DE19929929A1 - Chemical-mechanical polishing of semiconductor wafers involves applying pulsed acoustic oscillations to emery powder emulsion container and second of three pipelines - Google Patents
Chemical-mechanical polishing of semiconductor wafers involves applying pulsed acoustic oscillations to emery powder emulsion container and second of three pipelinesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum chemisch- mechanischen Polieren von Halbleiterscheiben, und insbesondere ein Verfahren und eine Ein richtung zur Zufuhr von Schmirgelpulveremulsion.The invention relates to a method and a device for chemical mechanical polishing of semiconductor wafers, and in particular a method and a direction for feeding emery powder emulsion.
Bei der Halbleiterherstellung hat man den Tief-Submikrobereich erreicht. Im Tie- Submikrobereich sind die Größe der Schaltungsmerkmale und die Tiefe des fokusierten Be reichs der photolithographischen Einrichtung reduziert, und die Zahl der vielschichtigen Me tallverbindungsschichten ist erhöht. Folglich wird viel Forschung dahingehend betrieben, ein hohes Maß an Oberflächenebenheit einer Halbleiterscheibe zu erreichen. Vor der Tief- Submikronära der Halbleiterproduktion wurde sogenanntes "Spin-On-Glas" als hauptsächli che Methode zum Planarisieren von Siliziumscheiben verwendet. Mit diesem Verfahren kann man jedoch nur eine moderate Ebenheit nur in lokalen Bereichen der Halbleiterscheiben der Oberfläche erreichen. Ohne ein globale Planarisierung der Scheibenoberfläche ist jedoch die Qualität der Entwicklung nach der photographischen Belichtung schlecht, und ein Ätz- Endpunkt ist schwer zu bestimmen. Folglich ist die Ausbeute an Halbleiterscheiben gering. Chemisch-mechanisches Polieren ist nun das hauptsächliche Verfahren zum globalen Planari sieren von Siliziumscheiben, insbesondere bei der Herstellung von Tief- Submikronschaltungen, die eine Größe von Schaltungsmerkmalen kleiner als 0,18 µm haben.The deep sub-micro range has been reached in semiconductor manufacturing. In the deep The submicro range is the size of the circuit features and the depth of the focused Be Reichs reduced the photolithographic device, and the number of multilayer Me tall connection layers is increased. As a result, much research is being done into one to achieve a high degree of surface flatness of a semiconductor wafer. Before the deep So-called "spin-on glass" became the main sub-micron era of semiconductor production che method for planarization of silicon wafers used. With this procedure However, one only has a moderate flatness only in local areas of the semiconductor wafers Reach surface. However, without a global planarization of the disk surface Quality of development after photographic exposure poor, and an etching End point is difficult to determine. As a result, the yield of semiconductor wafers is low. Chemical mechanical polishing is now the main process for global planari silicon wafers, especially in the manufacture of deep Submicron circuits that have circuit features smaller than 0.18 µm.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Zufuhreinrichtung für Schmirgelpulveremulsion. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein Hauptbehälter 100 verwendet, um die Schmirgelpulveremulsion aufzubewahren. Eine Rohrleitung 106 wird verwendet, um die Schmirgelpulveremulsion von dem Hauptbehälter 100 in einen Puffertank 102 zu beför dern. Während der Durchführung des chemisch-mechanischen Polierverfahrens wird die Po lieremulsion in dem Puffertank 102 an eine chemisch-mechanische Polierstation 104 über eine Rohrleitung 108 befördert. Nach dem Polieren wird die restliche Schmirgelpulveremulsion von der Polierstation 104 über eine andere Rohrleitung 110 an den Puffertank 102 zurückge bracht. An dem Puffertank 102 ist ein Detektor (nicht gezeigt) vorgesehen. Wenn das Wasser niveau der Schmirgelpulveremulsion, die in dem Puffertank 102 enthalten ist, niedriger als die Position des Detektors ist, wird durch die Zufuhreinrichtung die Schmirgelpulveremulsion automatisch von dem Hauptbehälter 100 an den Puffertank 102 übertragen. Figure 1 is a schematic representation of a conventional emery powder emulsion feeder. As shown in Figure 1, a main container 100 is used to store the emery powder emulsion. A pipe 106 is used to convey the emery powder emulsion from the main container 100 into a buffer tank 102 . During the execution of the chemical mechanical polishing process, the polishing emulsion in the buffer tank 102 is conveyed to a chemical mechanical polishing station 104 via a pipeline 108 . After polishing, the remaining emery powder emulsion is brought back from the polishing station 104 to the buffer tank 102 via another pipe 110 . A detector (not shown) is provided on the buffer tank 102 . When the water level of the emery powder emulsion contained in the buffer tank 102 is lower than the position of the detector, the emery powder emulsion is automatically transferred from the main tank 100 to the buffer tank 102 by the supply device.
