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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Poliervorrichtung zum
Polieren eines Substrates, wie beispielsweise eines Halbleiter-Wafers,
und insbesondere auf eine Poliervorrichtung mit einem Sensor, der
kontinuierlich auf Echtzeitbasis die Dicke eines elektrisch leitenden
Films (einer Schicht bzw. Lager) einer polierten Oberfläche des
Substrates detektieren kann, während
die polierte Oberfläche
des Substrates, welches an einem Substrathalter befestigt ist, wie
beispielsweise an einem Topring, nicht freigelegt bleibt.
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Beschreibung der verwandten Technik:
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Üblicherweise
wird, um eine Verdrahtungsschaltung auf einem Halbleitersubstrat
zu bilden, ein leitender Film über
einer Oberfläche
eines Substrates durch einen Sputter-Prozess oder Ähnliches
abgelagert, und dann werden die unnötigen Teile von dem leitenden
Film durch einen chemischen Trockenätzprozess unter Verwendung
eines Photoresist-Materials für
ein Maskenmuster entfernt.
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Im
Allgemeinen sind Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Material
zum Bilden einer Verdrahtungsschaltung verwendet worden. Jedoch erfordert
die höhere
Integration von integrierten Schaltungen auf dem Halbleitersubstrat
in den letzten Jahren eine engere Verdrahtung, was somit die Stromdichte
steigert, was zur Folge hat, dass eine thermische Belastung in der
Verdrahtung erzeugt wird, und was die Temperatur der Verdrahtung
steigert. Dieser nicht wünschenswerte
Zustand wird immer wichtiger, weil das Verdrahtungsmaterial, wie beispielsweise
Aluminium, aufgrund von Spannungsmigration und Elektromigration
dünner
wird, was schließlich
einen Bruch der Verdrahtung oder einen Kurzschluss bewirkt.
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Um
zu verhindern, dass die Verdrahtung übermäßig Abwärme erzeugt, während ein
Strom fließt,
muss ein Material, wie beispielsweise Kupfer, welches eine höhere elektrische
Leitfähigkeit
hat, für eine
Verdrahtungsschaltung verwendet werden. Da jedoch Kupfer oder eine
Kupferlegierung nicht für
den Trockenätzprozess
geeignet ist, ist es schwierig, das oben erwähnte Verfahren anzuwenden,
bei dem das Verdrahtungsmuster gebildet wird, nachdem der leitende
Film auf der gesamten Oberfläche
des Substrates abgelagert wurde. Daher ist einer von verschiedenen
möglichen
Prozessen, dass Nuten für
eine Verdrahtungsschaltung mit einem vorbestimmten Muster ausgebildet
werden, und dass dann die Nuten mit Kupfer oder einer Kupferlegierung
gefüllt
werden. Dieser Prozess eliminiert den Ätzprozess der Entfernung von
unnötigen
Teilen des Films und benötigt
nur einen Polierprozess zur Entfernung von Unebenheiten oder Ungleichmäßigkeiten
der Oberfläche.
Weiterhin bietet dieser Vorgang Vorteile dahingehend, dass Teile,
die Verdrahtungslöcher
genannt werden, die eine Verbindung zwischen einer oberen Schicht und
einer unteren Schicht in einer mehrlagigen Schaltung bilden, gleichzeitig
geformt werden können.
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Wenn
jedoch die Breite der Verdrahtung schmaler wird, haben solche Verdrahtungsnuten oder
Verdrahtungslöcher
ein beträchtlich
größeres Seitenverhältnis (das
Verhältnis
der Tiefe zum Durchmesser oder zur Breite), und daher ist es schwierig, die
Nuten oder die Löcher
mit Metall gleichförmig durch
den Sputter-Prozess zu füllen.
Obwohl ein chemischer Dampfablagerungsprozess (CVD-Prozess, CVD
= Chemical Vapor Deposition) verwendet wird, um verschiedene Materialien
abzulagern, ist es weiterhin schwierig, ein geeignetes Gasmaterial
für Kupfer
oder eine Kupferlegierung vorzubereiten, und wenn ein organisches
Material verwendet wird, um Kupfer oder eine Kupferlegierung abzulagern,
wird Kohlenstoff (C) in einen abgelagerten Film gemischt, um die
Migration des Films zu steigern.
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Daher
ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Substrat in
eine Plattierungslösung getaucht
wird, um das Substrat durch eine elektrolytische Plattierung oder
eine nicht elektrische Plattierung mit Kupfer zu plattieren, und
dann wird ein unnötiger
Teil einer Kupferschicht von dem Substrat durch einen chemisch-mechanischen
Polierprozess (CMP-Prozess, CMP = Chemical Mechanical Polishing)
entfernt. Diese Bildung des Films oder der Schicht durch das Plattieren
gestattet, dass Verdrahtungsnuten mit einem großen Seitenverhältnis gleichmäßig mit
einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit gefüllt werden. Bei dem CMP-Prozess wird
ein Halbleiter-Wafer, der von dem Topring gehalten wird, gegen ein
Poliertuch bzw. Poliergewebe gedrückt, welches an einem Drehtisch
angebracht ist, während
eine Polierflüssigkeit,
die abrasive Partikel enthält,
hinzugeliefert wird, und somit wird die Kupferschicht auf dem Halbleiter-Wafer
poliert.
