DE60314841T2

DE60314841T2 - Prozesssteuerung beim elektrochemischen mechanischen polieren

Info

Publication number: DE60314841T2
Application number: DE60314841T
Authority: DE
Inventors: Alain Sunnyvale Duboust; Yan Sunnyvale Wang; Siew Santa Clara NEO; Liang-Yuh Foster City Chen; Antoine P. Palo Alto MANENS
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2023-01-22
Also published as: EP1467840B1; US20050077188A1; KR101011095B1; KR20040078131A; JP2010147489A; TW200302150A; CN100425404C; CN1652898A; US6837983B2; DE60314841D1; US20030136684A1; EP1467840A1; WO2003061905A1; JP2005516383A; ATE366641T1; TWI278378B; CN101176988A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insgesamt auf das Polieren, Planarisieren, Plattieren und Kombinationen davon. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine Endpunkterfassung eines Polierverfahrens und auf die Überwachung und Steuerung des elektrochemischen mechanischen Polierens und des Elektropolierens.
Die Vielniveaumetallisierung unter einem Viertel μm ist eine der Schlüsseltechnologien für die nächste Generation mit extrem hohem Integrationsgrad (ULSI – Ultra Large-Scale Integration). Die Vielniveau-Zwischenverbindungen, die den Kern dieser Technologie bilden, erfordern eine Planarisierung der Zwischenverbindungsstrukturen, die in Öffnungen mit hohem Seitenverhältnis ausgebildet sind, zu denen Kontakte, Kontaktlöcher, Gräben und andere Strukturen gehören. Die zuverlässige Ausbildung dieser Zwischenverbindungsstrukturen ist für den Erfolg von ULSI und für die fortgesetzte Anstrengung sehr wichtig, die Schaltungsdichte und -qualität auf einzelnen Substraten und Chips zu steigern.
Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und anderen elektronischen Bauelementen werden mehrere Schichten aus leitenden, halbleitenden und dielektrischen Materialien auf einer Oberfläche eines Substrats abgelegt oder davon entfernt. Die Schichten aus leitenden, halbleitenden und dielektrischen Materialien können durch eine Anzahl von Ablegeverfahren abgeschieden werden. Zu üblichen Abscheidetechniken bei modernen Verfahren gehören die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapor Deposition), die auch als Zerstäubung bekannt ist, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD – Chemical Vapor Deposition), die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD – Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) sowie das elektrochemische Plattieren (ECP – Electro Chemical Plating).
Da Schichten von Materialien nacheinander abgeschieden und entfernt werden, kann die oberste Fläche des Substrats quer über ihrer Oberfläche uneben werden und eine Planarisie rung erfordern. Ein Beispiel eines nicht-planaren Prozesses ist die Abscheidung von Kupferfilmen bei einem ECP-Prozess, bei welchem das Kupfer in der bereits vorhandenen nicht-planaren Topographie der Waferoberfläche, insbesondere auf Leitungen, die breiter als 10 μm sind, einfach folgt. Das Planarisieren einer Oberfläche oder das „Polieren" einer Oberfläche ist ein Prozess, bei welchem Material von der Oberfläche des Substrats entfernt wird, um eine insgesamt ebene planare Oberfläche zu bilden. Eine Planarisierung ist beim Entfernen einer unerwünschten Oberflächentopographie und Oberflächendefekten, wie rauen Oberflächen, agglomerierten Materialien, einem Kristallgitterschaden, Kratzern und verunreinigten Schichten oder verunreinigten Materialien zweckmäßig. Eine Planarisierung ist auch beim Bilden von Strukturen auf einem Substrat durch Entfernen von abgeschiedenem Überschussmaterial zweckmäßig, das dazu verwendet wird, die Strukturen zu füllen und für eine ebene Oberfläche für darauf folgende Metallisierungsniveaus und eine anschließende Behandlung zu sorgen.
Die chemische mechanische Planarisierung oder das chemische mechanische Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) ist eine übliche Technik, die zum Planarisieren von Substraten verwendet wird. Das CMP verwendet eine chemische Zusammensetzung, gewöhnlich eine Aufschlämmung oder ein anderes fluides Medium für ein selektives Entfernen von Materialien von Substraten. Bei herkömmlichen CMP-Techniken, wird ein Substratträger oder ein Polierkopf an einer Trägeranordnung angebracht und in Kontakt mit einem Polierkissen in einer CMP-Vorrichtung angeordnet. Die Trägeranordnung sorgt für einen einstellbaren Druck auf das Substrat, wodurch das Substrat gegen das Polierkissen gedrückt wird. Das Kissen wird bezüglich des Substrats durch eine externe Antriebskraft bewegt. Die CMP-Vorrichtung bewirkt Polier- oder Abreibbewegungen zwischen der Oberfläche des Substrats und dem Polierkissen, während eine Polierzusammensetzung dispergiert wird, um chemische Aktivitäten und/oder mechanische Aktivitäten und ein daraus folgendes Entfernen von Materialien von der Oberfläche des Substrats zu bewirken.
Eine andere Planarisierungstechnik ist das elektrochemische mechanische Polieren (ECMP – Electro Chemical Mechanical Polishing). Bei den ECMP-Verfahren werden leitende Materialien von einer Substratoberfläche durch elektrochemische Auflösung entfernt, während das Substrat gleichzeitig mit einem mechanischen Abrieb poliert wird, der verglichen mit den herkömmlichen CMP-Prozessen reduziert ist. Die elektrochemische Auflösung erfolgt da durch, dass eine Vorspannung zwischen einer Kathode und einer Substratoberfläche angelegt wird, um leitende Materialien von der Substratoberfläche in einen umgebenden Elektrolyt zu entfernen. Gewöhnlich wird die Vorspannung durch einen Ring aus leitenden Kontakten an die Substratoberfläche in einer Substrathaltevorrichtung, beispielsweise einem Substratträgerkopf, angelegt. Durch Positionieren des Substrats in Kontakt mit den herkömmlichen Polierkissen und durch Bereitstellen einer Relativbewegung dazwischen wird ein mechanischer Abrieb verursacht.
Ein Ziel des Polierens besteht darin, eine vorhersagbare Materialmenge zu entfernen. Dementsprechend erfordert jede Poliertechnik eine Endpunkterfassung, um zu bestimmen, wann die geeignete Materialmenge entfernt worden ist. Der Fortschritt des Poliervorgangs ist jedoch wegen des Kontakts zwischen Substrat und Kissen nicht leicht zu sehen.
Zusätzlich erschweren Änderungen der Polierbedingungen eine genaue Bestimmung des Polierendpunkts. Änderungen der Schlämm-Zusammensetzung, des Kissenzustands, der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kissen und dem Substrat, der Belastung des Substrats auf dem Kissen usw. führen zur Änderung der Materialentfernungsrate, welche die bis zum Erreichen des Polierendpunkts erforderliche Zeit verändern. Deshalb kann der Polierendpunkt nicht bloß als Funktion der Polierzeit bestimmt werden.
Ein Versuch einer Vorhersage des Polierendpunkts besteht darin, das Substrat von der Polierfläche zu entfernen und die Dicke des auf dem Substart verbleibenden Films zu messen. Wenn dies während des Polierens periodisch durchgeführt wird, kann die Menge des Materials bestimmt werden, das von dem Substrat entfernt wird. Zum Bestimmen des Polierendpunkts kann für sich auch eine lineare Approximierung der Materialentfernungsrate verwendet werden. Dieses Verfahren ist jedoch zeitraubend und berücksichtigt keine plötzlichen Änderungen der Entfernungsrate, die zwischen den Messintervallen auftreten können.
Es sind mehrere nicht-invasive Verfahren der Endpunkterfassung bekannt. Eine Art der Endpunkterfassung erfordert gewöhnlich einen Zugang zu wenigstens einem Teil der gerade polierten Substratoberfläche, beispielsweise durch Schieben eines Teils des Substrats über den Rand des Polierkissens durch ein Fenster in dem Kissen und durch gleichzeitiges Analysieren des freigelegten Abschnitts des Substrats. Wenn das Polieren beispielsweise dazu verwendet wird, Metallleitungen freizulegen, die in einer dielektrischen Schicht eingebettet sind, ändert sich das gesamte oder zusammengesetzte Reflexionsvermögen der gerade polierten Oberfläche, wenn die Leitungen freigelegt sind. Durch Überwachen des Reflexionsvermögens der polierten Oberfläche oder der Wellenlänge des von der Oberfläche reflektierten Lichts kann das Freiwerden der Leitungen aus der dielektrischen Schicht und somit der Polierendpunkt erfasst werden. Dieses Verfahren bildet jedoch keinen Weg, den Polierendpunkt zu bestimmen, wenn während des Polierens keine darunter liegende Schicht freigelegt wird. Außerdem ist diese Annäherung etwas fehlerhaft hinsichtlich der Vorhersage des Polierendpunkts, es sei denn, dass alle darunter liegenden Leitungen gleichzeitig freigelegt werden. Außerdem ist die Erfassungsvorrichtung kompliziert und unterliegt einem häufigen Ausfall, der dadurch verursacht wird, dass die Mess- oder Erfassungsvorrichtung der Schlämme oder einem elektrolytischen Fluid ausgesetzt wird.
Gemäß einer zweiten Art von Verfahren zum Bestimmen des Polierendpunkts werden verschiedene Prozessparameter überwacht und ein Endpunkt angezeigt, wenn ein oder mehrere Parameter sich abrupt ändern. Beispielsweise ist der Reibungskoeffizient an der Trennfläche zwischen Polierkissen und Substrat eine Funktion des Oberflächenzustands des Substrats. Wenn ein darunter liegendes Material, das sich von dem gerade polierten Film unterscheidet, freigelegt wird, ändert sich auch der Reibungskoeffizient. Dies beeinflusst das Drehmoment, das erforderlich ist, um die gewünschte Polierkissengeschwindigkeit bereitzustellen. Durch Überwachen dieser Änderung kann der Endpunkt erfasst werden.
In einem idealen System, in dem sich außer der Substratoberfläche kein Parameter ändert, ist die Prozessparameter-Endpunkterfassung akzeptabel. Während jedoch das Substrat poliert wird, ändern sich auch der Kissenzustand, die Zusammensetzung von Schlämme/Elektrolyt und der Kissen-Substrat-Trennfläche. Solche Änderungen können das Freilegen der darunter liegenden Metallschicht überdecken oder einen Endpunktzustand imitieren, was zu einem vorzeitigen Aufhören des Polierens führt.
