Entwicklung einer Planarisierungstechnologie ... - bei DuEPublico

Entwicklung einer Planarisierungstechnologie
einschließlich Chemisch Mechanischen Polierens
zur Fertigung hochauflösender Flächenlichtmodulatoren
Vom Fachbereich Elektrotechnik der
Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule Duisburg
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
von
Andreas Rieck
aus
Prenzlau
Referent: Prof. Dr. rer. nat. G. Zimmer
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. K. Drescher
Tag der mündlichen Prüfung: 28. März 2000

Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter
am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Dresden (IMS). Mein
besonderer Dank gilt daher Prof. Dr. Zimmer, der als Institutsleiter diese Arbeit ermöglichte und
betreute.
Besonders herzlich möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. Kück bedanken, in dessen Abteilung für
Elektronik-Technologie ich die Untersuchungen für diese Arbeit durchführen konnte und der
durch sein stetes Engagement und zahlreiche Diskussionen den Fortgang meiner Arbeit förderte.
Herrn Amelung danke ich für die tatkräftige organisatorische und fachliche Unterstützung in der
Endphase meiner Dissertation.
Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit mit Herrn Doleschal als Verantwortlichen für die
Entwicklung der Lichtventilmatrix. Ihm sei an dieser Stelle gedankt.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Kunze für die hilfreiche Unterstützung bei der Erarbeitung
der Algorithmen der mechanischen Abtragsmechanismen.
Herrn Dr. Pufe danke ich für die Unterstützung bei der Planung und Auswertung der statistischen
Versuche und für die wertvollen Hinweise bei der Zusammenstellung dieser Arbeit.
Den Mitarbeitern der Fachgruppe CMOS-Sonderprozesse, Herrn Dr. Hürrich, Herrn Frohberg,
Herrn Trui und Frau Griesbach, danke ich für die ständige Hilfsbereitschaft sowie für die innovative
Zusammenarbeit.
Nicht zuletzt möchte ich mich bei der Reinraumbelegschaft des IMS Dresden bedanken, mit
deren Unterstützung die Präparationen und Messungen der Testlose zügig und mit großer Sorgfalt
durchgeführt wurden. Mein Dank gilt besonders Herrn Jensen für die anregenden Fachdiskussionen
und die anlagentechnische Betreuung. Besonders möchte ich auch Frau Neitsch für die ständige
Unterstützung und die durchgeführten Oberflächenanalysen danken.
Dresden, im April 1999 Andreas Rieck

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .....................................................................................................................13
2 Grundlagen des CMP ...................................................................................................15
2.1 Technologisches Konzept....................................................................................16
2.2 Grundbegriffe des CMP ......................................................................................18
2.2.1 Abtragsrate, Selektivität, Inhomogenität und Rauheiten .............................18
2.2.2 Patterneffekte ...............................................................................................20
2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP...................................................................23
2.3.1 Mechanischer Abtrag ...................................................................................23
2.3.2 Chemischer Abtrag ......................................................................................28
2.4 Technologische Einsatzgebiete des CMP............................................................32
2.4.1 Inter Layer Dielektrikum (ILD) - CMP .......................................................33
2.4.2 Shallow Trench Isolation (STI) ...................................................................34
2.4.2.1 Prozeßabfolge .......................................................................................34
2.4.2.2 Vorteile des STI-Prozesses ..................................................................36
2.4.2.3 Probleme beim STI-Verfahren .............................................................36
2.4.3 Damascene Technologie ..............................................................................37
3 Bildgebende Mikrosysteme..........................................................................................39
3.1 Aufbau und Funktionsweise der Bildgebenden Mikrosysteme...........................41
3.2 Einordnung des CMP in die Hochvolt-CMOS Technologie...............................46
3.3 Prozeßkontrolle....................................................................................................51
3.4 Prozeßequipment .................................................................................................56
4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex ............................................................59
4.1 Statistische Versuchspläne ..................................................................................59
4.2 Abtragsmechanismen an unstrukturierten Wafern ..............................................63
4.2.1 Analytische Beschreibung des Abtrags an unstrukturierten Wafern ...........63
5

Inhaltsverzeichnis
6
4.2.2 Polieren unstrukturierter Wafer ................................................................... 63
4.2.2.1 Abtrag an unstrukturierten Wafern ...................................................... 64
4.2.2.2 Inhomogenitäten an unstrukturierten Wafern ...................................... 65
4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern .......................................... 67
4.3.1 Testfeld zur Ermittlung der Planarisierungseigenschaften .......................... 68
4.3.2 Abtragsmechanismen in Topographien ....................................................... 70
4.3.3 Planarisierungseigenschaften ...................................................................... 75
4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten........................................................... 77
4.4.1 Testfeld ........................................................................................................ 78
4.4.2 Experimentelle Ergebnisse zur Ausbildung von Stufen an Stopschichten .. 79
5 Prozeßintegration der Planarisierung........................................................................... 87
5.1 Einführung und Zielstellung................................................................................ 87
5.1.1 Allgemeine Anforderungen ......................................................................... 87
5.1.2 Anforderungen an die Planarität des ILD .................................................... 88
5.1.3 Anforderungen an die Planarität nach Metall2 ............................................ 89
5.2 Optimierung der Patternkonfiguration für CMP ................................................. 90
5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene................................................. 94
5.3.1 Entwicklung der ILD-Planarisierung nach Metall1 mit CMP ..................... 94
5.3.1.1 Optimierung des Polierrezeptes ........................................................... 94
5.3.1.2 Ermittlung der optimalen Schichtstapel für die Planarisierung ........... 95
5.3.2 Zusammenfassung zum Planarisierungskomplex der Metall1-Ebene ....... 102
5.3.3 Festlegung der Arbeits- und Prüfschritte der ersten Metallebene ............. 104
5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene............................................ 106
5.4.1 Entwicklung der Planarisierung nach Metall2 mit CMP ........................... 106
5.4.2 Zusammenfassung zum Planarisierungskomplex der Metall2-Ebene ....... 112
5.4.3 Festlegung der Arbeits- und Prüfschritte der zweiten Metallebene .......... 114
6 Zusammenfassung...................................................................................................... 117
7 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 123

Inhaltsverzeichnis
8 Anlagen ......................................................................................................................129
8.1 Anlage A............................................................................................................129
8.2 Anlage B............................................................................................................130
8.3 Anlage C............................................................................................................133
8.4 Anlage D............................................................................................................135
7

Inhaltsverzeichnis
8

Abkürzungs- und Formelzeichenverzeichnis
Formelzeichen:
δ Standardabweichung
ΔHf freie Energie zur Formation von Molekülen
Δh Abtragsänderung
Δt Zeitänderung
ε 0
Dielektrizitätskonstante
λ Wellenlänge
λ c
σ t
Grenzwellenlänge
Zugspannung
ν Poisson Konstante
Φ Planarisierungswinkel, Winkel der Auslenkung eines Pyramidenelements
ϖ h
ϖ p
a n
A Fläche
Rotationsgeschwindigkeit des Polierkopfes
Rotationsgeschwindigkeit des Poliertellers (Platens)
Koeffizient, Konstante
Al tiefliegende Fläche
As hochliegende Fläche
b n
Koeffizient, Konstante
c Bedeckungsdichte mit Slurrypartikeln
C 0
C U
Kapazität ohne Ansteuerung
Kapazität mit angelegter Steuerspannung
d Partikeldurchmesser
dh Höhenänderung, Abtrag
d peak-peak eine volle Periode des Endpunktsignals
E Elastizitätsmodul
f, f’ Brennweite
F Polierratenskalierungsfaktor, Kraft
f b
Koeffizient der Reibungskraft im Kontaktbereich
9

F fr
F N
10
Reibungskraft
Normalkraft
h Stufenhöhe, Eindringtiefe
h n
Höhe, Dicke
I Inkrementlänge
K p
Prestonkoeffizient
l line width, Grabenbreite, Versatz
l m
Meßstrecke
n optischer Brechungsindex, Anzahl
P Druck
P ave
mittlerer wirkender Druck
PF Patterndensity, Patternfaktor
P lokal
lokal wirkender Druck
P Membran Membrandruck
P RRact
P RRappl
wirkender Retaining-Ring-Druck
angelegter Retaining-Ring-Druck
r Nadelradius
r c
r p
Kontaktradius
Partikelradius
R Planarisierungslänge
R a
arithmetischer Mittenrauhwert
ratio Polierkopfgrenzwert,
R max
R z
maximale Rauhtiefe
gemittelte Rauhtiefe
RR Abtragsrate (Removal Rate)
RRmom momentane Abtragsrate
s space, Stegbreite
S Selektivität
S 2 Summe der Abweichungsquadrate
t Zeit

U Spannung
v mittlere lineare Geschwindigkeit
x n
Variable
y Antwortgröße
y ber
y gem
Abkürzungen:
berechnete Antwortgröße
gemessene Antwortgröße
AFM Atomic Force Microscopy (Rasterkraft-Mikroskop)
AMAT Applied Materials
ASIC Application Specific Integrated Circuit
BPSG Bor Phosphorous Silicat Glass
CMOS Complementary Metal Oxid Semiconductor
CMP Chemical Mechanical Polishing
CVD Chemical Vapor Deposition
DIBL Drain Induced Barrier Lowering (Kurzkanal Drain-Barrieren Erniedrigung)
DOE Design of Experiment (Versuchsplan)
DRAM Dynamic Random Access Memory
DSS 200 Double Sided Wafer Scrubber der Firma „ Ontrak“
FhG IMS Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme Dresden
IEP Isoelektrischer pH-Wert (Isoelectric point)
ILD Inter Layer Dielektrikum
LOCOS Local Oxidation of Silicon
LP-CVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
LVM Lichtventilmatrix
MOSFET Metal-Silicon-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
PATMOS Parameter Testsystem für MOS-Prozesse
PE-CVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
PD Patterndensity, Patternfaktor, Füllungsgrad
psi pound-force per square inch (anglo-amerikanische Einheit, 1psi = 6,8947*10 3 Pa)
11

REM Raster Elektronen Mikroskop
RIE Reactive Ion Etching
SOG Spin On Glas
STI Shallow Trench Isolation
TEOS Tetraethylorthosilikate (Low Pressure Chemical Vapor Deposition Oxid)
TXRF Total Reflection X-Ray Fluorescence
USG Undoped Silicat Glas
WIWNU Within Wafer Non Uniformity
WTWNU Wafer to Wafer non Uniformity
12

1 Einleitung
In der Mikroelektronik steigen die Ansprüche an Funktionalität und Geschwindigkeit der Schaltkreise
und Mikrosysteme. Durch die Erhöhung der Integrationsdichten und eine Verkleinerung
der Strukturbreiten können diese Ziele erreicht werden. Dabei ergeben sich ständig höhere
Genauigkeitsanforderungen an die technologischen Prozesse.
Bei der Lithographie von Strukturebenen im Submikrometerbereich wird mit Tiefenschärfen von
einigen hundert Nanometern gearbeitet. Bereits geringe Niveauunterschiede in der Waferoberfläche
führen zu Unschärfen beim Belichtungsprozeß. Deshalb spielt die Planarisierung als Teil der
Isolations- und Verdrahtungstechnologie eine steigende Rolle in der Beherrschung der Gesamttechnologie.
Mit herkömmlichen Verfahren wie Resist / Etchback 1 , SOG 2 oder BPSG 3 -Planarisierung
wird mit vertretbarem Aufwand keine ausreichende Planarität der Waferoberfläche
erreicht.
Deshalb wurde ein noch relativ neues Verfahren, das Chemisch Mechanische Polieren, zur Planarisierung
von Stufen entwickelt. Diese Technologie bietet eine Anzahl Vorteile gegenüber allen
anderen Planarisierungsverfahren [1][9][14].
Es können globale Planarisierungen erreicht werden. Mit Hilfe des Chemisch Mechanischen
Polierens können die Oberflächen aller Materialien planarisiert werden. Besitzt eine Oberfläche
unterschiedliche Materialkomponenten, so sind sie gleichzeitig planarisierbar.
Die Reduzierung der Topographiehöhen erlaubt engere Grenzen für die Designregeln und somit
zusätzliche Metallisierungsebenen.
Durch den Einsatz neuer Strukturierungsarten wie der Damascene-Technologie 4 sind Prozesse
wie das Reaktive Ionenätzen oder das Plasmaätzen für schwierig zu ätzende Metalle und Legierungen
(z.B. Cu) nicht mehr notwendig. Das führt zu einer vereinfachten Metallschichtstrukturierung.
Mit dem Einsatz von CMP erhöht sich die Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Ausbeute von
Bauelementen mit Submikrometer Strukturen. Durch die Möglichkeit der weiteren Skalierung
kann eine deutliche Kostensenkung erreicht werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Nutzung von
vorwiegend nicht bis wenig gesundheitsschädlichen Verbrauchsmaterialien.
Am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme Dresden wird eine
Hochvolt-CMOS-Technologie in Verbindung mit einer CMOS-kompatiblen Aktortechnologie
für bildgebende Mikrosysteme entwickelt.
Diese bildgebenden Mikrosysteme bestehen aus Spiegelpixeln mit Größen im Mikrometerbereich
sowie einer Ansteuerelektronik. Sie haben im Verbund eine Grundfläche von derzeit maximal 14
cm 2 und bis zu 2 Millionen Bildpunkte. Bei der Realisierung der Spiegelmatrix werden sehr hohe
1. Resist / Etchback: Zuerst wird SiO2 konform abgeschieden, dann Resist aufgeschleudert, anschließend Resist und
Oxid mit gleicher Ätzrate zurückgeätzt.
2. SOG „Spin On Glas“ ist ein Planarisierungsverfahren, bei dem zuerst SiO2 konform abgeschieden, dann gelöstes
Siliziumtetraacetat aufgeschleudert, anschließend bei ca. 200°C ausgeheizt und nach dem Rückätzen von SOG
wieder SiO2 konform abgeschieden wird.
3. BPSG „Bor Phosphorous Silicat Glass“ ist ein dotiertes Oxid mit sehr guten Fließeigenschaften bei 900°C.
4. Damascene-Technologie: Verfahren zur Strukturierung von Metallisierungsebenen
13

