DE102008045216A1 - Verfahren und Anordnung zum Erkennen des Endpunktes beim Polieren von eingebetteten SiN-Strukturen auf Halbleiterwafern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in situ Endpunkterkennung beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP) von Schichten auf Halbleitermaterialien mit einer Poliermaschine, bestehend aus Polierplatte (2) mit einem Polierpad, einen mit veränderlichen Arbeitsdruck gegen die Polierplatte (2) gehaltenen rotierenden Polierkopf (1), der mit dem zu polierenden Halbleiterwafer bestückbar ist, einer Zuführung (3) der Schleifmittelsuspension (Slurry) auf das Polierpad und einer Sensorelektrode oder mehrerer Elektroden gleichen Typs, welche mechanisch hinter dem Polierkopf (1) in Polierrichtung mit der Sensorfläche parallel zum Pad gehaltert und durch die mechanische Halterung auf einen Abstand von 1 mm über dem Pad einjustiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schleifmittelsuspension (Slurry) nach Reaktion mit der Waferoberfläche in abfließender Richtung der ionensensitiven Elektrode (4) zugeführt wird und die Sensorfläche der Elektrode kontaktiert,
- die Komponenten der Slurry mit dem abpolierten Material reagiert und in der abfließenden Slurry als Ionen oder Verbindungen sich zeigen, die eine Änderung der Aktivität in der Slurry und damit eine Potentialänderung der Elektrode (4) hervorruft, welche in Abhängigkeit von der Polierzeit gemessen wird,
- eine signifikante Potentialänderung bei der Politur von in SiO₂ vergrabenen Si_xN_y Strukturen dann eintritt, wenn die Politur die Grenzfläche SiO₂/Si_xN_y erreicht und damit die signifikante ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur in situ Endpunkterkennung beim Chemisch-Mechanischen Polieren (CMP) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einer Anordnung und Messung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.
• Es ist bekannt, dass zur Planarisierung von topografiebehafteten Oberflächen und zur Herstellung von Strukturen bis in den Submikrometerbereich auf Halbleiterwafern als Technologie das Chemisch-Mechanische Polieren (CMP) eingesetzt wird.
• Es ist bekannt, dass für den Polierprozess der Halbleiterwafer am Polierkopf befestigt wird und auf eine Polierplatte mit einem definierten Poliertuch (Pad) unter Anwendung eines gesteuerten Druckes gedrückt wird. Typischerweise rotieren sowohl Polierkopf als auch Polierplatte während des Prozesses und es wird eine Schleifmittelsuspension (Slurry) mit aktiven chemischen Komponenten zwischen Halbleiterwafer und Pad gegeben. Derartige Geräte zum Polieren von Halbleiterwafern sind gut bekannt und wurden beispielsweise in US 41 93 226 , US 48 11 522 und in US 38 41 931 beschrieben.
• Es ist weiterhin bekannt, dass die aktiven chemischen Komponenten der Slurry mit der zu polierenden Oberfläche reagieren und auf die Abtragrate, auf die Selektivität des Abtrages und der Qualität der polierten Schicht einen signifikanten Einfluss haben. So werden zur Herstellung von elektrischen Leitbahnstrukturen mittels der Damascene Technologie in der Isolatorschicht die Strukturgräben erzeugt und diese mit entsprechenden Abscheideverfahren mit Barriereschicht und anschließend Leitbahnmetall vollständig gefüllt bis über den oberen Isolatorrand hinaus. Der CMP Prozess poliert das überschüssige Leitbahnmetall bis zur Barriereebene und in einem zweiten CMP Schritt die Barriereschicht bis zur Isolatorebene ab, so das Leitbahnstrukturen eingebettet in Barriere und Isolator vorliegen. Der Punkt des Erreichens der Politur an den jeweiligen Grenzschichten ist für die Verwendung und Ausbeute der Schaltkreise von ausschlaggebender Bedeutung. Als Leitbahnmetalle werden vorwiegend Cu und Al verwendet und als Barriereschichten werden Ti/TiN oder Ta bzw. Ta/TaN oder TaSiN verwendet. Der Nachweis des Erreichens der Grenzschicht Cu/Barriere und Bärriere/Isolator während der Politur wurde z. B. in DE 197 26 665 A1 und in DE 199 49 976 C1 mittels eines chemischen Sensors detektiert.