Schließlich hat bezogen auf das herkömmliche CMP das ECMP eine chemisch, elektrisch und physikalisch einmale Umgebung. Daher sind, während die Endpunkterfassungsmaßnahmen (einschließlich der vorstehend beschriebenen) für CMP vorhanden sind, die Maßnahmen nicht leicht auf ICMP erstreckbar. Auch wenn die Maßnahmen auf ECMP erstreckbar sind, kann dies erfordern, dass vorhandene Behandlungssysteme mit teuerer Ausrüstung nachgerüstet werden müssen. Ein bevorzugtes Verfahren würde die Probleme für die Nachrüstung vorhandener Systeme verringern oder vermeiden.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis für eine Polierendpunkterfassung, die genau und zuverlässig bestimmt, wann das Polieren, insbesondere für ECMP, aufhört.
Die US-A-2001/0027018 offenbart zusätzlich ein Verfahren zum Verwenden schmierender Grenzschichten zur Oberflächenveredelung von Halbleiterwafern. Die Dicke der schmierenden Grenzschicht wird so gesteuert, dass die Oberflächenveredelung verbessert und unerwünschte Oberflächendefekte reduziert werden. Zum unterschiedlichen Feinbearbeiten von Halbleiterwafern sind unterschiedliche Schmier-Grenzschicht-Verfahren offenbart. Es wird ein Sensor vorgesehen, der den Fortschritt der Feinbearbeitung für das Werkstück erfasst, so dass ein in-situ-Signal erzeugt werden kann. Ein bevorzugtes Beispiel für einen solchen Sensor ist eine Vorrichtung zum Messen des elektrochemischen Potenzials der Schlämme während der Behandlung, die elektrisch mit der Schlämme verbunden ist, sowie eine Vorrichtung zum Erfassen des Endpunkts des Prozesses basierend auf dem elektrochemischen Potenzial der Schlämme, das auf die elektrochemische Potenzialmessvorrichtung anspricht.
Robert J. Contolini et al. offenbaren in einem Artikel mit dem Titel "Elektrochemische Planarisierung von ULSI-Kupfer" veröffentlicht in Solid State Technology, Juni 1997, die elektrochemische Planarisierung von Kupfer an ULSI-Damaszenstrukturen. Zu dem Grundverfahren gehören zwei Stufen, das kathodische Plattieren in Kontaktlöchern und Gräben und ein anodisches Elektropolieren nach unten bis zu einer Keimschicht. Die sich ergebenden Metallstrukturen sind hohlraumfrei. Der Endpunkt wird entweder optisch, durch Verwendung einer Ladungsmengenmessung, durch Stromüberwachung oder auf Zeitbasis bestimmt.
Die WO-A-03/1001581 (Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von leitendem Material von einem Mikroelektroniksubstrat. Zu dem Verfahren kann der Eingriff eines mikroelektronischen Substrats mit einer Polieroberfläche oder einem Polierkissen, ein elektrisches Koppeln eines leitenden Materials des Mikroelektroniksubstrats mit einer Quelle für ein elektrisches Potenzial und das Oxydieren wenigstens eines Teils des leitenden Materials gehören, indem ein elektrischer Strom durch das leitende Material von der Quelle für das elektrische Potenzial geführt wird. Das Verfahren kann das Positionieren einer ersten und einer zweiten Elektrode im Abstand von einer Vorderseitenfläche des Mikroelektroniksubstrats, ein Anordnen eines elektrolytischen Fluids zwischen der Vorderseitenfläche und den Elektroden, die in Fluidverbindung mit dem elektrolytischen Fluid stehen, und ein Bewegen entweder der Mikroelektronik oder des Polierkissens oder von beiden relativ zueinander gehören. Es ist ein Sensor vorgesehen, der eine Änderung in der Spannung und/oder dem Strom aus der Stromversorgung der Elektroden erfassen kann. Bei einer Ausführung können die Elektroden die Funktion des Sensors zusätzlich zu der Materialentfernfunktion ausführen, was die Notwendigkeit für einen gesonderten Sensor beseitigt.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Erfassen eines Polierendpunkts bereit, bei welchem ein Elektrolyt enthaltender Raum vorgesehen wird, der wenigstens einen Elektrolyten enthält, ein Substrat in Kontakt mit sowohl einem Polierkissen als auch mit dem Elektrolyten angeordnet wird, wobei eine Oberfläche des Polierkissens von dem Elektrolyten bedeckt wird, ein oder mehrere leitende Materialien auf dem Substrat elektrochemisch mechanisch poliert werden, ein elektrisches Signal durch den Elektrolyten hindurch in dem Elektrolyt enthaltenden Raum weiter gegeben wird und der Polierendpunkt des elektrochemischen mechanischen Polierens erfasst wird, wobei bei dem Schritt des Erfassens des Polierendpunkts des elektrochemischen mechanischen Polierens ein Gesamtstrom über der Zeit bestimmt wird, der an dem Substrat im Verlauf des elektrochemischen mechanischen Polierens des Substrats angelegt ist, und der Gesamtstrom über der Zeit mit einem entfernten Gesamtmaterial und mit einer Dicke des von dem Substrat entfernten Materials korreliert wird.
Bei dem letzteren Verfahren kann bei dem Erfassen des Polierendpunkts des elektrochemischen mechanischen Polierens weiterhin bestimmt werden, ob eine vorher gemessene Anfangsdicke des Substrats abzüglich der Dicke des entfernten Materials zu einer ausgewählten Solldicke des Substrats gleich oder kleiner als diese ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal kann während des elektrochemischen mechanischen Polierens eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Kissen herbeigeführt werden.
Die Erfindung stellt auch ein System zum elektrochemischen mechanischen Polieren bereit, das ein leitendes Polierkissen, das wenigstens teilweise in einen Elektrolyten untergetaucht ist, eine Leistungsversorgung, die so gestaltet ist, dass dem Substrat, das auf dem Polierkissen angeordnet ist, ein elektrisches Signal durch ein Volumen des Elektrolyten hindurch zugeführt wird, und ein Endpunkterfassungssystem aufweist, das so gestaltet ist, dass es ein elektrisches Signal durch das Volumen des Elektrolyten hindurch weitergibt, den Polierendpunkt des elektrochemischen mechanischen Polierens durch Bestimmen eines Gesamtstroms über der Zeit erfasst, der an das Substrat während des Verlaufs des elektrochemischen mechanischen Polierens des Substrats angelegt wird, und dass der Gesamtstrom über der Zeit mit einem entfernten Gesamtmaterial und mit einer Dicke von von dem Substrat entfernten Material korreliert wird.
Damit die Art und Weise, auf die die vorstehend angegebenen Merkmale, Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht und im Einzelnen verstanden werden können, folgt unter Bezugnahme auf Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, eine speziellere Beschreibung der Erfindung, wie sie vorstehend kurz zusammengefasst ist.
Zu vermerken ist jedoch, dass die beiliegenden Zeichnungen nur typische Ausführungsformen dieser Erfindung veranschaulichen und deshalb nicht als deren Umfang beschränkend anzusehen sind, da die Erfindung auch für andere gleich wirksame Ausführungsformen gelten soll.
1 ist eine geschnittene Seitenansicht des Elektropoliersystems.
2 ist eine Draufsicht auf ein beispielsweises Polierkissen.
3 ist eine geschnittene Seitenansicht des Elektropoliersystems, das mit einer Steuerung und einem Endpunktdetektor versehen ist.
4A bis 4C ist eine Reihe von Schnittansichten eines Substrats und eines Polierkissens zur Veranschaulichung eines Polierzyklus.
5 ist eine graphische Darstellung einer Stromkurve, die die Änderungen eines Stroms bezüglich der Zeit veranschaulicht, wenn eine Spannung auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.
6 ist eine graphische Darstellung einer Stromkurve, die Änderungen eines Stroms bezogen auf die Zeit veranschaulicht, wenn eine Spannung auf einem ersten im Wesentlichen konstanten Wert über einem ersten Zeitraum und auf einem im Wesentlichen konstanten Wert über einem zweiten Zeitraum gehalten wird.
7 ist eine graphische Darstellung einer Spannungskurve, die Änderungen einer Spannung bezüglich der Zeit veranschaulicht, wenn ein Strom auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.
8 zeigt ein Beispiel einer empirisch bestimmten Kurve bezüglich der gesamten Ladung und des entfernten Materials.
9 ist eine graphische Darstellung der Beziehung von Strom zu Entfernungsrate, wobei auf der y-Achse die Entfernungsrate von Kupfer und auf der x-Achse der Gesamtstrom (Abweichung aufgrund eines Leckstroms) aufgetragen ist.
Die vorliegende Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum Erfassen des Endpunkts eines Polierschritts bereit. Insgesamt ist ein Elektropoliersystem mit einer Stromversorgung versehen, die so gestaltet ist, dass durch eine elektrolytische Lösung eine Spannung weitergegeben wird. Der Gesamtstrom wird zu dem gesamten entfernten Material in Beziehung gesetzt. Es wird ein berührungsloses Verfahren für eine Prozesssteuerung durch eine Endpunkterfassung vorgesehen.
Wenn es nicht anders definiert ist, sollen die hier verwendeten Worte und Sätze ihre gewöhnliche und übliche Bedeutung für den Fachmann dieses Standes der Technik haben. Chemisches mechanisches Polieren sollte breit verstanden werden und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, das Abtragen einer Substratoberfläche durch chemische Aktivitäten, mechanische Aktivitäten oder eine Kombination von sowohl chemischen als auch mechanischen Aktivitäten. Elektropolieren sollte breit ausgelegt werden und, ohne darauf beschränkt zu sein, das Planarisieren eines Substrats durch Anlegen einer elektrischen und/oder elektrochemischem Aktivität einschließen. Elektrochemisches mechanisches Polieren (ECMP) ist breit zu verstehen und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, das Planarisieren eines Substrats durch Anlegen einer elektrochemischen Aktivität, einer mechanischen Aktivität oder einer Kombination sowohl einer elektrochemischen als auch einer mechanischen Aktivität, um Materialien von einer Substratoberfläche zu entfernen. Elektrochemischer mechanischer Plattierprozess (ECMPP) sollte breit ausgelegt werden und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, das elektrochemische Abscheiden eines Materials auf einem Substrat und das gleichzeitige Planarisieren des abgeschiedenen Materials durch Aufbringen einer elektrochemischen Akti vität, einer mechanischen Aktivität oder einer Kombination aus sowohl elektrochemischer als auch mechanischer Aktivität.
Anodische Auflösung ist breit auszulegen und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, das direkte oder indirekte Anlegen einer anodischen Vorspannung an ein Substrat, das zum Entfernen von leitendem Material von einer Substratoberfläche in eine umgebende Elektrolytlösung führt. Perforation sollte breit ausgelegt werden und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Öffnung, ein Loch, eine Bohrung, einen Kanal oder einen Durchgang, der teilweise oder vollständig durch einen Gegenstand gehend ausgebildet ist.
Ausführungsformen der Erfindung sorgen in weitem Umfang für eine Endpunkterfassung in einem Poliersystem. Im Allgemeinen kann jede der vorstehend definierten Poliertechniken einzeln oder in Kombination verwendet werden. Weiterhin ist in Betracht zu ziehen, dass das Polieren und Plattieren gleichzeitig oder alternativ auftreten kann. Die vorstehenden Ausführungsformen sind breit als Elektropolieren charakterisiert.