1 Einleitung
Anforderungen an die Planarität der darunterliegenden CMOS-Schaltung gestellt, da nicht nur die
elektrischen, sondern auch die optischen Eigenschaften eine große Rolle spielen. Die Auslenkung
der einzelnen Spiegelpixel erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen zwei Kondensatorplatten,
von denen die obere das bewegliche Spiegelelement bildet und die untere in der
zweiten Metallisierungsebene realisiert ist. Schon geringe Niveauunterschiede in der Höhe der
zweiten Metallisierungsebene bilden sich auf der Spiegeloberfläche ab. Die Stärke und Homogenität
des elektrischen Feldes hat auf die Auslenkung der Spiegelelemente und somit auf die Richtung
der Reflexion des Lichtes an der Oberfläche einen unmittelbaren Einfluß.
Die Anforderung war, einen Planarisierungskomplex mit Hilfe des Chemisch Mechanischen
Polierens zu entwickeln, der die hohen Erwartungen an die Planarität erfüllt und die zuverlässige
Funktion der Bauelemente auch bei Betriebsspannungen von 40V gewährleistet. Im planarisierungstechnisch
besonders kritischen Randbereich der Pixelfläche dürfen keine Veränderungen
der Schichtdicken und Stufenhöhen auftreten, um gleichmäßige Reflexions- und Verformungseigenschaften
zu garantieren.
Zunächst mußten die Eigenschaften der CMP-Anlage, sowie die Zusammenhänge zwischen der
Oberflächentopographie, der Stufenentwicklung und dem Abtrag ermittelt werden. Weitere
Untersuchungen zur Stufenentwicklung an Stoplayern waren notwendig, um die Homogenitäten
der Isolatorschichtdicken über den Wafer zu verbessern. Sie wurden unter Anwendung statistischer
Versuchspläne durchgeführt, die bei minimalem Scheibenaufwand ein hohes Maß an Aussagen
zum Planarisierungsverhalten liefern. Ausgehend von diesen Ergebnissen ließen sich
Designregeln und Polierrezepte für jede Verdrahtungsebene entwickeln, die zu einer Optimierung
von Schichtdickenhomogenität und Reststufenhöhe führten.
Bei der Entwicklung einer Planarisierungstechnologie spielt die Prozeßkontrolle eine wesentliche
Rolle. Diese muß als Kompromiß zwischen möglichst genauen Ergebnissen und geringem Zeitund
Meßaufwand durchgeführt werden. In dieser Arbeit konnten nach anfänglich umfangreichen
Messungen an Teststrukturen die Prozeßkontrollmechanismen an den bildgebenden Mikrosystemen
auf ein vertretbares Maß reduziert werden.
Es ist im Rahmen dieser Arbeit gelungen, ein Zwei-Ebenen-Planarisierungsverfahren an Isolatorschichten
eines extrem großen Chips zu entwickeln. Die besonderen Anforderungen nach geringen
Stufen und Schichtdickenschwankungen im bilderzeugenden Bereich der Matrizen wurden
erfüllt. Der sehr aufwendige BSG-Planarisierungsprozeß konnte durch das Chemisch Mechanische
Polieren ersetzt werden. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade zur Einstellung der Polierparameter
setzt das CMP ein hohes Maß an Erfahrungswerten und eine große Sorgfalt in der
Bearbeitung voraus.
14

2 Grundlagen des CMP
Das CMP dient der Planarisierung von Stufen in Topographien. Dabei werden die Wafer auf ein
sich drehendes Polierpad gedrückt. Zusätzlich wird eine Polierflüssigkeit, die Slurry, dazugegeben.
Die Slurry für Oxid-CMP besteht aus einer basischen Lösung, in der kleine Schleifkörper (Abrasive)
schweben. Für die mechanische Komponente des Abtrags an der Oberfläche sind die Abrasive
in der Slurry verantwortlich. Die chemische Komponente in der Slurry greift die Oberfläche
an und verringert deren Widerstand gegen mechanischen Angriff. Weil die meisten Ätzprozesse
isotrop ablaufen, würde die chemische Komponente allein keine Planarisierungswirkung zeigen.
Mechanischer Abtrag allein würde theoretisch auch den gewünschten Planarisierungseffekt zeigen,
allerdings könnte dabei eine nachhaltige Zerstörung der Oberfläche des zu polierenden Materials
erfolgen.
Für den CMP-Prozeß gibt es nach [9] drei wichtige Einflußgrößen:
- die zu polierende Oberfläche und deren Material,
- das Polierpad, das die mechanischen Kräfte auf den Wafer ausübt und die Polierchemikalien
transportiert und
- die Slurry, die einen chemischen und einen mechanischen Einfluß auf den Wafer hat.
Der Parameterraum der Einflüsse auf das Polierergebnis ist aber viel größer. Deshalb wurden in
Tabelle 2.1 die bekannten CMP-Faktoren zusammengestellt und bewertet.
Neben den in Kapitel 4 durchgeführten Untersuchungen wurde die Tabelle mit Hilfe der Literaturquellen
[1]-[13] erstellt. Unter Berücksichtigung aller Faktoren gestaltet sich das CMP als ein
äußerst komplexer und schwer beherrschbarer Prozeß, zumal die geforderten Abträge meist im
Bereich von einigen hundert Nanometern liegen und die Zerstörung der Oberfläche nur minimal
sein darf. Zur Entwicklung einer Planarisierungstechnologie müssen die Ergebnisgrößen gewichtet,
sowie deren Eingangsgrößen ermittelt und optimiert werden.
Neben quantitativen und qualitativen Gesichtspunkten des Polierprozesses und der Oberfläche
sind noch ökonomische Gesichtspunkte zu beachten. Eine kosteneffiziente Technologie erfordert
einen einfachen und sicher beherrschbaren Prozeß mit zuverlässiger Prozeßkontrolle, einen geringen
Bedarf an Verbrauchsmaterialien und geringe Bearbeitungszeiten.
15

2 Grundlagen des CMP
16
Abtragsrate
(Kap. 4.2)
Polierdruck
Platengeschwindigkeit
Polierposition auf dem Platen
Slurrychemie
Slurrypartikeleigenschaften
Slurryverdünnung
Temperatur
Tabelle 2.1: Eingangs- und Ergebnisgrößen beim CMP
= kein Einfluß - = geringer Einfluß o = mittlerer Einfluß x = starker Einfluß
2.1 Technologisches Konzept
Polierpadtyp
Unterpadtyp
Konditionierrezept
Konditionieroszillation
Konditionierdisktyp
Konditionierdiskalter
Polierzeit
Wafergröße
poliertes Material
Polierkopfaufbau
Waferrückseitenfilm
Löcheranordnung am Kopf
Retaining-Ring
Kopfgeschwindigkeit
Kopfoszillation
Waferverbiegung
Fasengröße und -form
Reinigung nach CMP
Pattern Density
Blockdensity
Strukturgrößen
x x - o o o o x x o x x x o x x x o
globale Uniformität
(Kap. 4.2)
o o x x o x x x x x x x x x o x x x o o
lokale Planarität
(Kap. 4.3)
o o o o x x o x x
Randausschluß o o x x o x x x - x x o x
Padlebensdauer o o o - - x x x x o x x x - o
Oberflächenrauheit x x x o
Defekte - x x o x x o x x
Selektivität
(Kap. 4.4)
x x x x x x o x
Oxid Erosion o x x o o o x - x x x x
Dishing
(Kap. 4.4)
x x x x o o x o x o o x x x
Das CMP von Oxidschichten ist eine relativ neue Verfahrensvariante des Polierens. Bereits seit
langer Zeit wird das Glaspolieren bei der Linsenherstellung eingesetzt. Viele der beim Glaspolieren
gefundenen Mechanismen können auf das Oxidpolieren übertragen werden. Auch bei der
Herstellung von neuen Siliziumwafern wird bereits seit einigen Jahrzehnten als letzter Schritt die
Waferoberfläche poliert. In allen drei Anwendungen muß ein hohes Maß an Ebenheit erreicht
werden.

2.1 Technologisches Konzept
Die Herausforderung des CMP ist, das gleiche Maß an Ebenheit mit viel weniger Materialabtrag
zu erreichen. Zusätzlich müssen enge Toleranzen des Abtrags über den Wafer eingehalten werden.
So sind die geforderten Toleranzen über den gesamten Wafer bei der ILD-Dicke oft kleiner
als 200 nm. Deshalb erfordert CMP eine viel genauere Prozeßkontrolle als die genannten Polierverfahren.
An das für CMP eingesetzte Equipment werden hohe Anforderungen hinsichtlich Partikelfreiheit
sowie Einstellbarkeit und Konstanz von Drücken, Drehzahlen und Durchflußmengen gestellt.
Beim Polieren rotiert der Wafer an einem Polierkopf (Head) mit der Winkelgeschwindigkeit ϖ h.
Der Wafer wird mit einer definierten Kraft F N außermittig gegen ein Poliertuch (Pad) gedrückt,
das ebenfalls mit einer Geschwindigkeit ϖ p rotiert und auf einen Polierteller (Platen) geklebt ist.
Gleichzeitig wird eine Poliersuspension (Slurry) etwa in der Mitte des Pads hinzugegeben, die
sich durch die Zentrifugalkräfte gleichmäßig über das Pad verteilt (Abb. 2.1a). Die Kombination
der Wirkungen aus der chemischen und der mechanischen Komponente der Slurry in Zusammenwirken
mit dem Pad führen zum Materialabtrag [15][16].
ϖ h
F N
Head
Wafer
Slurry
ϖ p
Platen
Pad
a) b)
Wafer
Slurry
Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des CMP-Prozesses a) mechanischer Aufbau, b)
Slurry-Pad System
Grundsätzlich beruht die Planarisierungswirkung auf einem starken Materialabtrag in den hochliegenden
Gebieten (up areas) bei einem gleichzeitig schwachen Materialabtrag in den niedrigliegenden
Gebieten (down areas), was zu einer Einebnung der topographiebehafteten Oberfläche
führt.
Die Unterschiede in den Abtragsraten entstehen durch die Inkompressibilität und Starrheit des
Pads. Es dringt in die niedrigliegenden Gebiete der Topographie kaum ein und bewirkt dort somit
auch nur einen verhältnismäßig geringen Abtrag. Die Ätzrate beim Oxid-CMP ist dagegen überall
gering und leistet somit einen unwesentlichen Beitrag zum Abtrag (Abb. 2.1b).
Pad
17

