DE102008045216A1 - Method for in-situ end point detection during chemical-mechanical polishing of semiconductor material layers of semiconductor wafer using polishing machine, involves making potential change to occur during polishing - Google Patents

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Abstract

The method involves reacting active chemical components of slurry with a polished material and representing the components as ions or compounds that cause a potential change of an ammoniac and/or ammonium sensitive electrode (4). The potential change is measured based on a polishing time. A significant potential change is made to occur during the polishing of silicon nitride structures when the polishing of a total surface of the silicon dioxide/silicon nitride is achieved. The significant potential change is drawn for controlling, end point detection and ending the polishing process. An independent claim is also included for an arrangement for in-situ end point detection during chemical-mechanical polishing of semiconductor material layers with a polishing machine.

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.The The invention relates to a method for in situ endpoint detection in Chemical-mechanical polishing (CMP) according to the The preamble of claim 1 and an arrangement and measurement according to the Preamble of claim 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.It It is known that for the planarization of topography surfaces and for the production of structures down to the submicron range Semiconductor wafers as technology, the chemical-mechanical polishing (CMP) is used.

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.It is known that, for the polishing process, the semiconductor wafer is attached to the polishing head and pressed onto a polishing pad with a defined polishing pad using a controlled pressure. Typically, both the polishing head and the polishing plate rotate during the process and a slurry of active chemical components is placed between the semiconductor wafer and the pad. Such devices for polishing semiconductor wafers are well known and have been described in, for example, US Pat US 41 93 226 . US 48 11 522 and in US 38 41 931 described.

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.It is also known that the active chemical components of the slurry react with the surface to be polished and have a significant influence on the removal rate, on the selectivity of the removal and the quality of the polished layer. Thus, for the production of electrical interconnect structures by means of damascene technology in the insulator layer, the structure trenches are generated and filled with corresponding deposition processes with barrier layer and then Leitbahnmetall completely to beyond the upper insulator edge out. The CMP process polishes the excess interconnect metal up to the barrier level and, in a second CMP step, polishes the barrier layer down to the insulator level so that interconnect structures embedded in barrier and insulator are present. The point of reaching the polish at the respective boundary layers is crucial for the use and yield of the circuits. As the track metals, mainly Cu and Al are used, and as barrier layers, Ti / TiN or Ta or Ta / TaN or TaSiN are used. The evidence of reaching the boundary layer Cu / barrier and barrier / insulator during polishing was z. In DE 197 26 665 A1 and in DE 199 49 976 C1 detected by a chemical sensor.

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.For the planarization of topography-containing oxide layers on a structured layer system with embedded SiN, the CMP is used successfully. In this invention, the application of chemical endpoint detection sensors is extended to the detection of SiN in an oxide matrix. An example of a process technology with embedded SiN in oxide is called shallow trench isolation (STI). The STI etches trenches into the SiN and the Si substrate. CVD or SOG fill the trenches with SiO 2 and the supernatant oxide is then removed with a CMP polishing step. The immediate stopping of the polish on reaching the SiN layer, without significantly removing it, is an outstanding factor of the CMP process, so that the insulating effect of the trench is ensured. The STI process is thus critically dependent on the planarization capability of the oxide and the exact polishing stop on the SiN layer.

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.On Reason of necessity for this polishing process To provide endpoint detection independent of polishing rate and layer thickness changes are responding lately A number of methods have become known that measure a signal of parameters of friction or by physical evaluation of polished surface generated, which for a Endpoint detection can be used.

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 50 69 002 describes a method for determining the end point at boundary layers by measuring the change in the motor current when the friction between the wafer surface and the pad changes.

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.In US 51 96 353 and US 55 97 442 as in EP 0616 362 A2 Temperature measurements for end point determination are described. The measured temperature changes on the pad or also on the polished semiconductor wafer are associated with the change in the layer composition and thus with a possible end point detection.

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 .The direct reflection measurement of the wafer surface with a laser arranged to it is in US 54 61 007 and US 50 81 796 described. Describe Endpunktbestimmung by the substrate and with a transparent window in the pad US 54 99 733 . US 56 05 760 and 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.The analysis of the slurry, which leaves the polishing plate after contacting with the surface of the wafer to be peeled off, was carried out by Seitz in IBM Technical Disclosure Bulletin Vol 34, No 4b (1991), 406 described. The indication is carried out in a measuring cell with a photomultiplier, where the absorption of a resulting compound is measured. This process is associated with a complex filtration and so with a time delay of the signal display.