1 zeigt eine Station 100 für ein elektrochemisches mechanisches Polieren (ECMP), die eine Komponente einer größeren Plattform oder Anlage sein kann. Ein Poliergerät, das angepasst werden kann, um den Vorteil der Erfindung zu nutzen, ist ein chemischer mechanischer Polierer MIRRA^®, der von Applied Materials, Inc., Santa Clara, Kalifornien, zur Verfügung gestellt wird.
Die elektrochemische mechanische Polier(ECMP)-Station 100 hat insgesamt einen Polierkopf 130, der für das Halten des Substrats 113 angepasst ist. Zur Veranschaulichung ist der Polierkopf 130 ein Kragarm, der an einem Karussell 111 durch einen Bügel 127 angebracht ist. Das Karussell 111 arbeitet so, dass es den Polierkopf 130 in eine Position über verschiedenen Stationen einschließlich der ECMP-Station 100 dreht. Beispiele für Ausführungsformen von Polierköpfen 130, die bei der hier erörterten Poliervorrichtung 100 verwendet werden können, sind in dem US-Patent 6 024 630 , ausgegeben am 25. Februar 2000 für Shendon et al. beschrieben. Ein spezieller Polierkopf, der an die Verwendung angepasst werden kann, ist ein Waferträger TITAN HEAD^TM, hergestellt von Applied Materials, Inc., Santa Clara, Kalifornien.
Die ECMP-Station 100 hat weiterhin ein Bassin 102, eine Elektrode 104, ein Poliermedium 105, eine Kissenhalterscheibe 103 und einen Deckel 108. Bei einer Ausführungsform ist das Bassin 102 mit einer Basis 107 der Poliervorrichtung 100 gekoppelt. Das Bassin 102, der Deckel 108 und die Scheibe 106 können bezüglich der Basis 107 durch einen Druckluftzylinder 128 beweglich angeordnet sein. Somit können das Bassin 102, der Deckel 108 und die Scheibe 106 axial zu der Basis 107 hin bewegt werden, um die Bereitstellung eines Freiraums für den Polierkopf 130 zu erleichtern, wenn das Karussell 111 das Substrat 113 zwischen der ECMP-Station 100 und anderen Polierstationen (nicht gezeigt) weiter schaltet.
Das Bassin 102 ist im Allgemeinen ein Behälter oder ein Elektrolyt enthaltender Raum 132, in dem ein leitendes Fluid, wie ein Elektrolyt 120 (gezeigt in einem Speicher 133) eingeschlossen werden kann, und in dem die Elektrode 104, das Poliermedium 105 und die Scheibe 106 insgesamt aufgenommen sind. Der bei der Behandlung des Substrats 113 verwendete Elektrolyt 120 kann Metalle wie Kupfer, Aluminium, Wolfram, Gold, Silber und andere leitenden Materialien elektrochemisch entfernen. Somit kann das Bassin 102 ein strahlenförmiges Element aus Kunststoff, wie Fluorpolymeren, TEFLON^®, PFA, PE, PES, oder aus anderen Materialien sein, die mit dem Elektroplattier- und Elektropolierchemikalien kompatibel sind.
Das Bassin 102 hat einen Boden 110 mit einer Öffnung 116 und einem Ablauf 114. Die Öffnung 116 ist insgesamt in der Mitte des Bodens 110 angeordnet und ermöglicht die Durchführung einer Welle 112. Zwischen der Öffnung 116 und der Welle 112 ist eine Dichtung 118 angeordnet, die ein Drehen der Welle 112 ermöglicht, während verhindert wird, dass in dem Bassin 102 befindliche Fluide durch die Öffnung 116 hindurch gehen. Der Welle 112 wird eine Drehung durch einen Motor vermittelt, der mit dem unteren Ende der Welle 112 verbunden ist. Der Motor kann ein Antrieb sein, der in der Lage ist, die Welle mit einer vorgegebenen Drehzahl oder vorgegebenen Drehzahlen zu drehen.
Am oberen Ende trägt die Welle die Scheibe oder den Kissenträger 106. Der Kissenträger 106 hat eine Aufbringfläche für das Poliermedium 105, das an der Scheibe 106 durch einen Klemmmechanismus oder einen Klebstoff (beispielsweise einem Kontaktkleber) befestigt werden kann. Obwohl die Scheibe 106 mit der Welle 112 verbunden gezeigt ist, kann sie bei einer anderen Ausführungsform dem Bassin 102 durch Verwendung von Befestigungseinrich tungen wie Schrauben oder anderen Festlegemitteln befestigt werden, wodurch die Notwendigkeit für die Welle 112 entfällt. Die Scheibe 106 kann im Abstand von der Elektrode 104 angeordnet werden, um für eine bessere Elektrolytumwälzung zu sorgen.
Bei einer Ausführungsform kann die Scheibe 106 aus einem mit dem Elektrolyten 120 verträglichen Material hergestellt werden, das das Polieren nicht nachteilig beeinflusst. Beispielsweise kann die Scheibe 106 aus einem Polymer, wie Fluorpolymeren, PE, TEFLON^®, PFA, PES, HDPE, UHMW oder dergleichen, hergestellt werden. Bei einer Ausgestaltung hat die Scheibe 106 eine Vielzahl von in ihr ausgebildeten Perforationen oder Kanälen. Die Perforationen sind mit den Perforationen des Poliermediums 105 gekoppelt, die zusammenwirkend Kanäle 122 bilden, die sich von einer unteren Fläche der Scheibe 106 zu einer oberen Fläche des Poliermediums 105 erstrecken. Das Vorsehen der Kanäle 122 macht die Scheibe 106 und das Poliermedium 105 für den Elektrolyten 120 insgesamt durchlässig. Perforationsgröße und -dichte wird so gewählt, dass sich eine gleichförmige Verteilung des Elektrolyten 120 durch die Scheibe 106 zum Substrat 113 einstellt.
Das Poliermedium 105 kann ein Kissen, eine Bahn oder ein Band aus einem Material sein, das mit der Fluidumgebung und den Behandlungsvorschriften verträglich ist. Das Poliermedium 105 wird am oberen Ende des Bassins 102 angeordnet und an seiner unteren Fläche von der Scheibe 106 gehalten. Bei einer Ausführungsform hat das Poliermedium 105 wenigstens eine teilweise leitende Oberfläche aus einem leitenden Material für einen Kontakt mit der Substratoberfläche während der Behandlung. Dementsprechend kann das Poliermedium 105 ein leitendes Poliermaterial oder ein Komposit eines leitenden Poliermaterials sein, das in einem herkömmlichen Poliermaterial angeordnet ist. Das leitende Material kann auch zwischen der Scheibe 106 und dem Poliermaterial 105 mit einigen leitenden Enden für einen Kontakt mit dem Substrat während des Polierens eingesetzt werden. Die leitenden Poliermaterialien und die herkömmlichen Poliermaterialien haben im Allgemeinen mechanische Eigenschaften, die sich bei Aufrechterhalten von elektrischen Feldern nicht verschlechtern, und sind gegen eine Zersetzung in sauren oder basischen Elektrolyten widerstandsfähig.
Das leitende Poliermaterial kann leitende Polymere, Polymerverbundwerkstoffe mit leitenden Materialien, leitende Metalle, leitende Füllstoffe oder leitende Dotiermaterialien oder Kombinationen davon aufweisen. Zu leitenden Polymeren gehören polymere Materialien, die eigent lich leitend sind, wie Polyacethylen, Polyethylendioxythiophen (PEDT), das im Handel unter dem Warennamen Bytron^TM verfügbar ist, Polyanilin, Polypyrrol und Kombinationen davon.
Die Polymerverbundwerkstoffe mit leitenden Materialien können Polymer-Edelmetall-Hybridmaterialien aufweisen. Polymer-Edelmetall-Hybridmaterialien, die als das hier beschriebene leitende Poliermaterial verwendet werden können, sind gewöhnlich mit einem umgebenden Elektrolyt inert und haben beispielsweise Edelmetalle, die oxidationsresistent sind. Ein Beispiel für ein Polymer-Edelmetall-Hybridmaterial ist ein Platin-Polymer-Hybridmaterial. Die Erfindung bezieht auch die Verwendung von Polymer-Edelmetall-Hybridmaterialien ein, die mit einem umgebenden Elektrolyten chemisch reaktiv sind, wenn das Polymer-Edelmetall-Hybridmaterial von einem umgebenden Elektrolyten durch ein anderes Material getrennt ist.
Leitende Metalle, die als Poliermaterial verwendet werden können, sind solche Metalle, die gegen chemische Reaktionen mit dem umgebenden Elektrolyt relativ inert sind. Ein Beispiel eines leitenden Materials, das als Poliermaterial verwendet werden kann, ist Platin. Die leitenden Metalle können einen Teil der Polierfläche oder die ganze Polierfläche des Poliermaterials bilden. Wenn sie einen Teil der Polierfläche bilden, sind die leitenden Metalle gewöhnlich in einem herkömmlichen Poliermaterial angeordnet.
Zu den leitenden Poliermaterialien können ferner leitende Füllstoffe oder leitende Dotiermaterialien gehören, die in einem Bindematerial angeordnet sind, beispielsweise den vorstehend beschriebenen leitenden Polymeren oder dem herkömmlichen Poliermaterial. Beispiele für leitende Füllstoffe sind Kohlenstoffpulver, Karbonfasern, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanoschaum, Kohlenstoffaerogele und Kombinationen davon. Kohlenstoffnanoröhrchen sind leitende hohle Filamente aus Kohlenstoffmaterial mit einem Durchmesser in einem Größenbereich von Nanometern. Die leitenden Füllstoffe oder leitenden Dotiermaterialien sind in dem Bindematerial in einer Menge angeordnet, die ausreicht, um ein Poliermedium zu bilden, das eine gewünschte Leitfähigkeit hat. Das Bindematerial ist gewöhnlich ein herkömmliches Polymermaterial.
Zu herkömmlichen Poliermaterialien können polymere Materialien gehören, wie Polyurethan, Polykarbonat, Polyphenylensulfit (PPS) oder Kombinationen davon, sowie andere Polierma terialien, die beim Polieren von Substratoberflächen Verwendung finden. Zu beispielsweisen herkömmlichen Materialien gehören solche, die sich in IC-Reihen von Poliermedien finden, beispielsweise Polyurethan und mit Füllstoffen gemischtes Polyurethan, das im Handel von Rodel Inc., Phoenix, Arizona, erhältlich ist. Die Erfindung zieht weiterhin die Verwendung anderer herkömmlicher Poliermaterialien in Betracht, beispielsweise eine Schicht aus kompressiblem Material. Zu dem kompressiblen Material kann ein herkömmliches Weichmaterial gehören, beispielsweise mit Urethan extrahierte verdichtete Filzfasern.
