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Halbleiterscheiben, insbesondere Silicium-Wafer, werden zur Fabrikation von hochintegrierten elektronischen Bauelementen wie z. B. Mikroprozessoren oder Speicherchips verwendet. Dabei werden hohe Anforderungen insbesondere an die Ebenheit der Vorderseiten der Siliciumscheiben gestellt, auf der die elektronischen Bauelemente erzeugt werden. Dies ist notwendig, um Probleme beim Belichten der Siliciumscheiben (Lithographie) und bei Zwischenpolierprozessen („Chemical Mechanical Polishing”, CMP) während der Fertigung der Bauelemente gering zu halten.
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Das Polieren der Oberflächen von Halbleiterscheiben verfolgt das Ziel, Material von den Oberflächen der Halbleiterscheiben zu entfernen, um eine möglichst gleichmäßige, planare Oberfläche zu bilden. Dadurch lassen sich eine unerwünschte Oberflächentopographie und Oberflächendefekte, wie raue Oberflächen, Kristallgitterbeschädigungen oder Kratzer entfernen und gleichmäßige Oberflächen für die folgende Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen.
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Daher erfolgt nach Schleif-, Reinigungs- und Ätzschritten gemäß dem Stand der Technik eine Glättung der Oberfläche der Halbleiterscheiben durch Abtragspolitur.
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Beim Doppelseitenpolieren (DSP) werden Halbleiterscheiben lose in eine sog. Läuferscheibe eingelegt und vorder- und rückseitig simultan „frei schwimmend” zwischen einem oberen und einem unteren, mit einem Poliertuch belegten Polierteller unter Zuhilfenahme eines Poliersols poliert. Die Trägerteile liefern einen kontrollierbaren Druck, der die Halbleiterscheibe gegen die Polierauflage drückt.
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Im Stand der Technik wird die Politur durch Relativbewegung zwischen Wafer und Poliertuch unter Druck und Zuführung eines Poliermittels (Slurry) durchgeführt. Beim Poliermittel handelt es sich z. B. um kolloid-disperses Kieselsol. Das Poliertuch enthält kein Abrasivum. Das Zusammenspiel aus mechanisch schleifender Wirkung des Kieselsols und chemischem Angriff des alkalischen Poliermittels bewirkt dann den zur Glättung der Waferoberfläche führenden Materialabtrag.
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Ein Ausführungsbeispiel für DSP von Siliciumscheiben ist in
US2003054650A offenbart. Eine geeignete Vorrichtung für eine solche DSP-Politur ist in
DE 100 07 390 A1 dargestellt.
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Bei der CMP-Politur wird dagegen nur die Vorderseite, beispielsweise mittels eines weichen Poliertuchs, poliert.
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Bei herkömmlichen Poliermittelansetzverfahren werden die Poliermittelbestandteile als konzentrierte Lösungen und/oder als Feststoff bezogen. Die Feststoffe werden aber in der Regel vor der Verwendung in gesonderten Ansetzstationen mit Reinstwasser in Lösung gebracht. Diese Poliermittelbestandteile und Reinstwasser werden in zentralen Ansetzstationen zu fertigen Poliermittel bzw. zu Teilmischungen weiterverarbeitet. Die so hergestellten Lösungen werden üblicherweise in geeigneten Behältern zwischengelagert. Die gebrauchsfertige Anmischung wird über eine Ringleitung zu den Verbrauchern gefördert. Über eine Stichleitung wird dann das Poliermittel für den Bearbeitungsschritt abgenommen. Das verwendete Poliermittel wird anschließend verworfen.
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Üblicherweise wird neben dem kolloid-dispersen Kieselsol auch eine alkalische Pufferlösung verwendet, z. B. K2CO3 oder KOH-Lösung.
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Die alkalischen Pufferlösungen stehen bei der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung im Verdacht, metallische Kontaminationen an Halbleiterscheiben zu verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, dies zu vermeiden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Polieren von Halbleiterscheiben unter Verwendung eines Poliertuchs, das einen im Poliertuch gebundenen Abrasivstoff enthält und unter Zuführung eines alkalischen Poliermittels, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenstrom der Poliermittels größer oder gleich 5 Liter/min beträgt und das Poliermittel während der Politur in einem Poliermittelkreislauf umgewälzt wird.