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Wenn
die Kupferschicht durch den CMP-Prozess poliert wird, ist es nötig, dass
die Kupferschicht auf dem Halbleitersubstrat selektiv davon entfernt wird,
während
nur die Kupferschicht in den Nuten für eine Verdrahtungsschaltung
zurückbleibt,
d.h. in den Verbindungsnuten. Insbesondere muss die Kupferschicht
auf diesen Oberflächenbereichen
des Halbleitersubstrates, die andere sind als die Verbindungsnuten,
entfernt werden, bis ein Oxidfilm aus SiO2 freigelegt
wird. Wenn die Kupferschicht in den Verbindungsnuten zusammen mit
dem Oxidfilm (SiO2) übermäßig wegpoliert wird, dann würde der
Widerstand der Schaltungen auf dem Halbleitersubstrat so gesteigert
werden, dass das Halbleitersubstrat möglicherweise weggeworfen werden
müsste,
was einen großen
Verlust zur Folge hätte.
Wenn das Halbleitersubstrat unzureichend poliert ist, sodass die
Kupferschicht auf dem Oxidfilm zurückbleibt, dann wären im Gegensatz
dazu die Schaltungen auf dem Halbleitersubstrat nicht voneinander
getrennt, sondern kurzgeschlossen. Als eine Folge wäre es erforderlich,
dass das Halbleitersubstrat wieder poliert wird, und daher würden seine
Herstellungskosten gesteigert werden. Dies ist auch der Fall bei
Halbleitersubstraten, die eine elektrisch leitende Lage aus Aluminium
haben, die selektiv durch den CMP-Prozess wegpoliert werden muss.
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Daher
ist vorgeschlagen worden, einen Endpunkt des CMP-Prozesses unter
Verwendung eines Wirbelstromsensors zu detektieren. Ein solcher
Endpunkt-Detektionsprozess in dem CMP-Prozess bzw. chemisch mechani schen
Polierprozess wird unten mit Bezugnahme auf 7 der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. 7 zeigt eine herkömmliche Poliervorrichtung,
die einen Wirbelstromsensor als einen Endpunktdetektor aufweist.
Wie in 7 gezeigt, weist die Poliervorrichtung einen Drehtisch 41 mit
einem Poliergewebe bzw. Poliertuch 42 auf, welches an einer
Oberseite davon befestigt ist, und einen Topring 45 zum
Halten eines Halbleiter-Wafers 43 als ein Halbleitersubstrat,
und zum Drehen und Pressen des Halbleiter-Wafers 43 gegen
das Poliergewebe 42. Die Poliervorrichtung weist weiter
eine Polierflüssigkeitslieferdüse 48 auf,
die über
dem Drehtisch 41 positioniert ist, um eine Polierflüssigkeit Q
auf das Poliergewebe 42 auf dem Drehtisch 41 zu liefern.
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Der
Topring 45 ist mit einer Topringantriebswelle 49 gekoppelt
und hat ein elastisches Kissen 47 aus Polyurethan oder Ähnlichem,
welches an seiner Unterseite angebracht ist. Der Topring 45 hält den Halbleiter-Wafer 43 in
Kontakt mit dem elastischen Kissen 47. Ein zylindrischer
Haltering 46 ist um eine Außenumfangskante des Toprings 45 angeordnet und
daran befestigt, um zu verhindern, dass der Halbleiter-Wafer 43 aus
dem Topring 45 gelöst
wird, während
der Halbleiter-Wafer 43 poliert wird.
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Der
Haltering 46, der an dem Topring 45 befestigt
ist, hat ein unteres Ende, welches von der Haltefläche des
Toprings 45 nach unten vorsteht. Der Halbleiter-Wafer 43 wird
auf der Haltefläche
des Toprings 45 durch den Haltering 46 gegen eine
Entfernung aus dem Topring 45 unter Reibkräften gehalten, die
durch den Reibeingriff mit dem Poliertuch bzw. Poliergewebe 42 erzeugt
werden. Der Topring 45 nimmt in sich einen Wirbelstromsensor 50 auf,
der elektrisch mit einer (nicht gezeigten) externen Steuervorrichtung
durch einen Draht 51 verbunden ist, der sich durch den
Topring 45 und die Topringantriebswelle 49 erstreckt.