Im Allgemeinen wird das leitende Poliermaterial oder der Verbundwerkstoff aus leitendem Poliermaterial und herkömmlichem Poliermaterial zur Erzeugung eines leitenden Poliermediums vorgesehen, das einen spezifischen Volumenwiderstand von 10 Ωcm oder weniger und einen spezifischen Oberflächenwiderstand von etwa 10 Ω/Quadrat oder weniger hat. Bei einem Aspekt hat das Poliermedium einen spezifischen Widerstand von etwa 1 Ωcm oder weniger. Ein Beispiel für das leitende Poliermaterial ist eine Schicht aus Platin, die einen spezifischen Widerstand von 9,81 μΩcm bei 0°C hat und auf einer Polyurethanschicht angeordnet ist.
Der Verbund aus leitendem Poliermaterial und herkömmlichem Poliermaterial kann zwischen etwa 5 Gewichtsprozent und etwa 60 Gewichtsprozent leitendes Poliermaterial in dem Poliermedium 105 aufweisen. Ein Beispiel für einen Verbund aus leitendem Poliermaterial und herkömmlichem Poliermaterial weist Karbonfasern oder Kohlenstoffnanoröhrchen auf, die in einem herkömmlichen Poliermaterial oder Polykarbonat oder Polyurethan in ausreichenden Mengen angeordnet sind, um ein Poliermedium bereitzustellen, das einen spezifischen Volumenwiderstand von etwa 10 Ωcm oder weniger und einen spezifischen Oberflächenwiderstand von etwa 10 Ω/Quadrat oder weniger hat.
Die Erfindung zieht weiterhin die Verwendung von Abriebsmaterialien in Betracht, die in dem herkömmlichen Poliermaterial eingebettet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung weisen die fixierten Abriebsteilchen im Allgemeinen Abriebsmaterialien auf.
Alternativ kann das Poliermedium 105 ein Metallnetz aufweisen, das in dem herkömmlichen Poliermaterial angeordnet ist. Das Metallnetz kann ein chemisch inertes leitendes Material, wie Platin, aufweisen. Das Metallnetz kann auch Materialien, von denen man beobachtet hat, dass sie mit dem umgebenden Elektrolyt reagieren, beispielsweise Kupfer, aufweisen, wenn das Metallnetz gegenüber dem Elektrolyten chemisch isoliert ist, beispielsweise durch eine konforme Schicht aus einem herkömmlichen Material.
In 2, auf die kurz Bezug genommen wird, ist von oben eine spezielle Ausgestaltung des Poliermediums 105 gezeigt. Das Poliermedium ist insgesamt ein perforiertes scheibenförmiges Kissen mit einem leitenden Element 202, das auf einer oberen Polieroberfläche angeordnet ist. Das leitende Element 202 ist beispielsweise ein Ringelement, das um eine zentrale Achse des Poliermediums 105 herum angeordnet ist. Das leitende Element 202 kann jedoch allgemein gesehen irgendeine Form haben. Außerdem braucht das leitende Element 202 kein einziges Element zu sein, sondern kann aus einer Vielzahl von integrierten leitenden Elementen bestehen, wie im Falle des vorstehend beschriebenen Metallnetzes. Position und Größe des leitenden Elements 202 werden so gewählt, dass ein Kontakt zwischen dem Element 202 und einem Substrat (beispielsweise dem Substrat 113) unabhängig von der Position des Substrats auf dem Poliermedium 105 gewährleistet ist.
Da das Poliermedium 105 wenigstens teilweise leitend ist, kann es als Elektrode in Kombination mit dem Substrat während elektromechanischer Prozesse wirken. Gemäß 1 ist die Elektrode 104 eine Gegenelektrode zum Poliermedium 105, das eine Substratfläche kontaktiert. Die Elektrode 104 kann eine Anode oder Kathode abhängig von der positiven Vorspannung (Anode) oder der negativen Vorspannung (Kathode) sein, die zwischen der Elektrode 104 und dem Poliermedium 105 angelegt wird. Wenn beispielsweise Material von einem Elektrolyten auf der Substratoberfläche abgeschieden wird, wirkt die Elektrode 104 als Anode und die Substratoberfläche und/oder das Poliermedium 105 wirken/wirkt als Kathode. Beim Entfernen von Material von einer Substratoberfläche, beispielsweise durch Auflösen aufgrund einer angelegten Vorspannung, wirkt die Elektrode 104 als Kathode und die Substratoberfläche und/oder das Poliermedium 105 können/kann als Anode für den Ablöseprozess wirken.
Die Elektrode 104 ist im Allgemeinen zwischen der Scheibe 106 und dem Boden 110 des Bassins 102 angeordnet, wo sie in den Elektrolyten 120 untergetaucht werden kann. Die Elektrode 104 kann ein plattenförmiges Element, eine Platte mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern oder eine Vielzahl von Elektrodenstücken sein, die in einer permeablen Membran oder einem Behälter angeordnet sind. Zwischen der Scheibe 106 und der Elektrode 104 kann eine permeable Membran (nicht gezeigt) angeordnet werden, um zu verhindern, dass Teilchen oder Schlämme aus der Elektrode 104 in den Elektrolyten freigegeben werden. Die permeable Membran kann auch als Filter wirken und verhindern, dass von der Gegenelektrode entwickeltes Gas das Substrat während der Behandlung erreicht. Porengröße und Dichte der permeablen Membran werden hinsichtlich Optimierung der Prozessleistungen bestimmt.
Für elektrochemische Entfernungsprozesse, wie eine anodische Auflösung, kann die Elektrode 104 eine nicht verbrauchbare Elektrode aus einem anderen Material als dem abgeschiedenen sein, beispielsweise aus Platin für das Lösen von Kupfer. Die Elektrode 104 kann jedoch auch, falls bevorzugt, aus Kupfer für das Polieren von Kupfer hergestellt werden.
In Betrieb wird ein Elektrolyt 120 aus einem Speicher 133 in den Raum 132 über eine Düse 170 strömen gelassen. Durch eine Vielzahl von in einer Ummantelung 154 angeordneten Löchern 134 wird verhindert, dass der Elektrolyt 120 über den Raum 132 hinaus fließt. Löcher 134 bilden insgesamt einen Weg durch den Deckel 108 zu dem Elektrolyten 120, der aus dem Volumen 132 austritt und in den unteren Bassins 102 strömt. Wenigstens ein Teil der Löcher 134 ist insgesamt zwischen einer unteren Fläche 136 der Vertiefung 158 und des Mittelabschnitts 152 angeordnet. Da die Löcher 134 gewöhnlich höher als die untere Fläche 136 der Vertiefung 158 liegen, füllt der Elektrolyt 120 den Raum 132 und wird dadurch in Kontakt mit dem Substrat und dem Poliermedium 105 gebracht. Dadurch hält das Substrat 113 den Kontakt mit dem Elektrolyten 120 über dem vollständigen Bereich des relativen Abstands zwischen dem Deckel 108 und der Scheibe 106 aufrecht.
Der in dem Bassin 102 gesammelte Elektrolyt 120 strömt insgesamt durch den am Boden 110 angeordneten Ablauf 114 in das Fluidfördersystem 172. Das Fluidfördersystem 172 hat gewöhnlich den Speicher 133 und eine Pumpe 142. Der in das Fluidfördersystem 172 strömende Elektrolyt 120 wird in dem Speicher 133 gesammelt. Die Pumpe 142 transportiert den Elektrolyten 120 aus dem Speicher 133 durch eine Zuführleitung 144 zur Düse 170, wo der Elektrolyt 120 über die ECMP-Station 102 umgewälzt wird. Zwischen dem Speicher 132 und der Düse 170 ist zum Entfernen von Teilchen und agglomeriertem Material, das in dem Elektrolyten 120 vorhanden ist, insgesamt ein Filter 140 angeordnet.
Elektrolytlösungen können im Handel erhältliche Elektrolyten sein. Beispielsweise kann für ein Kupfer enthaltendes Material der Elektrolyt Schwefelsäure, auf Schwefelsäuresalz basierende Elektrolyten oder Phosphorsäure, auf Phosphorsäuresalz basierenden Elektrolyten wie Natriumphosphat (K₃PO₄), (NH₄)H₂PO₄, (NH₄)₂HPO₄ oder Kombinationen davon aufweisen. Der Elektrolyt kann auch Derivate von Elektrolyten auf Schwefelsäurebasis, wie Kupfersulfat, und Derivate von Elektrolyten auf Phosphorsäurebasis, wie Kupferphosphat, aufweisen. Es können auch Elektrolyte mit Perchlorsäure-Essigsäure-Lösungen und Derivate davon verwendet werden. Zusätzlich zieht die Erfindung die Verwendung von Elektrolytzusammensetzungen in Betracht, die herkömmlicherweise beim Elektroplattieren oder bei Elektropolierprozessen verwendet werden, wozu herkömmlicherweise verwendete Elektroplattier- oder Elektropolierzusatzstoffe gehören, beispielsweise unter anderem Aufheller, Chelatbildner und Egalisiermittel. Bei einem Aspekt der Elektrolytlösung kann der Elektrolyt eine Konzentration zwischen etwa 0,2 und etwa 1,2 Mol der Lösung aufweisen. Vorzugsweise wird der Elektrolyt so gewählt, dass er mit Metall, nicht jedoch mit den darunter liegenden Materialien, beispielsweise dem Dielektrikum, reagiert.
In Betrieb wird zwischen den Elektroden 104 und 105 eine Potenzialdifferenz angelegt. Das Substrat 113, das in direktem Kontakt mit der Elektrode 105 steht, liegt dann auf dem gleichen Potenzial wie die Elektrode 105. Der Stromkreis wird dann in der Polierstation dadurch geschlossen, dass atomische Substratmaterialien in Ionen in dem Elektrolyt umgewandelt werden. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem Medium 105 wird ein gleichzeitiges mechanisches Polieren des Substrats 113 erreicht. Weiterhin wird der Polierzyklus überwacht, um einen Endpunkt zu bestimmen. Unter Bezugnahme von 3 wird nun eine beispielsweise Polierstation beschrieben, die mit einer Stromversorgung und dem Endpunkterfassungssystem versehen ist.
3 zeigt eine Ausführungsform einer Polierstation 300, die für die vorstehend beschriebene Polierstation 100 repräsentativ ist. Deshalb werden zur Bezeichnung der vorstehend anhand von 1 und 2 beschriebenen gleichen Bauelemente gleiche Bezugszeichen verwendet. Insgesamt gehören zu solchen gleichen Bauelementen das Bassin 102, der Polierkopf 130, das Substrat 113, eine Elektrode 104, der Schaft 112, eine perforierte Kissenträgerscheibe 107, das Poliermedium 105 und das leitende Element 202 (welches die zweite Elektrode bildet).