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Beim alkalischen Poliermittel handelt es sich vorzugsweise um Reinstwasser bzw. deionisiertes Wasser, das Verbindungen wie Natriumcarbonat (Na2CO3), Kaliumcarbonat (K2CO3), Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder beliebige Mischungen dieser Verbindungen enthält.
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Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von TMAH.
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Der pH-Wert des Poliermittels liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 12.
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Der Anteil der genannten Verbindungen in der Poliermittellösung beträgt vorzugsweise 0,01 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 0,2 Gew.-%.
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Die Poliermittellösung kann darüber hinaus einen oder mehrere weitere Zusätze enthalten, beispielsweise oberflächenaktive Additive wie Netzmittel und Tenside, als Schutzkolloide wirkende Stabilisatoren, Konservierungsmittel, Biozide, Alkohole und Komplexbildner.
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In diesem Fall ist das Poliermittel frei von Feststoffen.
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Beim Poliermittel kann es sich auch um eine Suspension handeln. die Abrasive enthält.
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Der Anteil des Abrasivstoffes in der Poliermittelsuspension beträgt vorzugsweise 0,25 bis 20 Gew.-% besonders bevorzugt 0,25 bis 1 Gew.-%.
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Die Größenverteilung der Abrasivstoff-Teilchen ist vorzugsweise monomodal ausgeprägt.
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Die mittlere Teilchengröße beträgt 5 bis 300 nm, besonders bevorzugt 5 bis 50 nm.
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Der Abrasivstoff besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren der Oxide der Elemente Aluminium, Cer oder Silicium.
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Besonders bevorzugt ist eine Poliermittelsuspension, die kolloid-disperse Kieselsäure enthält.
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Die Siliciumscheiben können entweder mit Hilfe eines Polierkopfes („polishing head”) mit der zu polierenden Seitenfläche gegen das auf einem Polierteller liegende Poliertuch gedrückt und so poliert werden oder aber – geführt durch Läuferscheiben – einer Free Floating Doppelseitenpolitur unterzogen werden.
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Im Falle der Politur mit Polierkopf gehört zu diesem vorzugsweise auch ein Führungsring („retainer ring”) der das Substrat seitlich umschließt und daran hindert, während der Politur vom Polierkopf zu gleiten.
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Bei modernen Polierköpfen liegt die dem Poliertuch abgewandte Seitenfläche der Siliciumscheibe auf einer elastischen Membran auf, die den ausgeübten Polierdruck überträgt. Die Membran ist Bestandteil eines gegebenenfalls unterteilten Kammersystems, das ein Gas- oder Flüssigkeitskissen bildet.
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Es sind aber auch Polierköpfe in Verwendung, bei denen an Stelle einer Membran eine elastische Unterlage („backing pad”) verwendet wird.
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Die Politur des Substrates erfolgt unter Zuführen des Poliermittels zwischen das Substrat und das Poliertuch und unter Drehen der Polierkopfes und des Poliertellers.
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Der Polierkopf kann dabei zusätzlich auch translatorisch über das Poliertuch bewegt werden, wodurch eine umfassendere Nutzung der Poliertuchfläche erzielt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichermaßen auf Einteller- und Mehrteller-Poliermaschinen durchgeführt werden; sowohl in Form eines Einseiten- als auch Doppelseitenpolierprozesses
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Bevorzugt ist die Verwendung von Mehrteller-Poliermaschinen mit vorzugsweise zwei, ganz besonders bevorzugt drei Poliertellern und Polierköpfen.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Poliertuch verwendet, das einen im Poliertuch gebundenen Abrasivstoff enthält (FAP- oder FA-Tuch bzw. FA-Pad).
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Geeignete Abrasivstoffe umfassen beispielsweise Partikel von Oxiden der Elemente Cer, Aluminium, Silicium, Zirkon sowie Partikel von Hartstoffen wie Siliciumcarbid, Bornitrid und Diamant.
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Besonders geeignete Poliertücher weisen eine von replizierten Mikrostrukturen geprägte Oberflächentopografie auf. Diese Mikrostrukturen („posts”) haben beispielsweise die Form von Säulen mit einem zylindrischen oder mehreckigen Querschnitt oder die Form von Pyramiden oder Pyramidenstümpfen.
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Nähere Beschreibungen solcher Poliertücher sind beispielsweise in
WO 92/13680 A1 und
US 2005/227590 A1 enthalten.