Die Schmirgelpulveremulsion ist eine wichtige Komponente bei dem chemisch- mechanischen Polieren. Eine Halbleiterscheibe wird durch die Schmirgelpulveremulsion po liert, die sich in Kontakt mit der Oberfläche der Halbleiterscheibe befindet. Was die Schmir gelpulveremulsion betrifft, so beeinflussen die Zufuhrrate, die Temperatur, der pH-Wert und die Teilchengröße die Qualität der chemisch-mechanischen Politur. Die Schmirgelpulvere mulsion umfaßt gewöhnlich eine chemisch aktive Komponente und eine mechanisch aktive Komponente. Die chemisch aktive Komponente kann eine saure oder basische Lösung sein. Die mechanisch aktive Komponente umfaßt ein Schmirgelpulvermittel, beispielsweise Silizi umoxid (SIO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zeroxid (CeO2), Titanoxid (TiO) und Zirkoniumoxid (CrO2). Das Schmirgelpulvermittel ist in einer Emulsion auf natürliche Weise oder durch Zu gabe eines oberflächenaktiven Mittels suspendiert. Es kommt jedoch zu einer Gelierung und Klumpenbildung bei den Schmirgelpulverteilchen aufgrund bestimmter Bedingungen, bei spielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen, Schwankungen der Konzentration der Schmirgelpulverteilchen, einer Veränderung des pH-Wertes, einer Teilchenkollision bei ho hen Durchflußraten, Sedimentation in einer toten Ecke, Scherkräften aufgrund von Umrühren oder Filtration und Verunreinigungen. Bei dem chemisch-mechanischen Polieren beeinflussen die Gelierung und die Klumpenbildung der Schmirgelpulverteilchen die Qualität der che misch-mechanischen Politur, und diese Effekte verursachen auch Fehler in der polierten Halbleiterscheibe.The emery powder emulsion is an important component in chemical mechanical polishing. A semiconductor wafer is polished by the emery powder emulsion which is in contact with the surface of the semiconductor wafer. As for the emery powder emulsion, the feed rate, temperature, pH and particle size influence the quality of the chemical mechanical polish. The emery powder emulsion usually comprises a chemically active component and a mechanically active component. The chemically active component can be an acidic or basic solution. The mechanically active component comprises an emery powder, for example silicon oxide (SIO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), cerium oxide (CeO 2 ), titanium oxide (TiO) and zirconium oxide (CrO 2 ). The emery powder is suspended in an emulsion in a natural way or by adding a surface-active agent. However, there is gelation and lump formation in the emery powder particles due to certain conditions, for example due to temperature fluctuations, fluctuations in the concentration of the emery powder particles, a change in the pH, a particle collision at high flow rates, sedimentation in a dead corner, shear forces due to Stir or filtration and contaminants. In chemical-mechanical polishing, the gelation and lump formation of the emery powder particles influence the quality of the chemical-mechanical polish, and these effects also cause defects in the polished semiconductor wafer.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Ein richtung zum chemisch-mechanischen Polieren bzw. zum Zuführen von Schmirgelpulvere mulsion bereitzustellen, bei dem die Gelierung und die Klumpenbildung der Schmirgelpul verteilchen stark reduziert wird. The invention is based on the object, a method and a Direction for chemical-mechanical polishing or for feeding emery powders To provide emulsion in which the gelation and lump formation of the emery powder distribute is greatly reduced.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in der in dem Hauptanspruch angegebenen Weise gekennzeichnet, während die Einrichtung in dem ersten Vorrichtungsanspruch gekennzeichnet ist.To achieve this object, the inventive method is in the Main claim indicated way, while the establishment in the first Device claim is marked.