• Zur Planarisierung von topografiebehafteten Oxidschichten auf einem strukturierten Schichtsystem mit eingebetteten SiN wird das CMP mit Erfolg angewendet. In dieser Erfindung wird die Anwendung von chemischen Sensoren zur Endpunkterkennung erweitert auf die Detektion von SiN in einer Oxidmatrix. Als Beispiel für eine Prozesstechnologie mit eingebetteten SiN in Oxid sei die Shallow Trench Isolation (STI) genannt. Beim STI werden Trenches in das SiN und das Si Substrat geätzt. CVD oder SOG füllen die Trenches mit SiO₂ und das überstehende Oxid wird anschließend mit einem CMP Polierschritt entfernt. Der unmittelbare Stopp der Politur beim Erreichen der SiN Schicht, ohne diese wesentlich abzutragen, ist ein herausragender Faktor des CMP Verfahrens, damit die Isolationswirkung des Trenches gewährleistet ist. Der STI Prozess ist somit kritisch abhängig von der Planarisierungsfähigkeit des Oxid und dem exakten Polierstopp an der SiN Schicht.
• Auf Grund der Notwendigkeit, für diesen Polierprozess eine Endpunkterkennung zu schaffen, die unabhängig von Polierrate- und Schichtdickenänderungen reagiert, sind in letzter Zeit eine Reihe von Verfahren bekannt geworden, die ein Signal durch Messung von Parametern der Reibung oder durch physikalische Bewertung der polierten Oberfläche erzeugt, welches für eine Endpunkterkennung verwendet werden kann.
• In US 50 69 002 wird ein Verfahren zur Endpunktermittlung an Grenzschichten durch Messung der Änderung des Motorstromes bei Änderung der Reibung zwischen Waferoberfläche und Pad beschrieben.
• In US 51 96 353 und US 55 97 442 sowie in EP 0616 362 A2 werden Temperaturmessungen zur Endpunktbestimmung beschrieben. Die gemessenen Temperaturänderungen auf dem Pad oder auch auf dem polierten Halbleiterwafer werden mit der Änderung der Schichtzusammensetzung und damit mit einer möglichen Endpunkterkennung in Zusammenhang gebracht.
• Die direkte Reflexionsmessung der Waferoberfläche mit einem dazu angeordneten Laser wird in US 54 61 007 und US 50 81 796 beschrieben. Endpunktbestimmung durch das Substrat und mit einem transpararenten Fenster im Pad beschreiben US 54 99 733 , US 56 05 760 und US 60 45 439 .
• Die Analyse der Slurry, die nach Kontaktierung mit der abzupolierenden Oberfläche des Wafers den Polierteller verlässt, wurde von Seitz in IBM Technical Disclosure Bulletin Vol 34, No 4b (1991), 406 beschrieben. Die Indikation wird in einer Messzelle mit einem Photo-Multiplier durchgeführt und dort die Absorption einer entstehenden Verbindung gemessen. Dieses Verfahren ist mit einer aufwendigen Filtration verbunden und so mit einer Zeitverzögerung der Signalanzeige.
• Eine Detektion der Grenzschicht Oxid/Nitrid wurde von IBM Microelectronic Division (Leping Li und Cong Wie) 1999 veröffentlicht und eine Analyse des entstehenden NH₃ durch einen chemischen 2-Stufenprozess durchgeführt. In der ersten Stufe wird NH₃ katalytisch oxidiert zum NO, welches dann mittels O₃ zur Photoemission angeregt wird. Die Vorrichtung besteht aus einem Probennehmer über dem Polierpad, von dem dann das Gas in Zellen zur chemischen Umsetzung und Messung der Chemolumineszens gefördert wird. Der 2-Stufenprozess ist kompliziert und durch die zeitlich nacheinander ablaufenden Reaktionen auch nicht mehr in situ.
• Die in situ Endpunkterkennung während der Politur bedarf der reproduzierbaren Änderung eines Signals, welches mit dem Schichtübergang SiO₂-SiN auf dem Wafer korreliert. Es wird ein Zeitpunkt des Polierens signalisiert, wo die abzutragende Schicht (SiO₂) von der Unterlage gerade entfernt und die darunterliegende Schicht (SiN) noch nicht wesentlich angegriffen ist. Der Endpunkt einer Politur ist ein Ereignis und keine quantitative Menge. Somit ist nicht entscheidend die absolute Höhe des geänderten Signals am Schichtübergang, sondern sein Heraustreten aus dem Rauschuntergrund.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, wodurch eine in situ Erkennung des Erreichens der Grenzschicht Oxid/Nitrid während des CMP Prozesses ermöglicht wird und bei dem das Signal des Schichtüberganges weitgehend unabhängig von Änderungen der Parameter des CMP Prozesses ist.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
