte ist typischerweise mit einem relativ weichen, benetzten bzw. befeuchteten Material wie geblasenem Polyurethan bedeckt. Derartige Geräte zum Polieren dünner, flacher Halbleiterwafer sind im Stand der Technik gut bekannt. Die US- Patente Nr. 4,193,226 und 4,811,522 von Gill, Jr. und das US-Patent Nr. 3,841,031 von Walsh zum Beispiel offenbaren solche Geräte. Ferner sind Poliervorrichtungen aus den Dokumenten JP 2-119225 A2, JP 1-268032 A2 und JP 58-178526 A2 bekannt. Aus der JP 2-119225 A2 ist lediglich eine ringförmige Schleifeinrichtung bekannt. Aus der US 4797992 ist die Verwendung von Laser-Interferometern zur Rauhigkeitsmessung bekannt.

Ein ganz bestimmtes Problem, auf das bei dem Gebrauch eines Poliergerätes gestoßen wird, liegt in der Ermittlung, daß ein Teil auf eine gewünschte Ebenheit oder relative Dicke planiert worden ist. In der Vergangenheit ist dies typischerweise durch Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit, des Druckes nach unten und der Polierzeit des Planierungsverfahrens erreicht worden. Als Abschlußschritt muß das Teil jedoch typischerweise mechanisch von dem Poliergerät entfernt, und mit im Stand der Technik bekannten Technikern physikalisch gemessen werden, um die dimensionalen und planen bzw. planaren Eigenschaften des polierten Teiles nachzuprüfen. Wenn das Teil die gewünschten Merkmale nicht aufweist, muß es wieder in das Poliergerät eingespannt werden und ein zweites Mal planiert werden. Alternativ dazu kann das Teil auch zuviel poliert und ein Übermaß an Material entfernt worden sein, so daß das Teil unter der Norm zurückgegeben wird.

Zusätzlich kann der Halbleiterwafer einer räumlich nichtgleichmäßigen Planierung ausgesetzt sein, und zwar aufgrund des relativen Geschwindigkeitsunterschiedes zwischen den äußeren Randgebieten und den inneren Gebieten des drehenden Halbleiterwafers. Die sich schneller bewegenden Randgebiete des Halbleiterwafers können z. B. einen größeren Betrag von Materialabtragung erfahren als die sich relativ langsamer bewegenden inneren Gebiete. In der Vergangenheit wurde diesem Problem damit begegnet, daß man einen Polierkopf verwendet hat mit einer in der Regel konvexen Form, um somit eine größere Kraft auf die inneren Gebiete der Halbleiterscheibe auszuüben und eine kleinere Kraft entlang der äußeren Randgebiete.

Diese Planierungsprobleme ergeben sich im Zusammenhang, da der Halbleiterwafer mit der Oberseite nach unten gegen eine Polierplatte gehalten wird und es ohne Entfernen der Halbleiterscheibe keine Möglichkeit zur Überwachung das Polierverfahrens gibt. In der Regel besteht bei der mechanischen Planierung von Halbleiterwafern das dringende Bedürfnis, während des Planierungsverfahrens den Endpunkt des planierten Wafers zu ermitteln oder zu überwachen. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein neues Verfahren und Gerät für die Planierung/Polierung eines Halbleiterwafers, das während des Planierungsverfahrens verrichtet werden kann.

Bei dem Gebrauch des Verfahrens und des Gerätes der Erfindung wird ein Teil, das mechanisch planiert werden soll, wie ein Halbleiterwafer, in den Polierkopf eingesetzt. Der Polierkopf ist für die Rotation in einer Polierpaste und für die Bewegung quer über eine in der Regel kreisförmige Polierplatte angebracht.

Die Polierplatte kann auch vorzugsweise in der gleichen Richtung wie der Polierkopf gedreht werden. Der Polierkopf ist ausgelegt, um quer zur und über die äußere Umfangskante der Polierplatte bewegt zu werden und um über der äußeren Kante der Polierplatte überzustehen. Das Überstehen des Halbleiterwafers über die Kante der Polierplatte exponiert die polierte Oberfläche des Wafers und erlaubt es, eine Endpunktermittlungsvorrichtung, wie eine Laser-Interferometermeßeinrichtung, auf die Wa­ feroberfläche zu richten, um einen Endpunkt zu ermitteln. Die Endpunktermittlung kann die Dicke eines Teiles des Wafers, wie eine Oxidoberfläche (d. h. Silicid) des Wafers oder eine Rand- bzw. Kantendicke des Wafers ermitteln.

