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Hintergrund der Erfindung
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Bei
der höheren
Integration von Halbleiterbauteilen wird in der Regel ein mehrschichtiger
Prozess verwendet. In diesem mehrschichtigen Prozess kommen Photolithographie-Prozesse
zum Einsatz, und es werden sogar noch kleinere kritische Strukturgrenzen
angestrebt. Um die auf einer Materialschicht ausgebildete Linienbreite
zu minimieren, wird die Materialschicht auf einem Chip durchgängig planarisiert. Derzeit
umfassen die Verfahren zum Planarisieren eines Halbleiterbauteils
das Verfließen
(Reflow) von Borophosphorsilikatglas (BPSG), das Einbringen (Flow)
von Aluminium (Al), das Rückätzen von
aufgeschleudertem Glas (Sein-an-Glass (SOG) Etch Back) und das chemisch-mechanische
Polieren (CMP, Chemical Mechanical Polishing).
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Beim
CMP werden chemische Komponenten in einer wässrigen Lösung (Slurry) und die physikalischen
Komponenten eines Polierpads verwendet, um die Oberfläche eines
Chips für
die Planarisierung chemisch und mechanisch zu polieren. Hierdurch kann
mit CMP eine durchgängige
Planarisierung und die Planarisierung bei niedriger Temperatur für eine ausgedehnte
Fläche
erzielt werden, auf der ein Verfließ- oder Rückätzprozess nicht durchgeführt werden
kann. Auf Grund dieser Vorteile kommt CMP als Planarisierungstechnik
für Halbleiterelemente
der nächsten
Generation weithin zum Einsatz.
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In
einer CMP-Vorrichtung einer verwandten Technik führt eine Düse Polierschlamm zu, während ein
Pad in einer vorgegebenen Geschwindigkeit rotiert. Ein Träger (Carrier) übt einen
vor gegebenen Druck auf einen am Pad befestigten Wafer (Scheibe) aus
und rotiert in einer vorgegebenen Geschwindigkeit.
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Eine
auf dem Wafer aufgebrachte Schicht kann durch diesen CMP-Prozess
poliert werden. Das rotierende Pad, der rotierende Träger und
der Druck auf den Wafer fungieren als physikalische Komponenten,
während
der Polierschlamm auf die auf dem Wafer aufgebrachte Schicht chemisch
einwirkt.
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Die
Durchführung
eines CMP-Polierprozesses führt
oftmals dazu, dass das Pad glatter wird und Oberflächenrauigkeit
verliert. Wenn die Oberflächenrauigkeit
des Pads nicht wieder im ursprünglichen Zustand
versetzt wird, verschlechtern sich die Poliergeschwindigkeit und
die Poliergleichmäßigkeit
in den nachfolgenden Prozessen.
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Um
zusätzliche
Oberflächenrauigkeit
auszubilden und dem Pad zwischen den Polierprozessen neuen Polierschlamm
zuzuführen,
wird das Pad normalerweise mit einer rotierenden kreisrunden Scheibe
in einem bestimmten Aufbereitungsdruck zusammengepresst.
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1 ist
eine Ansicht einer CMP-Vorrichtung der verwandten Technik.
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Im
Folgenden wird auf 1 Bezug genommen. Ein Wafer 100 wird
durch ein Pad 110 und den Polierschlamm 120 poliert,
und ein mit dem Pad 110 verbundener Poliertisch 130 führt eine
einfache Rotationsbewegung aus. Ein Kopf 140 führt ebenso
eine Rotationsbewegung aus und übt
einen bestimmten Druck auf den Wafer 100 aus.
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Der
Wafer 100 verwendet einen Pad-Aufbereiter, um die Oberfläche des
Pads 110 dergestalt aufzubereiten, dass die Beschädigung des
Pads 110 nach dem Polieren wieder ausgeglichen werden kann.
Dann wird der nächste
Wafer verarbeitet.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Kopf und ein Pad in einer CMP-Vorrichtung. 3 ist
ein Graph der Rotationsgeschwindigkeit bezüglich des Wafer-Radius. 4 ist
ein Graph der Polierrate bezüglich
des Wafer-Radius.
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Wenn,
wie in 2 dargestellt, das Pad 110 und der Kopf 140 in
dieselbe Richtung rotieren, nimmt die Rotationsgeschwindigkeit zu,
wenn Punkte des Pads 110 näher am Außenumfang von Pad 110 liegen.