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Die
in 7 gezeigte Poliervorrichtung arbeitet wie folgt:
Der Halbleiter-Wafer 43 wird
auf der Unterseite des elastischen Kissens 47 am Topring 45 gehalten
und wird gegen das Poliergewebe 42 auf dem Drehtisch 41 durch den
Topring 45 gehalten. Der Drehtisch 41 und der
Topring 45 werden unabhängig voneinander
gedreht, um das Poliergewebe 42 und den Halbleiter-Wafer 43 relativ
zueinander zu bewegen, um dadurch den Halbleiter-Wafer 43 zu
polieren. Gleichzeitig liefert die Polierflüssigkeitslieferdüse 48 eine
Polierflüssigkeit
Q auf das Poliergewebe 42. Zum Polieren einer Kupferschicht,
wie beispielsweise der leitenden Schicht, auf dem Halbleiter-Wafer 43 weist
die Polierflüssigkeit
Q ein Oxidationsmittel auf, in dem feine abrasive Partikel aus Aluminiumoxid
oder Siliziumoxid suspendiert bzw. eingemischt sind. Der Halbleiter-Wafer 43 wird
durch eine Kombination einer chemischen Reaktion, die die Oberfläche der
Kupferschicht mit dem Oxidationsmittel oxidiert, und einer mechanischen
Polierwirkung poliert, die mechanisch die Oberfläche der Kupferschicht mit den
feinen abrasiven Partikeln poliert.
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Während der
Halbleiter-Wafer poliert wird, detektiert der Wirbelstromsensor 50 kontinuierlich eine
Veränderung
der Dicke der leitenden Schicht, d.h. der Kupferschicht, auf dem
Halbleiter-Wafer 43. Die externe Steuervorrichtung überwacht
ein Ausgangssignal aus dem Wirbelstromsensor 50 und detektiert
einen Endpunkt des CMP-Prozesses basierend auf einer Veränderung
der Frequenz des Ausgangssignals, wenn die leitende Schicht des
Oxidfilms (SiO2) entfernt wird, während nur
die leitende Schicht in den Verbindungsnuten des Halbleiter-Wafers 43 übriggelassen
wird.
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Ein
Problem des in 7 gezeigten Wirbelstromsensors 50 ist
jedoch, dass der Wirbelstromsensor 50 in dem Topring 45 vorgesehen
ist, und dass daher nur die Dicke der Kupferschicht direkt unter
dem Wirbelstromsensor 50 detektiert werden kann. Wenn eine
Vielzahl von Wirbelstromsensoren in dem Topring 45 vorgesehen
ist, dann kann die Dicke der Kupferschicht an einer Vielzahl von
Stellen auf der Kupferschicht detektiert werden. Jedoch kann die
Vielzahl von Wirbelstromsensoren nur diskrete gemessene Werte von
diesen getrennten Stellen erhalten, und sie können nicht ein kontinuierliches
Profil der gemessenen Werte erzeugen. Ein weiterer Nachteil ist,
dass, wenn die Anzahl der Wirbelstromsensoren zunimmt, die Kosten
der Poliervorrichtung steigen, und dass die externe Steuervorrichtung
eine komplexe Signalverarbeitungssequenz ausführen muss.
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Es
sei auch hingewiesen auf
US-A-5
949 927 , die eine Technik und eine Vorrichtung für die optische Überwachung
und Messung eines Dünnfilms (oder
einer kleinen Region auf einer Oberfläche) offenbart, bei der Dickenveränderungen
und andere Veränderungen
auftreten, während
sie sich dreht. Ein optisches Signal wird von dem überwachten
Bereich durch die Drehachse geleitet und von dem überwachten
sich drehenden Bereich entkoppelt. Das Signal kann dann analysiert
werden, um einen Endpunkt des Einebnungsprozesses zu bestimmen.
Die Erfindung verwendet interferometrische und spektrophotometrische
optische Messtechniken für
die Echtzeit-Endpunktsteuerung
in situ bzw. vor Ort eines chemisch-mechanischen Poliereinebnungsvorgangs
bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen oder verschiedenen
optischen Vorrichtungen. Die Vorrichtung verwendet ein gabelförmiges Faseroptikkabel,
um Veränderungen
an der Oberfläche des
Dünnfilms
zu überwachen.
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Weiterhin
sei hingewiesen auf
US-A-5
911 689 , die ein Verfahren zum Einebnen einer Schicht eines
Werkstückes
beschreibt, wie beispielsweise eines Halbleiter-Wafers, welches
aufweist, die Schicht gegenüber
einer elektrolytischen Polierschlämmung zu drehen, und einen
elektrischen Strom durch die Schlämmung und durch nur eine Hauptseite und/oder
Nebenseiten der Schicht zu leiten, um Teile der Schicht zu entfernen.
Die eine Hauptseite trägt keine
mikroelektronischen Komponenten, die durch den Strom beschädigt werden
könnten.