• Gemäß dem Verfahren strömt die Schleifmittelsuspension (Slurry) nach der Kontaktierung mit der Oberfläche des zu polierenden Wafer auf dem Pad an einer oder mehreren ionensensitiv wirkenden Elektroden vorbei und durch das Auftreten von spezifischen Ionen an der Grenzfläche Oxid/Nitrid beim Exponieren der Nitridflächen kommt es zu einer Potentialänderung, die in Abhängigkeit von der Polierzeit zur Endpunktermittlung herangezogen und damit zur Kontrolle oder zum Beenden des Polierens verwendet werden kann.
• Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
• Gemäß der Anordnung wird eine ionensensitive Elektrode mit der sensitiven Fläche unmittelbar über dem Pad gehalten und von der abgehenden Slurry benetzt, wobei die Elektrodenhalterung mit dem Polierarm verbunden ist, so dass die sensitive Elektrodenfläche mit dem Start der Politur präzise in die Slurry auf dem Pad abgesenkt werden kann und die Darstellung des Potentials der Slurry zur Kontrolle der Politur und Ermittlung des Erreichens der Grenzschicht verwendet werden kann.
• Erfindungsgemäß wird die Slurry nach Passieren der abzupolierenden Waferoberfläche so analysiert, dass die Reaktionsprodukte der abpolierten Schicht mit den Komponenten der Slurry durch eine Potentialmessung mit der ionensensitiven Elektrode angezeigt werden.
• Die gemessenen Potentiale der ionensensitiven Elektrode sind proportional den Aktivitäten der Verbindungen in der abströmenden Slurry. Vorteilhaft erfolgt eine Aufzeichnung des Potentialverlaufes in Abhängigkeit von der Polierzeit, so dass man eine Potentialänderung (Potentialabfall), die auf ein Auftreten der Reaktionsprodukte in der Slurry mit der abzupolierenden Schicht hinweisen und somit den Schichtübergang als Funktion der Polierzeit, erkennen kann.
• Die Bildung der modifizierten Oberflächenschichten von SiO₂ und SiN auf dem Wafer erfolgen mit Komponenten der Slurry während der Politur spontan und führen zu hydratisiertem Silikat bei Oxidschichten und die SiN-Schichten hydrolisieren letztlich zum SiO₂ und zur Bildung von Ammoniak und Ammoniumionen.
  Hydrolyse des Si₃N₄ /s. a. Y. Z. Hu, R. J. Gutman, T. P. Chow; JES Vol 145 (11) (1998), 3919/ Si₃N₄ + 6H₂O → 3SiO₂ + 4NH₃ NH₃ + H₂O ↔ NH₄ ⁺ + OH^–
• Die Hydrolyse ist pH abhängig. Im stark alkalischen Bereich wird NH₃ freigesetzt, während im neutralen bis sauren Bereich NH₄ ⁺-Ionen entstehen.
• Mit einer ionensensitiven Elektrode, vorzugsweise mit einer gassensitiven Ammoniakelektrode (z. B. entsprechende Modelle der Fa HACH und ORION) kann der gebildete NH₃ bei Anwendung einer alkalischen und ammoniumfreien Slurry (pH > 9) nachgewiesen werden, wenn bei der Politur die Nitridschicht erreicht wird.
• Bei Verwendung einer Slurry mit pH < 9, vorzugsweise pH 8 bis pH 6 und ebenfalls ammoniumfrei, werden die aus der SiN-Schicht gebildeten Ammoniumionen mit einer ammoniumsensitiven Festkörperelektrode (z. B. Modell ELIT 8051 Novodirect) detektiert. Die Reaktionsprodukte NH₃ und NH₄ ⁺ gestatten ausschließlich den Nachweis der Nitridschicht. Das SiO₂ und dessen Hydratisierungsformen tragen nicht zu einer Verfälschung des Potentialsprungs bei, der auftritt, sobald NH₃ oder NH₄ ⁺ in der Slurry vorhanden ist. Man erhält beim Erreichen der Nitridschicht eine Änderung des ursprünglichen Signals der Elektrode, dessen Potentialhöhe von der unmittelbaren Konzentration (Aktivität) der NH₃ bzw. NH₄ ⁺-Verbindungen in der Slurry abhängen.