2 Grundlagen des CMP
2.2 Grundbegriffe des CMP
2.2.1 Abtragsrate, Selektivität, Inhomogenität und Rauheiten
Beim Polieren wird die oberste Schicht des Materials chemisch angegriffen und mechanisch
abgetragen. Der Betrag des Abtrags (Δh) je Zeiteinheit wird Abtragsrate genannt. Typische
Abtragsraten (RR) für Oxid-CMP sind 150-300 nm/min. Die Polierzeit Δt wird in Sekunden angegeben.
18
RR
Δh
= ---------------
Δt ⋅ 60
[nm/min] (1)
Die Abtragsrate wird von verschiedenen Parametern beeinflußt. Die physikalischen Haupteinflußfaktoren
sind der Polierdruck und die Relativgeschwindigkeit zwischen Polierteller (Platens)
und Polierkopf (Head). Des weiteren wird der Abtrag unter anderem von dem Padmaterial, der
Slurry und dem Konditionieren 1 bestimmt (siehe auch Tabelle 2.1). Für die Prozeßintegration ist
die Stabilität der Abtragsrate von weitaus größerer Bedeutung als ihr Betrag. Die Stabilität hängt
aber von vielen Faktoren wie der Temperatur, Slurryalterung, Konditionierung, Padalterung,
Wartungszustand der Maschine und Konstanz des Slurryflusses ab.
Im Arbeitsbereich von CMP-Anlagen kann die Abtragsrate in Abhängigkeit von Platengeschwindigkeit
und Polierdruck durch eine lineare Gleichung beschrieben werden. Poliert man verschiedene
Materialien mit konstanten Maschinenparametern, so können sich unterschiedliche
Abtragsraten einstellen. Den Unterschied in den Abtragsraten bei ansonsten gleichen Polierbedingungen
nennt man Selektivität. Sie ist in Gleichung 2 beschrieben. Die Selektivitäten werden in
der Regel als Wert größer eins angegeben.
RR 1
S =
---------
RR 2
Oft wird bis zu vergrabenen Materialebenen poliert, die dann als Stopschicht dienen (siehe auch
STI-Prozeß in Kapitel 2.4.2). In diesen Fällen wird eine hohe Selektivität gefordert. Es ist aber
auch vorstellbar, mit einem Material wie BPSG, Fotolack oder Polyimid eine Vorplanarisierung
vorzunehmen und anschließend mittels CMP die Reststufen zu entfernen. Hier wären geringe
Selektivitäten der Materialien gefordert.
Eine für das Polieren von unstrukturierten Wafern wichtige Größe ist die Inhomogenität. Die
Inhomogenität beschreibt die Gleichmäßigkeit von Abtrag oder Restschichtdicke über den
gesamten Wafer. Da beim CMP besonders am Waferrand mit Abweichungen der Abtragsrate
vom Mittelwert gerechnet werden muß, wird meist ein Randausschluß zwischen 3 mm und 8 mm
definiert. Alle anderen Werte können zur Berechnung der Inhomogenität herangezogen werden.
Auf 150 mm Wafern werden etwa 50 Meßpunkte zur Berechnung der Inhomogenität herangezogen.
Zur Ermittlung der Inhomogenität des Abtrags muß zuerst die Differenz zwischen der Mate-
1. Konditionieren ist das Aufrauhen des Pads mit einer Konditionierdisk, um das Verglasen des Pads durch Druck
und Wärme zu verhindern und die Abtragsraten stabil zu halten.
(2)

2.2 Grundbegriffe des CMP
rialdicke vor und nach CMP ermittelt werden. Anschließend kann die Inhomogenität des Abtrags
δ mit der Anzahl Meßpunkte n und den Meßwerten x als Standardabweichung berechnet werden.
Da man nur eine begrenzte Anzahl Meßwerte aus einer Gesamtmenge erhält, wird die folgende
Gleichung zur Bestimmung der Standardabweichung des Mittelwertes aus einer Stichprobe
genutzt.
δ =
2
x ⎛
i x ⎞
⎝∑i⎠ i = 1
2
n
∑ –
i = 1 -------------------------------------------------------n
– 1
n
Bei Annahme einer gaußförmigen Verteilung liegen etwa 2/3 aller Meßpunkte innerhalb der
Grenzen des errechneten Wertes für δ. Sollen 99 % aller Werte innerhalb dieser Grenzen liegen,
so muß man mit 3δ rechnen. Die Inhomogenität ist eine wichtige Größe bei der Bestimmung der
Konstanz der Polierergebnisse. Nur wenn die CMP-Anlage gleichmäßig und zuverlässig arbeitet
und die Verbrauchsmaterialien von gleichbleibender Qualität sind, wird die Inhomogenität in
engen Grenzen liegen. Die Änderung der Inhomogenitäten von Wafer zu Wafer widerspiegelt die
Reproduzierbarkeit des CMP-Prozesses. Diese wird durch die Wafer To Wafer Non Uniformity
(WTWNU) beschrieben. Die Inhomogenität innerhalb eines Wafers wird als Within Wafer Nonuniformity
(WIWNU) bezeichnet.
Durch CMP verändern sich die Oberflächenrauheiten. Die Oberflächenrauheit ist derjenige Anteil
der Gestaltsabweichungen einer Prüffläche, der als 2D-Profil meßtechnisch erfaßt werden kann,
ohne Berücksichtigung der Form- und Lageabweichungen. Gestaltabweichungen, die ihre Ursache
in der Gefügestruktur und im Gitteraufbau des Werkstoffs haben, werden nicht berücksichtigt,
da sie für die technischen Eigenschaften der Prüffläche in der Regel ohne Bedeutung sind
[55].
Mit elektronischen Filtern wird das gemessene und ausgerichtete Primärprofil P in ein Rauheitsprofil
R und in ein Welligkeitsprofil W zerlegt. Die Oberflächenkenngrößen werden aus dem Rauheitsprofil
bestimmt. DIN 4768 gibt vor, wie die Grenzwellenlänge λ c des Profilfilters für die
gebräuchlichsten Kennwerte R a, R z und R max einzustellen ist. Der arithmetische Mittenrauhwert
R a ist ein universeller und weit verbreiteter Rauheitsnachweis mit eher geringer Aussagefähigkeit
für die technischen Eigenschaften von Prüfflächen. Für periodische und aperiodische Profile sind
verschiedene λ c-Werte zu wählen. Die maximale Rauhtiefe R max ist als Maximalwert, die Rauheitskenngröße
R z ist als Mittelwert von fünf Einzelwerten definiert, die für je eine von fünf Teilstrecken
der Gesamtmeßstrecke berechnet werden (siehe Abb. 2.2). Werden diese Einzelwerte in
ein Meßprotokoll aufgenommen, kann durch den Vergleich der Kenngrößen mit den dazugehörigen
Einzelwerten auf die Homogenität des Profils oder auf das Vorhandensein von einzelnen
„Ausreißern“ im Profil geschlossen werden.
Eine andere Nachweismöglichkeit für stark inhomogene Profile ist der Quotient R max /R z . Ist dieser
Zahlenwert wesentlich größer als 1, so gibt es einzelne Spitzen im Profil. Der Quotient aus
R max /R z bietet damit die Möglichkeit, den relativen Einfluß von Ausreißern im Profil zu messen
und zu tolerieren. Die Abhängigkeit der Senkrechtkenngrößen von einzelnen Spitzen und die statistische
Wiederholbarkeit ist qualitativ in Abb. 2.2 dargestellt.
(3)
19

2 Grundlagen des CMP
20
R-Profil, maximale Rauhtiefe R max
gemittelte Rauhtiefe R z (DIN 4768)
l e=λ c
λc λc λc λc Meßstrecke: lm =5 * le R max
R z
=
Abbildung 2.2: Definition der Senkrechtkenngrößen
2.2.2 Patterneffekte
R z2
Die bisher angesprochenen Größen des CMP können an unstrukturierten Wafern ermittelt werden.
Da aber das Hauptziel des CMP die Einebnung von Stufen ist, soll jetzt auf die strukturabhängigen
Effekte eingegangen werden.
Zur Beschreibung von strukturierten Oberflächen eignet sich der Patternfaktor (Patterndensity,
Füllungsgrad). Beim Polieren von Stegen und Gräben (im Oxid) beschreibt er den Anteil der
hochliegenden Gebiete an der Gesamtfläche. In Damascene-Technologien werden die Gräben mit
Metall aufgefüllt und deshalb als „lines“ bezeichnet. Die Gebiete zur Isolierung zwischen den
Leitbahnen, also die hochliegenden Gebiete, werden als „spaces“ bezeichnet. Die Abb. 2.3 zeigt
den Zusammenhang zur Berechnung des Patternfaktors (PF).
Abbildung 2.3: Definition des Patternfaktors
λ c
max{ R
z1
, …, R
z5
}
R + … + R
z1 z5
= --------------------------------------
5
Steg
Oxid Oxid Oxid
Graben
Al=line As=space
R-Profil, arithmetischer Mittenrauhwert
R a (DIN 4768)
Ra
l m= 5* l e
i = 1
R a Kenngröße
R max
Abhängigkeit der Senkrechtkenngrößen
von einzelnen Spitzen im
Profil und statistische Wiederholbarkeit
Abweichend von dieser für Oxidstufen geltenden Definition des Patternfaktors wird bei der
Metall-CMP der prozentuale Anteil an „lines“, also mit Metall gefüllten Gräben als Patternfaktor
definiert.
Ein weiterer patternabhängiger Faktor ist die Kantenverrundung an Stufen während der Planarisierung.
Sie ist bedingt durch einen größeren Kraftangriff an Kanten als auf den Flächen. Da sie
aber bei vollständiger Planarisierung von Stufen einen untergeordneten Einfluß auf das Polierergebnis
hat, sei an dieser Stelle auf die entsprechende Literatur verwiesen [15], [33], [34].
n
1
= -- z
n∑
i
As
PF =
-----------------
Al + As
R z
R a
Einfluß von
Spitzen
groß
gering
Wiederholbarkeit
schlecht
gut
(4)

2.2 Grundbegriffe des CMP
Erosion, auch Thinning genannt, ist ein zum restlichen Gebiet stärkerer Abtrag. Erosion entsteht
vorzugsweise, wenn das als Polierstop dienende Material dem Angriff nicht standhalten kann und
somit ein Überpolieren stattfindet. Erosion tritt besonders in Gebieten mit kleinen Isolatorstegen
und breiten Metallbahnen auf (Abb. 2.4),[31]. Je geringer die Selektivität zwischen dem Isolator
und dem Metall ist, um so stärker ist dieser Effekt, weil die schmalen Isolierstege ihrer Funktion
als Polierstop nicht nachkommen können. Die Beeinflussung der Erosion ist hauptsächlich durch
Designänderungen, Einfügen von hochselektiven Stopschichten oder durch Änderung der Slurryzusammensetzung
möglich.
Dishing-Effekt
vor CMP
nach CMP
Erosion-Effekt
Oxid Metall Ausgangshöhe Sollhöhe nach CMP
Abbildung 2.4: Schematische Darstellung von Dishing und Erosion
vor CMP
nach CMP
Ein weiterer Effekt, der direkt an einem Graben auftritt, ist das Dishing (Abb. 2.4). Es entsteht,
wenn man nach Erreichen der Stopschicht den Wafer weiterpoliert. Unter Dishing versteht man
ein Abdünnen der mit hohem Abtrag polierten Schicht in der Mitte eines Grabens gegenüber den
Rändern. Es tritt eine Vertiefung am Graben auf. Dishing ist besonders zwischen Materialien mit
hohen Selektivitäten zu erwarten. Mit steigender Grabenbreite steigt auch der Grad des Dishing.
Durch die Wahl eines harten Pads ist es möglich, das Dishing zu minimieren. Eine weitere Möglichkeit
der Minimierung ist der Einsatz niedrigselektiver Slurries. Dies führt aber automatisch
wieder zu einem höheren Erosion-Effekt und zu einem starken Abtrag im Material des Stoplayers.
Eine weitere Möglichkeit der Dishing-Minimierung ist ein engeres Prozeßfenster, sowohl bei der
Schichterzeugung als auch beim Polieren. So kann die Zeit des Überpolierens auf ein geringes
Maß reduziert werden ([31]-[29]). Den Zusammenhang zwischen Erosion, Dishing und den Patternfaktoren
am Beispiel von Wolfram-CMP, mit einer Selektivität von etwa 200:1 zwischen
Wolfram und Oxid, zeigen die folgenden Abbildungen.
21