Eine Laser-Ermittlungsvorrichtung wird vorzugsweise in Synchronisation zu einer Markierung auf dem Wafer, wie eine ungemusterte Prägung, impulsgesteuert. Als Beispiel kann die ungemusterte Prägung eine metallische Schicht enthalten, die einen Silicid-Überzug hat. Der Laser kann auf die ungemusterte Prägung gerichtet werden, um die Dicke des Silicids an dem Punkt zu ermitteln. Andere Bezugspunkte an anderen Stellen auf der Scheibe können ebenfalls verwendet werden, um eine Durchschnittsdicke quer über den Wafer zu erhalten.

Die Laser-Ermittlungsvorrichtung der Erfindung ist vor­ zugsweise in einer Flüssigkeitssäule enthalten, um die Polierpaste o. ä. am Meßpunkt von dem Wafer zu waschen und um ein gleichmäßiges Flüssigkeitsbezugsmedium für den La­ serstrahl bereitzustellen.

Weitere Gegenstände, Vorteile und Fähigkeiten der vorlie­ genden Erfindung werden durch die nachstehende Beschrei­ bung deutlicher veranschaulicht.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen dünnen, flachen Halbleiterwafer, geeignet für mechanische Pla­ nierung mit dem Verfahren und dem Gerät der Er­ findung;

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines mechanischen Pla­ nierungsmechanismus mit Endpunktermittlung, kon­ struiert in Übereinstimmung mit der Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht, die die rela­ tive Rotationsbewegung und Positionierung eines Polierkopfes (in Bezug auf eine rotierende Po­ lierplatte) zeigt, der in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert ist;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang dem Schnitt 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang dem Schnitt 5-5 der Fig. 1; und

Fig. 6 ist ein schematisches Flußdiagramm von dem Ver­ fahren der Erfindung.

In Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Halbleiterwafer 10 ge­ zeigt, der geeignet ist zur mechanischen Planierung in Übereinstimmung mit dem Verfahren und dem Gerät der Erfin­ dung. Der Halbleiterwafer 10 ist dünn und flach, hat in der Regel eine runde Form und ist mit einer Mikrotopogra­ phie ausgebildet. Der Halbleiterwafer kann ein Substrat enthalten, wie Silizium oder oxidiertes Silizium, auf dem eine Vielzahl von individuellen integrierten Schalt­ kreisprägungen aufgebracht bzw. aufgestempelt sind. Diese individuellen Prägungen werden schematisch durch das ge­ kreuzte Muster in Fig. 1 dargestellt.

Die Ausbildung der integrierten Schaltungen erfordert die Ablagerung bzw. Sedimentation verschiedener dünner Schich­ ten wie dünner Metallschichtkontakte, widerstandsfähiger und dielektrischer Schichten auf dem Wafersubstrat. Während der Herstellung des Wafers 10 kann es notwendig sein, die Oberfläche des Wafers mechanisch zu planieren, um z. B. eine planierte bzw. ebene Topographie zur Bestimmung bzw. Definition dieser dünnen Schichten vorzusehen. Dieses Pla­ nierungsverfahren hilft, Hindernisse bei der Mehrlagenfor­ mation und der Metallisierung zu minimieren. Zusätzlich glättet, schlichtet und säubert das Planierungsverfahren die Oberfläche des Wafers.

Wie im Querschnitt in Fig. 5 gezeigt, kann der Halbleiterwafer 10 in einem gewissen Bereich ein Siliziumsubstrat 12 enthalten, auf dem eine Schicht Siliziumdioxid (SiO₂) 14 (hierauf wird im folgenden als Oxid Bezug genommen) aufgebracht sein kann.

In der Regel schließt die mechanische Planierung des Wa­ fers 10 die Planierung der Oxidschicht 14 des Wafers 10 ein. Der Wafer 10 kann auch eine oder mehrere ungemusterte Prägungen 16 einer metallischen Schicht wie Wolfram ent­ halten, die auf dem Siliziumsubstrat 12 aufgebracht und von der Oxidbeschichtung 14 bedeckt ist.

In Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun ein mechanisches Planie­ rungs- und Endpunktermittlungsgerät gezeigt, konstruiert in Übereinstimmung mit der Erfindung und allgemein mit 20 bezeichnet.

