DE19648066A1 - Chemisch-mechanische Poliervorrichtung für Halbleiterwafer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine chemisch­ mechanische Poliervorrichtung für einen Halbleiterwafer bzw. eine Halbleiterscheibe und insbesondere auf eine chemisch­ mechanische Poliervorrichtung, die die Oberfläche des Halblei­ terwafers gleichmäßig zu polieren und den Polierzustand bzw. -abtrag zu steuern vermag, indem ein oder mehrere Rotationstrom­ meln bzw. -walzen, die jeweils in ein Poliertuch eingewickelt und auf der Oberseite eines Polierkissens betätigbar sind, vor­ gesehen und mit Trägern, die die Rotationstrommeln anzuheben und abzusenken vermögen, verbunden werden.

Entsprechend der Tendenz zu höherer Integration von Halbleiter­ bauelementen wird ein Halbleiterbauelement hergestellt, indem zahlreiche Schichten auf einem begrenzten Bereich eines Halb­ leitersubstrates gestapelt werden. Um die Oberfläche eines so hergestellten hochintegrierten Halbleiterbauelementes planar zu gestalten, wird eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung (CMP-Vorrichtung) verwendet. Das heißt, die CMP-Vorrichtung dient nicht nur zur Planarisierung des Halbleitersubstrates, sondern auch für eine globale Planarisierung eines hochinte­ grierten Musters auf dem Halbleitersubstrat.

Anhand der Fig. 1A und 1B soll im folgenden zunächst eine her­ kömmliche CMP-Vorrichtung gemäß US-A-5,232,875 in Einzelheiten erläutert werden.

Ein Polierkissen 10 hat eine planare Oberseite 11, an deren Rand eine vertikale Sperrwand 13 vorgesehen ist. Auf der plana­ ren Oberseite des Polierkissens 10 befindet sich ein Poliertuch 12 mit einer vorbestimmten Dicke und einer Vielzahl von Löchern 18, und es wird durch die Sperrwand 13 geschützt. Das Polier­ kissen 10 ist mit einer Antriebsanordnung 14 verbunden, und ei­ ne Aufschlämmung 5 ist von einer (nicht gezeigten) Aufschläm­ mungszufuhr auf das Poliertuch 12 gespeist.

Ein Träger 1 hält einen auf seiner Unterseite zu polierenden Halbleiterwafer 2 nach unten, und ein Stützkissen 3 ist zwi­ schen den so gehaltenen Halbleiterwafer 2 und die planare Un­ terseite 4 des Trägers 1 eingefügt. Der Träger 1 liegt über das Poliertuch 12 auf dem Polierkissen 10. Ein elastisches oder fe­ derndes Polster 17 umgibt die Innenseite der Sperrwand 13 und entspricht elastischen oder federnden Höckern 16, die an beiden Seiten des Trägers 1 ausgebildet sind.

Wenn beim Polieren die Aufschlämmung 5 auf die Oberseite 12 des Polierkissens 10 zugeführt wird, bedeckt die Aufschlämmung 5 kleine Löcher 18 des Poliertuches 12. Das Polierkissen 10 wird durch die Rotationskraft der Antriebsanordnung 14 in Drehung versetzt, und der Träger 1, an dessen Unterseite der Halblei­ terwafer 2 angebracht ist, führt verschiedene Bewegungen auf dem Polierkissen 10 aus, wie beispielsweise eine Rückwärts- und Vorwärtsbewegung, eine Drehbewegung oder eine Bewegung in be­ liebiger Richtung. Gemäß diesen Bewegungen wird die Aufschläm­ mung 5 auf den Halbleiterwafer 2 und das Poliertuch 12 ge­ schichtet, und durch Abrieb wird die Oberfläche des Halbleiter­ wafers 2 poliert.

Die herkömmliche CMP-Vorrichtung zeigt jedoch das Problem, daß der Polierzustand bzw. -abtrag des Halbleiterwafers während des Polierens nicht gemessen werden kann.

Da zusätzlich der Wafer lediglich durch die Drehung des Polier­ kissens mit dem auf das Poliertuch gebrachten Träger poliert wird, kann der Polierzustand bzw. -abtrag des Halbleiterwafers nicht gesteuert werden. Außerdem können mehrere Wafer nicht gleichzeitig poliert werden.

Anhand der Fig. 2A und 2B soll im folgenden ein anderes Bei­ spiel einer herkömmlichen CMP-Vorrichtung gemäß der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 7-66160 erläutert werden.