Die Polierstation 300 wird von einem oder mehreren Stromversorgern, beispielsweise dem Stromversorger 302 mit Energie versorgt. Bei einer Ausgestaltung ist die Stromversorgung 302 eine Gleichstromversorgung. Die Stromversorgung 302 kann jedoch auch eine Wechselstromversorgung sein. Gemäß einem Aspekt wird eine Gleichstromversorgung bevorzugt, um zu vermeiden, dass abwechselnd Material von dem Substrat entfernt und auf ihm abgeschieden wird. Insgesamt ist die Stromversorgung 302 in der Lage, eine Leistung zwischen etwa 0W und 100W, eine Spannung zwischen etwa 0V und 10V und einen Strom zwischen etwa 0A und 10A bereitzustellen. Je nach Einsatz können sich jedoch die speziellen Betriebsspezifikationen der Stromversorgung 302 ändern.
Die Stromversorgung 302 ist insbesondere für die Bereitstellung einer Spannung oder eines Stroms durch den Elektrolyten 120 hindurch ausgelegt. Für diesen Zweck ist die Stromversorgung 302 durch eine positive (+) Klemme einer ersten Elektrode und durch eine negative (–) Klemme mit einer zweiten Elektrode verbunden. Bei einer Ausführung ist die erste Elektrode ein leitender Abschnitt des Poliermediums 105, beispielsweise das leitende Element 202. Als Folge steht die erste Elektrode in direktem Kontakt mit einem Substrat, das auf dem Poliermedium 105 angeordnet ist, wenigstens während eines Teils eines Polierzyklus. Die zweite Elektrode ist die Gegenelektrode 104, die beispielsweise auf einem Boden des Bassins 102 angeordnet ist. Im Gegensatz zur ersten Elektrode kann die zweite Elektrode nicht in einem direkten körperlichen Kontakt mit dem Substrat stehen.
Bei einer Ausführungsform hat die Polierstation eine Referenzelektrode. Beispielsweise kann eine Referenzelektrode 310A zwischen der Scheibe 106 und der Gegenelektrode 104 angeordnet werden. Im Allgemeinen gesehen kann sich eine Referenzelektrode an jeder Stelle in dem Bassin 102 befinden, solange sie in dem Elektrolyten 120 untergetaucht ist. Beispielsweise ist eine Referenzelektrode 310E aufgehängt zwischen einer Seitenwand des Bassins 102 und dem Poliermedium 105 gezeigt. Die Referenzelektrode wirkt dahingehend, dass ein konstantes elektrochemisches Potenzial auf dem Substrat aufrechterhalten wird. Deshalb macht die Bereitstellung der Referenzelektrode die Entfernungsrate unabhängig von den Änderungen der Leitfähigkeit im Stromkreis, die beispielsweise durch Abscheiden von losem Kupfer auf der Gegenelektrode 104 verursacht werden können. Die Referenzelektrode kann auch aus einem sehr dünnen Metalldraht, beispielsweise einem Draht aus Platin, hergestellt werden und ist mit der Stromversorgung 302 verbunden.
Die Arbeitsweise des Poliersystems 300 wird von einem Steuersystem 312 gesteuert. Bei einer Ausführungsform hat das Steuersystem 312 eine Steuerung 314 und einen Endpunktdetektor 316. Die Steuerung 314 ist mit jeder der Vorrichtungen des Systems 300 einschließlich der Stromversorgung 302, dem Fluidfördersystem 172, dem Motor 124 und dem Trägerkopf 130 funktionsmäßig verbunden. Der Endpunktdetektor 316 ist so gestaltet, dass er Signaleigenschaften des Signals überwacht, das von der Stromversorgung 302 bereitgestellt wird. Für diesen Zweck kann der Endpunktdetektor 316 elektrisch mit einem Messgerät 318 verbunden werden, das in einer Stromleitung der Stromversorgung 302 angeordnet ist. Obwohl das Messgerät 318 getrennt von der Stromversorgung 302 gezeigt ist, kann es ein integrales Teil der Stromversorgung 302 bilden. Bei einer Ausführungsform ist das Messgerät 318 ein Amperemeter zur Messung des Stroms. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Messgerät 318 ein Spannungsmesser zur Messung der Spannung. Bei einer anderen Ausgestaltung ist das Messgerät so ausgeführt, dass es Spannung und Strom misst. An dem Endpunktdetektor 316 kann dann ein von dem Messgerät 318 genommene Ablesung zur Bestimmung verwendet werden, ob einem Kriterium genügt ist. Ein Kriterium ist, ob das Substrat ausreichend poliert wurde (d.h. ob ein Polierendpunkt erreicht worden ist.) Wenn ein Polierendpunkt erreicht worden ist, kann der Endpunktdetektor 316 der Steuerung dies melden, die dann ein oder mehrere Steuersignale abgibt, um zusätzliche Schritte einzuleiten und/oder um das Polieren des Substrats zu unterbrechen.
Bei wenigstens einer Ausführungsform bezieht sich der „Endpunkt" auf einen Zeitpunkt während des Polierzyklus, zu welchem eine ausreichende Metallmenge von einem Substrat entfernt worden ist. Nach der Erfassung des Endpunkts kann es erforderlich sein, mit dem Polieren über einem Zeitraum fortzufahren, um restliches Metall zu entfernen.
Unter Bezug auf 4A bis 4C wird nun ein Endpunkterfassungsvorgang beschrieben. 4A zeigt eine Seitenansicht des Substrats 113 und des Poliermediums 105. Das Poliermedium 105 ist in den Elektrolyten 120 untergetaucht gezeigt, der durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms aus der Stromversorgung 302 zu einem Innenleiter gemacht ist. Das Substrat 113 ist für den Elektrolyten 120 angeordnet und als sich nach unten zu dem Poliermedium 105 hin bewegend gezeigt. Insgesamt hat das Substrat 113 ein Basismaterial 402 (gewöhnlich aus Silizium) mit darauf ausgebildeten Strukturen. Das Basismaterial 402 kann von mehreren Schichten aus dielektrischen Materialien, halbleitenden Materialien und leitenden Materialien bedeckt sein. Die äußerste Metallschicht 406 wird dann vorher in der Struktur 404 und über den vorhergehenden dielektrischen, halbleitenden und leitenden Schichten abgelegt. Die Metallschicht ist beispielsweise Kupfer. Über der Metallschicht 406 ist eine Passivierungsschicht 408 ausgebildet. Die Passivierungsschicht 408 wird so gewählt, dass gewährleistet ist, dass ein Polieren hauptsächlich dort eintritt, wo ein Kontakt mit dem Poliermedium 105 hergestellt wird. Die Passivierungsmittel, die Teil des leitenden Elektrolyten sind, passivieren die Aussparungsbereiche der zu polierenden ankommenden Metallschicht. Zu den Passivierungsmitteln gehören beispielsweise BTA, TTA usw. Somit ist, wie in 4B gezeigt ist, die Passivierungsschicht 408 an der Trennfläche des Poliermittels 105 und der Metallschicht 406 nicht vorhanden. Das Polieren, das sich in 4B einstellt, ist eine Kombination aus mechanischem Polieren (in Folge einer Relativbewegung zwischen dem Substrat 113 und dem Poliermedium 105) und aus einem anodischen Lösen (als Folge eines chemischen Zusammenwirkens zwischen dem Substrat 113 und dem Elektrolyten 120).
Mit dem Polieren wird fortgefahren, bis die überschüssige Metallmenge entfernt worden ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Endpunktdetektor 316 der Steuerung 314 anzeigt, dass der Polierendpunkt erreicht worden ist. 4C zeigt einen Oberflächenzustand des Substrats am Polierendpunkt. Kupferleitungen (d.h. das Kupfer in den Strukturen 404) werden aufgrund der Tatsache nicht poliert, dass sie durch das Passivierungsmittel geschützt sind und dass sie nicht in Kontakt mit dem Poliermedium 105 stehen. Bei einer Ausführungsform wird die Fortsetzung des Polierens über einen bestimmten Zeitraum zugelassen, um ein ausreichendes Entfernen von Metallrückständen zu gewährleisten. Auf diese Polierphase wird hier als „Überpolieren" Bezug genommen. Da der Polierendpunkt bereits erfasst worden ist, kann das Überpolieren zeitlich sorgfältig und so gesteuert werden, dass ein schüsselförmiges Vertiefen des Kupfers minimiert und der Waferdurchsatz optimiert wird.
In 5 ist eine Kurve 500 gezeigt, die graphisch die Änderung des Elektropolierstroms (bereitgestellt durch die Stromversorgung 302) bezüglich der Zeit darstellt. Der Stromwert ist auf einer vertikalen Achse aufgetragen, während die Zeit auf der horizontalen Achse angegeben ist. Während des durch die Kurve 500 als Beispiel dargestellten Polierens hält die Stromver sorgung 302 eine im Wesentlichen konstante Spannung aufrecht. Auf diese Betriebsweise wird hier als „Spannungsmodus"-Betrieb" Bezug genommen, da an die polierende Zelle eine konstante Spannung angelegt ist. Zu erwähnen ist, dass die direkt von dem Messgerät 318 erzeugte Stromkurve nicht so glatt zu sein braucht wie sie in 5 gezeigt ist, jedoch kann das Signal entweder durch einen elektronischen Filter oder eine mittelnde Software geglättet werden.
Während eines ersten Zeitraums t0 bis t1 erfolgt das Polieren mit einer geringen oder keiner Änderung des Stroms. Der Zustand des Substrats während des Zeitraums ist beispielsweise in 4B gezeigt. Während dieser Zeit wird ein relativ hoher Strom aufgrund der Verfügbarkeit von Metallionen aufrechterhalten, die aus der Metallschicht 406 zugeführt werden (beispielsweise Kupferionen im Falle einer Kupferschicht). Zum Zeitpunkt t1 entspricht der Abfall des Signals im Übergang zwischen einem fortlaufenden Film zu einem unterbrochenen Film. Der Signalabfall bei t1 wird von dem Endpunktdetektor 316 erfasst. Zum Zeitpunkt t1 kann der Endpunktdetektor 316 dann der Steuerung das Signal übermitteln, entweder die gleiche Spannung (wie in 5 gezeigt) aufrechtzuerhalten oder den Prozess auf eine niedrigere Spannung umzuschalten (wie nachstehend unter Bezug auf 6 beschrieben wird).
In einem zweiten Zeitraum zwischen t1 und t2 stellt sich eine Stromverringerung ein, die von dem Endpunktdetektor 316 erfasst werden kann. Dieser Zeitraum liegt beispielsweise zwischen den Polierzuständen von 4B und 4C. Die Reduzierung des Stroms ist der Reduzierung der Metallionen zuzuschreiben, die in dem Elektrolyten gelöst sind. Der Zeitraum zwischen t1 und t2 entspricht gewöhnlich dem Übergang zwischen einer sehr dünnen durchgehenden Metallschicht und einer unterbrochenen Metallschicht. Das Polieren einer unterbrochenen Metallschicht führt dazu, dass weniger Kupferionen im Elektrolyten freigesetzt werden, was einen geringeren Strom ergibt.