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.Detection of the oxide / nitride interface was performed by IBM Microelectronic Division (Leping Li and Cong Wie) published in 1999 and an analysis of the resulting NH 3 carried out by a chemical two-step process. In the first stage, NH 3 is catalytically oxidized to NO, which is then excited by means of O 3 for photoemission. The device consists of a sampler above the polishing pad, from which the gas is then conveyed into cells for the chemical conversion and measurement of the chemiluminescence. The two-step process is complicated and no longer in situ due to the successive reactions.

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.In situ end point detection during polishing requires the reproducible change of a signal, which correlates with the layer transition SiO 2 -SiN on the wafer. It is signaled a point in time of polishing, where the layer to be removed (SiO 2 ) just removed from the substrate and the underlying layer (SiN) is not significantly attacked. The end point of a polish is an event and not a quantitative amount. Thus, it is not decisive the absolute height of the changed signal at the layer transition, but its emergence from the noise floor.

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.The The object of the invention is now a method and a Specify arrangement, creating an in situ detection of reaching the boundary layer oxide / nitride during the CMP process is possible and at which the signal of the layer transition largely independent of changes in the parameters the CMP process is.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.According to the invention the object by a method with the features mentioned in claim 1 solved. Advantageous variants of the method are the subject dependent subclaims.

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.According to the Process flows after the abrasive suspension (slurry) the contact with the surface of the to be polished Wafer on the pad on one or more ion-sensitive electrodes over and through the appearance of specific ions at the interface Oxide / nitride occurs when exposing the nitride surfaces to a change in potential, depending on used by the polishing time to the end point determination and thus the Control or to finish the polishing can be used.

Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.Farther The object is achieved by an arrangement with the mentioned in claim 8 Characteristics solved. Advantageous embodiments are the subject dependent subclaims.

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.According to the Arrangement becomes an ion-sensitive electrode with the sensitive Surface held just above the pad and from wets the outgoing slurry, the electrode holder with the Polishing arm is connected, so that the sensitive electrode surface with the start of the polish precisely in the slurry on the Pad can be lowered and the representation of the potential of the Slurry to control the polish and determine the achievement of the Boundary layer can be used.

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.According to the invention the slurry after passing through the wafer surface to be peeled off so analyzed that the reaction products of the abpolierten layer with the components of the slurry by a potential measurement with the ion-sensitive electrode are displayed.

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.The measured potentials of the ion-sensitive electrode are proportional the activities of the compounds in the outflowing Slurry. Advantageously, a recording of the potential profile depending on the polishing time, giving you a potential change (Potential drop), which indicates an occurrence of the reaction products in indicate the slurry with the layer to be removed, and thus the layer transition as a function of the polishing time, can recognize.

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
The formation of the modified surface layers of SiO 2 and SiN on the wafer occur spontaneously with components of the slurry during polishing and lead to hydrated silicate in oxide layers and the SiN layers ultimately hydrolyze to SiO 2 and to the formation of ammonia and ammonium ions.
Hydrolysis of Si 3 N 4 / sa YZ Hu, RJ Gutman, TP Chow; JES Vol. 145 (11) (1998), 3919 / Si 3 N 4 + 6H 2 O → 3SiO 2 + 4NH 3 NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 + + OH -

Die Hydrolyse ist pH abhängig. Im stark alkalischen Bereich wird NH3 freigesetzt, während im neutralen bis sauren Bereich NH4 +-Ionen entstehen.The hydrolysis is pH dependent. In the strongly alkaline range, NH 3 is liberated, while NH 4 + ions are formed in the neutral to acidic range.

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.With an ion-sensitive electrode, preferably with a gas-sensitive ammonia electrode (eg corresponding models from HACH and ORION), the NH 3 formed can be detected by using an alkaline and ammonium-free slurry (pH> 9) if the nitride layer reaches during polishing becomes.

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.When using a slurry with pH <9, preferably pH 8 to pH 6 and also ammonium-free, the ammonium ions formed from the SiN layer are detected with an ammonium-sensitive solid-state electrode (eg model ELIT 8051 Novodirect). The reaction products NH 3 and NH 4 + allow only the detection of the nitride layer. The SiO 2 and its hydration forms do not contribute to a falsification of the potential jump, as soon as NH 3 or NH 4 + is present in the slurry. On reaching the nitride layer, a change of the original signal of the electrode is obtained whose potential level depends on the direct concentration (activity) of the NH 3 or NH 4 + compounds in the slurry.