Ein Halbleiterwafer A ist auf einer Absorbierrolle 20 festge­ legt, die in einer Aussparung 24a der Oberseite eines Polier­ kissens 24 angeordnet ist.

Die Mantelfläche einer Rotationstrommel 26 berührt den Halblei­ terwafer A, radial durchdringende Löcher 40 sind auf der Man­ telfläche der Rotationstrommel 26 gebildet, und ein Poliertuch 38 ist um die Mantelfläche gewickelt. Wenn die Rotationstrommel 26 die Oberseite des Wafers A berührt, kann die Rotationstrom­ mel 26 vorwärts und rückwärts durch einen Träger 28 bewegt wer­ den, der an beiden Enden der Rotationstrommel 26 angebracht ist.

Während des Polierens wird eine Aufschlämmung zu der Rotation­ strommel 26 über einen Aufschlämmungszufuhrschlauch 36 gespeist und dann auf das Poliertuch 38 über die durchdringenden Löcher 40 geschichtet. Sodann wird Reibung zwischen dem Poliertuch 38 und der Oberfläche des Halbleiterwafers A erzeugt, so daß der Polierbetrieb fortschreitet.

Jedoch kann die CMP-Vorrichtung lediglich einen Teil des Po­ lierzustandes bzw. -abtrages messen, und da der Halbleiterwafer lediglich rotiert, kann während des Polierens ein Unterschied im Polierzustand bzw. -abtrag hervorgerufen werden, der zwi­ schen dem mittleren Teil und dem Randteil des Wafers verursacht ist, und das Polieren wird aufgrund der Differenz in der Kraft ungleichmäßig durchgeführt, die verursacht wird, wenn die Rota­ tionstrommel eine Vorwärts-Rückwärts-Bewegung ausführt. Da zu­ sätzlich jeder Halbleiterwafer nacheinander poliert wird, ist die Produktivität niedrig, und es ist unmöglich, eine Massenpro­ duktion zu erzielen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine CMP-Vorrichtung für einen Halbleiterwafer vorzusehen, die den Po­ lierzustand bzw. -abtrag des Halbleiterwafers während des Po­ lierens messen und steuern kann; außerdem soll die CMP-Vorrichtung die Oberfläche des Halbleiterwafers gleichmäßig po­ lieren und gleichzeitig eine Vielzahl von Halbleiterwafern po­ lieren können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine chemisch-mechanische Poliervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 vor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße CMP-Vorrichtung für einen Halbleiterwafer hat also ein drehbares Polierkissen, in dessen planarer Ober­ seite eine Vielzahl von Aussparungen ausgebildet ist, um je­ weils darin einen Halbleiterwafer zu halten, eine Vielzahl von Rotationstrommel-Poliereinheiten, die auf den Polierkissen an­ geordnet werden können, um die Oberfläche der Halbleiterwafer planar zu gestalten, einen Träger, der mit den Enden jeder Ro­ tationstrommel verbunden ist, um die Rotationstrommel anzuheben und abzusenken, und einen Aufschlämmungs-Applikator, der über jeder Rotationstrommel gelegen ist, um dort eine Aufschlämmung aufzugtragen.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung kann der Oberteil des Polierkissens so gebildet werden, daß er eine abgestufte Oberfläche aufweist, die zum Mittenteil hin ansteigt. Beim Polieren fallen von den Halbleiterwafern er­ zeugte Überbleibsel die abgestufte Oberfläche des Polierkissens herunter, und demgemäß werden die Überbleibsel bzw. der Abtrag leicht entfernt, was dazu führt, daß ein reiner Halbleiterwafer erhalten wird.

Die Erfindung schafft also eine chemisch-mechanische Poliervor­ richtung für einen Halbleiterwafer, die die Oberfläche des Halbleiterwafers gleichmäßig polieren und den Polierzustand bzw. -abtrag steuern kann, indem mehrere Rotationstrommeln, de­ ren jede in ein Poliertuch eingewickelt ist, auf der Oberseite eines Polierkissens vorgesehen und mit Trägern, die eine Verti­ kalbewegung auszuführen vermögen, an beiden Enden jeder Rotati­ onstrommel verbunden werden. Die Vorrichtung hat ein drehbares Polierkissen, in dessen planarer Oberseite eine Vielzahl von Aussparungen ausgebildet ist, um einen Halbleiterwafer aufzu­ nehmen, eine Vielzahl von drehbaren Poliereinheiten, die auf dem Polierkissen gelegen sind, um die Oberfläche der Halblei­ terwafer planar zu gestalten, einen Träger, der an den Endpunk­ ten der umlaufenden Poliereinheiten, die eine Vertikalbewegung ausführen können, angeschlossen ist, und einen Aufschlämmungs-Applikator, der über den umlaufenden Poliereinheiten gelegen ist, um darauf eine Aufschlämmung aufzutragen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen CMP-Vorrichtung,