Zumindest ein Teil von jedem Schritt des Drehens und des Leitens
tritt gleichzeitig auf. Eine Vorrichtung zur Einebnung einer Schicht
weist einen drehbaren Werkstückträger, eine
drehbare Platte, die in der Nähe
des Trägers
angeordnet ist, ein Polierkissen, welches an der Platte befestigt
ist, und Werkstückelektroden
auf. Die Werkstückelektroden
sind entfernbar an dem Träger angebracht,
um elektrisch mit den kleineren Seiten einer Schicht in Kontakt
zu kommen, wenn ein Werkstück
auf dem Träger
gehalten wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Poliervorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Poliervorrichtung
vorzusehen, die einen Poliertisch mit einem Poliergewebe bzw. einem
Poliertuch oder eine feste abrasive Platte hat, und einen Sensor,
wie beispielsweise einen Wirbelstromsensor, der an dem Poliertisch
befestigt ist, um einen kontinuierlich gemessenen Echtzeit-Wert
zu erzeugen, der die Dicke einer leitenden Schicht darstellt, wie
beispielsweise einer Kupferschicht oder einer Aluminiumschicht auf
einem Halbleitersubstrat während
des Polierens.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Poliervorrichtung vorgesehen, die Folgendes aufweist:
einen Poliertisch mit einer Polierfläche; einen Topring bzw. oberen
Ring zum Halten eines Substrates und zum Pressen einer Oberfläche des
Substrates gegen die Polierfläche
zum Polieren der Oberfläche
des Substrates; und mindestens einen Sensor, der unter der Polierfläche des
Poliertisches angeordnet ist, um die Dicke einer leitenden Schicht
zu messen, die auf der Oberfläche
des Substrates ausgeformt ist.
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Der
Poliertisch weist einen Drehtisch auf, der sich um seine eigene
Achse dreht. Die Polierfläche kann
ein Poliergewebe bzw. Poliertuch oder eine feste abrasive Platte
aufweisen. Wenn die Polierfläche ein
Poliergewebe aufweist, dann ist der Sensor in dem Poliertisch befestigt.
Wenn die Polierfläche
eine feste abrasive Platte aufweist, dann ist der Sensor in der
festen abrasiven Platte befestigt.
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Die
leitende Schicht wird poliert, während
die Oberfläche
des Substrates in Gleitkontakt mit der Polierfläche gebracht wird. Der Sensor,
der typischerweise einen Wirbelstromsensor aufweist, verläuft direkt
unter der Oberfläche des
Substrates, die poliert wird, und zwar jedes Mal, wenn der Poliertisch
eine Umdrehung ausführt.
Da der Wirbelstromsensor auf einem bogenförmigen Pfad positioniert ist,
der durch die Mitte des Substrates verläuft, kann der Wirbelstromsensor
kontinuierlich die Dicke der leitenden Schicht detektieren, wenn
der Wirbelstromsensor sich entlang des bogenförmigen Pfades unter dem Substrat
bewegt.
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Die
obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich,
wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird,
die bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine vertikale Querschnittsansicht einer Poliervorrichtung;
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2 ist
eine Ansicht eines Drehtisches, der in 1 gezeigten
Poliervorrichtung;
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3A ist
eine bruchstückhafte
vertikale Querschnittsansicht, die einen Wirbelstromsensor zeigt,
der in einem Drehtisch mit einem darauf befestigten Poliergewebe
bzw. Poliertuch montiert ist;
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3B ist
eine bruchstückhafte
vertikale Querschnittsansicht, die einen Wirbelstromsensor zeigt,
der auf einem Drehtisch mit einer fest daran angebrachten abrasiven
Platte befestigt ist;
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4A ist
eine Kurvendarstellung, die Veränderungen
der Resonanzfrequenz eines detektierten Signals zeigt, welches von
dem Wirbelstromsensor erzeugt wird und von einer Steuervorrichtung
verarbeitet wird, während
ein Halbleiter-Wafer poliert wird, wenn der Wirbelstromsensor eine
Vielzahl von Malen direkt unter dem Halbleiter-Wafer vorbeiläuft;
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4B ist
eine Kurvendarstellung, die in vergrößertem Maßstab einen eingekreisten Teil
A in 4A zeigt,
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5 ist
eine Kurvendarstellung, die Veränderungen
der Resonanzfrequenz eines detektierten Signals zeigt, welches von
dem Wirbelstromsensor erzeugt wird und von der Steuervorrichtung
verarbeitet wird, wenn eine Vielzahl von Halbleiter-Wafern durch
ein einziges Poliergewebe poliert wird,
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6A ist
eine Ansicht eines Drehtisches einer Poliervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6B ist
eine vertikale Querschnittsansicht der Poliervorrichtung gemäß dem in 6A gezeigten
Ausführungsbeispiel,
und
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7 ist
eine vertikale Querschnittsansicht einer herkömmlichen Poliervorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Eine
Poliervorrichtung, die nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung
fällt,
wird unten mit Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, hat eine Poliervorrichtung einen Drehtisch 1,
der einen Poliertisch bildet, und einen Topring 3 zum Halten
des Halbleiter-Wafers 2 und zum Pressen des Halbleiter-Wafers 2 gegen
den Drehtisch 1. Der Drehtisch 1 ist mit einem Motor 7 gekoppelt
und ist um seine eigene Achse drehbar, wie von dem Pfeil gezeigt.