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.The proposed ammonium- and ammonia-sensitive electrodes have a measuring range of 10 -5 to 10 -1 mol / l. Within this range, using the slurry Levasil and added doping levels, an electrode potential slope of 50 mV / decade was measured for the ammonia electrode (HACH) and 55 mV / decade for the ammonium electrode (ELIT). The response times for both electrodes are for a maximum of 10 s for 90% of the equilibrium value. The detectable limit concentration of 10 -5 mol NH 3 or NH 4 + are achieved and exceeded in the polish of a 6 '' wafer with 20% open nitride surface and a polishing rate of 300 nm / min in 5 s.

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.Advantageous is a structure and an arrangement of the electrode over the Polishing plate and selected immediately after the polishing head, so that the slurry almost coincided with the exit from the area of Reaction between wafer pad from the sensitive surface of the Electrode can be recorded. The holder of the electrode is ensured by a device which the sensitive Align the surface parallel to the pad and be 1 mm across the pad is located and the outflowing slurry film completely is wetted. Such a holder can be fixed with the polishing arm be connected or outside (outside the area of the polishing plate).

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.By the arrangement of several electrodes on the pad after the polishing head may be a flow profile of the outflowing slurry be recognized and leads to an increase in sensitivity of Detection by detection in the maximum of the flow. These Arrangement is also advantageous in a polishing execution with different speed settings, since the flow profile of the rotational speed of the polishing plate dependent is.

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.Of the Construction and arrangement can easily on any polishing machine be retrofitted. There is no interference with the functionality of Polishing machine and it is the polishing process influenced in any way. The circuit layout on the wafers to be polished does not require one Test fields.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail. The drawings show:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 a schematic representation of an arrangement according to the invention

1/1 ein zu 1 gehörendes Detail 1.1 one too 1 belonging detail

2 einen charakteristischen Verlauf einer Potential-Zeit-Kurve der ionensensitiven Elektrode während der Politur einer SiO2-Schicht mit vergrabenen SixNy-Strukturen. 2 a characteristic course of a potential-time curve of the ion-sensitive electrode during the polishing of a SiO 2 layer with buried Si x N y structures.

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.In 1 is schematically the polishing device with polishing head 1 , the polishing plate 2 with polishing pad and slurry feeder 3 shown. In the direction of rotation of the polishing plate 2 is behind the polishing head 1 the ion-sensitive electrode 4 positioned, wherein the shaft of the electrode 4 stands vertically above the pad surface. According to the invention, the sensitive electrode surface 5 the electrode 4 arranged parallel to the rotating pad, held over this and is thus wetted by the outflowing slurry.

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. 1.1 shows one to the 1 associated detail in which the details of the electrode assembly and its connection are shown enlarged. The distance of the sensitive area 5 the electrode of 1 mm causes, by adhesive forces, the outflowing slurry completely envelops the potential-forming membrane. The electrical potential of the electrode 4 is with a potential measuring unit 6 (Potentiostat) or a corresponding mV meter coupled and the signals can be displayed on a monitor 7 be visualized.

2 zeigt ein typisches Potential-Zeit-Verhalten einer, entsprechend der Erfindung auf dem Pad installierten NH3- oder NH4 +-sensitiven Elektrode zum Nachweis der SiO2/SixNy-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/SixNy 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 SixNy Schicht an. Punkte A1...B1...C. 2 Figure 11 shows a typical potential-time behavior of an NH 3 or NH 4 + -sensitive electrode installed on the pad according to the invention for detecting the SiO 2 / Si x N y boundary layer. The particular use of one or the other electrode is determined by the pH of the slurry (see description) Point A is the time of the polishing start, ie the polishing head 1 with the wafer is lowered onto the pad, the rotational speed of polishing head 1 and polishing plates 2 set and a selected polishing pressure abandoned. At the same time the sensor surface of the electrode 5 the ion-selective electrode 4 wetted by the outflowing slurry. The registered potential adjusts to a value which was obtained as a steady-state steady-state value in pure slurry. During the polishing off of the pure oxide layer, no potential change is detected. If the boundary layer SiO 2 / Si x N y is reached during polishing, a change in the potential of the electrode voltage resulting from the plateau of the potential in the SiO 2 polish is produced by the occurrence of NH 3 or NH 4 compounds in the outflowing slurry takes off. The negative potential indicates the polishing removal of the Si x N y layer. Points 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.The fall of the potential at B1 indicates the beginning of the exposure of the nitride layer, ie Because of the experimental experience of polishes with the appropriate layout among the selected polishing parameters, the desired end point of the polish will be on this sloping branch of the registered potential curve, in the region of points B1 and B2.