Fig. 2A und 2B Darstellungen einer anderen CMP-Vorrichtung,

Fig. 3A und 3B eine Draufsicht bzw. einen Schnitt längs einer Linie a-a′ einer CMP-Vorrichtung für einen Halbleiterwafer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer CMP-Vorrichtung für einen Halbleiterwafer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, werden in der Oberseite eines Polierkissens 102 mehrere kreisförmige Aussparungen 102a gebildet, um jeweils darin einen Halbleiterwafer 2 aufzunehmen, und auf einem Mittenteil einer Unterseite hiervon ist vertikal integriert eine Antriebswelle 108 vorgesehen, die einen hohlen mittleren Teil hat und mit einem in dem Polierkissen ausgebil­ deten zentralen Loch 102b in Verbindung steht.

Über der Oberfläche des Polierkissens 102 sind mehrere Polier­ einheiten 110 (in der Zeichnung drei Poliereinheiten) angeord­ net, die jeweils eine Rotationstrommel 101 umfassen. Die Rota­ tionstrommeln 101 sind durch Poliertücher 103a, 103b und 103c umwickelt. Die Rotationstrommeln 101 haben jeweils eine ent­ sprechende Rotationsachse 104 und ein Ende jeder Rotationsachse 104 ist drehbar mit einem Träger 106 verbunden, der mit einem Kugellager 106a ausgerüstet ist, und das andere Ende hiervon ist ebenfalls drehbar mit einem Träger 106′ verbunden, der ein Kugellager enthält und in dem zentralen Teil der Polierrolle 102 angeordnet ist. Die seitliche Länge der Rotationstrommel 101 ist ausreichend, um genügend den Durchmesser des Halblei­ terwafers 2 zu bedecken. An einer Seite der Rotationsachse 104 jeder Rotationstrommel ist ein Antriebsmotor 104a angeschlos­ sen, der die Rotationsachse 104 entsprechend extern zugeführter elektrischer Energie bzw. Leistung zu drehen vermag.

Oberhalb jeder Rotationstrommel 101 ist ein Aufschlämmungs-Applikator 105a gelegen, der einen Aufschlämmungs-Applikator-Auslaß 107a so lang wie der Durchmesser des in den Aussparungen 102a auf dem Polierkissen 102 angeordneten Halbleiterwafers 2 hat. Der Aufschlämmungs-Applikator 105a speist einen Schauer an Aufschlämmung 107 zu der Rotationstrommel 101 über den Auf­ schlämmungs-Applikator-Auslaß 107a. Zwei weitere Aufschläm­ mungs-Applikatoren 105a und 105b führen die gleiche Funktion aus.

Das Ende der Rotationstrommel 101 kann von den Trägern 106, 106′ getrennt sein, indem die mit den Trägern 106, 106′ verbun­ denen Rotationsachsen 104 getrennt werden.

Wenn während des Polierens die Aufschlämmung 107 zu der Rotati­ onstrommel 101 jeder Poliereinheit 110 über den Aufschlämmungs-Applikator-Auslaß 107a gespeist wird und die Poliertücher 103a, 103b, 103c beschichtet, wird das Polierkissen 102 mit der Viel­ zahl von in dessen Aussparungen 102a angeordneten Halbleiterwa­ fern 2 durch die Rotationskraft der Antriebswelle 108 gedreht, und demgemäß beginnen die Halbleiterwafer 2 ein Umdrehen. Dann werden die Oberflächen der Halbleiterwafer 2 durch die Polier­ tücher 103a, 103b, 103c, die die Rotationstrommeln umhüllen, auf denen die Aufschlämmung 107 geschichtet ist, berührt und dadurch poliert.

Zusätzlich kann der Polierzustand bzw. -abtrag der Waferober­ fläche gesteuert werden, während jede Rotationstrommel 101 den auf die Oberfläche des Halbleiterwafers 2 einwirkenden Druck steigern oder vermindern kann, indem eine Vertikalbewegung der Träger 106, 106′ vorgenommen wird.