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Die Korngrößen der verwendeten FAP-Poliertücher sind vorzugsweise größer oder gleich 0,1 μm und kleiner oder gleich 1,0 μm.
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Grundsätzlich wird das Poliermittel vorzugsweise über Ringleitungen an der Poliermaschine vorbeigeführt und umgewälzt (Poliermittelkreislauf).
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Die im Poliermittelkreislauf umgewälzten Medien werden vorzugsweise gekühlt. Die Kühlung erfolgt vorzugsweise durch in den Poliermittelkreislauf eingebaute Wärmetauscherelemente.
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In der Nähe der Poliermaschine wird das Poliermittel vorzugsweise über eine Verteilereinheit abgenommen und dann zwischen Poliertuch und Halbleiterscheibe gebracht.
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Die Einstellung der Flussraten der verwendeten Poliermedien erfolgt vorzugsweise über Mess- und Regelschaltungen wie folgt: Der Fluss der Poliermedien wird mittels Flow Controllern mit Stell- oder Nadelventilen oder mittels Dosierpumpen eingestellt. Die Einstellung der Ventile erfolgt über eine Änderung des Leitungsdurchmessers. Die Messung der Flüsse erfolgt beispielsweise mittels Flügelradströmungsmessern. Selbstverständlich ist eine automatische Steuerung über geeignete Software möglich und bevorzugt.
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Die derart geregelten Medien, die abrasive Poliermittelkomponenten, Lösungen und Wasser umfassen können, können in eine Mischeinheit (z. B. zu einem Rohr mit statischen Mischelementen) geführt werden, in der die Anmischung des Poliermittels erfolgt.
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Das derart angemischte Poliermittel kann dann entweder zunächst in eine Vorlagestation oder auch direkt in einen Vorlagebehälter, der als Recycling-Vorlagebehälter und als Behälter zum etwaigen Auffrischen des Poliermittels dient, geführt werden.
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Vom Vorlagebehälter aus wird das Poliermittel vorzugsweise über eine Ringleitung zu einem oder mehreren Verbrauchern und mittels einer Stichleitung zur Poliermaschine gefördert.
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Nicht verwendetes Poliermittel fließt zum Vorlagebehälter zurück und wird erneut über die Ringleitung zu dem oder den Verbraucher(n) gefördert.
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Das bei der Politur verbrauchte Poliermittel wird mittels eines geeigneten Auffangsystems aufgefangen und über ein Leitungssystem zum Vorlagebehälter zurückgeführt. Dieses Leitungssystem sieht vorzugsweise eine Ausschleusung vor, d. h. es wird vorzugsweise ein Teil des verbrauchten Poliermittels entnommen und nicht zum Vorlagebehälter zurückgeführt. Eine entsprechende Menge an neuem, unverbrauchtem Poliermittel wird dann dem Vorlagebehälter zugeführt.
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Somit wird vorzugsweise stets ein bestimmter Teil des bereits benutzten Poliermittels durch neues Poliermittel ersetzt.
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Vorzugsweise wird die alkalische Komponente des Poliermittels zur Auffrischung desselben verwendet.
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Vorzugsweise wird über eine Online-Analytik stets der pH-Wert des Poliermittels im Vorlagebehälter kontrolliert. Falls nötig, wird durch Ausschleusung von verbrauchtem Poliermittel und eine Auffrischung des Poliermittels im Vorlagebehälter der pH-Wert entsprechend korrigiert, vorzugsweise durch Zufuhr einer alkalischen Lösung.
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Der Füllstand des Vorlagebehälters ist vorzugsweise stets auf einem bestimmten Mindestniveau. Dies wird durch entsprechende Aufbereitung mit frischem Poliermittel sichergestellt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise eine definierte Menge oder Konzentration an Poliermittel in einem Vorlagebehälter gesammelt und dann wiederverwendet, wobei verbrauchtes Poliermittel einer definierten Menge durch frisches Poliermittel ersetzt wird. Dies geschieht in der Weise, dass zuerst frisches Poliermittel erzeugt wird und nach einmaligem Gebrauch in einen Vorlagebehälter geleitet wird. Erreicht der Füllstand im Vorlagebehälter seinen höchsten Stand, wird der Bearbeitungsprozess vollständig auf das bereits einmal gebrauchte Poliermittel im Sammelbehälter umgestellt. Je nach Anwendungsfall nimmt der Füllstand im Vorlagebehälter durch Medienverluste/Spülverluste, Abschlämmrate usw. ab. Beim Erreichen eines bestimmten Füllstandniveaus im Vorlagebehälter oder nach einer vorgegebenen Verwendungsdauer bzw. nach einer bestimmten Anzahl von Wafern wird das bereits einmal oder mehrmals gebrauchte Poliermittel durch Zugabe von frischem Poliermittel aus einem Versorgungsbehälter aufgefrischt.