• Die vorgeschlagenen ammonium- und Ammoniak-sensitiven Elektroden haben einen Messbereich von 10^–5 bis 10^–1 Mol/l. Innerhalb dieses Bereiches wurde unter Anwendung der Slurry Levasil und zugesetzter Dotierungsmengen eine Neigung des Elektrodenpotentials von 50 mV/Dekade für die Ammoniakelektrode (HACH) und von 55 mV/Dekade für die Ammoniumelektrode (ELIT) gemessen. Die Ansprechzeiten für beide Elektroden sind für 90% des Gleichgewichtswertes maximal 10 s. Die nachweisbare Grenzkonzentration von 10^–5 Mol NH₃ bzw. NH₄ ⁺ werden bei der Politur eines 6'' Wafer mit 20% geöffneter Nitridfläche und einer Polierrate von 300 nm/min in 5 s erreicht und überschritten.
• Vorteilhaft wird ein Aufbau und eine Anordnung der Elektrode über dem Polierteller und unmittelbar nach dem Polierkopf gewählt, so dass die Slurry fast zeitgleich mit dem Austritt aus dem Bereich der Reaktion zwischen Wafer-Pad von der sensitiven Fläche der Elektrode aufgenommen werden kann. Die Halterung der Elektrode wird durch eine Vorrichtung gewährleistet, welche die sensitive Fläche parallel zum Pad ausrichtet und die sich 1 mm über dem Pad befindet und vom abströmenden Slurryfilm vollständig benetzt wird. Eine solche Halterung kann mit dem Polierarm fest verbunden sein oder aber auch von außen (außerhalb des Bereichs des Polierteller) festgemacht sein.
• Durch die Anordnung von mehreren Elektroden auf dem Pad nach dem Polierkopf kann ein Strömungsprofil der abströmenden Slurry erkannt werden und führt zu einer Empfindlichkeitssteigerung des Nachweises durch Detektion im Maximum der Strömung. Diese Anordnung ist auch vorteilhaft bei einer Polierausführung mit unterschiedlichen Geschwindigkeitseinstellungen, da das Strömungsprofil von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Poliertellers abhängig ist.
• Der Aufbau und die Anordnung kann auf einfache Weise an jeder Poliermaschine nachgerüstet werden. Es erfolgt kein Eingriff in die Funktionalität der Poliermaschine und es wird der Polierprozess in keiner Weise beeinflusst. Das Schaltkreislayout auf den zu polierenden Wafern erfordert keine Testfelder.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung
• 1/1 ein zu 1 gehörendes Detail
• 2 einen charakteristischen Verlauf einer Potential-Zeit-Kurve der ionensensitiven Elektrode während der Politur einer SiO₂-Schicht mit vergrabenen Si_xN_y-Strukturen.
• In 1 ist schematisch die Poliereinrichtung mit Polierkopf 1, der Polierplatte 2 mit Polierpad und Slurryzuführung 3 dargestellt. In Rotationsrichtung der Polierplatte 2 ist hinter dem Polierkopf 1 die ionensensitive Elektrode 4 positioniert, wobei der Schaft der Elektrode 4 senkrecht über der Padoberfläche steht. Erfindungsgemäß ist die sensitive Elektrodenfläche 5 der Elektrode 4 parallel zum rotierenden Pad angeordnet, über diesem gehaltert und wird so von der abströmenden Slurry benetzt.
• 1/1 zeigt ein zu der 1 gehöriges Detail, in dem die Einzelheiten der Elektrodenanordnung und dessen Anschluss vergrößert dargestellt sind. Der Abstand der sensitiven Fläche 5 der Elektrode von 1 mm bewirkt, das durch Adhäsionskräfte die abfließende Slurry die potentialbildende Membran vollständig umhüllt. Das elektrische Potential der Elektrode 4 wird mit einer Potentialmeßeinheit 6 (Potentiostat) oder einem entsprechenden mV-Messgerät gekoppelt und die Signale können auf einem Monitor 7 visualisiert werden.
• 2 zeigt ein typisches Potential-Zeit-Verhalten einer, entsprechend der Erfindung auf dem Pad installierten NH₃- oder NH₄ ⁺-sensitiven Elektrode zum Nachweis der SiO₂/Si_xN_y-Grenzschicht. Der jeweilige Einsatz der einen oder anderen Elektrode wird durch den pH der Slurry bestimmt (s. Beschreibung) Der Punkt A ist der Zeitpunkt des Polierstarts, d. h. der Polierkopf 1 mit den Wafer wird auf das Pad abgesenkt, die Rotationsgeschwindigkeit von Polierkopf 1 und Polierteller 2 eingestellt und ein gewählter Polierdruck aufgegeben. Gleichzeitig wird die Sensorfläche der Elektrode 5 der ionenselektiven Elektrode 4 von der abströmenden