Nachfolgend werden Beispiele und Varianten des Polierens mit erfindungsgemäßer Endpunktermittlung beschrieben.following Examples and variants of polishing with inventive Endpoint determination described.

Beispiel 1example 1

Ein 4''-Wafer mit 100 nm thermischen Oxid wurde ganzflächig mit 100 nm SixNy 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 SixNy vollständig.A 4 "wafer with 100 nm thermal oxide was coated over the entire surface with 100 nm Si x N y by means of a CVD process and then 500 nm oxide were deposited. The subsequent polishing process with a polishing machine MECAPOL E460 on a polishing pad IC1000 / Suba IV and a commercial ILD polishing slurry with SiO 2 polishing particles and pH 10 (adjusted with KOH), a slurry speed of 120 ml / min and a working pressure of 61 kPa (8.7 psi) and a speed of rotation of polishing head and polishing pad at 50 rpm gave a potential profile of the electrode, analogous to the illustrated 2 , At the point B1, the decrease of the potential due to the occurrence of NH and at the point C, the removal of the SiO 2 on the Si x N y was completed.

Beispiel 2Example 2

Ein 4''-Wafer mit 500 nm thermischen Oxid wurde mit einem CVD-Prozess mit 100 nm SixNy beschichtet, mit einer lithografischen Maske versehen und die maskenfreien Flächen des SixNy 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 SixNy Strukturen.A 4 "wafer with 500 nm thermal oxide was coated with a 100 nm Si x N y CVD process, provided with a lithographic mask, and the mask-free areas of Si x N y were etched to oxide by reactive ion etching (RIE) , After removal of the mask, the area of the nitride structures was 25% of the wafer area and 500 nm of silane oxide were applied over the whole area to this wafer. The polish was carried out as in Example 1, with just such a slurry and the same Polierparametern. The observed potential course is in 2 is shown and recognizes at point B1, the drop in the potential and the associated exposure of the Si x N y structures.

Beispiele 3Examples 3

Ein 8''-Wafer mit 500 nm thermischen Oxid wurde mit 50 nm SixNy 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.A 8 "wafer with 500 nm thermal oxide was coated with 50 nm Si x N y , provided with a lithographic mask, and the mask windows etched to oxide with RIE. After removal of the mask, the area of the nitride structures was about 22% of the wafer area and 500 nm of silane oxide was applied over the whole area. The polishing was carried out with the commercial ILD slurry with SiO 2 particles and the slurry adjusted to pH 10 with KOH, analogously to Examples 1 and 2. Polishing parameters were for the working pressure 61 kPa and the rotation 50 rpm for the polishing head and plate. The recorded potential curve showed, as in the preceding examples, a decrease in the potential value (point B1), which indicated the achievement of the nitride layer.

Beispiel 4Example 4

Ein 8''-Wafer mit 500 nm thermisches Oxid wurde mit SixNy 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 SixNy Strukturen.An 8 "500 nm thermal oxide wafer was coated with Si x N y , patterned and covered with silane oxide as indicated in Example 3. The polishing was performed here instead of the commercial ILD slurry with a CeO 2 slurry, which was adjusted to pH 8. Polierarbeitsdruck and rotational speeds were similar to Example 3. The polish shows, as well as Examples 1-3, after the potential plateau (constant electrode potential) a drop due to the influence of the NH compounds formed and thus reaching the Si x N y structures.

11
Polierkopfpolishing head
22
Polierplatte bzw. Poliertellerpolishing plate or polishing plate
33
Slurry-ZuführungSlurry feed
44
Ammoniak- bzw. ammoniumsensitive ElektrodeAmmonia- or ammonium-sensitive electrode
55
Sensitive Elektrodenflächesensitive electrode area
66
Elektrodenhalterungelectrode holder
77
Potentialmesseinheit mit ZuführungenPotential measurement unit with feeders
88th
Monitormonitor
AA
Polierstartstart polishing
BB
Beginn des Abfalls des Potentialwertes durch Anzeigen der SiO2/SixNy-GrenzschichtStart of the drop of the potential value by displaying the SiO 2 / Si x N y boundary layer
CC
Auslaufende Kurve, bestimmt jetzt durch den konstanten Polierabtrag der Nitridschicht (Überpolitur)expiring Curve, now determined by the constant polishing removal of the nitride layer (overpolish)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