Ein Poliertuch bzw. Poliergewebe 4 ist an einer Oberseite
des Drehtisches 1 befestigt. Der Topring 3 ist
mit einem (nicht gezeigten) Motor gekoppelt und ist mit einem (nicht gezeigten)
Hub/Absenkungszylinder verbunden. Daher ist der Topring 3 vertikal
bewegbar und ist um seine eigene Achse drehbar, wie durch die Pfeile
angezeigt, und kann den Halbleiter-Wafer 2 gegen das Poliergewebe 4 mit
einem erwünschten
Druck drücken. Der
Topring 3 ist mit dem oberen Ende der vertikalen Topringantriebswelle 8 verbunden
und trägt
auf seiner Unterseite ein elastisches Kissen 9 aus Polyurethan
oder Ähnlichem.
Ein Zylinderhaltering 6 ist um eine Außenumfangskante des Toprings 3 herum
vorgesehen, um zu verhindern, dass der Halbleiter-Wafer 2 vom
Topring 3 entfernt wird, während der Halbleiter-Wafer 2 poliert
wird.
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Eine
Polierflüssigkeitslieferdüse 5 ist über dem
Drehtisch 1 angeordnet, um eine Polierflüssigkeit
Q auf das Poliergewebe 4 auf dem Drehtisch 1 zu liefern.
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Der
Drehtisch 1 nimmt darin einen Wirbelstromsensor 10 auf,
der elektrisch mit einer Steuervorrichtung 12 durch einen
Draht 14 verbunden ist, der sich durch den Drehtisch 1 hindurch
erstreckt, weiter eine Drehtischtragwelle 1a und einen
Drehverbinder oder Gleitring 11, der an einem unteren Ende der
Drehtischtragwelle 1a befestigt ist. Die Steuervorrichtung 12 ist
mit einer Anzeigeeinheit 13 verbunden.
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2 zeigt
den Drehtisch 1 in Draufsicht. Wie in 2 gezeigt,
ist der Wirbelstromsensor 10 so positioniert, dass er durch
die Mitte CW des Halbleiter-Wafers 2 läuft, der
vom Topring 3 gehalten wird, während der Halbleiter-Wafer 2 poliert
wird, wenn sich der Drehtisch 1 um seine eigene Achse CT dreht. Während der Wirbelstromsensor 10 entlang
eines bogenförmigen
Pfades unter dem Halbleiter-Wafer 2 läuft, detektiert der Wirbelstromsensor 10 kontinuierlich
die Dicke einer leitenden Schicht, wie beispielsweise einer Kupferschicht
auf dem Halbleiter-Wafer 2.
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3A und 3B zeigen
den Wirbelstromsensor 10, der in dem Drehtisch 1 montiert
ist. 3A zeigt den Wirbelstromsensor 10, der
im Drehtisch 1 montiert ist, wobei das Poliergewebe 4 daran
angebracht ist, und 3B zeigt den Wirbelstromsensor 10,
der am Drehtisch 1 montiert ist, wobei eine feste abrasive
Platte 15 daran angebracht ist. Wenn das Poliergewebe 4 an
dem Drehtisch 1 befestigt ist, wie in 3A gezeigt,
dann ist der Wirbelstromsensor 10 im Drehtisch 1 befestigt.
Wenn die feste abrasive Platte 15 am Drehtisch 1 befestigt
ist, wie in 3B gezeigt, dann ist der Wirbelstromsensor 10 am
Drehtisch 1 montiert und ist in der festen abrasiven Platte 15 vorgesehen.
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Bei
jeder der Strukturen, die in den 3A und 3B gezeigt
sind, kann die Oberseite, d.h. die Polierfläche des Poliergewebes 4 oder
die feste abrasive Platte 15 (die polierte Fläche des
Halbleiter-Wafers 2) von der Oberseite des Wirbelstromsensors 10 um
eine Distanz L von 1,3 mm oder mehr beabstandet sein. Wie in den 3A und 3B gezeigt,
weist der Halbleiter-Wafer 2 einen Oxidfilm 2a aus
SiO2 auf, und eine leitende Schicht 2b aus
Kupfer oder Aluminium, die auf dem Oxidfilm 2a vorgesehen ist.
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Das
Poliergewebe 4 weist einen nicht gewebten Stoff auf, wie
beispielsweise Politex, hergestellt von Rodel Products Corporation,
oder einen Polyurethan-Schaum,
wie beispielsweise IC1000. Die feste abrasive Platte 15 weist
eine Scheibe aus feinen abrasiven Partikeln auf, wie beispielsweise
aus CeO2 mit einer Partikelgröße von mehreren μm oder weniger
und durch einen Binder aus synthetischem Harz miteinander verbunden.