Das Gerät 20 der Erfindung umfaßt in der Regel:
eine Poliereinrichtung in Form einer rotierenden Polier­ platte 22, auf der ein Schleifmittel 24, wie Aluminiumoxid bzw. Tonerde, aufgetragen wird;
einen drehbaren Polierkopf 26, ausgelegt zur Unterstützung des Halbleiterwafers 10 und angebracht, wie in Fig. 3 ge­ zeigt, zur Bewegung quer zur und über die Umfangskante der drehenden Polierplatte 22, so daß ein Teil kleiner als der ganze Halbleiterwafer 10 auf der drehenden Polierplatte 22 übersteht;
und eine Endpunktermittlungseinrichtung in der Form einer Laser-Interferometermeßvorrichtung 28 zur Ermittlung der Dicke einer Oxidbeschichtung 14 oder dergl., die auf dem Halbleiterwafer 10 ausgebildet ist.

In Bezugnahme auf Fig. 6 ist das Gerät der Erfindung dazu geeignet, die Dicke der Oxidbeschichtung 14 oder dergl. auf dem Wafer 10 durch ein Verfahren zu ermitteln, welches folgende Schritte enthält:
Drehen des Wafers 10 in einem Poliermittel 24 auf einer Polierplatte 22, Schritt 30;
Überstehenlassen eines Teiles des Wafers 10 über eine Um­ fangskante der Polierplatte 22, Schritt 32; und vorzugsweise
Ermitteln der Dicke der Oxidbeschichtung 14 auf einer freien Prägung 16 des Wafers 10, durch Gebrauch einer La­ ser-Interferometermeßeinrichtung 28, die einen Laserstrahl hat, der in einer Flüssigkeitssäule eingeschlossen ist.

In Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 kann die Poliereinrich­ tung den Polierkopf 26 enthalten, welcher an einem Dreh­ antrieb, wie einem Antriebsmotor 36 montiert ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, erteilt der Antriebsmotor 36 dem Polier­ kopf 26 eine Drehbewegung, gezeigt durch den Pfeil 38. Der Polierkopf 26 ist konstruiert, wie im Stand der Technik bekannt, den Wafer 10 mit der Oberseite nach unten über die Polierplatte 22 zu halten und zu drehen, ohne den Wa­ fer 10 zu beschädigen. Darüber hinaus ist der Polierkopf dazu konstruiert, dem Wafer 10 eine geregelte bzw. gesteu­ erte Kraft nach unten zu erteilen, wie durch den Pfeil 39 (Fig. 2) angezeigt.

Zusätzlich zur Dreh- und Hoch- und Runterbewegung ist der Polierkopf 26 auch für Querbewegungen nach beiden Richtungen über die Polierplatte 22 montiert, wie durch die Pfei­ le 40, 42 in Fig. 3 und Pfeil 41 in Fig. 2 gezeigt ist. Weiter ist der Polierkopf 26 in bezug auf die Polierplatte 22 so montiert, daß der Wafer 10 über die Polierplatte 22 bewegt werden kann und in einer überstehenden Position in bezug auf die äußere Umfangskante der Polierplatte 22 ge­ halten werden kann. Dies wird deutlich in Fig. 2 gezeigt. Mit dieser Anordnung und wie es bei der praktischen Anwen­ dung der Erfindung kritisch bzw. wesentlich ist, kann der Wafer 10 über die Kante der Polierplatte 22 bewegt werden, um während des mechanischen Planierungsverfahrens über die äußere Peripherie- bzw. Umfangskante der Polierplatte 22 überzustehen.

Diese überstehende Anordnung erlaubt es, den Halbleiterwafer 10 auf die und von der Polierplatte 22 zu bewegen, um die Polier­ ungleichmäßigkeiten, die durch die relative Geschwindig­ keitsdifferenz zwischen den sich schneller drehenden äuße­ ren Teilen und den sich langsamer drehenden inneren Teilen des in der Regel runden Wafers 10 erzeugt werden, auszu­ gleichen. Zusätzlich zu dieser Anordnung ist ein Teil der Oberfläche des Wafers 10, wie in Fig. 2 gezeigt, der La­ ser-Interferometermeßeinrichtung zur Endpunktermittlung ausgesetzt, wie hiernach noch ausführlicher erklärt wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Polierplatte 22 auch für eine Drehbewegung in gleicher Richtung wie der Polierkopf 26 montiert. Diese Bewegung ist durch die Pfeile 44, 46 in Fig. 3 angezeigt. Die Oberfläche der Polierplatte kann aus einem relativ weichen Material, wie geblasenem Poly­ urethan, hergestellt sein. Zusätzlich kann diese Oberflä­ che mit einem Schmiermittel wie Wasser befeuchtet bzw. benetzt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das Schleifmittel 24 auf die Oberfläche der Polierplatte 22 geleitet bzw. gelenkt, um ein Schleifmedium zum Polieren des Wafers 10 vorzusehen. Das Poliermittel bzw. der Polierschlamm kann aus einer Lösung eines Schleifmaterials wie Tonerde oder Silizium­ dioxid bestehen.