2 Grundlagen des CMP
22
Normalisierte Erosion
Normalisierte Erosion in Abhängigkeit von der
Anzahl benachbarter Stege
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0,95
8 4 2 1
Anzahl benachbarter Stege
Abbildung 2.5: Einfluß der Patternfaktoren auf Dishing und Erosion nach [31]
Ein Maß für die Beurteilung des Stufenabbaus beim Planarisieren ist die Stufenhöhenreduzierung
SHR (Step Height Reduction, Gleichung 5) [9],[33]. Sie beschreibt den Grad der Planarisierung
an einer einfachen Stufe. In Abb. 2.6 ist der laterale Abstand R, bei dem beim Weiterpolieren
keine Änderung der Stufenhöhen mehr stattfindet, dargestellt. Je größer der Abstand R (Gleichung
6) und kleiner der Winkel Φ wird, um so besser ist die Planarisierungswirkung. Erfolgt
keine Planarisierung, so bleibt h pre=h post und somit SHR = 0. Beim CMP sind deutlich größere
Werte für R und geringere Winkel für Φ zu erwarten als bei anderen Planarisierungsverfahren
(siehe auch Abb. 2.16).
h post
SHR = 1 – ----------
h pre
R = hpost ⋅ cotϕ
h post
Φ
R
h pre
Abbildung 2.6: Definition des Planarisierungsabstands R und des Planarisierungswinkels Φ
Normalisiertes Dishing
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0,95
Effekt des Patternfaktors auf das Dishing
0,67 0,5 0,33 0
Patternfaktor
Stufenverlauf vor Planarisierung
Stufenverlauf nach Planarisierung
(5)
(6)

2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
In der Fachliteratur sind verschiedene Modelle für die Abtragsmechanismen beim CMP beschrieben
[70],[9]. Dabei wird zum Teil von verschiedenen Ansätzen ausgegangen. In [71] wurde ein
Modell basierend auf dem Asperity Contact (siehe unten) zwischen Pad und Wafer beschrieben.
Andere Modelle, wie die aus [72] und [73], sind empirisch oder phenomenologisch gefunden.
Modelle, abhängig von Abtrag, Slurryfluß und Paddeformation, sind in [75] bis [78] beschrieben.
Modelle, die Silizium- und Oxid-CMP mit Hilfe der Wechselwirkungen zwischen den Polierpartikeln
und der Waferoberfläche beschreiben, sind in [39] und [74] veröffentlicht.
2.3.1 Mechanischer Abtrag
Die mechanische Komponente des Abtrags entsteht durch die dynamischen Wechselwirkungen
zwischen Polierpad, Partikeln sowie der Oberfläche des Wafers. Das „Asperity Contact Model“
aus Abb. 2.7 zeigt, daß ein nennenswerter mechanischer Abtrag nur dann auftritt, wenn die
Waferoberfläche und das Pad in Kontakt sind. Gleitet der Wafer auf einer Flüssigkeitsschicht bei
hohen Relativgeschwindigkeiten und geringen Drücken im „Hydroplaning-Modus“ (Abb. 2.7a),
wird die Abtragsrate vernachlässigbar klein. Beim Chemisch Mechanischen Polieren wird im
Kontaktbereich gearbeitet (Abb. 2.7b).
a)
b)
Hydroplaning
Wafer
Slurry
relative Padbewegung
Asperity Contact
Wafer
relative Padbewegung
Slurry
Partikel
Wafer
relative Padbewegung
Abtrag durch
Gleiten der Partikel
Wafer
relative Padbewegung
Abbildung 2.7: „Asperity Contact Model“ aus [38] und Poliermechanismen nach [43]
Der Abtrag ist nicht nur von der Kontaktart abhängig, sondern auch von der Einbettung der Abrasive
in das Pad. Ein nennenswerter Abtrag ist nur nachzuweisen, wenn die Polierpartikel an der
Waferoberfläche vorbeigleiten (Abb. 2.7d). Rollen die Polierpartikel dagegen über die Oberfläche,
ist kein signifikanter Abtrag vorhanden. Den allgemeinen Zusammenhang zwischen
Abtragsrate RR, angelegtem Druck P und der linearen Geschwindigkeit v = Δs/Δt beschreibt die
von Preston gefundene Gleichung 7 aus [25]:
c)
d)
geringer Abtrag durch
Abrollen der Partikel
23

2 Grundlagen des CMP
Nach der Preston-Gleichung ist die Abtragsrate direkt proportional dem wirkenden Druck und der
Geschwindigkeit.
Im folgenden wird die Berechnung des Betrages der relativen mittleren Geschwindigkeit zwischen
Platen und Wafer für beliebige Punkte auf dem Wafer beschrieben.
ν
ωP ωH rPH rH r
rsx rs nP nH ns ν
ϕΗ ϕs t
24
r PHmom
RR
Δh
------ K
Δt pP Δs
= = -----
Δt
νH lineare Geschwindigkeit des Kopfes
νP lineare Geschwindigkeit des Platens
ω s
momentane lineare Geschwindigkeit
Winkelgeschwindigkeit des Platens
Winkelgeschwindigkeit des Polierkopfes
Abstand zwischen den Zentren von Platen
und Polierkopf ohne Auslenkung
momentaner Abstand der Zentren
Abstand des Punktes vom Waferzentrum
Abstand des Punktes vom Platenzentrum
momentane lineare Auslenkung des Kopfes
Amplitude der Auslenkung des Kopfes
Drehzahl des Platens
Drehzahl des Polierkopfes
Frequenz der linearen Bewegung
mittlere lineare Geschwindigkeit
Drehwinkel des Punktes P
Grad der Auslenkung der linearen Bewegung
Zeit
Winkelgeschwindigkeit von r s
Platen
Polierkopf
Abbildung 2.8: Darstellung der Geschwindigkeitsvektoren von Platen und Wafer
z
Am Kopf-Platen-System treten drei Bewegungskomponenten auf. Der Polierkopf und das Platen
rotieren mit gleicher Drehrichtung. Zusätzlich kann sich der Polierkopf linear in Richtung der x-
Achse mit sinusförmiger Beschleunigung bewegen (sweep). Die resultierende momentane
Geschwindigkeit des Punktes P läßt sich durch folgende Formeln beschreiben.
r = rPHmom + rH = rPH + rsx + rH
ν – νPνHνs
ω P
r PH
= + + =
– ( ωP × r)
+ ( ωH × rH)
+ ( ωs× rs)
r
ν
ν s
ν H
ωH ωs rsx r s
y
ν P
P
rH ϕΗ x
(7)
(8)
(9)

2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
Die Geschwindigkeitsvektoren müssen subtrahiert werden, weil die Differenz zwischen Kopfund
Platengeschwindigkeit ermittelt werden soll.
Die Auslenkung der Sweepbewegung geht in den Vektor r PHmom ein.
Durch Ausrechnen der Vektorprodukte von Gleichung 9 erhält man:
ν = xr [ PHyωP + r ( ω Hy P – ωH) – rsyωs] + y[ ( ωH – ωP)rHx – ωPrPHx + ωsr sx]
Weil r PHy = 0 ist, wird auch r PHy ω P = 0. Bei der Sweepbewegung ist die Geschwindigkeit in y-
Richtung immer Null, weil die Bewegung nur in Richtung der x-Achse erfolgt.
Somit wird ω s r sx = 0 und es ergibt sich:
ν νx νy
Die Vektoren, Winkelgeschwindigkeiten und Winkel für die Drehbewegungen lassen sich durch
Gleichung 12 bis 16 beschreiben.
ω H
ω P
= + = xr [ Hy( ωP – ωH) – rsyωs] + y[ ( ωH – ωP)rHx – ωPrPHmom] =
=
2πn H
2πn P
ϕH = ωHt = 2πn Ht rHx = rH cosϕH
rHy = rH sinϕH
Die Sweepbewegung des Kopfes wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben.
ω s
=
2πn s
ϕs = ωst = 2πn st rsy = rs sinϕs
rsx =
rs cosϕ
s
Durch Einsetzen von Gleichung 12 bis 20 in Gleichung 11 ergeben sich ν x und ν y :
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
25

2 Grundlagen des CMP
Durch Integration der Beträge und Division durch die Zeit erhält man die mittlere relative lineare
Geschwindigkeit ν zwischen Platen und Kopf:
T sollte als Vielfaches einer Minute gewählt werden, um mit vollständig abgeschlossenen Umdrehungen
zu rechnen.
Abbildung 2.9 zeigt zwei Beispiele für die mittleren linearen Geschwindigkeiten über den Wafer.
Man kann feststellen, daß sich die Drehzahlverhältnisse zwischen Kopf und Platen auf das Mitte-
Rand-Verhalten der Abträge auswirken.
MW |v| in m/s
26
ν
νx = 2πr H sin( 2πn Ht) ( nP – nH) – 2πn sr sin(
2πn s st) νy = 2πr Hcos( 2πnH t)
( nH – nP) – 2πnP ( rPH + rs cos(
2πn st) )
=
T
1
-- ν
T ∫ x
0
nP nH ns rPH r s
2 2
() t νy t
Polierrezept 1:
+ () dt
Mittelwerte der linearen Geschwindigkeiten
0,8389
0,8387
0,8385
0,8383
0,8381
0,8379
0,8377
0,8375
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Waferradius r in mm
= 63 rpm
= 57 rpm
= 5 sweeps/min (sinus)
= 127 mm
= 20 mm
Polierrezept 2:
nP = 45 rpm
nH = 90 rpm
ns = 5 sweeps/min (sinus)
rPH = 127 mm
rs = 20 mm
Abbildung 2.9: Vergleich der mittleren Geschwindigkeiten über den Waferradius bei
verschiedenen Polierrezepten
Bei gleichen Drehzahlen für Platen und Kopf haben die mittleren Geschwindigkeiten an allen
Punkten des Wafers denselben Betrag. Wenn Platen und Polierkopf rotieren, sind die mittleren
Geschwindigkeiten rotationssymmetrisch. Durch eine zusätzliche Sweepbewegung kann eine
Unsymmetrie der mittleren Geschwindigkeiten über den Waferdurchmesser entstehen.
Die Prestongleichung (7) ist für das Polieren von Si, SiO 2 , Kupfer und Wolfram anwendbar, da
deren Abhängigkeiten vom Prestonkoeffizienten K p gering sind. Der Prestonkoeffizient beinhal-
MW |v| in m/s
Mittelwerte der linearen Geschwindigkeiten
0,6600
0,6500
0,6400
0,6300
0,6200
0,6100
0,6000
0,5900
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Waferradius r in mm
(21)
(22)
(23)

2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
tet alle anderen Abhängigkeiten wie die vom Elastizitätsmodul der polierten Oberfläche und der
Polierpartikel, von der Anzahl, Größe und dem Verhalten der Partikel im Pad-Wafer Kontaktbereich
und von den chemischen Effekten.
Beim Polieren ohne Slurry, nur unter Einsatz von Wasser, wurden Oxidabträge im Bereich von 1-
3 nm/min ermittelt. Daraus läßt sich schlußfolgern, daß der Oberflächenkontakt zwischen Pad
und Wafer keine nennenswerten Abträge hervorruft. Da beim Oxidpolieren, wie später erläutert,
der chemische Anteil am Abtrag relativ gering ist und die mechanische Komponente durch Aufweichen
der Oberfläche nur unterstützt, hängt der Abtrag wesentlich von der Bedeckung der
Waferoberfläche mit Slurrypartikeln und deren Kontaktbereichen ab.
In der folgenden Abb. 2.10 ist eine Bedeckungsdichte von c = 1 und die von der Eindringtiefe h
abhängige Kontaktfläche dargestellt.
a)
b)
Wafer
Ac A p
h
r p rc
Abbildung 2.10: a) vollständig bedeckte Fläche (c = 1) mit Schleifpartikeln, b) Kontaktfläche
A c eines Partikels und c) Kontaktradius r c als Funktion der Eindringtiefe
Betrachtet man nur die mechanischen Eigenschaften des zu polierenden Materials, hat Brown in
[40] den Prestonkoeffizienten für das Eindringen eines runden Partikels in eine homogene Oberfläche
folgendermaßen definiert:
K p
wobei E das Elastizitätsmodul der zu polierenden Oberfläche ist.
Die Eindringtiefe h der Polierpartikel berechnet sich dann zu:
h =
c = 1
=
1
------
2E
3
--2r
4 P
⎛ P
--------- ⎞
⎝2cE⎠ 2 3 ⁄
c)
wobei r P der Partikelradius, c der Füllfaktor mit Partikeln auf der Oberfläche und P der angelegte
Druck ist. Der Druck, der auf ein einzelnes Partikel wirkt, ist wegen des geringen Kontaktbereiches
um ein beträchtliches Maß größer als der durchschnittliche Druck über der polierten Fläche.
Als Kontaktfläche wird aufgrund der geringen Eindringtiefe h nicht die Mantelfläche, sondern die
Kreisfläche A c angenommen:
r p- h
r c = [r p 2 -(rp -h) 2 ] 1/2
r c = Kontaktradius
(24)
(25)
27