Daher nimmt auch die Polierrate eines unterhalb des Kopfes 140 angeordneten
Wafers zu, wenn der Radius des Pads 110 näher am Außenumfang liegt.
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Genauer
formuliert, steigt die Polierrate von der Mitte des Wafers zu dessen
Außenumfang
an, wie in 4 dargestellt. Darüber hinaus
steigt auch die Rate, mit der die Polierrate zunimmt, von der Mitte
hin zum Außenumfang
des Wafers 100 an. Dies geschieht, da der Kopf unterschiedlichen
Druck auf den Wafer ausübt,
was durch die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten (Strecke
pro Zeiteinheit) an jedem Punkt verursacht wird.
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Die
Rotationsgeschwindigkeit steigt von der Mitte in Richtung des Außenumfangs
des Wafers dergestalt an, dass der Kantenbereich mehr poliert wird
als die Mitte des Wafers.
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Wenn
das Pad 110 und der Kopf 140 rotieren, wird der
Wafer nicht gleichmäßig poliert.
Dies führt
zu Unebenmäßigkeiten
im zu polierenden Halbleiterbauteil und zu einer Verschlechte rung
seiner Eigenschaften. Daher besteht in der Technik der Bedarf an
einer verbesserten CMP-Technik zur Planarisierung eines Halbleiterelements.
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KURZÜBERSICHT
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sehen ein Polierpad und eine CMP-Vorrichtung vor,
mit der ein Wafer gleichmäßig poliert
werden kann.
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In
vielen Ausführungsformen
umfasst das Polierpad: eine Rille für den Fluss von Polierschlamm und
eine Vielzahl von Mustern, die durch Gräben mit einer vorgegebenen
Größe gebildet
werden. In einer anderen Ausführungsform
enthält
das Polierpad keine Rille für
den Fluss von Polierschlamm.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält die
CMP-Vorrichtung einen Poliertisch, der in einer bestimmten Richtung
rotiert, ein Polierpad, das auf dem Poliertisch ausgebildet ist,
und einen Kopf, der einen bestimmten Druck auf das Polierpad und
die Oberfläche
des Wafers ausübt.
Das Polierpad weist eine Vielzahl von durch Gräben gebildeten Mustern auf.
In vielen Ausführungsformen
hat jeder Graben die Form einer Fischgräte. In einer weiteren Ausführungsform
weist das Polierpad der CMP-Vorrichtung auch eine Rille für den Fluss
von Polierschlamm auf.
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Die
Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben. Weitere Merkmale der Erfindung
werden für
den Fachmann aus der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht einer CMP-Vorrichtung der verwandten Technik.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Kopf und ein Pad in einer CMP-Vorrichtung
der verwandten Technik.
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3 ist
ein Graph der Rotationsgeschwindigkeit bezüglich des Wafer-Radius.
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4 ist
ein Graph der Polierrate bezüglich des
Wafer-Radius.
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5 ist
eine Ansicht einer CMP-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine Ansicht eines Polierpads gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Ansicht der Gräbenmuster
des Polierpads gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine Ansicht der Gräben
des Polierpads gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
eine seitliche Schnittansicht des Polierpads gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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10 und 11 sind
Ansichten der Wirkung des dynamischen Drucks infolge eines Musters mit
einer Fischgrätrille.
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12 ist
ein Graph der Polierrate bezüglich des
Wafer-Radius für eine CMP-Vorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Im
Folgenden wird nun detailliert auf die Ausführungsformen der vorliegenden
Offenlegung eingegangen, wobei Beispiele davon in den begleitenden Zeichnungen
veranschaulicht werden.
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In 5 wird
eine CMP-Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei ein Wafer 200 durch
ein Polierpad 210 und Polierschlamm 220 poliert
wird.
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Ein
Poliertisch 230 mit dem darauf angebrachten Polierpad 210 rotiert,
und ein Kopf 240 übt einen
bestimmten Druck auf den Wafer 200 aus und rotiert ebenso.
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In
vielen Ausführungsformen
bewirken das vom Kopf ausgeübte
Gewicht und der vom Kopf ausgeübte
Druck, dass die Oberfläche
des Wafers 200 mit dem Polierpad 210 in Berührung kommt.