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 SixNy Strukturen dann eintritt, wenn die Politur die Grenzfläche SiO2/SixNy erreicht und damit die signifikante Potentialänderung zur Kontrolle und zur Endpunktermittlung und zum Beenden des Polierprozesses herangezogen wird.Method for in situ end point detection in chemical mechanical polishing (CMP) of layers on semiconductor materials with a polishing machine, consisting of polishing plate ( 2 ) with a polishing pad, one with variable working pressure against the polishing plate ( 2 ) held rotating polishing head ( 1 ), which can be equipped with the semiconductor wafer to be polished, a feed ( 3 ) of the abrasive suspension (slurry) on the polishing bath and one or more electrodes of the same type, which mechanically behind the polishing head ( 1 ) in the polishing direction with the sensor surface parallel to the pad and can be adjusted by the mechanical support to a distance of 1 mm above the pad, characterized in that - the abrasive suspension (slurry) after reaction with the wafer surface in the outflowing direction of the ion-sensitive electrode ( 4 ) and contacts the sensor surface of the electrode, - the components of the slurry react with the abpolierten material and show up in the effluent slurry as ions or compounds that change the activity in the slurry and thus a potential change of the electrode ( 4 ), which is measured as a function of the polishing time, a significant potential change in the polishing of Si x N y structures buried in SiO 2 occurs when the polish reaches the SiO 2 / Si x N y interface and thus the significant potential change used for control and end point determination and to end the polishing process. 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.Method according to claim 1, characterized in that a slurry is supplied which does not contain ammonia and contains no ammonium compounds and over the Period of polish and potential measurement in the composition is equal to. 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.Method according to claim 1 or 2, characterized in that as ion-sensitive electrode ( 4 a gas-sensitive ammonia electrode or an ammonia-sensitive solid-state electrode is used, the former being used for the detection of ammonium ions in the application of an alkaline slurry for the detection of the resulting ammonia and the second electrode using neutral and acidic slurries. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gassensitive Ammoniak-Elektrode in einem für die Politur von SiO2/SixNy 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.A method according to claim 3, characterized in that the gas-sensitive ammonia electrode is optimally used in a for the polishing of SiO 2 / Si x N y structures on the wafer with slurries of pH 9 to 11, while the ammonium-sensitive solid-state electrode formed ammonium ions in Slurrymischungen with pH from 0 to 8 proves. 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.A method according to claim 4, characterized in that when using commercial ILD slurries in the pH range of 9 to 11, the end point detection is carried out with the gas-sensitive ammonia electrode and that when using CeO 2 based slurries, the pH can go from 5 to 8 and that in These pH ranges an optimal potential display of the boundary layer takes place. 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.A method according to claim 4 or 5, characterized in that the abrasive particles in the suspensions of the slurries, both SiO 2 and CeO 2 , the detection of the potential jump in forming NH 3 or NH 4 + at the time of reaching the boundary layer SiO 2 / SiN do not bother. 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.Method according to claim 6, characterized that when using ammonium-sensitive solid-state electrode the adsorption of solid particles on the electrode by lowering the Sensor surface of the electrode on the pad and polish with low speed. is regenerated. 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.Arrangement for in situ end point detection during chemical mechanical polishing (CMP) of layers on semiconductor materials with a polishing machine, consisting of a polishing plate ( 2 ) with a polishing pad, one with variable working pressure against the polishing plate ( 2 ) held rotating polishing head ( 1 ), which can be equipped with the semiconductor wafer to be polished, a feed ( 3 ) of the abrasive suspension (slurry) on the polishing pad and at least one ion-sensitive electrode, which mechanically behind the polishing head ( 1 ) is held in the polishing direction with the sensor surface parallel to the pad and adjusted by the mechanical support to a distance of 1 mm above the pad and means which are provided for the evaluation of the sensor signals and control of the polishing process. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere ionensensitive Elektroden gleichen Typs vorgesehen sind.Arrangement according to claim 8, characterized that several ion-sensitive electrodes of the same type provided are. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ionensensitiven Elektroden sichelförmig angeordnet sind.Arrangement according to claim 8 or 9, characterized that the ion-sensitive electrodes are arranged sickle-shaped are. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ionensensitive Elektrode eine gassensitive Ammoniakelektrode oder eine ammoniumsensitive Festkörperelektrode ist.Arrangement according to one of claims 8 to 10, characterized in that at least one ion-sensitive electrode a gas-sensitive ammonia electrode or an ammonia-sensitive Solid state electrode is. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Mittel zum automatischen Stoppen des Poliervorganges an der Poliermaschine vorgesehen ist.Arrangement according to one of claims 8 to 11, characterized in that the means for automatically stopping the polishing process is provided on the polishing machine.
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