2 Grundlagen des CMP
Wenn die Partikeldichte c = 1 wird, dann kann man den Zusammenhang zwischen wirkendem
mittleren Druck P ave und dem lokalen Druck P local folgendermaßen beschreiben:
Die auftretende Zugspannung σ t kann nach [69] für das Eindringen eines runden Partikels in die
Oberfläche durch die Beziehung
1
σ (28)
t = ⎛-- – υ⎞
⎝2⎠ ⋅ P0
beschrieben werden. ν und E sind die Poisson Konstante und das Elastizitätsmodul des polierten
Materials und P0 = F/Ac ist der mittlere Kontaktdruck der Kontaktfläche der Partikel mit dem
Radius rc und der auf den Wafer gleichmäßig wirkenden Kraft F.
ν´und E´sind die Poisson Konstante und das Elastizitätsmodul der Polierpartikel.
Die Berechnung der entstehenden Reibungskräfte F fr ist in Gleichung 30 dargestellt.
Dabei ist f b der Koeffizient der Reibung des Kontaktbereiches, in welchem Bindungen vorkommen
und E/10 eine Schätzung für die Spannung zum Aufbrechen der Atombindungen des polierten
Materials.
Mit Hilfe der beobachteten Polierrate und den berechneten Werten für F fr und σ t läßt sich nun die
Anzahl der entfernten Oberflächenmoleküle und weiter der Preston Koeffizient bestimmen. Ein
ausführliches Beispiel der Ermittlung des Abtrags an einer Oxidoberfläche und Polieren mit
SiO 2- und CeO 2-Partikeln ist in [39] beschrieben.
2.3.2 Chemischer Abtrag
Der chemische Abtrag und die Oberflächenrauheit werden durch die Slurrychemie, den pH-Wert
der Lösung, Wasser und die Abrasive bestimmt. Die Eigenschaften der Slurry bestimmen zusammen
mit dem Pad die Poliereigenschaften. Die Abrasive dienen als Reaktionspartner mit der
28
A c
P local
2
= πrc = π( rP – ( rP – ) )
Ap -----P
A ave
c
2
2
h 2
π d ⎛-- ⎞
⎝2⎠ 2
= = -------------P
πd δ ave =
r c
d
-----P
4δ ave
3
-- F
4
rp 1 υ
----
2
2
– 1 υ
--------------
E
′2
–
= ⎛ ⋅ ⋅ ⋅ ⎛ + --------------- ⎞⎞
⎝ ⎝ E′ ⎠⎠
2 E
Ffr =
π ⋅rc⋅fb⋅ -----
10
1 3 ⁄
(26)
(27)
(29)
(30)

2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
Waferoberfläche. Deren Material, Größe, Form und Konzentration haben wesentlichen Einfluß
auf die Abtragsrate und die Oberflächenrauheit [41].
Rauheit [nm]
6
5
4
3
2
1
0
Rauheit als Funktion der Partikelgröße und des Polierdruckes
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Partikeldurchmesser [µm]
21 psi 14 psi 7 psi 1 psi
Abbildung 2.11: Zusammenhang zwischen Partikelgröße, Polierdruck und Rauheit nach [38]
Größe und Form der Partikel können durch ihr Herstellungsverfahren beeinflußt werden. Der
Bereich der Korngrößen der Abrasive handelsüblicher Oxidslurries liegt zwischen 12 nm und 400
nm. Damit die Abrasive in der Lösung über einen langen Zeitraum schweben, wird die Oxidslurry
meist KOH oder NH 4OH stabilisiert. Die gleichgeladenen Ionen stoßen sich gegenseitig ab,
womit ein Absetzen der Polierpartikel zuverlässig verhindert wird. Die Konzentration der Ionen
ist vom pH-Wert der Slurry abhängig. Die Oxidslurries haben pH-Werte von 9-11. Zwei Aufnahmen
von eingesetzten Slurries sind in der Abb. 2.12 gezeigt.
100 nm Klebosol 30N50 100 nm
Cabot SS12
Abbildung 2.12:Aufnahmen der Oxidslurries „Klebosol 30N50“ und „Cabot SS12“
Ein wichtiger Teil der chemischen Reaktionen wird durch Wasser hervorgerufen. Während des
Polierens dringt es in die Oxidoberfläche ein und weicht sie auf [9]. Dabei diffundiert das Wasser
unter statischem Druck zwischen die Oxidmoleküle. Die Eindringtiefe ist eine Funktion der
Größe der Polierpartikel und des angelegten Polierdruckes. L. M. Cook hat in [39] Eindringtiefen
von 0,5 - 12 nm ermittelt, wie auch Abb. 2.13 zeigt.
29

2 Grundlagen des CMP
30
Diffusionstiefe in nm
14
12
10
8
6
4
2
0
Diffusionstiefe von Wasser in Oxid während des Polierens als Funktion
von Partikelgröße und Druck
0 1 2 3 4 5 6
Partikeldurchmesser [µm]
P [kp/cm 2 ]
Abbildung 2.13:Eindringtiefe von Wasser in Oxid
Der Wassereintritt in das Oxid schwächt die Bindungskräfte zwischen den Molekülen durch Aufbrechen
der Si-O Bindungen. Damit sinkt die Härte der Oxidoberfläche. Die Hauptreaktion für
die Wechselwirkung zwischen Si-O und H 2 O ist:
Si-O-Si + H 2 0 2 Si-OH
0,07 0,5 1 1,5 2
In der Nähe der Oxidoberfläche werden viele der Si-O Bindungen hydriert. Werden alle freien
Bindungen eines Si-Atoms hydriert, entsteht Si(OH) 4, das bei hohen pH-Werten (>10) in Wasser
stark löslich ist [42]. Das gelöste Si(OH) 4 kann dann mit der Slurry fortgespült werden.
(SiO 2) x + 2H 2O (SiO 2) x-1 + Si(OH) 4
Diese Reaktionen werden durch Druck gefördert. Der Vorgang ist in Abb. 2.14 grafisch dargestellt.
a) Es findet eine Formation von Hydrogenbindungen zwischen der gelösten Oberfläche
und dem gelösten Oxid in der Slurry statt. Das gelöste Oxid kann sowohl von der
Waferoberfläche als auch von den Slurrypartikeln stammen. Wasser unterstützt
diesen Prozeß.
b) Anschließend bilden sich Bindungen zwischen der Oxidoberfläche des Wafers und
den Slurrypartikeln.
c) Nun können sich molekulare Bindungen zwischen den Oberflächen bilden.
d) Jetzt werden die gebundenen Oxidmoleküle zusammen mit den Slurrypartikeln
weggeschwemmt.
(31)
(32)

2.3 Prozeßmechanismen des Oxid-CMP
Slurry R
Partikel
R
R
O
2H 2O + O H
R
Abbildung 2.14:Chemische Reaktionen an der Oxidoberfläche nach [33]
Nennenswerte Abträge finden nur dann statt, wenn die Depolymerisation schneller als die Polymerisation
vor sich geht. Bindungen zwischen den Abrasiven (CeO 2, SiO 2) und der SiO 2 Oberfläche
entstehen, wenn die freie Energie zur Formation von z.B. CeO 2 (ΔH f =-260 kcal/mol) kleiner
als die freie Energie zur Formation von SiO 2 (ΔH f =-216 kcal/mol) ist. Somit können CeO 2
basierte Abrasive Bindungen mit der Oberfläche eingehen. Diese Bindungen erhöhen die Scherkräfte
bis hin zum Abreißen der Atome aus der Oberfläche. Mit auf CeO 2 basierten Abrasiven
wurden bis zu 43-fach größere Abtragsraten gemessen als mit auf SiO 2 basierten Abrasiven.
Untersuchungen, dargestellt in [9], zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Abtrags vom isoelektrischen
pH-Wert (IEP) siehe auch Abb. 2.15. Der IEP einer hydrierten Oxidoberfläche ist der
pH-Wert, bei dem die Netzoberflächenladung Null wird, d.h. wenn gleiche Konzentrationen von
positiv und negativ geladenen Ionen auf der Oberfläche vorhanden sind.
Abtrag [µm]
6
5
4
3
2
1
0
c)
Abbildung 2.15:Abtrag in Abhängigkeit vom isoelektrischen pH-Wert
O
H
H
O
R
b)
Waferoberfläche
Abtrag als Funktion des isoelektrischen pH-Wertes für verschiedene
Abrasive
SiO2
Mn4+
Sn 4+
Ti 4+
Zr 4+
H
O
R
Ce 4+
Cr 3+
H
O
H
a)
Fe 3+
Zn 2+
Al 3+
Ni 2+
0 2 4 6
isoelektrischer pH-Wert
8 10 12
31

2 Grundlagen des CMP
Der IEP von CeO 2 liegt bei 6,75 und der von SiO 2 bei 2,2. Maximale Abtragsraten und geringe
Rauheiten stellen sich bei einem pH-Wert von 9,8 ein, da hier ein Gleichgewicht der Konzentrationen
der geladenen Teilchen entsteht ([9], Seite 142). CeO 2 ist gegenüber diesem pH-Wert fast
neutral, während bei SiO 2 eine negative Ladung entsteht. Wie eingangs erwähnt, haben die kommerziell
eingesetzten Oxidslurries pH-Werte von 9-11. Um beste Polierergebnisse zu erzielen,
muß man Slurries einsetzen, die stabil sind, geringe Rauheiten erzeugen und gute Abtragsraten
haben. Diese Ergebnisgrößen sollten immer durch praktische Versuche bestätigt werden.
2.4 Technologische Einsatzgebiete des CMP
Das Chemisch Mechanische Polieren wird immer häufiger in Bereichen eingesetzt, in denen planare
Oberflächen gefordert werden. Aufgrund der sehr guten Planarisierungseigenschaften ist es
durchaus sinnvoll, das CMP auch bei relativ großen Strukturbreiten von über einem Mikrometer
einzusetzen. Das Planarisierungspotential des Chemisch Mechanischen Polierens gegenüber
anderen Planarisierungsverfahren ist in Abb. 2.16 dargestellt [30], [33].
32
CMP
BPSG
Resist / Etchback
SOG / Etchback
Reflow
CVD/Ätzen
ECR
Planarisierungswinkel Φ [°]
45 30 10 1 0,1 0,03
Gap Fill lokale
Planarisierung
Globale
Planarisierung
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
Planarisierungslänge R [μm]
Abbildung 2.16: Vergleich der Planarisierungslängen verschiedener Planarisierungsverfahren
Transistoren werden in herkömmlichen Technologien durch LOCOS isoliert [20]. Da mit dem
erweiterten LOCOS-Prozeß die Skalierung der Isolierbreiten unter 0,5 Mikrometer mit hohem
technologischen Aufwand verbunden ist, wird in Submikrometertechnologien ein anderes Isolierverfahren,
Shallow Trench Isolation (STI), genutzt. Dabei wird bis zu einem Stoplayer planarisiert
(Kapitel 2.4.2).
Ein ähnliches Verfahren mit Ende auf einem Stoplayer wird auch beim Planarisierungskomplex
an den bildgebenden Mikrosystemen verwendet. Ein zweites, sowohl in der industriellen Fertigung
für Logik- und Speicherbausteine als auch bei der Fertigung der bildgebenden Mikrosysteme
angewandtes Planarisierungsverfahren ist das in Kapitel 2.4.1 beschriebene Polieren von
Inter-Layer-Dielektrika (ILD). Dabei werden die Zwischenmetallisolierungen nach jedem Metal-