Der Polierschlamm 220, der in der Regel eine Verarbeitungs-
oder Polierlösung
ist, fließt
in feinen Aussparungen zwischen den miteinander in Verbindung stehenden
Oberflächen.
Die feinen Aussparungen können
Grabenmuster auf dem Polierpad sein (die im Folgenden beschrieben
werden). Die Polierpartikel im Polierschlamm 220 und die
Vorsprünge
auf der Oberfläche
des Polierpads 210 führen
einen mechanischen Polierprozess auf dem Wafer 200 durch.
Zusätzlich
polieren chemische Komponenten im Polierschlamm 220 den
Wafer 200 in chemischer Weise.
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In
bestimmten Ausführungsformen
können ein
Haltering 250 und ein ausgebackener Film 260 zwischen
dem Wafer 200 und dem Kopf 240 ausgebildet sein
und Halte- und stoßdämpfende
Funktionen übernehmen.
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In
einer Ausführungsform
ist ein Pad-Aufbereiter 270 (Pad Conditioner) auf dem Polierpad 210 enthalten,
um Abfallprodukte beim Polieren zu entfernen und die Effizienz und
Gleichmäßigkeit
des Poliervorgangs zu erhöhen.
Der Pad-Aufbereiter 270 wird normalerweise
auf dem Polierpad 210 durch einen pneumatischen Zylinder
(nicht dargestellt) auf- und abbewegt,
und enthält
ein mit dem pneumatischen Zylinder verbundenes zylindrisches Gehäuse und eine
Diamantscheibe, die den Außenumfang
des zylindrischen Gehäuses
umgibt. Wie in 6 dargestellt, umfasst eine
Ausführungsform
des Polierpads der vorliegenden Erfindung eine Rille 211,
die in einer vorbestimmten Tiefe in das Polierpad 210 für eine gleichmäßige Zuführung von
Polierschlamm eingeschnitten ist.
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In
einer Ausführungsform
ist eine Vielzahl von Gräben
um die Rille 211 ausgebildet, die den Polierschlamm aufnehmen
können.
Jeder Graben weist ein bestimmtes Muster auf, wie ein erstes Muster 212 und
ein zweites Muster 213. Das erste Muster 212 und
das zweite Muster 213 umfassen jeweils eine Fischgrät-Gestaltung, wobei
sich aber die Verbindungsstellen des Fischgrätmusters im ersten Muster 212 und
im zweiten Muster 213 in einander entgegengesetzte Richtungen öffnen. Die
Verbindungsstellen können
gebogen sein, um U-förmige
Fischgrätformen
zu bilden, oder starr, um V-förmige
Fischgrätformen
zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen
sind alle Verbindungsstellen starr. In anderen Ausführungsformen
sind alle Verbindungsstellen gebogen. In wiederum weiteren Ausführungsformen sind
einige Verbindungsstellen gebogen und einige Verbindungsstellen
starr.
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Wenn
in bestimmten Ausführungsformen das
Polierpad 210 eine kreisförmige Form aufweist, hat auch
die Rille 211 eine kreisförmige Form und verläuft konzentrisch
zum Außenumfang
des Polierpads 210. Eine Vielzahl erster Muster 212 wird
auf dem Polierpad konzentrisch um die Rille 211 gebildet.
Eine Vielzahl zweiter Muster 213 ist ebenso konzentrisch
um die Rille 211 ausgebildet, und Gräben eines jeden Musters sind
abwechselnd von der Rille 211 in jede Richtung weggehend
ausgebildet.
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Somit
wird in bestimmten Ausführungsformen
eine erste Linie 212a durch das erste Muster 212 gebildet
und eine zweite Linie 213a wird durch das zweite Muster 213 gebildet.
Von der Mitte des Polierpads 210 in Richtung dessen Außenumfangs sind
abwechselnd eine erste Linie 212a und eine zweite Linie 213a angeordnet.
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In
vielen Ausführungsformen
weisen das erste Muster 212 und das zweite Muster 213 jeweils eine
Fischgrätform
auf, wobei aber die Öffnung
der einen Musterform der Rotationsrichtung von Polierpad 210 zugewandt
ist und die Öffnung
der anderen Musterform in die entgegengesetzte Richtung weist.