Etwa bei t2 beginnt sich der Strom zu stabilisieren, d.h. die Neigung der Kurve 500 nähert sich Null. Der Grund dafür besteht darin, dass die Quelle für die Metallionen (d.h. die Metallschicht 406) im Wesentlichen geleert worden ist. Bei einem speziellen Grad der Stromstabilisierung ist der Polierendpunkt erreicht. Der Zustand des Substrats am Polierendpunkt ist beispielsweise in 4C gezeigt und der Endpunkt wird von dem Endpunktdetektor 316 erfasst. Zu einem dritten Zeitraum zwischen t2 und t3 kann das Substrat einem zusätzlichen Polieren (d.h. einem Überpolieren) ausgesetzt werden, um restliches Metall zu entfernen. Die Dauer des Zeitraums t2 bis t3 kann entsprechend einer speziellen Musterauslegung und -dichte variieren, wonach das Polieren unterbrochen und das Substrat von dem Poliermedium entfernt wird. Zum Zeitpunkt t3 wird die Stromversorgung abgeschaltet und das Substrat kann zu einer anderen Stelle eines Poliersystems für eine zusätzliche Behandlung (beispielsweise Spülen oder Trennschichtpolieren) überführt werden.
In dem unter Bezug auf 5 beschriebenen Beispiel ist die Stromversorgung 302 so ausgebildet, dass sie eine einzige Spannung aufrechterhält. Bei einer anderen Ausführungsform kann jedoch die angelegte Spannung zwischen zwei oder mehreren Werten variieren. Beispielsweise zeigt die Stromkurve 600 von 6 die Wirkung auf den Strom, wenn die Spannung von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert geändert wird. Insbesondere wird ein erster Spannungswert für einen Zeitraum t0 bis t2 aufrechterhalten. Während eines Abschnitts dieses Zeitraums (t0 bis t1) ist der Strom anfänglich auf einem im Wesentlichen konstanten Wert I0 gehalten. Bei t1 bis t2 beobachtet man einen stark abnehmenden Strom. Bei t2 ist die Spannung auf einen zweiten Wert umgeschaltet.
Gemäß einem Aspekt besteht der Zweck des Umschaltens von einem höheren Spannungswert auf einen niedrigeren Spannungswert darin, den Waferdurchsatz zu steigern. Insbesondere entspricht der höhere Spannungswert einem höheren Strom und somit einer höheren Entfernungsrate. Während eine höhere Entfernungsrate bezüglich des Durchsatzes bevorzugt wird, kann jedoch ein höherer Spannungswert nicht die besten Ergebnisse hinsichtlich schlüsselförmigen Vertiefens des Kupfers, Kupferrückstände, Oberflächenveredelung usw. bereitstellen. Wenn einmal die verbleibende Kupferschicht sehr dünn wird, jedoch noch durchgehend ist, wird deshalb die Spannung auf den niedrigeren Wert umgeschaltet. Beispielsweise wird das Schalten zeitlich in Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Zeitwert abgestimmt, der so gewählt wird, dass der Durchsatz optimiert wird. Auf diese Weise kann der Prozess hinsichtlich Durchsatz sowie Ergebnisse (beispielsweise Filmqualität) optimiert werden.
Nach dem Umschalten der Spannung auf den zweiten Spannungswert wird der Strom wiederum auf einen im Wesentlichen konstanten Wert I1 gehalten. Beispielsweise wird der im Wesentlichen konstante Stromwert für einen Zeitraum von t2 bis t3 beibehalten. Zum Zeitpunkt t3 beobachtet man eine zweite Verringerung des Stroms. Die Verringerung des Stroms wird von dem Endpunktdetektor 316 überwacht, bis der Polierendpunkt zum Zeitpunkt t4 erfasst wird. Dann kann ein Überpolierschritt für einen Zeitraum t4 bis t5 aufrechterhalten werden, wonach der Polierzyklus abgeschlossen ist und das Substrat aus der Polierstation für eine nachfolgende Behandlung entfernt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, stehen die Kurven 500 und 600 für einen Betrieb im „Strommodus", in welchem Änderungen des Stroms während einer konstanten Spannung überwacht werden. Bei einer anderen Ausführung, die als Betrieb im „Strommodus" [berichtigt: Spannungsmodus, Anm. des Übersetzers] Bezug genommen wird, können Änderungen der Spannung überwacht werden, während der Strom auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. 7 zeigt eine Spannungskurve 700 für eine Signalkennlinie, die während des Betriebs im Strommodus [siehe obige Anm. des Übersetzers] überwacht wird. Die Spannungskurve 700 wird in Übereinstimmung mit über auf einer vertikalen Achse aufgetragenen Spannungswerten definiert, die sich bezüglich der auf einer horizontalen Achse aufgetragenen Zeit ändern. Während des Polierzyklus wird der Strom auf einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten. Während eines Anfangszeitraums beim Polieren (t0 bis t1) bleibt die Spannung auf einem im Wesentlichen konstanten Wert V0. Zur Zeit t1 beobachtet man einen Spannungsanstieg von V0 auf V1. Bei t2, wo ein Grad einer Spannungsstabilisierung messbar ist, wird von dem Endpunktdetektor 316 ein Endpunkt erfasst. Dann kann bei einem Zeitraum t2 bis t3 für einen Überpolierschritt gesorgt werden, wonach das Polieren unterbrochen wird.
Somit wird unabhängig von dem Betriebsmodus (d.h. Strommodus oder Spannungsmodus) ein Polierendpunkt in Übereinstimmung mit einer Signalkennlinie eines Signals erfasst, das von der Stromzufuhr 302 bereitgestellt wird. In jedem Fall können gleiche oder ähnliche Algorithmen zum Erfassen des Endpunkts verwendet werden. Bei einer Ausführung können bekannte Algorithmen zum Erfassen einer vorgegebenen Änderungsrate der Signalkennlinie erfasst werden. Beispielsweise wird in Betracht gezogen, dass die bei Ätzsystemen verwendeten Erfassungsalgorithmen für den Ätzendpunkt für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung angepasst werden können. Bei solchen Ätzsystemen wird gewöhnlich die Wellenlänge von reflektiertem Licht überwacht. Änderungen der Wellenlänge zeigen, wann ein Material ausreichend geätzt worden ist. Dementsprechend nutzt eine Ausführung der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise diese und ähnliche Algorithmen. Allgemein gesehen kennt der Fachmann andere Algorithmen und Techniken, die vorteilhaft eingesetzt werden können.
Anhand von 5 wird ein spezieller Endpunktalgorithmus beschrieben. Der beispielsweise Algorithmus verwendet Softwaredefinitionen, auf die als „Fenster" 510A bis F Bezug genommen wird. Der Zweck dieser Fenster besteht darin, die Endkurve zu überwachen. Dafür werden Größe und Anzahl der Fenster so gewählt, dass sie insgesamt das erwartete Verhalten einer Kurve beschreiben. Die Größe und die Anzahl der Fenster können durch eine Bedienungsperson von der ECMP-Polierstation bestimmt werden und können sich von Fenster zu Fenster ändern. Außerdem sind die Fenster nicht auf ein spezielles Zeitintervall von der Darstellung von 5 festgelegt und sprechen stattdessen auf Änderungen von der Kurve 500 an.
Zu Beginn des Prozesses (sobald die Stromversorgung 302 eingeschaltet ist) ist der Strom bei einem Wert I₁. Die Höhe eines ersten Paars von Fenstern 510A, B wird so eingestellt, dass I₁ in einen vorgegebenen Bereich für den Strom fallen muss. Wenn I₁ nicht in die Fensterhöhe fällt, liegt der ohmsche Widerstand der Polierstation nicht innerhalb der Spezifikation und verhält sich nicht richtig. In diesem Fall wird der Prozess automatisch durch den Endpunktdetektor 316 angehalten.
Bei richtigem Betrieb ist der Strom zwischen t0 und t1 stabil. Das heißt, dass die Endpunktkurve 500 in die Fenster 510A, B von der Seite eintritt und die Fenster 510A, B an der Seite verlässt. Zum Zeitpunkt t1 wird die zu polierende Metallschicht nicht durchgehen, so dass der Strom abfällt und die Stromkurve 500 aus einem Fenster 510C am Boden austritt. Die am Boden des Fensters 510C austretende Kurve 500 zeigt dem Endpunktdetektor 316 einen Stromabfall an. Das Signal tritt am Boden einer Anzahl von Fenstern 510D, E aus, bis alle verbleibenden Kupferflecken poliert worden sind, (d.h. bis zum Zeitpunkt t2). Zum Zeitpunkt t2 gibt es kein zu polierendes Kupfer mehr und der Strom I₂ ist wieder stabil. Dementsprechend tritt die Kurve 500 aus der Seite des Fensters 510F aus und der Endpunktdetektor 316 erfasst den Endpunkt des Prozesses bei t2. Der Strom I₂ entspricht der Situation, in der keine Metallionen (oder eine vernachlässigbare Menge von Metallionen) in dem Elektrolyten freigesetzt werden. I₂ ist für sich gewöhnlich sehr klein (beispielsweise wenige mA) verglichen mit I (beispielsweise A). Zum Entfernen von Überresten kann ein Überpolierschritt bis zum Zeitpunkt t3 ausgeführt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform berechnet der Endpunktdetektor 316 die gesamte von einem Wafer entfernte Ladung, um die entfernte Materialmenge zu bestimmen. Dies wird durch Integrieren des Gesamtstromsignals, das für die Zelle/den Wafer zum Polieren bereitgestellt wird (worauf hier als Gesamtstromsignal oder Zellenstromsignal Bezug genommen wird) über der Zeit ausgeführt. Weiß man, dass die Fläche unter dem Zellenstromsignal (die durch das Integral des Zellenstromsignals wiedergegeben wird) das entfernte Material und jeden Leckstrom angibt, kann ein Polierendpunkt dadurch bestimmt werden, dass die entfernte Gesamtladung (das Integral des bezüglich Leckstrom korrigierten Zellenstromsignals) zu dem entfernten Gesamtmaterial in Bezug gesetzt wird. Wie nachstehend näher beschrieben wird, kann diese Ladungs-/Entfernungs-Beziehung theoretisch oder empirisch bestimmt werden. Die Erfassung des Endpunkts für einen Polierzyklus eines Wafers erfordert dann nur die Kenntnis der Anfangsdicke des Wafers vor dem Polieren. Der Wafer wird poliert, bis die Differenz zwischen der Anfangswaferdicke und der entfernten Dicke gleich der gewünschten Dicke ist: Solldicke = Anfangsdicke – Dicke des entfernten Materials (Gleichung 1),wobei die „Dicke des entfernten Materials" eine Funktion der Strommenge ist, die durch das Integral des Stroms angegeben wird (der bezüglich Leckstroms, wie nachstehend beschrieben, korrigiert werden kann). Wenn das Stromsignal nur periodisch abgetastet wird und (d.h. wenn der Endpunktdetektor 316 die Stromwertabtastungen verwendet, die aus dem Messgerät 318 der Stromversorgung 302 erhalten werden), lässt sich das Integral als eine Summe approximieren: Strommenge (t) = Integral (0,t)[I(t)dt]{sum(0,t)[I(t)·(Zeitraum)] (Gleichung 2)
Wenn die Summe der Stromwerte über der Zeit (d.h. die entfernte Gesamtladung) berechnet ist, kann die „Dicke des entfernten Materials) unter Bezug auf die vorgegeben Ladungs-/Entfernungs-Beziehung bestimmt werden. Bei einer Ausführung ist die Ladungs-/Entfernungs-Beziehung in den Datenstrukturen, beispielsweise Verweistabellen, gespeichert. Somit setzen die Verweistabellen einen Wert, der durch den Endpunktdetektor 316 berechnet worden ist (d.h. die entfernte Gesamtladung bestimmt durch Summierung wie vorstehend unter Bezug auf Gleichung 2 beschrieben ist) in Beziehung zu dem von einem Substrat entfernten Gesamtmaterial. Für jede Bedingung einer Vielzahl von Prozessbedingungen und für jeden Substrattyp kann eine gesonderte Verweistabelle vorgesehen werden. Beispielsweise können gesonderte Verweistabellen für mit Strukturen versehene und nicht mit Strukturen versehene Substrate vorgesehen werden. Die Verweistabellen können ferner durch die Elektrolytzusammensetzung, die Art des entfernten Materials usw. charakterisiert werden. Auf diese Weise ist der Endpunktdetektor 316 für das Erfassen des Endpunkts eines Polierzyklus für eine Vielzahl von Behandlungsbedingungen und Substratarten anpassbar.