2.4 Technologische Einsatzgebiete des CMP
lisierungsschritt planarisiert, so daß sich keine Stufen aus verschiedenen Layern addieren können.
Beim ILD-Planarisieren wird ausschließlich CVD-Oxid planarisiert. Eine weitere Anwendung,
die perspektivisch auch für die Herstellung der bildgebenden Mikrosysteme interessant werden
kann, ist der Damascene Prozeß. Der Damascene-Prozeß wird in Kapitel 2.4.3 erklärt. Es gibt
aber noch viele weitere Anwendungen für das CMP. Stellvertretend seien hier nur das Freilegen
von Wolfram-Kontakten in Zwischenmetallisierungen mittels Wolfram-CMP oder das Planarisieren
von tiefen mit Polysilizium gefüllten Gräben, wie sie bei der Herstellung von DRAM‘s vorkommen,
genannt. Eine andere Anwendung ist das Beseitigen von Rückseitendefekten nach dem
Waferdünnen. Dazu müssen die vom Schleifen unter Spannung stehenden 150 mm Wafer, die oft
weniger als 400 μm dick sind, poliert werden.
Im folgenden werden die dem Planarisierungskomplex der bildgebenden Mikrosysteme artverwandten
Planarisierungsverfahren beschrieben.
2.4.1 Inter Layer Dielektrikum (ILD) - CMP
Nach der Herstellung der Transistoren müssen diese auch elektrisch kontaktiert werden. Spätestens
nach Strukturierung der ersten Metallisierungsebene sollte die Waferoberfläche planarisiert
werden, um ideale Voraussetzungen für die Strukturierung der nächsten Metallisierungsebene zu
schaffen. Bis zu diesem Zeitpunkt sind Stufen von etwa 1 µm entstanden. Diese Stufen setzen sich
aus den Übergängen von Feldoxidgebieten, strukturierten Polysiliziumleiterbahnen und den Bahnen
der ersten Metallisierungsebene mit ihren Kontakten zusammen. Der Fokussierungsbereich
der Belichtungsoptik bei der Lithographie ist bei Strukturweiten im Submikrometerbereich für
diese Stufen bereits zu klein.
Nach Abscheidung eines PE-CVD-Oxides über der Metall 1 Ebene erfolgt deshalb eine Planarisierung.
Um eine 100%ige lokale und eine sehr gute globale Planarisierung zu erreichen, kann das
CMP angewendet werden. Um mittels CMP eine vollständige Planarisierung zu erreichen, muß
die abgeschiedene Oxiddicke mindestens der größten Stufenhöhe entsprechen. Erfahrungsgemäß
werden allerdings erheblich größere Oxiddicken gewählt. Damit ist dann auch unter ungünstigen
Bedingungen eine vollständige Planarisierung der Oberflächentopographie möglich. Abb. 2.17
zeigt den topographischen Unterschied zwischen einem planarisierten und einem nicht planarisierten
Feldeffekttransistor.
Ätztiefen für Kontakte mit und ohne CMP
h 2
n+
h 1
p
n+
ohne CMP
mit CMP
Abbildung 2.17: Querschnitt eines n-Kanal-Feldeffekttransistors
h 3
h 1
h 4
h 1
Oberflächenprofil
Poly-Si
AlSiCu
Oxid
Si
33

2 Grundlagen des CMP
Gegenüber herkömmlichen Planarisierungsverfahren ergeben sich beim CMP einige Besonderheiten,
die in den nachfolgenden Prozeßschritten zu beachten sind. Das Oxid über der ersten
Metallebene bildet die Untergrundtopographie ab. Abhängig davon, ob die Kontakte zur nächsten
Metallebene über Feld- oder Aktivgebieten liegen, ergeben sich mit CMP-Planarisierung verschieden
tiefe Kontaktlöcher (h 2,3,4). Damit ergeben sich unterschiedliche Ätzzeiten, während
ohne CMP in allen Gebieten gleich tiefe Kontaktlöcher (h 1 ) geätzt werden müssen. Die unterschiedlichen
Ätztiefen werden durch selektives Ätzen zwischen Oxid und Metall erreicht. Die
ILD Planarisierung kann über jeder Metallisierungsebene durchgeführt werden.
Oft wird nach dem CMP eine zusätzliche 100 - 300 nm dicke Oxidschicht (Cure-Oxid) abgeschieden,
um mögliche Defekte oder Partikel elektrisch unwirksam zu machen und die Oberfläche zu
verbessern.
2.4.2 Shallow Trench Isolation (STI)
In herkömmlichen Verfahren wird zur Isolation der Aktivgebiete der LOCOS-Prozeß eingesetzt.
Die Grenze des Standard LOCOS-Prozesses liegt bei einer Breite der Isolationsgebiete von minimal
1,2 µm [17]. Advanced LOCOS-Prozesse sind bis zu einer Breite der Isolationsgebiete von
0,5 µm praktikabel. Unterhalb dieser Strukturgrößen werden nur noch STI-Prozesse in der Literatur
angegeben ([17]-[23]).
Ein Überblick über die Maßanforderungen moderner hochintegrierter Technologien ist in Tabelle
2.2 zusammengefaßt.
34
DRAM
Generation
Minimum
Image
Tabelle 2.2: Isolation pitch and depth vs. DRAM generation [18]
In den gegenwärtigen und kommenden Fertigungstechnologien wird aufgrund der geringen
Abmessungen der Isolationsbereiche der LOCOS-Prozeß durch den STI-Prozeß vollständig abgelöst.
2.4.2.1 Prozeßabfolge
Isolation
Pitch
64 MB 350 nm 850 nm 345 nm
256 MB 250 nm 550 nm 265 nm
1 GB 180 nm 360 nm 210 nm
Isolation
Depth
Nach der Oxidation eines 10 bis 50 nm dicken Padoxides wird ein 150 bis 250 nm dickes LP-Silizium-Nitrid
abgeschieden. Anschließend wird das Si-Nitrid strukturiert und dann mit einem Silizium-Trockenätzprozeß
die Tiefe der Isolationsgebiete festgelegt (Abb. 2.18a). Nach der
Entfernung des Fotoresists und anschließender Reinigung folgt ein kurzer Graben-Reoxidationsprozeß
von 10 bis 50 nm (Abb. 2.18b). Diese Oxidation beseitigt das durch die Trockenätzung
stark gestörte Silizium an der Oberfläche der Isolationsgebiete und verrundet die Kante zum
Aktivgebiet [19]. Dabei werden der Gateoxidation vergleichbare Prozesse eingesetzt. Danach

2.4 Technologische Einsatzgebiete des CMP
wird im allgemeinen eine Borimplantation zur Verhinderung des narrow-width-effects 1 durchgeführt.
Bei TWIN-WELL Technologien 2 bzw. dem Einsatz von hochdotierten p-Siliziumwafern
kann eventuell auf diese Dotierung verzichtet werden. Es folgt das Auffüllen der Isolationsgebiete
mit TEOS-LP-CVD-Oxid 3 (Abb. 2.18c) und eine anschließende Planarisierung. Die notwendige
Oxiddicke richtet sich nach dem gewählten Planarisierungsverfahren.
Beim CMP sollte die Schichtdicke etwa doppelt so hoch sein wie die Grabentiefe. Die gleichzeitige
Planarisierung von sehr schmalen und breiten Isolationsgebieten stellt sehr hohe Anforderungen
an das Planarisierungsverfahren. Gestoppt wird auf der Si-Nitridschicht. Dafür wird ein
selektiver CMP-Prozeß genutzt, bei dem die Abtragsrate im Si-Nitrid viel kleiner als in Oxid ist.
Mit modernen CMP-Verfahren können Selektivitäten von Oxid zu Si-Nitrid von 200:1 erreicht
werden. Es folgt eine naßchemische Entfernung der Si-Nitridschicht mittels heißer H 3PO 4 . Eine
Oxidätzung des Padoxides schließt den Isolationsprozeß ab und legt die Aktivgebiete zur Erzeugung
von aktiven Bauelementen frei (Abb. 2.18d).
a)
b)
c)
d)
Silizium ätzen
Fotoresist
Si3N4
Padoxid
Silizium
Thermische Oxidation
Oxidabscheidung
Abbildung 2.18: Darstellung des STI-Prozesses nach [18]
LP-CVD-Oxid
Planarisierung und Rückätzung
1. narrow width effect...Reduktion der Schwellspannung bei Kanalweiten unter 1 μm, wenn keine Seitenwandimplantation
erfolgt
2. TWIN WELL Technologie... Technologie, bei der p- und n-Wannen implantiert werden
3. TEOS-LP-CVD-Oxid...Tetraethylorthosilicate Low Pressure Chemical Vapor Deposition-Oxid
35

2 Grundlagen des CMP
2.4.2.2 Vorteile des STI-Prozesses
Die Vorteile des STI-Prozesses bestehen nach [17] und [18] in:
- der vollständigen Beseitigung der Birds-Beak-Bildung,
- der Trennung der Transistorbereiche durch den in die Tiefe gehenden Feldisolationsbereich,
- reduzierter Empfindlichkeit gegenüber Substratvorspannung, Substratdotierung und Kurzkanal
Drain-Barrieren Erniedrigung (DIBL),
- gleicher Zuverlässigkeit wie beim LOCOS-Prozeß [20],
- der Skalierbarkeit bis in den Submikrometerbereich.
Damit stellt der STI-Prozeß eine Alternative zum LOCOS-Prozeß dar, der auch die Anforderungen
von Submikrometertechnologien erfüllt.
2.4.2.3 Probleme beim STI-Verfahren
Bei RIE-Prozessen zur Planarisierung gibt es eine starke Abhängigkeit vom Layout. Diese Prozesse
werden zunehmend durch CMP ersetzt. Durch das CMP sind sehr gute globale Planarisierungen
erreichbar. An großen Isolationsgebieten (>100µm) tritt eine Schichtdickenreduktion des
Feldoxides auf. Dadurch wird die globale Planarität verschlechtert. Dieser Effekt (Dishing) kann
zu Isolationsproblemen zwischen den Aktivgebieten führen. Eine Verringerung dieses Effektes
kann mit Hilfe von CMP-gerechten Layoutänderungen im Schaltungsdesign erreicht werden.
Es treten aber auch elektrische Probleme am Transistorrand auf:
Am Übergang vom Aktivgebiet zum Feldgebiet treten infolge von Oxid-Naßätzprozessen (Padoxidentfernung,
Si-Nitridätzung) Kanten auf. Diese Kanten werden in der Literatur als „gate wraparound“
bezeichnet. Auch an den Kanten wächst bei der thermischen Oxidation Gateoxid und
das Transistorgate (Polysilizium) liegt darüber. Damit entsteht an dem Übergangsgebiet eine
besondere Transistorstruktur, die sich für den NMOSFET in Form von Leckströmen negativ
bemerkbar macht. Aus den geometrischen Faktoren ergibt sich eine Erhöhung der Feldstärke zwischen
der Polysiliziumelektrode und dem Aktivgebiet. Bei gleicher Dotantenmenge im Silizium
an der Feldkante wie im Aktivgebiet ergibt sich eine erhöhte Elektronenkonzentration und damit
niedrigere Einsatzspannung für den Transistor. Zur Verhinderung dieser Effekte kann nach Fazan
und Matthew [17] nach der Planarisierung des LP-CVD Oxides bis zur Si-Nitridschicht und vor
der naßchemischen Ätzung ein Oxidspacer erzeugt werden, der die kritische Oxidkante einhüllt
und somit die Bildung einer Ätzgrube verhindert. In die Aktivgebietskanten wird eine Borimplantation
von 3*10 12 cm -2 mit 30keV durchgeführt. Spacereinsatz und Seitenwandimplantation verhindern
den Kantenleckstrom vollständig. Gleichzeitig verhindert die Borimplantation den
narrow width effect. Ein weiterer Vorschlag für die Verhinderung der Kantenprobleme ist in [27]
beschrieben.
36