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Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich eine Polieranlage für Halbleiterscheiben, die Mittel aufweist, Poliermittel in definierten Grenzen von Menge und Konzentration ersetzen können. Eine derartige Polieranlage weist vorzugsweise zumindest einen Vorlagebehälter für bereits gebrauchtes Poliermittel und einen Behälter für frisches Poliermittel auf sowie Mittel um verbrauchtes Poliermittel auszuschleusen und frische Poliermittel zuzugeben.
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Eine bevorzugte Polieranlage für Halbleiterscheiben ist eine, die einen Regler aufweist, wobei über den chemischen Verbrauch das Poliermittel ergänzt wird. Dies geschieht über eine Vorrichtung, die den chemischen Verbrauch während des Polierverfahrens im Poliermittelablauf bestimmt und dann entsprechend frisches Poliermittel oder bestimmte Poliermittelkomponenten zuführt. Der chemische Verbrauch wird z. B. mittels einer Elektrode bestimmt.
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Eine weitere bevorzugte Polieranlage für Halbleiterscheiben weist Mittel auf, die eine definierte Menge oder Konzentration an Poliermittel ausschleusen und wiederersetzen. Bei diesen Mitteln handelt es sich z. B. um handelsübliche Meßsysteme und Pumpen.
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Eine weitere bevorzugte Polieranlage für Halbleiterscheiben weist Mittel auf, die eine definierte Menge oder Konzentration an Poliermittel in einem Vorlagebehälter zur Wiederverwendung sammeln und Mittel, die verbrauchtes Poliermittel durch eine definierte Menge an frischem Poliermittel ersetzen.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass eine stabile Zusammensetzung der Poliermittel auch bei regenerierten Poliermitteln vorliegt.
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Dabei bleibt die Polierabtragsrate nahezu gleich und es ist keine Nachjustierung der Polierzeit erforderlich, wobei auch die Polierzeiten gleich bleiben und eine bessere Qualität z. B. hinsichtlich des Dickensollwerts erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist eine Verwendung von höheren Volumenströmen von größer oder gleich 5 Liter/min vorgesehen. Vorzugsweise beträgt der Volumenstrom des Poliermittels 5–10 Liter/min, besonders bevorzugt 5–9 Liter/min und ganz besonders bevorzugt 6–8 Liter/min. Der vergleichsweise hohe Volumenstrom führt zu einer besseren Wärmeabführung von den Halbleiterscheiben und von deren unmittelbarer Umgebung, also Poliermittel und Poliertuch.
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Durch die Erfindung ist eine höhere Flexibilität hinsichtlich der Parameter und Variationen bei der Prozessoptimierung, -entwicklung und Verfahrenserweiterung möglich. Durch die Erfindung kann über prozessrelevante Messdaten die Zusammensetzung des Poliermittels verändert werden.
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Vorzugsweise werden in einem Polierablauf, der beispielsweise drei Medien benötigt, alle drei Medien in der beschriebenen Art und Weise wieder verwendet, aufgefrischt und/oder erneuert.
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Durch die prozesstechnischen Vorkehrungen, insbesondere dadurch, dass das Poliermittel mit den kritischen alkalischen Komponenten ständig umgewälzt, aufgefrischt und erneuert wird, lässt sich der Eintrag an Metallkontaminationen im Bulk der Halbleiterscheibe reduzieren. Kritische Metalle sind insbesondere Kupfer und Nickel.
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Durch das Poliermittelrecycling ist es auch wirtschaftlich, besonders reine alkalische Medien wie TMAH zu verwenden, was die Metallkontaminationen weiter reduziert.
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Schließlich lassen sich die Diffusionsraten der Metallionen reduzieren, indem der Poliermittelkreislauf gekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003054650 A [0006]
- DE 10007390 A1 [0006]
- WO 92/13680 A1 [0036]
- US 2005/227590 A1 [0036]