In Bezugnahme auf die Fig. 2 und 4 ist die Endpunktermitt­ lungseinrichtung der Erfindung deutlich gezeigt. In der illustrierten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Endpunktermittlungseinrichtung eine Laser-Interferometer­ meßeinrichtung 28. Die Interferometermeßeinrichtung 28 verwendet die Überlagerung bzw. Interferenz der Lichtwel­ len zum Zweck des Messens. In der erläutertest Ausfüh­ rungsform der Erfindung ist die Interferometermeßeinrich­ tung 28 dazu montiert, die Dicke der Oxidschicht 14 des Wafers 10 in dem Bereich einer ungemusterten Prägung 16 auf dem Wafer 10 zu ermitteln.

Alternativ dazu kann die Laser-Interferometermeßeinrich­ tung auch angeordnet werden, um die Kantendicke des Wafers 10 oder andere Eigenschaften bzw. Merkmale des Wafers 10 zu ermitteln.

Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält die Laser-Interferometer­ meßeinrichtung 28 einen Laser-Lichtstrahl 48 und einen Lichtrückflußkanal 50, die sich von einer Laser-Steuerein­ heit 54 bis zu einer geeigneten Befestigung (nicht ge­ zeigt) erstrecken, die in enger Nachbarschaft zu der expo­ nierten Oberfläche des Wafers 10 angeordnet ist. Wie aus der illustrativen Ausführungsform der Erfindung ersicht­ lich ist, lenkt die Interferometermeßeinrichtung 28 einen Laserlichtstrahl 48 oder eine Strahlung gegen das Oxid 14 und wieder zurück, das auf der ungemusterten Prägung 16 des Wafers 10 angeordnet ist, und zwar um die Dicke des Oxidbelags 14 an dem Punkt genau zu messen. Dies kann mit Lasertechniken ausgeführt werden, die Fachleuten bekannt sind.

Weiterhin, wie in Fig. 4 gezeigt, lenkt ein Flüssigkeits­ kanal 52 eine Flüssigkeit wie Wasser auf die Oxidoberflä­ che 14 an dem Punkt der Messung durch den Laserstrahl 48 auf dem Wafer 10. Wie in Fig. 4 gezeigt, umgibt das Flüs­ sigkeitsmedium den Laserstrahl 48 vollständig. Diese Flüs­ sigkeit 54 funktioniert dahingehend, die Oberfläche des Wafers 10 am Lasermeßpunkt zu säubern und einen konstanten Flüssigkeitsbezugshintergrund oder ein Medium zum Erlangen der Lasermessung vorzusehen.

Das Gerät und das Verfahren der Erfindung erlauben somit die mechanische Planierung eines Halbleiterwafers mit ei­ ner Vorrichtung für die zuverlässige Ermittlung des End­ punktes der Oberfläche oder der Oxiddicke des Halbleiter­ wafers während des Planierungsvorganges.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich wird, wird dies durch Ermittlung einer Oxiddicke an einem vor­ bestimmten Bezugspunkt (d. h. ungemusterte Prägung) er­ zielt. Andere Bezugspunkte auf dem Wafer können ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich können ebenfalls andere Typen von Meßeinrichtungen oder Mehrfach-Lasermeßeinrichtungen und/oder Mehrfachbezugspunkte verwendet werden, um eine durchschnittliche Dicke zu erhalten.