2.4 Technologische Einsatzgebiete des CMP
2.4.3 Damascene Technologie
Die „Damascene“ Technik wird zur Erzeugung von eingeebneten Leiterbahnen genutzt. Zuerst
wird das Intermetalldielektrikum (SiO 2) aufgebracht. Anschließend werden Gräben für die Leiterbahnen
ins SiO 2 geätzt und diese mit Metall aufgefüllt. Dazu wird das Metall zunächst ganzflächig
abgeschieden und dann mittels CMP oder Rückätzen der erhabenen Bereiche wieder
entfernt. Das Verfahren hat sich bereits für die Herstellung von Wolframkontakten bewährt, da
hierfür ein CVD-Abscheideverfahren zur Verfügung steht, das eine konforme Abscheidung
garantiert [14]. Ein Spezialfall der Damascene-Technik ist die Auffüllung von Kontaktlöchern
mittels selektiver Abscheidung. Durch die selektive Wolframabscheidung wird das Chemisch
Mechanische Polieren erleichtert, weil das Wolfram nur über den Kontaktlöchern und nicht auf
der gesamten Scheibenoberfläche entfernt werden muß.
Werden mit einer Metallabscheidung gleichzeitig die Leitbahnen und Kontakte hergestellt, so
nennt man dieses Verfahren den Dual Damascene Process. Die Dual Damascene Technologie
setzt sich immer mehr im Bereich der Strukturierung von Kupfer- und Aluminiumleiterbahnen
durch. Kupfer ist ein schwierig zu ätzendes Metall, hat aber den Vorteil eines kleinen spezifischen
Widerstandes von 1,72 μΩ/cm [36] gegenüber 3,0 μΩ/cm bei AlSiCu. Mit Hilfe der Damascene
Technologie lassen sich die Ätzprobleme umgehen.
Durch den Einsatz der Dual Damascene Technologie lassen sich die Kontaktwiderstände minimieren,
da keine Übergangswiderstände zwischen Kontakten und Leiterbahnen entstehen. Im
Vergleich zu Kupfer oder Wolfram-CMP erfordert das CMP von Aluminium ein höherentwickeltes
Pad, um gute Planaritäten sowie minimale Kratzer und Defekte zu erreichen. Da die Oberfläche
beim Überpolieren von Aluminium stark angegriffen wird, sollte die Slurry eine hohe
Selektivität zwischen der Abtragsrate im Aluminium und der von SiO 2 haben. Auch darf die
Slurry keine oxidierende Wirkung auf das Aluminium haben, weil Aluminiumoxid eine sehr viel
härtere Oberfläche als Aluminium hat. Ein Dual Damascene Prozeß mit Selektivitäten größer als
100 wurde in [37] vorgestellt.
37

2 Grundlagen des CMP
38
a
SiO2 abscheiden
Si3N4 abscheiden
Lithographie der Kontakte
Si
b
Si3N4-Ätzen Photoresist entfernen
CVD-Oxid
Si 3 N 4
Abbildung 2.19: Dual Damascene Prozeß nach [35]
c
SiO 2 abscheiden
d
Lithographie der
Leiterbahnen
Fotoresist Metall
Abb. 2.19 zeigt einen für die industrielle Fertigung geeigneten Dual Damascene Prozeß. Nach
Abscheidung eines Zwischenisolatoroxides wird eine dünne Si 3 N 4 -Schicht (25 nm) abgeschieden,
die als Hartmaske dienen soll. Anschließend folgt ein Lithographieschritt in dem die Kontakte
strukturiert werden (Abb. 2.19a). Nach selektivem Ätzen der Hartmaske wird der
Photoresist wieder entfernt und eine zweite Oxidschicht abgeschieden (Abb. 2.19b,c). In einem
weiteren Lithographieschritt werden mit Hilfe einer Lackmaske die Leiterbahnen strukturiert
(Abb. 2.19d). Nun können Leiterbahnen und Kontakte in einem Schritt geätzt werden, wobei die
Hartmaske als Ätzstop für die Leiterbahn und der Übergang zum Substrat als Ätzstop für die
Kontakte wirkt (Abb. 2.19e). Anschließend werden die Gräben mit Metall aufgefüllt und mittels
CMP planarisiert (Abb. 2.19f). Der Hauptvorteil dieser Prozeßsequenz liegt in der Strukturierung
von Kontakten und Leiterbahnen mit nur einem Ätzschritt und einer Metallabscheidung. Nach
Abschluß des Dual Damascene Prozesses liegt wieder eine planare Oberfläche zur Strukturierung
der nächsten Ebene vor.
e
Ätzen der Kontakte
und Bahnen
Photoresist entfernen
f
Metall abscheiden
CMP
Si3N4 abscheiden

3 Bildgebende Mikrosysteme
Bei der Entwicklung von neuen Bauelementen werden oft nur kleine bis mittlere Stückzahlen
benötigt. Um den teuren Herstellungsprozeß der Masken für die Lithographie und Zeit einsparen
zu können, werden maskenlose Direktbelichtungsverfahren eingesetzt. Elektronenstrahl- oder
Laserstrahlschreiber sind für diese Aufgabe grundsätzlich geeignet. Ihr Nachteil liegt aber in der
seriellen Belichtung. Mit diesen Anlagen kann nur ein geringer Durchsatz erreicht werden. Im
FhG IMS wird deshalb ein ASIC-Stepper entwickelt, der zur Bilderzeugung eine programmierbare
Maske, die Lichtventilmatrix (LVM) einsetzt [45]. Dieses System zeichnet sich durch einen
einfachen Aufbau bei gleichzeitig paralleler Bildübertragung aus. Dadurch kann der Durchsatz
gegenüber seriellen Belichtungssystemen deutlich erhöht werden. Dieser Stepper ist also in erster
Linie für schnelle Entwicklungsabläufe und für die Fertigung kleiner bis mittlerer Stückzahlen
von ASIC´s, Sensoren und Mikrosystemen geeignet.
Das Funktionsprinzip des ASIC-Steppers mit Lichtventilmatrix sei hier kurz erläutert. Paralleles
Laserlicht eines XeCl-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 308 nm, die von der Aluminiumoberfläche
der Lichtventilmatrix sehr gut reflektiert wird, trifft auf den Strahlteiler (Abb. 3.1). Die
Laserimpulse haben eine Impulsdauer von 20 ns. Das Laserlicht wird zu der Lichtventilmatrix
geleitet. Jedes Pixel der Lichtventilmatrix wird adressiert und die Bildinformation durch Anlegen
einer Steuerspannung eingeschrieben. Wenn keine Steuerspannung anliegt, bleibt die Oberfläche
des Pixels unverformt. Finden jedoch lokale sinusartige Verformungen an der Oberfläche statt,
die zu einer Phasenmodulation führen, wird das Licht in höhere Ordnungen gebeugt. Das an der
Matrix reflektierte Licht durchquert den Strahlteiler und wird durch die Fourierlinse gebeugt. Ein
räumlicher Filter befindet sich genau im Brennpunkt der Fourierlinse, so daß das gesamte in 0.
Ordnung von der Matrix reflektierte Licht auf das Belichtungsfeld des Wafers abgebildet wird.
Das in höhere Ordnungen gebeugte Licht wird von dem räumlichen Filter herausgefiltert. Mit
dem Projektionsobjektiv wird eine Verkleinerung des Bildfeldes um den Faktor 100 und somit
eine Vergrößerung der Pixelauflösung um denselben Betrag erreicht. Der Tisch mit dem Wafer
fährt mit konstanter Geschwindigkeit in x und y Richtung unter der Optik mäanderförmig entlang.
Durch die Kürze der Lichtimpulse entstehen an den Kanten der belichteten Felder praktisch keine
Unschärfen.
Zum Einsatz kommt nach dem hier beschriebenen Abbildungsprozeß eine Hellfeldbelichtung. Sie
besitzt gegenüber der Dunkelfeldbelichtung bessere Abbildungseigenschaften und wurde am IMS
in Dresden weiter untersucht [44]. Das hier beschriebene optische Verhalten gilt für die Lichtventilmatrix
mit einer Verformung der Spiegeloberfläche auf Basis einer darunterliegenden viskoelastischen
Ebene. Werden zur Erstellung der Bildinformation mechanisch ausgelenkte
Mikrospiegel genutzt, wird das Licht in ähnlicher Weise gebeugt.
Mit einem solchen ASIC-Stepper erzeugte Fotolackstrukturen zeigt Abb. 3.2. In dieser Aufnahme
wurden Fotolackstrukturen mit Weiten von bis zu 0,48 μm aufgelöst. Im linken unteren Bereich
des Bildes sind Strukturen nicht aufgelöst. Die Gräben entsprechen der Ansteuerung einzelner
Spiegelelemente mit einer angestrebten Auflösung von 0,24 μm.
39

3 Bildgebende Mikrosysteme
40
Objektebene:
Lichtventilmatrix
mit Deformationsbzw.
Phasenmuster
Strahlteiler
Fourierlinse
Fourierebene
räumlicher Filter
100:1 Projektionsobjektiv
Bildebene
f
f
f’
f’
x
Laserlicht
Beugung
0. Ordnung
Beugung
0+n te Ordnung
Beugung des Lichtes und
Fouriertransformation
Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise eines
Lithographiegerätes mit Lichtventilmatrix nach [44]
y
Synthese des gefilterten
Ortsspektrums
Fourierrücktransformation

3.1 Aufbau und Funktionsweise der Bildgebenden Mikrosysteme
Abbildung 3.2: REM-Aufnahme von Fotolackstrukturen, die durch die Abbildung von
Mikrospiegeln mit Pyramidenelementen erzeugt wurden
3.1 Aufbau und Funktionsweise der Bildgebenden Mikrosysteme
Herzstück des oben genannten fotolithographischen Systems sind die neu entwickelten Lichtventilmatrizen.
Im FhG IMS werden zwei Strategien zur Herstellung dieser Lichtventilmatrizen verfolgt.
Bei beiden wird mit Pixelgrößen von 20 x 20 μm 2 gearbeitet. Sie unterscheiden sich aber in
der Erzeugung der Verformung an der Spiegeloberfläche. Bei der ersten Variante bestehen die
Spiegelelemente aus Aluminiumplatten, die an Federarmen oder Gelenken befestigt sind.
Bei der anderen Variante zur Erzeugung eines Bildes wird die geschlossene Aluminiumspiegelschicht
mit Hilfe einer darunterliegenden viskoelastischen Steuerschicht verformt. Die Auslenkung
erfolgt in beiden Fällen durch elektrostatische Kräfte. Beide Varianten werden zur Zeit als
passive Matrix und als aktive Matrix gefertigt.
Die passive Matrix enthält nur den mikromechanischen Aufbau zur Auslenkung der Spiegelelemente.
Die Zeilen- und Spaltenleitungen der Pixel werden nach außen geführt und durch eine
externe Logik angesteuert. Bei der aktiven Matrix befindet sich die Ansteuerelektronik auf dem
Chip. Abbildung 3.3 zeigt den Aufbau und die Wirkungsweise einer Lichtventilmatrix auf Elastomerbasis.
Über dem Substrat befinden sich die isolierten Pixel. Darüber wird eine viskoelastische
Steuerschicht von 5 - 7 μm Dicke aufgeschleudert. Anschließend wird eine dünne Aluminiumschicht
aufgedampft.
Durch Anlegen einer Vorspannung U 0 von 200-300 V zwischen Spiegelfläche und allen Pixeln
bildet sich ein homogenes Feld aus und die Spiegelelemente werden vorgespannt. Wird nun
zusätzlich eine Spannung U S von ±15V an einzelne Pixel gelegt, findet eine Verformung der
Spiegeloberfläche statt. Durch eine geeignete Wahl der Amplitude und der Periode des Phasengit-
41