Slurry benetzt. Das registrierte Potential stellt sich auf einen Wert ein, welcher als konstanter Wert in stationärem Zustand in reiner Slurry erhalten wurde. Während der Abpolitur der reinen Oxidschicht wird keine Potentialänderung festgestellt. Wird die Grenzschicht SiO₂/Si_xN_y während der Politur erreicht, wird durch das Auftreten von NH₃- bzw. NH₄-Verbindungen in der abströmenden Slurry eine Potentialänderung der Elektrodenspannung erzeugt, die sich vom Plateau des Potentials bei der SiO₂ Politur abhebt. Das negativer werdende Potential zeigt den Polierabtrag der Si_xN_y Schicht an. Punkte A1...B1...C.
• Das Abfallen des Potentials bei B1 zeigt den Beginn des Freilegens der Nitridschicht, d. h. auf Grund der experimentellen Erfahrung von Polituren mit dem entsprechenden Layout unter den gewählten Polierparametern wird der gewünschte Endpunkt der Politur auf diesen abfallenden Ast der registrierten Potentialkurve, im Bereich der Punkte B1 und B2 liegen.
• Nachfolgend werden Beispiele und Varianten des Polierens mit erfindungsgemäßer Endpunktermittlung beschrieben.
• Beispiel 1
• Ein 4''-Wafer mit 100 nm thermischen Oxid wurde ganzflächig mit 100 nm Si_xN_y mittels eines CVD Prozesses beschichtet und darauf wurden 500 nm Oxid abgeschieden. Der anschließende Polierprozeß mit einer Poliermaschine MECAPOL E460 auf einem Polierpad IC1000/Suba IV und einer kommerziellen ILD Polierslurry mit SiO₂ Polierpartikel und pH 10 (mit KOH eingestellt), einer Slurrygeschwindigkeit von 120 ml/min und einem Arbeitsdruck von 61 kPa (8,7 psi) und einer Rotationsgeschwindigkeit von Polierkopf und Polierteller mit 50 U/min ergaben einen Potentialverlauf der Elektrode, analog zur dargestellten 2. Am Punkt B1 wurde das Absinken des Potentials auf Grund des Auftretens von NH und am Punkt C war der Abtrag des SiO₂ auf dem Si_xN_y vollständig.
• Beispiel 2
• Ein 4''-Wafer mit 500 nm thermischen Oxid wurde mit einem CVD-Prozess mit 100 nm Si_xN_y beschichtet, mit einer lithografischen Maske versehen und die maskenfreien Flächen des Si_xN_y mittels Reaktiven Ionenätzen (RIE) bis zum Oxid freigeätzt. Nach Entfernen der Maske war die Fläche der Nitridstrukturen 25% der Waferfläche und es wurden auf diesen Wafer 500 nm Silan-Oxid ganzflächig aufgebracht. Die Politur wurde ausgeführt, wie in Beispiel 1, mit einer ebensolchen Slurry und gleichen Polierparametern. Der beobachtete Potentialverlauf ist in 2 gezeigt und man erkennt am Punkt B1 das Absinken des Potentials und das damit verbundene Freilegen der Si_xN_y Strukturen.
• Beispiele 3
• Ein 8''-Wafer mit 500 nm thermischen Oxid wurde mit 50 nm Si_xN_y beschichtet, mit einer lithografischen Maske versehen und die Maskenfenster mit RIE bis zum Oxid freigeätzt. Nach Entfernen der Maske war die Fläche der Nitridstrukturen ca. 22% der Waferfläche und darauf wurden ganzflächig 500 nm Silanoxid aufgebracht. Die Politur wurde mit der kommerziellen ILD Slurry mit SiO₂ Partikeln und der mit KOH auf pH 10 eingestellten Slurry ausgeführt, analog zu Beispiel 1 und 2. Polierparameter waren für den Arbeitsdruck 61 kPa und die Rotation 50 U/min für Polierkopf und Teller. Die aufgezeichnete Potentialkurve zeigte, wie in den vorangehenden Beispielen, ein Absinken des Potentialwertes (Punkt B1), welcher das Erreichen der Nitridschicht anzeigte.
• Beispiel 4
• Ein 8''-Wafer mit 500 nm thermisches Oxid wurde mit Si_xN_y beschichtet, strukturiert und mit Silanoxid bedeckt, wie im Beispiel 3 angegeben wurde. Die Polierausführung wurde hier anstelle der kommerziellen ILD Slurry mit einer CeO₂-Slurry ausgeführt, welche auf pH 8 eingestellt war. Polierarbeitsdruck und Rotationsgeschwindigkeiten waren analog Beispiel 3. Die Politur zeigt, ebenso wie die Beispiele 1–3, nach dem Potentialplateau (konstantes Elektrodenpotential) ein Absinken aufgrund des Einflusses der gebildeten NH-Verbindungen und damit des Erreichens der Si_xN_y Strukturen.