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Die
in 2 gezeigte Poliervorrichtung arbeitet wie folgt:
Der Halbleiter-Wafer 2 wird
auf der Unterseite des Toprings 3 gehalten und wird durch den
Hub/Absenkungszylinder gegen das Poliergewebe 4 auf dem
Drehtisch 1 gedrückt,
der sich dreht. Die Polierflüssigkeitslieferdüse 5 liefert
die Polierflüssigkeit
Q auf das Poliergewebe 4 auf dem Drehtisch 1,
und die gelieferte Polierflüssigkeit
Q wird auf dem Poliergewebe 4 gehalten. Der Halbleiter-Wafer 2 wird in
Anwesenheit der Polierflüssigkeit
Q zwischen der Unterseite des Halbleiter-Wafers 2 und dem
Poliergewebe 4 poliert. Während der Halbleiter-Wafer 2 so poliert
wird, läuft
der Wirbelstromsensor 10 direkt unter der gerade polierten
Oberfläche
des Halbleiter-Wafers 2 jedes Mal dann durch, wenn der
Drehtisch 1 eine Umdrehung ausführt. Da der Wirbelstromsensor 10 auf
einem Bogenpfad positioniert ist, der sich über die Mitte CW des
Halbleiter-Wafers 2 erstreckt, kann der Wirbelstromsensor 10 kontinuierlich die
Dicke der leitenden Schicht 2b auf dem Halbleiter-Wafer 2 detektieren,
wenn der Wirbelstromsensor 10 sich entlang des bogenförmigen Pfades
unter dem Halbleiter-Wafer 2 bewegt. Um das Intervall zwischen
den Detektionsintervallen zu verkürzen, können ein oder mehrere Wirbelstromsensoren 10 hinzugefügt werden,
wie durch die gestrichelten Linien in 2 gezeigt,
sodass mindestens zwei Sensoren in dem Drehtisch 1 vorgesehen
sind.
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Die
Prinzipien der Detektion der Dicke der leitenden Schicht aus Kupfer
oder Aluminium auf dem Halbleiter-Wafer mit dem Wirbelstromsensor werden
unten beschrieben.
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Der
Wirbelstromsensor hat eine Spule, die mit einem Hochfrequenzstrom
versorgt wird. Wenn der Hochfrequenzstrom an die Spule des Wirbelstromsensors
geliefert wird, wird ein Wirbelstrom in der leitenden Schicht des
Halbleiter-Wafers erzeugt. Da der erzeugte Wirbelstrom abhängig von
der Dicke der leitenden Schicht variiert, wird die kombinierte Impedanz
des Wirbelstromsensors und der leitenden Schicht überwacht,
um einen Endpunkt des CMP-Prozesses zu detektieren. Insbesondere
wird die kombinierte Impedanz Z des Wirbelstromsensors und der leitenden
Schicht durch die induktiven und kapazitiven Elemente L, C des Wirbelstromsensors dargestellt,
und durch das Widerstandselement R der leitenden Schicht, welches
parallel zu den induktiven und kapazitiven Elementen L, C angeschlossen
ist. Wenn das Widerstandselement R in der unten gezeigten Gleichung
variiert, variiert auch die kombinierte Impedanz Z. Zu diesem Zeitpunkt
variiert auch die Resonanzfrequenz, und eine Veränderungsrate der Resonanzfrequenz
wird überwacht,
um einen Endpunkt des CMP-Prozesses zu bestimmen.
wobei gilt: Z: kombinierte
Impedanz, j: Quadratwurzel von –1
(komplexe Zahl), L: Induktivität,
f: Resonanzfrequenz, C: elektrostatische Kapazität, R: Widerstand der leitenden
Schicht, ω =
2πf.
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4A und 4B sind
Kurvendarstellungen, die Veränderungen
der Resonanzfrequenz eines detektierten Signals zeigen, welches
durch den Wirbelstromsensor 10 erzeugt wird und von der
Steuervorrichtung 12 verarbeitet wird, während der
Halbleiter-Wafer 2 poliert wird. In den 4A und 4B stellt
die horizontale Achse die Polierzeit dar, und die vertikale Achse
stellt die Reso nanzfrequenz (Hz) dar. 4A zeigt
Veränderungen
der Resonanzfrequenz, wenn der Wirbelstromsensor 10 eine
Vielzahl von Malen direkt unter dem Halbleiter-Wafer 2 hindurch läuft, und 4B zeigt
in vergrößertem Maßstab einen
in 4A umkreisten Teil A. Das in den 4A und 4B gezeigte
Ergebnis wird erreicht, wenn die leitende Schicht des Halbleiter-Wafers
ein Kupferfilm ist.
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Wie
in 4A gezeigt, wird der Wert, der durch die Verarbeitung
des detektierten Signals vom Wirbelstromsensor 10 erzeugt
wird, progressiv verringert, wenn der Poliervorgang des Halbleiter-Wafers 2 voranschreitet.
Diese Verarbeitung des detektierten Signals wird durch die Steuervorrichtung 12 ausgeführt. Insbesondere
wenn die Dicke der leitenden Schicht abnimmt, wird progressiv die
Resonanzfrequenz verringert, die durch die Verarbeitung des detektierten
Signals vom Wirbelstromsensor 10 erhalten wird. In 4A nimmt
die Resonanzfrequenz von einem anfänglichen Wert von 6800 Hz ab.