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schmirgelpulveremulsion zugeführt, wobei gepulste, akustische Energie sowohl an einer Verteilerleitung der Schmirgelpulvere mulsion als auch an einem Schmirgelpulveremulsion-Behälter angewendet wird, um die Ge lierung und die Klumpenbildung in der Schmirgelpulveremulsion zu unterbinden. Daher wird bei der Durchführung des chemisch-mechanischen Polierverfahrens eine Schmirgelpulvere mulsion erhalten, die eine gleichmäßige Konsistenz hat und kleine Schmirgelpulverteilchen umfaßt.In the process according to the invention, the emery powder emulsion is supplied being pulsed, acoustic energy both on a distribution line of the emery powder emulsion as well as on an emery powder emulsion container is applied to the Ge and to prevent lumps in the emery powder emulsion. Therefore when performing the chemical mechanical polishing process, an emery powder obtained emulsion that has a uniform consistency and small emery powder particles includes.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Zufuhr von Schmirgelpulveremulsi on, wobei die Zufuhreinrichtung einen Hauptbehälter für Schmirgelpulveremulsion, einen Puffertank und wenigstens zwei Schallgeber, ein Schmirgelpulveremulsion- Verteilerleitungssystem und eine Pulssteuerschaltung aufweist. Das Verteilerleitungssystem umfaßt ferner eine erste Rohrleitung, eine zweite Rohrleitung und eine dritte Rohrleitung.The invention further relates to a device for supplying emery powder emulsi on, the feed device being a main container for emery powder emulsion, a Buffer tank and at least two sounders, an emery powder emulsion Distribution line system and a pulse control circuit. The distribution line system further includes a first pipe, a second pipe, and a third pipe.
Der Hauptbehälter liefert die Schmirgelpulveremulsion an den Puffertank über eine erste Rohrleitung. Wenn das chemisch-mechanische Polierverfahren durchgeführt wird, wird die Schmirgelpulveremulsion von dem Puffertank über eine zweite Rohrleitung an die Polier station geliefert, um das Polierverfahren durchzuführen. Nach dem Polieren wird die Schmir gelpulveremulsion über eine dritte Rohrleitung von der Polierstation zu dem Puffertank zu rückbefördert. Einer der Schallgeber ist unter dem Hauptbehälter angeordnet, und der andere Schallgeber ist an der zweiten Rohrleitung des Verteilerleitungssystems angeordnet. Die Schallgeber sind mit der Pulssteuerschaltung verbunden, so daß die Pulssteuerschaltung die Frequenz und Pulsdauer der Schallgeber steuern kann. Die Frequenz der Pulssteuerschaltung beträgt etwa 5 KHz bis 5 MHz. Die Schallgeber sind während einer Zeitdauer von 1 bis 3 Mi nuten im eingeschalteten Zustand und während einer Zeitdauer von 1 bis 5 Minuten im ausge schalteten Zustand.The main container delivers the emery powder emulsion to the buffer tank via a first pipeline. When the chemical mechanical polishing process is carried out the emery powder emulsion from the buffer tank via a second pipe to the polisher station supplied to perform the polishing process. After polishing, the Schmir gel powder emulsion via a third pipe from the polishing station to the buffer tank returned. One of the sounders is located under the main tank and the other Sounder is arranged on the second pipeline of the distribution line system. The Sounders are connected to the pulse control circuit, so that the pulse control circuit Can control the frequency and pulse duration of the sound generator. The frequency of the pulse control circuit is about 5 KHz to 5 MHz. The sounders are for a period of 1 to 3 mi grooves when switched on and for a period of 1 to 5 minutes in the off switched state.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnun gen beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention will now become apparent from the accompanying drawings gene described. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Schmirgelpulveremulsi on-Zufuhreinrichtung; und Figure 1 is a schematic representation of a conventional emery powder emulsi on-feed device. and