1

Polierkopf

2

Polierplatte bzw. Polierteller

3

Slurry-Zuführung

4

Ammoniak- bzw. ammoniumsensitive Elektrode

5

Sensitive Elektrodenfläche

6

Elektrodenhalterung

7

Potentialmesseinheit mit Zuführungen

8

Monitor

A

Polierstart

B

Beginn des Abfalls des Potentialwertes durch Anzeigen der SiO₂/Si_xN_y-Grenzschicht

C

Auslaufende Kurve, bestimmt jetzt durch den konstanten Polierabtrag der Nitridschicht (Überpolitur)

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• - US 4193226 [0003]
• - US 4811522 [0003]
• - US 3841931 [0003]
• - DE 19726665 A1 [0004]
• - DE 19949976 C1 [0004]
• - US 5069002 [0007]
• - US 5196353 [0008]
• - US 5597442 [0008]
• - EP 0616362 A2 [0008]
• - US 5461007 [0009]
• - US 5081796 [0009]
• - US 5499733 [0009]
• - US 5605760 [0009]
• - US 6045439 [0009]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - Seitz in IBM Technical Disclosure Bulletin Vol 34, No 4b (1991), 406 [0010]
• - Y. Z. Hu, R. J. Gutman, T. P. Chow; JES Vol 145 (11) (1998), 3919 [0020]

Claims (12)