Somit berechnet bei einer Ausführungsform der Endpunktdetektor 316 das Integral des Stromsignals und geht dann in die geeignete Verweistabelle, um die entsprechende Menge von entferntem Material zu bestimmen.
Obwohl Aspekte der Erfindung bezüglich der Verweistabellen beschrieben sind, sind solche Tabellen natürlich nur für eine Ausführung repräsentativ. Insgesamt gesehen kann vorteilhafterweise jedes Verfahren verwendet werden, bei dem ein berechneter Gesamtladungswert in Wechselbeziehung zu dem entfernten Gesamtmaterial gesetzt wird.
Im Allgemeinen können die Verweistabellen unter Verwendung von theoretisch oder empirisch abgeleiteten Informationen besetzt werden. Bei dem elektrochemischen mechanischen Polieren wird in jedem Fall der in der Zelle gemessene Strom (d.h. der gesamte Zellenstrom) in Beziehung zu dem Entfernen des Metalls (beispielsweise Kupfer) gesetzt. Der Zellen(Gesamt-)Strom setzt sich zusammen aus (i) dem Leckstrom und (ii) der Metallentfernung an dem Wafer (d.h. dem tatsächlichen Entfernungsprozess, der beispielsweise das Entfernen des Cu⁺/Cu⁺ ⁺/Cu-Komplexes sein kann). Der Leckstrom kann gewöhnlich als der nicht wirksame Strom charakterisiert werden. Zu seinen Ursachen gehören die chemisch Reaktion von leitenden Elementen (beispielsweise das leitende Element 302 von 2) des Poliergegenstands 105 und die unterschiedlichen Oxidationen, die auftreten können. Die erste Art von Leckstrom kann im Wesentlichen beseitigt werden, wenn ein Zonenschalter verwendet wird. Ein Zonenschalter ist jede Art von leitenden Elementen des Poliergegenstands 105, die intermittierend in Kotakt mit dem zu polierenden Substrat gebracht werden. Beispielsweise kann der Poliergegenstand 105 in einer Vielzahl von radial leitenden Elementen versehen sein, die elektrisch mit der Stromversorgung 302 nur dann verbunden sind, wenn die leitenden Elemente in Kontakt mit dem zu polierenden Substrat stehen. Wenn die leitenden Elemente unterhalb des Substrats herausgedreht werden, ist der elektrische Kontakt zwischen den Elementen und der Stromversorgung 302 beendet.
Die Bedeutung der zweiten Art von Leckstrom hängt von der speziellen Polierreaktion ab. Im Falle des Polierens von Kupfer ist das Potenzial für die Kupferoxidation größer als das Potenzial der Reaktion der Sauerstoffentwicklung. Wenn also ein Wettstreit zwischen beiden Oxidationsreaktionen vorliegt, geht der größte Teil des Stroms auf die Kupferoxidation. Dementsprechend kann der Leckstrom aufgrund von Sauerstoffentwicklung auf dem Wafer vernachlässigt werden, wenn Kupfer poliert wird. Auf jeden Fall kann der Leckstrom leicht unter Verwendung eines Siliziumwafers kalibriert werden. Dies ergibt eine Beziehung zwischen dem Leckstrom und der an die Zelle angelegten Spannung.
Wenn der Leckstrom bestimmt (oder vernachlässigt) wird, kann man Kenntnis des Gesamtstroms dadurch erhalten, dass der Beitrag des Metallentfernens auf dem Wafer bestimmt wird. Dann können der Gesamtstrom über der Zeit und die Entfernungsrate über der Zeit als entfernte Gesamtladung und entferntes Gesamtmaterial für einen Zeitpunkt ausgedrückt werden. Dies kann theoretisch oder empirisch erfolgen, was nun beschrieben wird. Lediglich zur Veranschaulichung wird angenommen, dass das zu polierende Material Kupfer ist. Natürlich kann die Erfindung vorteilhaft bei jedem anderen leitenden Material verwendet werden.
Bei einer Ausführung wird die Strom-/Entfernungsrate und die Ladungs-/Entfernungs-Beziehung empirisch bestimmt. Beispielsweise kann die von einem Wafer entfernte Materialmenge periodisch (beispielsweise durch Messungen des spezifischen Widerstands) gemessen werden, während die Stromversorgung 302 im Strommodus arbeitet.
Alternativ kann der Strom für eine Reihe von Wafer gemessen werden, die unter verschiedenen Bedingungen behandelt werden (beispielsweise leicht unterschiedliche Polierzeiten, Vorspannungen usw.). Auf diese Weise kann eine Kalibrierkurve erfasst werden. In einem speziellen Fall wurden zwanzig Wafer bei unterschiedlichen Bedingungen poliert und es wurde der Durchschnittsstrom aufgezeichnet. Die Dicken der Wafer wurden vor und nach dem Polierzyklus gemessen, um die mittlere Entfernungsrate zu bestimmen. Die Kalibrierkurve (ausgedrückt als y = 1,1185x + 1,2512) ist eine lineare Beziehung zwischen dem Durchschnittsstrom und der Durchschnittsentfernungsrate und ermöglicht die Vorhersage (durch Extrapolation) einer Entfernungsrate für einen gegebenen Strom.
Wenn die Beziehung zwischen dem Strom und der Entfernungsrate erstellt ist, bleibt nun, eine Beziehung zwischen der Gesamtladung, die (gegeben durch die Summe gemessener Stromwerte, wie unter Bezug auf Gleichung 2) beschrieben ist, und der Dicke des entfernten Materials aufzustellen. 8 zeigt ein Beispiel einer empirisch bestimmten Kurve, die die Gesamtladung (Strommenge As auf der x-Achse) und das entfernte Material (Entfernen auf der y-Achse) in Beziehung setzt. Die Informationen von 8 werden zur Besetzung einer Verweistabelle verwendet.
In Betrieb wird ein Gesamtladungswert unter Verwendung der periodisch gemessenen Stromwerte berechnet. Dann wird auf die geeignete Verweistabelle zugegriffen, um die Dicke des entfernten Materials zu bestimmen. Der Endpunkterfassungsalgorithmus bestimmt dann, ob eine Solldicke (oder eine Sollgesamtladung) erreicht worden ist. Wenn dies der Fall ist, wird der Polierprozess unterbrochen und das Substrat aus der Zelle entfernt.
Bei einer anderen Ausführung wird die Beziehung der Strom-/Entfernungsrate und der Ladung-/Entfernungs-Beziehung empirisch bestimmt. Die Strom-/Entfernungs-Beziehung kann wie folgt beschrieben werden: Strom – Ladung pro Einheitszeit 4 Einheitszeit entfernte Atome → Entfernungsrate an dem Wafer.
Die Strom-/Entfernungsraten-Beziehung kann unterschiedlich sein, was davon abhängt, ob der Wafer ein Rohwafer oder ein strukturierter Wafer ist, und wie die Chemie beschaffen ist. Auf jeden Fall kann die Strom-/Entfernungsraten-Beziehung theoretisch erhalten werden, wenn das Reaktionsschema bekannt ist. Beispielsweise soll angenommen werden, dass bekannt ist, dass bei einem gegebenen Prozess lediglich Cu⁺⁺ (und nicht Cu⁺) entfernt wird. Es soll weiterhin angenommen werden, dass für einen Wafer eine gleichförmige Entfernungsrate 1000 Å/min bei einem 200 mm Wafer (Oberfläche = 314 cm²) gemessen wurde. Bekannt ist für ein Kupferkristall, dass a = b = c = 361,49 pm = 3,6149 Å. Somit beträgt das Volumen einer Einheitszelle 47,23 Å³ Da es vier Atome in einer Einheitszelle und zwei Ladungen pro Einheitszelle gibt, ist die entfernte Gesamtladung pro Einheitszelle vier Atome mal zwei Ladungen mal 1,6 e^–19C. Da weiterhin das Volumen von 1000 Å sich zu 314¹⁹ Å³ ergibt, errechnet sich die Anzahl von Einheitszellen pro 1000 Å zu 314·e¹⁹/47,23 = 6,64e¹⁹. Die entfernte Gesamtladung ist somit 6,64 e¹⁹·(4Atome·2Ladungen·1,6e¹⁹C) = 85 C/min. Somit entspricht eine Entfernungsrate von 1000 A/min 1,42 A eines Cu⁺ ⁺-Stroms. Für einen 200 mm Wafer wird dann die Strom-/Entfernungs-Beziehung 1,4 A/kÅ/min. Auf diese Weise kann die Strom-/Entfernungsraten-Beziehung für einen gewünschten Bereich von Stromwerten und Entfernungsraten bestimmt werden.