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schmirgelpulveremulsion- Zufuhreinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 is a schematic representation of an emery powder emulsion feed device according to an embodiment of the invention.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine Einrichtung bereitgestellt, um die Gelierung der Schmirgelpulveremulsion aufzubrechen oder zu verhindern. Die Einrichtung umfaßt eine Pulssteuerschaltung 214 und wenigstens zwei Schallgeber 212a, 212b. Die Pulssteuerschal tung 214 ist elektrisch mit den Schallgebern 212a, 212b verbunden und wird dazu verwendet, die Schwingungsfrequenz der Schallgeber 212a, 212b einzustellen, und den EIN/AUS- Zustand der Schallgeber 212a, 212b zu steuern. Ein Schallgeber 212a ist unter dem Hauptbe hälter 200 für die Schmirgelpulveremulsion angeordnet. Der Hauptbehälter 200 enthält die zum Polieren vorgesehene Schmirgelpulveremulsion. Das Schmirgelpulvermittel in der Schmirgelpulveremulsion kann eine Gelierung oder eine Klumpenbildung erfahren, wenn die Emulsion zu lange Zeit bereitgestellt wird oder aufgrund anderer Faktoren. Der Schallgeber 212a kann Schwingungsimpulse an die Schmirgelpulveremulsion abgeben, um gelierende Schmirgelpulveremulsion aufzubrechen.As shown in Figure 2, means are provided to break up or prevent gelation of the emery powder emulsion. The device comprises a pulse control circuit 214 and at least two sound generators 212 a, 212 b. The pulse control circuit 214 is electrically connected to the sounder 212 a, 212 b and is used to set the oscillation frequency of the sounder 212 a, 212 b, and to control the ON / OFF state of the sounder 212 a, 212 b. A sound generator 212 a is arranged under the main container 200 for the emery powder emulsion. The main container 200 contains the emery powder emulsion intended for polishing. The emery powder in the emery powder emulsion may experience gelation or lump formation if the emulsion is provided for too long or due to other factors. The sounder 212 a can emit vibrations to the emery powder emulsion in order to break up gelling emery powder emulsion.
Die Schmirgelpulveremulsion wird von dem Hauptbehälter 200 über eine Rohrleitung 206 an den Puffertank 202 befördert. Der Puffertank 202 liefert die Schmirgelpulveremulsion über eine Rohrleitung 208 während der Durchführung des chemisch-mechanischen Polierver fahrens. Wenn der Hauptbehälter 200 zusammenbricht, kann der Puffertank 202 immer noch Schmirgelpulveremulsion liefern, so daß eine Unterbrechung der Zufuhr an Schmirgelpulve remulsion vermieden wird. Der Puffertank 202 kann auch die verbleibende Schmirgelpulve remulsion über eine Rohrleitung 210 wieder aufnehmen, nachdem das chemisch-mechanische Polierverfahren abgeschlossen ist. Die verbleibende Schmirgelpulveremulsion wird wieder verwendet, wenn ein weiteres chemisch-mechanisches Polierverfahren durchgeführt wird, so daß keine Schmirgelpulveremulsion verschwendet wird. Die Kosten für die Schmirgelpulve remulsion werden auf diese Weise reduziert.The emery powder emulsion is conveyed from the main container 200 to the buffer tank 202 via a pipeline 206 . The buffer tank 202 supplies the emery powder emulsion via a pipeline 208 while the chemical mechanical polishing process is being carried out. If the main container 200 collapses, the buffer tank 202 can still supply emery powder emulsion so that an interruption in the supply of emery powder remulsion is avoided. The buffer tank 202 can also take up the remaining emery powder remulsion via a pipeline 210 after the chemical-mechanical polishing process has been completed. The remaining emery powder emulsion is reused if another chemical-mechanical polishing process is carried out so that no emery powder emulsion is wasted. The costs for emery powder remulsion are reduced in this way.