Da der Halbleiterwafer 2 auf dem Polierkissen 102 gedreht und poliert wird, kann die Oberfläche des Halbleiterwafers 2, der durch die Oberfläche der Rotationstrommel 101 kontaktiert ist, gleichmäßig und unvoreingenommen poliert werden. Außerdem wird das Polieren unter der Bedingung ausgeführt, daß die Aufschläm­ mung gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche des Halbleiterwa­ fers 2 ausgebreitet ist, und das polierte Material wird einfach von dem Polierkissen 102 nach außen entfernt.

Bei dem oben beschriebenen Polierablauf kann ein anderer Po­ lierprozeß ausgeführt werden, indem andere Poliertücher 103a, 103b, 103c auf jeder Rotationstrommel verwendet werden und eine andere Art einer Aufschlämmung zugeführt wird.

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung, die ein CMP-Vorrichtung für einen Halbleiterwafer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Oberseitenteil des Po­ lierkissens 109 ist so gebildet, daß er eine schräge oder abge­ stufte Oberfläche 109a hat, die aufwärts zu dem Mittenteil des Polierkissens 109 geneigt ist.

Während des Polierens läuft das durch den Halbleiterwafer 2 er­ zeugte Abriebmaterial längs der schrägen oder abgestuften Ober­ fläche 109a des Polierkissens 109 nach unten und wird leicht entfernt, was zu der Erzielung eines reineren Halbleiterwafers führt.

Die Rotationstrommel 101 hat eine kegelförmige Gestalt, wobei beide Enden verschiedene Durchmesser aufweisen, sie kann jedoch auch in einer zylindrischen Walzengestalt mit einem gleichmäßi­ gen Durchmesser hergestellt werden. Die Rotationstrommel 101 kann von den Trägern 106, 106′ getrennt sein, indem die Rotati­ onsachse 104, die mit den Trägern 106, 106′ verbunden ist, ab­ getrennt wird.

Wie oben erläutert ist, hat die erfindungsgemäße CMP-Vorrich­ tung für einen Halbleiterwafer den Vorteil, daß der Polierzu­ stand bzw. -abtrag des Halbleiterwafers während des Polierens gemessen und gesteuert werden kann, und die Oberfläche des Halbleiterwafers kann gleichmäßig poliert werden, da die Ober­ fläche des Halbleiterwafers von der Oberfläche der Rotation­ strommel berührt wird.

Da zusätzlich eine geforderte Menge an Aufschlämmung über den Aufschlämmungs-Applikator als ein Schauer zugeführt ist, kann der Verbrauch an Aufschlämmung reduziert werden.

Da weiterhin mehrere Halbleiterwafer gleichzeitig poliert wer­ den können, kann die Produktivität in großem Ausmaß gesteigert werden, und der Polierzustand oder -abtrag der Halbleiterwafer kann gemessen und gesteuert werden.

Claims (6)

1. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung für Halbleiterwa­ fer, mit:
einem drehbaren Polierkissen (102), in dessen planarer Obersei­ te mehrere Aussparungen (102a) ausgebildet sind, um jeweils darin einen Halbleiterwafer (2) aufzunehmen,
einer Vielzahl von drehbaren Poliereinrichtungen (110), die auf dem Polierkissen (102) angeordnet sind, um die Oberflächen der Halbleiterwafer (2) planar zu gestalten,
einer vertikal verfahrbaren Trägereinrichtung (106, 106′), die an Endpunkte jeder Poliereinrichtung (110) angeschlossen ist, und
einem Aufschlämmungs-Applikator (105a, 107a), der über jeder Poliereinrichtung (110) gelegen ist, um darauf eine Aufschläm­ mung (107) aufzutragen.

2. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poliereinrichtung aufweist:
eine Rotationstrommel (101), die in ein Poliertuch (103a, 103b, 103c) eingehüllt ist,
eine Rotationsachse (104), die mit einem Mittenteil der Rotati­ onstrommel (101) verbunden ist, und
einen mit einem Ende der Rotationsachse (104) verbundenen An­ triebsmotor (104a).

3. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationstrommel (101) konisch gestaltet ist.

4. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aufschläm­ mungs-Applikator (105a, 107a) eine unterschiedliche Art an Auf­ schlämmung (107) zuführt.

5. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufschläm­ mungs-Applikator (105a, 107a) einen Aufschlämmungs-Applikator-Auslaß hat, der länger als ein Durchmesser eines Halbleiterwa­ fers (2) ist.

6. Chemisch-mechanische Poliervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Polierkissens (102) so gestaltet ist, daß sie eine schräge oder abgestufte Oberfläche aufweist, die zu ihrem Mittenteil hin an­ steigt (vergl. Fig. 4).