1. Verfahren zur in situ Endpunkterkennung beim Chemisch-Mechanischen Polieren (CMP) von Schichten auf Halbleitermaterialien mit einer Poliermaschine, bestehend aus Polierplatte (2) mit einem Polierpad, einen mit veränderlichen Arbeitsdruck gegen die Polierplatte (2) gehaltenen rotierenden Polierkopf (1), der mit dem zu polierenden Halbleiterwafer bestückbar ist, einer Zuführung (3) der Schleifmittelsuspension (Slurry) auf das Polierbad und einer Sensorelektrode oder mehrerer Elektroden gleichen Typs, welche mechanisch hinter dem Polierkopf (1) in Polierrichtung mit der Sensorfläche parallel zum Pad gehaltert und durch die mechanische Halterung auf einen Abstand von 1 mm über dem Pad einjustiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schleifmittelsuspension (Slurry) nach Reaktion mit der Waferoberfläche in abfließender Richtung der ionensensitiven Elektrode (4) zugeführt wird und die Sensorfläche der Elektrode kontaktiert, – die Komponenten der Slurry mit dem abpolierten Material reagiert und in der abfließenden Slurry als Ionen oder Verbindungen sich zeigen, die eine Änderung der Aktivität in der Slurry und damit eine Potentialänderung der Elektrode (4) hervorruft, welche in Abhängigkeit von der Polierzeit gemessen wird, – eine signifikante Potentialänderung bei der Politur von in SiO₂ vergrabenen Si_xN_y Strukturen dann eintritt, wenn die Politur die Grenzfläche SiO₂/Si_xN_y erreicht und damit die signifikante Potentialänderung zur Kontrolle und zur Endpunktermittlung und zum Beenden des Polierprozesses herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das eine Slurry zugeführt wird, die keinen Ammoniak und keine Ammoniumverbindungen enthält und über den Zeitraum der Politur und der Potentialmessung in der Zusammensetzung gleich ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als ionensensitive Elektrode (4) eine gassensitive Ammoniak-Elektrode oder eine ammoniumsensitive Festkörperelektrode verwendet wird, wobei die erstere bei Anwendung einer alkalischen Slurry zur Detektion des entstehenden Ammoniak und die zweite Elektrode bei Anwendung von neutralen und sauren Slurries zum Nachweis von Ammoniumionen herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Ammoniak-Elektrode in einem für die Politur von SiO₂/Si_xN_y Strukturen auf dem Wafer mit Slurries von pH 9 bis 11 optimal eingesetzt wird, während die ammoniumsensitive Festkörperelektrode die gebildeten Ammoniumionen in Slurrymischungen mit pH von 0 bis 8 nachweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung von kommerziellen ILD-Slurries im pH Bereich von 9 bis 11 die Endpunkterkennung mit der gassensitiven Ammoniakelektrode erfolgt und dass bei Anwendung von CeO₂ basierten Slurries der pH von 5 bis 8 gehen kann und dass in diesen pH Bereichen eine optimale Potentialanzeige der Grenzschicht erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikel in den Suspensionen der Slurries, sowohl SiO₂ als auch CeO₂, die Erkennung des Potentialsprungs beim Bilden von NH₃ oder NH₄ ⁺ zum Zeitpunkt des Erreichens der Grenzschicht SiO₂/SiN nicht stören.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von ammoniumsensitive Festkörperelektrode die Adsorption von Feststoffpartikeln an der Elektrode durch Absenken der Sensorfläche der Elektrode auf das Pad und Politur mit geringer Geschwindigkeit. regeneriert wird.
8. Anordnung zur in situ Endpunkterkennung beim Chemisch-Mechanischen Polieren (CMP) von Schichten auf Halbleitermaterialien mit einer Poliermaschine, bestehend aus Polierplatte (2) mit einem Polierpad, einen mit veränderlichen Arbeitsdruck gegen die Polierplatte (2) gehaltenen rotierenden Polierkopf (1), der mit dem zu polierenden Halbleiterwafer bestückbar ist, einer Zuführung (3) der Schleifmittelsuspension (Slurry) auf das Polierpad und wenigstens einer ionensensitiven Elektrode, welche mechanisch hinter dem Polierkopf (1) in Polierrichtung mit der Sensorfläche parallel zum Pad gehaltert und durch die mechanische Halterung auf einen Abstand von 1 mm über dem Pad einjustiert ist und Mittel, die zur Auswertung der Sensorsignale und Steuerung des Polierprozesses vorgesehen sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ionensensitive Elektroden gleichen Typs vorgesehen sind.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ionensensitiven Elektroden sichelförmig angeordnet sind.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ionensensitive Elektrode eine gassensitive Ammoniakelektrode oder eine ammoniumsensitive Festkörperelektrode ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Mittel zum automatischen Stoppen des Poliervorganges an der Poliermaschine vorgesehen ist.