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In
einer Ausführungsform
können
das erste Muster 212 und das zweite Muster 213 jeweils
die Form einer gerundeten Klammer anstelle eines starren Winkels
aufweisen. Wenn die runde Wölbung oder
der spitze Teil der gerundeten Klammerform in der Rotationsrichtung
des Polierpads angeordnet ist, wird dies in der Regel als zweites
Muster 213 bezeichnet; andernfalls wird es als erstes Muster 212 bezeichnet.
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Wie
in 7 dargestellt, haben viele Ausführungsformen
zwei Gräben 213,
die an einen bestimmten Punkt konvergieren, um eine V-förmige Fischgrät-Gestaltung
zu bilden. Jeder Graben hat eine bestimmte Tiefe, in der Regel im
Bereich zwischen etwa 50 μm
bis etwa 410 μm.
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In
vielen Ausführungsformen
weisen das erste Muster 212 und das zweite Muster 213 jeweils eine
Wölbung
in einer bestimmten Größe auf.
Die Wölbung
im zweiten Muster 213 ist in einer Richtung ausgebildet,
die zur Rotationsrichtung des Polierpads 210 entgegengesetzt
ist.
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Wie
in 8 und 9 dargestellt, hat das erste
Muster 212 in bestimmten Ausführungsformen eine konkave Form
mit einer vorgegebenen Tiefe auf dem Polierpad. Durch die konkave
Form können
die Gräben
Polierschlamm zum Polieren des Wafers aufnehmen. In vielen Ausführungsformen
liegt das Verhältnis
(α = Lp/L)
von der Dicke Lp des ersten Musters 212 und des Abstands
L zwischen aufeinanderfolgenden Gräben im ersten Muster 212 zwischen etwa
0,22 und etwa 0,5. Darüber
hinaus liegt der Musterwinkel β zwischen
etwa 22 Grad und etwa 32 Grad. Die Länge r der vertikalen Achse
im ersten Muster 212 reicht von etwa 0,5 mm bis etwa 4
mm.
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In
vielen Ausführungsformen
kann das zweite Muster 213 dieselben Wertebereiche für α, β, Lp, L und
r wie das erste Muster 212 aufweisen. Darüber hinaus
kann das zweite Muster 213 Gräben in konkaver Form aufweisen,
wie für
das erste Muster 212 in 9 dargestellt.
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10 veranschaulicht
eine Ausführungsform,
in der Flüssigkeit,
wie Luft, in die Mitte des Musters gemäß den Umdrehungen des Polierpads 210 und
des Kopfes 240 eingesogen wird. 11 veranschaulicht
eine Ausführungsform,
in der Flüssigkeit, wie
Luft, von der Mitte des Musters abgestoßen wird.
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Im
Folgenden wird auf die in 10 dargestellte
Ausführungsform
Bezug genommen. Wenn Luft durch die Rotation des Polierpads 210 und
des Kopfes 240 in die Mitte des Musters fließt, bewegt sich
Hochdruckluft in Richtung der Oberseite des Polierpads 210.
Die Luft von der Oberseite des Polierpads 210 bewirkt,
dass das Gewicht und die Wirkungsstärke des das Polierpad herunterdrückenden Kopfes 240 abnehmen,
wodurch die Polierrate des Wafers abnimmt.
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11 zeigt
eine Ausführungsform,
in der die Luft aus der Mitte des Musters durch Rotation des Polierpads 210 und
des Kopfes 240 herausfließt. Dies führt zu einer Druckabnahme in
der Mitte des Musters und zu einer Zunahme der Wirkungsstärke im Kopf 240,
um das Polierpad herunterzudrücken. Daher
steigt die Polierrate des Wafers an.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Fischgrät-Gestaltungen
des ersten Musters 212 und des zweiten Musters 213 einander
entgegengesetzte Richtungen auf. Mit Hilfe von Luft, die durch die
Rotationen von Polierpad 210 und von Kopf 240 erzeugt wird,
wird der durch den Kopf 240 ausgeübte Druck gleichmäßig auf
dem Wafer 200 verteilt.
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Der
gleichmäßig ausgeübte Druck
des Kopfes 240 führt
dazu, dass die Polierrate an jedem Punkt des Wafers 200 in
etwa gleich ist.
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12 zeigt
einen Graphen der Polierrate einer CMP-Vorrichtung mit einem Polierpad gemäß einer
Ausführungsform.
Wenn man, wie in 12 dargestellt, von der Mitte
in Richtung des Außenumfangs
des Polierpads 210 geht, liegt die Polierrate an jedem
Punkt zwischen etwa 1180 und etwa 1280, was einen gleichmäßigen Polierprozess
auf dem Wafer 200 darstellt.