Eine beispielsweise Strom-/Entfernungsraten-Beziehung lässt sich durch die lineare Diagrammlinie 900 von 9 ausdrücken, in der auf der y-Achse die Entfernungsrate von Kupfer und auf der x-Achse der Gesamtstrom (aufgrund des Leckstroms versetzt) aufgetragen sind. Es zeigt sich, dass die Beziehung im Wesentlichen linear ist. Dadurch lässt sich die Diagrammlinie 900 durch y = mx + b beschreiben, wenn m die Neigung der Linie ist. Die Neigung der Linie hängt von den auftretenden Oxidationsprozessen ab. Wenn beispielsweise ein Entfernen von Cu⁺ und Cu⁺⁺ auftritt, hängt die Neigung von dem Cu⁺/Cu⁺ ⁺-Entfernungsverhältnis ab. Zur Erläuterung soll daran erinnert werden, dass vorstehend für das Entfernen von lediglich Cu⁺⁺ der Strom zu 1,42 A/kÅ/min berechnet wurde. Auf ähnliche Weise kann berechnet werden, dass beim Entfernen von lediglich Cu⁺ der Strom 0,71 A/kÅ/min beträgt. Wenn somit das Entfernen sowohl Cu⁺ als Cu⁺⁺ einschließt, wird die Strom-/Entfernungsraten-Beziehung zwischen 0,71 und 1,42 A/kÅ/min liegen. Schließlich hängt der effektive Strom von der eingesetzten speziellen Chemie ab.
Wenn die Beziehung zwischen Zellenstrom und Entfernungsrate aufgestellt ist, verbleibt nur die Aufstellung einer sinnvollen Anwendung dieser Beziehung eines Endpunkts eines Polierzyklus. Wie vorstehend beschrieben, wird der Endpunkt durch Berechnen der entfernten Gesamtladung aus gemessenen Stromwerten bestimmt. Deshalb muss man die entfernte Gesamtladung zum entfernten Gesamtmaterial zu einem gegebenen Zeitpunkt in Beziehung setzen. Da eine theoretische Beziehung zwischen dem Zellenstrom und der Entfernungsrate nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren aufgestellt worden ist, kann die abgeleitete Beziehung leicht als entfernte Gesamtladung und als entferntes Gesamtmaterial ausgedrückt werden. Die Beziehung zwischen der entfernten Gesamtladung und dem entfernten Gesamtmaterial wird dann zum Besetzen von Verweistabellen verwendet, die der Endpunktdetektor 316 nutzt, um die Menge des entfernten Materials zu einem gegebenen Zeitpunkt und somit den Endpunkt eines Polierzyklus zu bestimmen. Insbesondere kann man die Dicke dadurch erfahren, dass Stromwerte über der Zeit gemessen werden und die folgende Gleichung gelöst wird (die ein Spezialfall von Gleichung 1 ist): Dicke(t) = Anfangsdicke – Summe(0,t)[(Strom(t) – Leck(V(t))·Strom-zu-Entfernung-Koeffizien](Gleichung 3),wobei der Strom-zu-Entfernung-Koeffizient die Neigung („m") der Strom-/Entfernungsratenkurve (beispielsweise Diagrammlinie 900 von 9) und das Leck eine Konstante („b") ist. Die Werte für „m" und „b” für verschiedene Prozesse/Wafer können in Verweistabellen gespeichert werden, die dann für einen gegebenen Prozess zugänglich sind, um die geeigneten Werte für „m" und „b” wieder zu finden.
Wenn der Wafer strukturiert ist, braucht man einen Dichtekoeffizienten, dass, wenn die Selektivität 100% beträgt, das Entfernen nur in den erhöhten Bereichen erfolgt. Der Dichtekoeffizient kann eine Funktion der Kupferdicke aus einer Vielzahl von Gründen sein, zu denen die Anfangshöhendifferenzen zwischen allen Vorsprüngen und die unterschiedlichen Geschwindigkeiten gehören, mit denen die Strukturen planarisiert werden. Da außerdem die erhöhten Bereiche beim Polieren abnehmen, nähert sich die Dichte mit der Zeit, wenn das Profil geebnet wird, dem Wert 1. Somit kann der Koeffizient 1/Dichte(Dicke(t)) verwendet werden, um die Dickenabschätzung eines strukturierten Wafers zu korrigieren: Dicke(t) = Anfangsdicke – Summe(0,t)[(Strom(t)-Leck(V(t))·Strom-zu-Entfernung-Koeffizient/Dichte(Dicke(t))] (Gleichung 4)
Man sieht, dass Gleichung 4 eine allgemeinere Gleichung als Gleichung 3 ist, das der Koeffizient 1/Dicht(Dicke(t)) für einen Rohwafer nach 1 geht, in diesem Fall Gleichung 3 und Gleichung 4 gleich sind. Die Koeffizienten und der Leckstrom, die zur Auflösung nach der Dicke unter Verwendung von Gleichung 4 benötigt werden, können wieder in Verweistabellen gespeichert werden.
Insgesamt kann/können der/die Endpunkterfassungsalgorithmus(-algorithmen), wie sie hier beschrieben sind, durch Hardware, Software oder Kombinationen von beiden ausgeführt werden. So ist eine Ausgestaltung der Erfindung das Programmprodukt zur Verwendung mit einem Rechnersystem ausgeführt, beispielsweise den Systemen 100 und 300 in 1 bzw. 3. Das Programm/die Programme des Programmprodukts definiert/definieren Funktionen der bevorzugten Ausgestaltung und können in einer Vielzahl von signaltragenden Medien (oder rechnerlesbaren Medien) enthalten sein, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, (i) Informationen, die permanent auf einem nicht einschreibbaren Speichermedium (beispielsweise Nur-Lese-Speichervorrichtungen in einem Rechner, wie CD-ROM-Scheiben, die von einem CD-ROM-Laufwerk lesbar sind), (ii) Informationen, die auf einem einschreibbaren Speichermedium gespeichert sind (beispielsweise Disketten in einem Diskettenlaufwerk oder Festplattenlaufwerk), oder (iii) Informationen gehören, die zu einem Rechner durch ein Kommunikationsmedium, wie einen Rechner oder ein Telefonnetzwerk einschließlich drahtloser Kommunikationen, transportiert werden. Zu der letzteren Ausführung gehören spezielle Informationen, die aus dem Internet und von anderen Netzwerken herunter geladen sind. Derartige signaltragende Medien stellen, wenn sie computerlesbare Instruktionen tragen, die die Funktionen der vorliegenden Erfindung leiten, Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dar.
Der Fachmann erkennt, dass die vorstehenden Ausführungsformen lediglich veranschaulichenden Charakter haben. Die Erfindung zieht viele andere Ausgestaltungen in Betracht und hat Zugang zu ihnen. Beispielsweise beschreibt eine Anzahl der vorhergehenden Ausführungsformen eine Elektropoliertechnik nach unten. Das heißt, dass das zu behandelnde Substrat bezüglich des Polierkissens nach unten ausgerichtet ist. Bei anderen Ausführungen werden jedoch nach oben gerichtete Elektropoliertechniken verwendet. Diese und andere Ausgestaltungen werden als innerhalb des Umfangs der Erfindung liegend angesehen.
Obwohl das Vorstehende auf Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung ersonnen werden, ohne von dem Grundrahmen der Erfindung abzuweichen, der durch die nachstehenden Ansprüche bestimmt ist.

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Polierendpunkts, bei welchem – ein Elektrolyt enthaltender Raum (132) bereitgestellt wird, der wenigstens einen Elektrolyten (120) enthält, – ein Substrat (113) in Kontakt mit sowohl einem Polierkissen (105) als auch mit dem Elektrolyten (120) angeordnet wird, wobei eine Oberfläche des Polierkissens (105) von dem Elektrolyten (120) bedeckt wird, – ein oder mehrere leitende Materialien (406) auf dem Substrat (113) elektrochemisch mechanisch poliert werden, – ein elektrisches Signal durch den Elektrolyten (120) hindurch in dem Elektrolyt enthaltenden Raum (132) weitergegeben wird und – der Polierendpunkt des elektrochemischen mechanischen Polierens erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erfassens des Polierendpunkts des elektrochemischen mechanischen Polierens – ein Gesamtstrom über der Zeit bestimmt wird, der an dem Substrat (113) im Verlauf des elektrochemischen mechanischen Polierens des Substrats (113) angelegt ist, und – der Gesamtstrom über der Zeit mit einem entfernten Gesamtmaterial und mit einer Dicke des von dem Substrat (113) entfernten Materials korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Erfassen des Polierendpunkts des elektrochemischen mechanischen Polierens weiterhin bestimmt wird, ob eine vorher gemessene Anfangsdicke des Substrats (113) abzüglich der Dicke des entfernten Materials zu einer ausgewählten Solldicke des Substrats (113) gleich oder kleiner als diese ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des elektrochemischen mechanischen Polierens eine Relativbewegung zwischen dem Substrat (113) und dem Kissen (105) herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt der Weitergabe des elektrischen Signals durch den Elektrolyten (120) hindurch das elektrische Signal zwischen einer ersten Elektrode (105) und einer zweiten Elektrode (104) weitergegeben wird, wobei nur die erste Elektrode (105) in direktem körperlichen Kontakt mit dem Substrat (113) positionierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polierkissen (105) leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektrochemischen mechanischen Polieren des Substrats (113) während eines Zeitraums nach dem Erfassen des Polierendpunkts fortgefahren wird.
System zum elektrochemischen mechanischen Polieren – mit einem leitenden Polierkissen (105), das eine Oberfläche für eine Bedeckung mit einem Elektrolyten (120) aufweist, – mit einer Leistungsversorgung (302), die so gestaltet ist, dass dem Substrat (113), das auf dem Polierkissen (105) angeordnet ist, ein elektrisches Signal durch ein Volumen des Elektrolyten (120) hindurch zugeführt wird, und – mit einem Endpunkterfassungssystem (312), dadurch gekennzeichnet, – dass das Endpunkterfassungssystem so gestaltet ist, dass es ein elektrisches Signal durch das Volumen des Elektrolyten (120) hindurch weitergibt und den Polierendpunkt des elektrochemischen mechanischen Polierens durch Bestimmen eines Gesamtstroms über der Zeit erfasst, der an das Substrat (113) während des Verlaufs des elektrochemischen mechanischen Polierens des Substrats (113) angelegt wird, und – dass der Gesamtstrom über der Zeit mit einem entfernten Gesamtmaterial und mit einer Dicke von von dem Substrat (113) entfernten Material korreliert wird.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kissen (105) ein elektrisch leitendes Medium (302) aufweist, das auf einer Polierfläche des Kissens (105) angeordnet ist, wobei eine erste Klemme der Leistungsversorgung (302) elektrisch mit dem elektrisch leitenden Medium (202) verbunden ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierfläche nicht leitend ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Endpunkterfassungssystem (312) weiterhin so gestaltet ist, dass bestimmt wird, ob eine vorher gemessene Anfangsdicke des Substrats (113) abzüglich der Dicke des entfernten Materials zu einer ausgewählten Solldicke des Substrats (113) gleich oder kleiner als diese ist.