Wenn der Wert der Resonanzfrequenz zu dem Zeitpunkt, wenn die leitende
Schicht entfernt wurde, und zwar außer der leitenden Schicht in
den Verbindungsnuten, untersucht worden ist, kann daher dann ein
Endpunkt des chemisch-mechanischen Polierprozesses bzw. CMP-Prozesses
durch Überwachung
des Wertes der Resonanzfrequenz detektiert werden. In 4A wird
der Wert der Resonanzfrequenz zu dem Zeitpunkt, wenn die leitende
Schicht außer
der leitenden Schicht in den Verbindungsnuten entfernt wurde, 6620
Hz. Wenn eine gewisse Frequenz vor dem Erreichen des Endpunktes
des CMP-Prozesses
als eine Schwelle eingerichtet wird, dann ist es möglich, den
Halbleiter-Wafer 2 mit der festen abrasiven Platte 15 (siehe 3B)
mit einer höheren
Polierrate zu polieren, dann den Halbleiter-Wafer 2 mit
dem Poliergewebe 4 (siehe 3A) mit
einer niedrigeren Polierrate zu polieren, nachdem die Schwelle erreicht wurde,
und den CMP-Prozess zu beenden, wenn dessen Endpunkt erreicht wurde.
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Weiterhin
hat der Wirbelstromsensor eine unterschiedliche Empfindlichkeit
zur Messung der Dicke der leitenden Schicht, abhängig von der Frequenz des hochfrequenten
Stroms, der zur Sensorspule geliefert wurde. Wenn bei spielsweise
der hochfrequente Strom, der eine Frequenz von 20 MHz hat, an die
Sensorspule geliefert bzw. angelegt wird, kann der Wirbelstromsensor
die Dicke der leitenden Schicht über
einen großen
Bereich von Dicken von 0 bis 10000 Å messen, und wenn der Hochfrequenzstrom,
der eine Frequenz von 160 MHz hat an die Sensorspule geliefert wird,
ist der Wirbelstromsensor empfindlich für die Dicke der leitenden Schicht
in einem relativ schmalen Bereich von Dicken von 0 bis 1000 Å. Daher
ist es möglich,
die Dicke der leitenden Schicht präzise zu messen und den Wirkungsgrad der
Verarbeitung durch Auswahl der Frequenz des hochfrequenten Stroms
zu steigern, der zum Wirbelstromsensor geliefert wird, und zwar
abhängig
von dem Polierprozess (von der Dicke der zu messenden Schicht oder
von der Art der Schicht) oder es ist möglich, eine Vielzahl von Wirbelstromsensoren
zu kombinieren. Alternativ kann der Wirbelstromsensor abhängig vom
Polierprozess geändert
bzw. gewechselt werden.
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Wie
in 4B gezeigt, kann eine Veränderung der Resonanzfrequenz
innerhalb der polierten Oberfläche
des Halbleiter-Wafers 2 detektiert werden, wenn der Wirbelstromsensor 10 direkt
unter dem Halbleiter-Wafer vorbeiläuft. Da eine Veränderung
der Resonanzfrequenz einer Veränderung
der Dicke des Halbleiter-Wafers entspricht und der Wirbelstromsensor 10 so
positioniert ist, dass er über
die Mitte CW des Halbleiter-Wafers 2 läuft, kann
insbesondere die Gleichförmigkeit
des Poliervorgangs des Halbleiter-Wafers 2 im Wesentlichen
in dessen Durchmesserrichtung durch Überwachung des detektierten
Signals vom Wirbelstromsensor 10 detektiert werden. Wenn
die detektierte Gleichförmigkeit des
Poliervorgangs innerhalb der polierten Oberfläche des Halbleiter-Wafers 2 zur
Steuervorrichtung geliefert wird, dann können die Polierbedingungen einschließlich der
Andruckskraft, die auf den Topring 3 aufgebracht wird,
um den Halbleiter-Wafer 2 anzudrücken, und einschließlich der
Verteilung der Drücke,
die auf die Oberseite des Halbleiter-Wafers 2 aufgebracht werden,
verändert
werden, um die Gleichförmigkeit
des Poliervorgangs auf der polierten Oberfläche des Halbleiter-Wafers 2 zu
verbessern.
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5 ist
eine Kurvendarstellung, die Veränderungen
der Resonanzfrequenz eines detektierten Signals zeigt, welches von
dem Wirbelstromsensor 10 erzeugt wird und von der Steuervorrichtung 12 verarbeitet
wird, während
eine Vielzahl von Halbleiter-Wafern durch ein einziges Poliergewebe
bzw. Poliertuch poliert wird. In 5 stellt
die horizontale Achse die Polierzeit dar und die vertikale Achse
stellt die Resonanzfrequenz (Hz) dar. Das Poliergewebe wird um eine
Dicke von 0,7 mm abgetragen bzw. abgenutzt, nachdem das Poliergewebe
eine Vielzahl von Halbleiter-Wafern poliert hat und eine Vielzahl von
Malen abgerichtet worden ist.
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Wie
in 5 gezeigt, ist die Resonanzfrequenz, die durch
eine Verarbeitung des detektierten Signals vom Wirbelstromsensor 10 erreicht
wird, jedes Mal, wenn ein Polierzyklus startet, höher, wenn das
Poliergewebe wiederholt verwendet worden ist, als wenn das Poliergewebe
das erste Mal verwendet wird. Insbesondere steigt die Resonanzfrequenz
von 6800 Hz, wenn das Poliergewebe das erste Mal verwendet wird,
auf 6900 Hz, wenn das Poliergewebe wiederholt verwendet worden ist.