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In
einer Ausführungsform
reihen sich die Gräben
auf dem Polierpad 210 des ersten Musters 212 mit
den Gräben
des angrenzenden zweiten Musters 213 dergestalt aneinander,
dass die Begrenzungen der Länge
Lp für
Gräben
im ersten Muster 212 direkt gegenüber den Begrenzungen der Länge Lp für Gräben im zweiten
Muster 213 liegen. In einer alternativen Ausführungsform
reihen sich die Gräben auf
dem Polierpad 210 des ersten Musters 212 nicht mit
den Gräben
des angrenzenden zweiten Musters 213 aneinander.
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In
einer Ausführungsform
weist das Polierpad 210 Reihen eines dritten Musters auf,
die rings um das Polierpad 210 verlaufen. Das dritte Muster weist
eine Gestaltung auf, die zwei einander entgegengesetzten, verbundenen
Fischgrät-Gestaltungen entspricht;
wobei die Gestaltungen einen ersten Graben aufweisen, der dann mit
einem zweiten Graben verbunden ist, der dann mit einem dritten Graben
verbunden ist, der annähernd
parallel zum ersten Graben verläuft.
In einer Ausführungsform
haben die drei Gräben
jeweils annähernd
dieselbe Länge
und Breite. In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Graben
in etwa zweimal so lang wie der erste und zweite Graben. Dies kann
dadurch verwirklicht werden, indem das erste Muster 212 und
das zweite Muster 213 zur Bildung des dritten Musters verbunden
werden. In einer Ausführungsform
wird mit der Begrenzungslinienlänge
Lp der Gräben
bei angrenzenden dritten Mustern eine Aneinanderreihung gebildet.
In einer anderen Ausführungsform
wird mit der Begrenzungslinienlänge
Lp der Gräben
in angrenzenden Mustern keine Aneinanderreihung gebildet. In einer
Ausführungsform
sind die Verbindungsstellen starr. In einer weiteren Ausführungsform
sind die Verbindungsstellen gebogen. In wiederum einer weiteren
Ausführungsform
sind einige Verbindungsstellen gebogen und einige Ver bindungsstellen
sind starr. In wieder einer anderen Ausführungsform weist das Polierpad 210 eine
kreisförmige
Rille 211 auf, die konzentrisch zum Außenumfang des Polierpads 210 verläuft.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Polierpad 210 Reihen eines dritten Musters mit
wechselnden Richtungen auf, die rings um das Polierpad 210 verlaufen.
In einer weiteren Ausführungsform können abwechselnde
Reihen des ersten und zweiten Musters mehrere Reihen des ersten
Musters, gefolgt von mehreren Reihen eines zweiten Musters, gefolgt
von mehreren Reihen eines ersten Musters enthalten.
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Jede
Bezugnahme in dieser Beschreibung auf "die eine Ausführungsform", "eine
Ausführungsform", eine beispielhafte
Ausführung
usw. bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder eine
Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird,
in mindestens einer Ausführungsform
der Erfindung enthalten ist. Die Vorkommen solcher Ausdrücke an verschiedenen Stellen
in der Beschreibung beziehen sich nicht notwendigerweise alle auf
dieselbe Ausführungsform. Weiterhin,
wenn ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte
Eigenschaft in Verbindung mit einer beliebigen Ausführungsform beschrieben
wird, versteht es sich, dass es im Bereich eines Fachmanns liegt,
das Merkmal, die Struktur oder die Eigenschaft in Verbindung mit
anderen Ausführungsformen
zu verwirklichen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht
es sich, das vielzählige
andere Modifikationen und Ausführungsformen
von Kennern der Technik erdacht werden können, die dem Geist und Geltungsbereich
der Grundsätze
dieser Offenbarung und den ange fügten
Ansprüchen
entsprechen. Im Besonderen sind verschiedene Variationen und Modifikationen
in den Komponententeilen und/oder Anordnungen der kombinierten Anordnung
das Themas im Gültigkeitsbereich
der Offenlegung, der Zeichnungen und der angehängten Ansprüche möglich. Zusätzlich zu den Variationen und
Modifikationen in den Komponententeilen und/oder Anordnungen sind
für Kenner
der Technik auch alternative Verwendungen ersichtlich.