Claims (15)

1. Verfahren zum Polieren eines flachen Wafers, mit den Schritten:

• a) Halten des Wafers in einem drehbaren Polierkopf, montiert für die Bewegung quer zu und über die Umfangskante einer rotierenden Polierplatte hinaus;
• b) Drehen des Wafers in einer Polierpaste unter Bewegen des Wafers quer über die Polierplatte;
• c) Überstehenlassen eines Teils des Wafers kleiner als der gesamte Wafer über die Umfangskante der Polierplatte hinaus, um einen überstehenden Teil der Oberfläche des Wafers gegenüber der drehbaren Polierplatte freizulegen,
• d) gekennzeichnet durch Messen der Dicke einer Materialschicht des Wafers während des Polierens zur Bestimmung eines Endpunktes für die Polierung des Wafers, wobei die Messung der Dicke auf der freigelegten Oberfläche des Wafers stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Messung der Dicke des Wafers durch Verwenden einer Laser-Meßeinrichtung und Richten eines Laserstrahls auf die Oberfläche des freigelegten überstehenden Teils des Wafers geschieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ferner die Polierplatte in der selben Richtung wie der Polierkopf gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das ferner aufweist: Richten einer Flüssigkeitssäule gegen die Oberfläche des Wafers, an einem Ort des Auftreffens des Laserstrahls, zum Reinigen der Oberfläche und zum Bereitstellen eines Bezugsmediums für den Laserstrahl.

5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Verwendung einer Lasermeßeinrichtung die Verwendung eines Laser-Interferometers aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Materialschicht eine Oxidschicht ist und die Ermittlung der Dicke der Oxidschicht des Wafers auf dem überstehenden Teil während des Polierens durch Verwendung einer Laser-Interferometermeßeinrichtung geschieht, die einen ermittelnden Laserstrahl hat, der in einer Flüssigkeitssäule eingeschlossen und auf eine ungemusterte Prägung auf der Waferoberfläche gerichtet ist, wobei die Flüssigkeitssäule zum Reinigen der Oxidschicht am Lasermeßpunkt und zum Bereitstellen eines konstanten Flüssigkeitsbezugsmediums für den Laserstrahl dient.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Polierplatte in der gleichen Richtung wie der Polierkopf gedreht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Wafer, der Polierkopf und die Polierplatte eine kreisförmige Form haben.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die ungemusterte Prägung eine dünne, metallische Schicht enthält, auf der die Oxidschicht angeordnet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Drehen des Halbleiterwafers über eine rotierende Polierplatte unter dem Druck des Polierkopfes erfolgt und das Bewegen des Halbleiterwafers während des Polierens quer über die Umfangskante der Polierplatte hinaus erfolgt, um den Halbleiterwafer überstehen zu lassen, und um Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen verschiedenen Teilen des kreisförmigen Halbleiterwafers auszugleichen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Halbleiterwafer aus Silizium mit einer Silicid- Oberfläche ausgebildet ist und bei dem die ungemusterte Prägung eine dünne Wolframschicht mit einer Oxidbeschichtung enthält.

12. Gerät zur mechanischen Planierung eines dünnen, flachen Halbleiterwafers und zum Ermitteln der Dicke einer Materialschicht des Halbleiterwafers, das aufweist:

• a) eine Poliereinrichtung, die eine sich drehende, kreisförmige Polierplatte und ein Schleifmittel enthält;
• b) einen drehbaren Polierkopf zum Halten des Halbleiterwafers, ausgelegt zur Rotation und zur Bewegung des Halbleiterwafers über die Umfangskante der Polierplatte hinaus unter gesteuertem Druck, um eine polierte Oberfläche des Halbleiterwafers freizulegen;
• c) gekennzeichnet durch eine Endpunktermittlungseinrichtung zum Ermittelnder Dicke einer Materialschicht des Halbleiterwafers an der freigelegte Oberfläche während des Planierens.

13. Gerät nach Anspruch 12, bei dem die Polierplatte in der gleichen Richtung wie der Polierkopf gedreht wird.

14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Endpunktermittlungseinrichtung eine Lasermeßeinrichtung ist.

15. Gerät nach Anspruch 14, wobei die Lasermeßeinrichtung eine Interferometermeßeinrichtung ist und einen Laserstrahl aufweist, der auf eine ungemusterte Prägung auf der Oberfläche des Halbleiterwafers gerichtet ist, eine Steuereinheit, einen Lichtrückführkanal und einen Flüssigkeitskanal, der den Laserstrahl umgibt, um eine Flüssigkeit auf die Oberfläche des Halbleiterwafers zu lenken, um diese zu säubern und ein Bezugsmedium für den Laserstrahl am Lasermeßpunkt zu schaffen.