Da die Abrasionsrate des Poliergewebes durch Überwachung der Resonanzfrequenz
jedes Mal dann bestimmt werden kann, wenn ein Polierzyklus beginnt,
kann der Zeitpunkt zum Ersetzen des Poliergewebes genau bestimmt
werden.
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6A und 6B zeigen
eine Poliervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung. 6A ist eine Draufsicht eines
Drehtisches in der Poliervorrichtung, und 6B ist
eine vertikale Querschnittsansicht der Poliervorrichtung.
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Die
in den 6A und 6B gezeigte
Poliervorrichtung ist anders als die in den 1 und 2 gezeigte
Poliervorrichtung, und zwar dahingehend, dass ein optischer Sensor 30 in
dem Drehtisch 1 benachbart zum Wirbelstromsensor 10 montiert
ist und mit einer Steuervorrichtung 32 verbunden ist. Der
optische Sensor 30 weist ein lichtemittierendes Element
und ein lichtdetektierendes Element auf. Das lichtemittierende Element
bringt Licht auf die gerade polierte Oberfläche des Halbleiter-Wafers 2 auf, und
das lichtdetektierende Element detektiert reflektiertes Licht von
der gerade polierten Oberfläche
des Halbleiter-Wafers 2. Das lichtemittierende Element weist
eine Laserstrahlquelle oder eine LED auf. Wenn die Dicke der leitenden
Schicht aus Kupfer, Aluminium oder Ähnlichem auf einen gewissen
kleineren Wert verringert wird, läuft ein Teil des Lichtes, welches
von dem lichtemittierenden Element auf die gerade polierte Oberfläche des
Halbleiter-Wafers 2 aufgebracht wird, durch die leitende
Schicht und wird von der Oberfläche
des Oxidfilms unter der leitenden Schicht reflektiert. Daher detektiert
das lichtdetektierende Element sowohl das Licht, welches von der
leitenden Schicht reflektiert wird, als auch das Licht, welches
von dem Oxidfilm reflektiert wird. Ein detektiertes Signal von dem
lichtdetektierenden Element wird von der Steuervorrichtung 32 verarbeitet,
um die Dicke der leitenden Schicht zu detektieren, die auf dem Oxidfilm
zurückbleibt,
und zwar genauer als mit dem Wirbelstromsensor 10.
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Bis
die Dicke der leitenden Schicht auf einen gewissen kleineren Wert
reduziert ist, wird die Dicke der leitenden Schicht von der Steuervorrichtung 12 überwacht,
die das Signal vom Wirbelstromsensor 10 verarbeitet. Wenn
die Dicke der leitenden Schicht den gewissen kleineren Wert erreicht
und anfängt, vom
optischen Sensor 30 detektiert zu werden, wird die Dicke
der leitenden Schicht von der Steuervorrichtung 32 überwacht,
die das Signal vom optischen Sensor 30 verarbeitet. Durch
Verwendung des optischen Sensors 30, der von höherer Empfindlichkeit für die Dicke
der leitenden Schicht (des leitenden Films) ist, ist es daher möglich, genau
den Zeitpunkt zu detektieren, wann die leitende Schicht entfernt
ist, und zwar außer
der leitenden Schicht in den Verbindungsnuten, wodurch ein Endpunkt
des CMP-Prozesses
bestimmt wird.
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Alternativ
können
sowohl der Wirbelstromsensor 10 als auch der optische Sensor 30 verwendet
werden, bis ein Endpunkt des CMP-Prozesses erreicht wurde. Insbesondere
verarbeiten die Steuervorrichtungen 12 und 32 die
jeweiligen Signale vom Wirbelstromsensor 10 und vom optischen
Sensor 30, um den Zeitpunkt zu detektieren, wenn die leitende Schicht
entfernt ist, und zwar außer
der leitenden Schicht in den Verbindungsnuten, wodurch ein Ende des
CMP-Prozesses bestimmt wird.
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In
den obigen Ausführungsbeispielen
ist die leitende Schicht aus Kupfer oder Aluminium gemacht. Jedoch
kann die leitende Schicht aus Chrom, Wolfram, Titan oder Ähnlichem
gemacht sein.
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Da
ein Wirbelstromsensor und ein optischer Sensor in einem Poliertisch
montiert sind, der ein Poliergewebe oder eine feste abrasive Platte
darauf trägt,
ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
einen in Echtzeit kontinuierlich gemessenen Wert zu erhalten, der
die Dicke einer leitenden Schicht darstellt, die aus Kupfer, Aluminium
oder Ähnlichem
auf der Oberfläche
eines Halbleitersubstrates ausgeführt ist, welches von der Poliervorrichtung
poliert wird.
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Obwohl
gewisse bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben worden
sind, sei bemerkt, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen
daran vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der beigefügten
Ansprüche
abzuweichen.