Der andere Schallgeber 202b ist auf der Rohrleitung 208 angeordnet. Der Schallgeber 212b liefert eine gepulste Schwingung an die Rohrleitung 208, um eine Gelieren der Schmir gelpulveremulsion zu verhindern, wenn die Schmirgelpulveremulsion an die Polierstation 204 geliefert wird. Auf diese Weise hat das Schmirgelpulvermittel in der Schmirgelpulveremulsi on, welches für das Polieren verwendet wird, eine gleichförmige Konsistenz und eine kleine Schmirgelpulverteilchengröße. The other sound generator 202 b is arranged on the pipeline 208 . The sounder 212 b provides a pulsed vibration of the piping 208, gelpulveremulsion a gelling the Schmir to prevent, when the Schmirgelpulveremulsion is supplied to the polishing station 204th In this way, the emery powder in the emery powder emulsion used for polishing has a uniform consistency and a small emery powder particle size.
Die Schwingungsfrequenz der Schallgeber 212a, 212b und der EIN/AUS-Zustand der Schallgeber 212a, 212b werden von der Pulssteuerschaltung 214 gesteuert. Eine Beschallung oder Vibration während einer langen Zeitdauer oder eine konstante Beschallung können gelie rende Schmirgelpulveremulsionen nicht aufbrechen. Im Gegenteil erhöht eine solche Vibrati on die Temperatur der Schmirgelpulveremulsion und dies bewirkt, daß die suspendierten Schmirgelpulvermittelteilchen in der Schmirgelpulveremulsion Klumpen bilden. Eine gepul ste Vibration wird daher an die Schallgeber 212a, 212b angelegt. Die Schwingungsfrequenz, die durch die Pulssteuerschaltung 214 eingestellt wird, liegt bei etwa 5 KHz bis 5 MHz. Die Schallgeber 212a, 212b werden während einer Zeitdauer von 1 bis 3 Minuten eingeschaltet und während einer Zeitdauer von 1 bis 5 Minuten ausgeschaltet.The vibration frequency of the sound generator 212 a, 212 b and the ON / OFF state of the sound generator 212 a, 212 b are controlled by the pulse control circuit 214 . A sonication or vibration for a long period of time or constant sonication cannot break up emery powder emulsions. On the contrary, such vibration increases the temperature of the emery powder emulsion and this causes the suspended emery powder particles to form lumps in the emery powder emulsion. A pulsed vibration is therefore applied to the sound generator 212 a, 212 b. The oscillation frequency, which is set by the pulse control circuit 214 , is approximately 5 KHz to 5 MHz. The sounders 212 a, 212 b are switched on for a period of 1 to 3 minutes and switched off for a period of 1 to 5 minutes.
Bei der Erfindung wird die Schmirgelpulveremulsion durch Schallimpulse in Schwin gungen versetzt. Gelierendes Schmirgelpulvermittel der Schmirgelpulveremulsion wird daher aufgebrochen und wird gleichförmig in der Schmirgelpulveremulsion suspendiert. Beschädi gungen auf der polierten Halbleiterscheibe werden daher vermieden.In the invention, the emery powder emulsion is vibrated by sound impulses staggered. Gelling emery powder of the emery powder emulsion is therefore broken open and is uniformly suspended in the emery powder emulsion. Damaged conditions on the polished semiconductor wafer are therefore avoided.
Claims (16)
- - eine erste gepulste Schallschwingung auf einen Schmirgelpulveremulsion-Behälter ange legt wird, in dem die Schmirgelpulveremulsion enthalten ist,
- - die Schmirgelpulveremulsion von dem Schmirgelpulveremulsion-Behälter über eine erste Rohrleitung an einen Puffertank zugeführt wird,
- - die Schmirgelpulveremulsion von dem Puffertank über eine zweite Rohrleitung an eine chemisch-mechanische Polierstation zugeführt wird,
- - eine zweite gepulste Schallschwingung an die zweite Rohrleitung angelegt wird, und daß
- - die Schmirgelpulveremulsion über eine dritte Rohrleitung von der Polierstation zu dem Puffertank zurückbefördert wird.
- a first pulsed acoustic vibration is placed on an emery powder emulsion container in which the emery powder emulsion is contained,
- the emery powder emulsion is fed from the emery powder emulsion container via a first pipeline to a buffer tank,
- the emery powder emulsion is fed from the buffer tank via a second pipeline to a chemical-mechanical polishing station,
- - A second pulsed sound vibration is applied to the second pipe, and that
- - The emery powder emulsion is conveyed back from the polishing station to the buffer tank via a third pipeline.
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