3 Bildgebende Mikrosysteme
ters wird erreicht, daß nahezu das gesamte auf das Gitter auftreffende Licht in höhere Beugungsordnungen
gebeugt wird. Die viskoelastische Steuerschicht ist inkompressibel. Deshalb werden
immer alternierend positive und negative Steuerspannungen gegenüber dem Bezugspotential
gewählt, was eine sinusförmige Auslenkung zur Folge hat. Die Steuerspannungen sind in Abb.
3.4 durch „+“ und „-“ gekennzeichnet. Es ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten der
Ansteuerung. Eine Möglichkeit ist die Streifenadressierung. Bei der Streifenadressierung ergibt
sich ein eindimensionales Sinusprofil. Wählt man als Adressierungsvariante die symmetrische
Schachbrettadressierung, entsteht ein zweidimensionales Phasengitter mit einem Sinusprofil. An
diesem Profil gibt es keine Vorzugsrichtung der gebeugten Lichtstrahlen mehr. Die minimale
Größe eines darzustellenden Bildpunktes setzt sich aus 3 x 3 Pixeln der Matrix zusammen. Somit
kann die kleinste erreichbare Auflösung von d = 84,9 μm (Abb. 3.4) bei einer Inkrementlänge I =
20 μm und n = 3 Inkremente unter Nutzung der Gleichung
42
d = n× I 2
. (33)
ermittelt werden. Mit Hilfe eines Objektives mit einem Abbildungsverhältnis von 100:1 kann die
erreichbare Auflösung auf d’ = 0,8 μm verbessert werden.
Die Größe der Auslenkung in beiden Richtungen ist sowohl von der Höhe der Vorspannung U 0
als auch von der Höhe der Steuerspannung U S abhängig. Sie beträgt bei derzeitigen Lösungen 100
bis 200 nm. Die Zusammenhänge zwischen den angelegten Spannungen und der Auslenkung sind
in Abb. 3.5 dargestellt. Die Höhe der maximalen Vorspannung wird durch die Spannungsfestigkeit
der viskoelastischen Schicht bestimmt und liegt bei 500 V.
Spiegelelektrode
Pixelelektroden
Substrat
ebener Spiegel Phasengitter
viskoelastische
Steuerschicht
Abbildung 3.3: Schematische Darstellung des Aufbaus und der Wirkungsweise der
Lichtventilmatrix auf Elastomerbasis nach [49]
U 0
viskoelastische
Steuerschicht
-U S
+U S
U 0

3.1 Aufbau und Funktionsweise der Bildgebenden Mikrosysteme
symmetrische
Schachbrettadressierung
d
d
Streifenadressierung
minimale Bildgröße Inkrement
Passive Matrix
Oberflächendeformation bei
Schachbrettadressierung
0,20 mm
0,17mm
Abbildung 3.4: Ansteuerungsmodi der LVM auf Basis viskoelastischer Steuerschichten und
gemessene Verformungsmuster bei symmetrischer Schachbrettadressierung
Amplitude in nm
250
200
150
100
50
Deformation der Spiegelelemente
0
0 5 10 15
Steuerspannung in V
20 25 30
Uo=200V
a) b)
Abbildung 3.5: Höhe der relativen Auslenkung in Abhängigkeit von a) der Vorspannung U 0
und b) der Steuerspannung U S nach [46]
Eine andere Variante zur Herstellung der Lichtventilmatrix ist der Einsatz mikromechanischer
Spiegel zur Erzeugung der Phasengitter und zur räumlichen Ablenkung des Lichtes. Kennzeichnend
für diese Lichtmodulatoren ist eine Bildelementgröße von 20 x 20 μm 2 und eine Vollbildrate
von 400 Hz. Sie werden in CMOS-kompatibler Oberflächenmikromechanik hergestellt [47].
Den Aufbau und die Funktionsweise zweier aktueller Varianten der mikromechanischen Spiegel
zeigt Abb. 3.6. Unter der spiegelnden Aluminiumplatte jedes Bildelementes befindet sich ein
Hohlraum und eine individuell adressierbare Steuerelektrode. Dadurch bildet sich ein Plattenkondensator.
In Abb. 3.6a besteht ein Pixel aus vier dreieckigen Aluminiumplatten, die je an 2 Torsionsarmen
aufgehängt sind. Sie werden im folgenden Pyramidenelemente genannt. In Abb. 3.6b besteht der
Spiegel aus einer quadratischen Fläche, die an vier Federarmen aufgehängt ist. Sie werden als
Senkelemente bezeichnet. Beide Varianten haben einen Abstandshalter, um ein Auslenken bis zur
Gegenelektrode und somit einen Kurzschluß zwischen den beweglichen Elementen und ihren
Gegenelektroden zu verhindern.
Amplitude in nm
250
200
150
100
50
Deformation der Spiegelelemente
0
0 100 200 300 400 500
Vorspannung in V
Us=±10V
y
z
x
43

3 Bildgebende Mikrosysteme
In der seitlichen Ansicht in Abb. 3.6 ist jeweils der ausgelenkte Zustand dieser Spiegelelemente
dargestellt. Die zwei Designvarianten unterscheiden sich nicht nur im Aufbau, sondern auch in
ihrer Funktionsweise. Ohne Adressierung verhält sich das Spiegelarray praktisch wie ein ebener
Spiegel. Legt man eine Steuerspannung von etwa 20 V zwischen die unter den Spiegelelementen
liegende Steuerelektrode und die Spiegeloberfläche, bildet sich ein geladener Kondensator und
durch die elektrostatische Anziehung lenken die Pyramidenelemente in Richtung Gegenelektrode
aus. Die Größe der Auslenkung läßt sich durch den Winkel Φ beschreiben. Durch die so entstandenen
Verformungen wird das Licht in verschiedene Richtungen gebeugt und die entsprechenden
Spiegelelemente erscheinen dunkel.
Die in Abb. 3.6b gezeigten Senkelemente bewegen sich bei Anlegen einer Steuerspannung auf die
darunterliegende Steuerelektrode um einen Betrag dh zu, bleiben aber parallel zu der Ebene in der
sie sich im Grundzustand befanden. Wenn phasengleiches, paralleles Licht auf dieses Verformungsprofil
fällt, so bildet sich im reflektierten Licht eine Phasenmodulation, die der Oberflächendeformation
entspricht.
Die Deformationsamplituden dh sollten im Bereich von einer viertel Wellenlänge liegen, was bei
sichtbarem Licht etwa 100 - 175 nm entspricht, um eine vollständige Auslöschung des Lichts zu
erreichen. Das Deformationsverhalten für die Senkelemente ist in Abb. 3.7 dargestellt. Die Deformationskurven
zeigen einen typischen nichtlinearen Verlauf, wie er in [48] für die Senkelemente
und in [44] für die Pyramidenelemente hergeleitet wurde. Um die Exemplarstreuungen zu berücksichtigen,
wurde jeweils ein maximaler, mittlerer und minimaler Deformationswert ermittelt. Der
Kurvenfit für die Senkelemente wurde aus dem in [48] aufgestellten Modell hergeleitet. Zusätzlich
wurde in [48] eine FEM-Simulation mit den aus dem Kurvenfit erhaltenen Parametern durchgeführt.
Insgesamt wird eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den simulierten und den experimentell
ermittelten Werten erzielt. Als Ursache für die Schwankungen der Deformation treten neben
Schichtdickenschwankungen der Spiegelschicht auch Dickenschwankungen in der Spacerlackschicht,
Vordeformation der Spiegelelemente und Höhenschwankungen in der Untergrundtopographie
auf.
Auch durch Kapazitätsmessung läßt sich das Deformationsverhalten ermitteln. Bei Aussteuerung
und anschließendem Zurücksetzen der Steuerspannung durchläuft die Kapazität eine Hysteresekurve.
Ab etwa 25 V bleibt die Kapazität annähernd konstant, da die Spiegel bis zu den Abstandshaltern
durchgesteuert sind und somit keine weitere Auslenkung der Spiegel erfolgt. Wird die
Steuerspannung auf 0V zurückgeregelt, durchläuft die Kapazität den oberen Zweig und es entsteht
die für den Deformationsvorgang typische Hysterese.
Mit Hilfe von Kapazitätskennlinien läßt sich die mittlere Auslenkung der Senkelemente dh
berechnen, wobei A die Fläche eines Spiegelelementes und ε 0 die Dielektrizitätskonstante ist. C 0
ist die Kapazität ohne Steuerspannung, C U die Kapazität des Spiegelelementes mit angelegter
Steuerspannung und n die Anzahl der Pixel (Gleichung 34). Diese Art der Ermittlung der Auslenkung
eignet sich nur bei gleichzeitigem Ansteuern vieler Pixel, da erst dann genügend große
Kapazitätsänderungen meßbar sind.
44
n × ε0
× A(
C0 – CU) dh =
------------------------------------------------
C0 × CU (34)

3.1 Aufbau und Funktionsweise der Bildgebenden Mikrosysteme
Pyramidenelemente
Spiegelfläche
Stützpfosten
φ
deformierte
Spiegelfläche
Abstandshalter
Gegen-
a)
elektrode
b)
Abbildung 3.6: Mikromechanische Spiegel mit Darstellung des ausgelenkten Zustandes
Deformation in nm
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
20x20μm 2 Senkelemente
h = 0.6μm
L = 9.6μm
b = 1.6μm
A = (17.4μm) 2
E = 63.9 GPa
δ = 0.43μm
δ = 0.42μm
δ = 0.41μm
Senkelemente
20 μm
0 5 10 15 20 25 30
Spannung in Volt
Meßdaten
"
"
FEM-Simulation
analytische Rechnung
20 μm
Abbildung 3.7: Spannungsabhängige Deformation der 20 x 20 μm Senkelemente bei
verschiedenen Spiegeldicken δ, Armlänge L und Armbreite b nach [48]
dh
45

3 Bildgebende Mikrosysteme
3.2 Einordnung des CMP in die Hochvolt-CMOS Technologie
Die CMOS-kompatible Technologie für die Herstellung der bildgebenden Mikrosysteme wird am
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Duisburg und Dresden
speziell für hohe Spannungsfestigkeit bis 40V entwickelt.
Ausgehend von einer einfachen CMOS-Technologie müssen zusätzliche Maßnahmen zur Isolation
zwischen den Transistoren ergriffen werden. Die erhöhte Spannungsfestigkeit wird durch ein
dickes Gateoxid in Verbindung mit einer Gatelänge von 5μm erreicht.
Durchbrüche zwischen den Transistoren sollen durch zusätzliche Kanalstopper 1 verhindert werden.
Hohe Feldgradienten an parasitären vertikalen Transistoren werden durch zusätzlich eingefügte
Pinchgebiete abgebaut. Der schematische Schichtaufbau einer Lichtventilmatrix mit
elektronischer Ansteuerung ist in Abb. 3.8 dargestellt.
Die Entwicklung der Lichtventilmatrix ist ein aktuelles Projekt, das in Zusammenarbeit mit
Kooperationspartnern aus der Industrie durchgeführt wird. Deshalb soll an dieser Stelle nicht auf
die Details der Herstellung der Transistoren eingegangen werden.
Der Prozeß beginnt mit dem Herstellen von Justiermarken. Die N- und P-Wannen werden durch
ein 90 nm dickes Wannenoxid implantiert und anschließend durch Diffusion formiert. Es folgen
die Implantationen für N-Pinch und P-Feld mit gegenüber den Wannen höherer Vorbelegung und
geringerer Diffusion. Daran schließt sich der LOCOS-Komplex an. Erst danach werden P-Pinch
und N-Feld implantiert und aktiviert.
Auf die Gateoxidation folgen die Polysilizium-Abscheidung, die Strukturierung und die Dotierung
des Polysiliziums. Als nächstes werden die Source- und Drain-Bereiche dotiert. Die
Abscheidung des Zwischenoxids (BPSG), Reflow und das Ätzen der Kontaktlöcher schließen
sich an. Jetzt wird die erste Metallebene aufgesputtert und strukturiert.
Im Anschluß daran wird die Oberfläche mittels ILD-CMP-Planarisierung eingeebnet, wobei das
übrigbleibende Planarisierungsoxid als Teil des Zwischenoxids verwendet wird. Nach Abscheidung
eines Cure-Oxids 2 und der Strukturierung der Vias wird die 2. Metallebene gesputtert und
strukturiert. Nun wird eine CVD-Oxidschicht abgeschieden und es erfolgt eine nochmalige Planarisierung
mittels Chemisch Mechanischen Polierens bis zum Höhenniveau der zweiten Metallebene.
Jetzt wird der mikromechanische Spiegelaufbau durch Herstellung eines Lackspacers, Aluminiumbedampfen
und anschließendes Aluminiumstrukturieren mit Hilfe von Lackmasken hergestellt.
Dann wird der Lackspacer verascht und somit die Spiegelelemente freigelegt
Die viskoelastischen Spiegel werden durch Aufschleudern des Elastomers und anschließende
Aluminium-Elektronenstrahlbedampfung hergestellt.
Aus der Darstellung des technologischen Ablaufs und der Funktionsweise der Lichtventilmatrix
erkennt man die Notwendigkeit einer hervorragenden Planarisierung und des Ausgleichs von
Höhenunterschieden im Chip. Ohne CMP ist die Herstellung einer aktiven Matrix mit den geforderten
elektrischen, optischen und mechanischen Deformationseigenschaften schwierig zu realisieren.
Bei Spiegelauslenkungen von 100 - 200 nm haben schon geringe
Schichtdickenschwankungen oder Reststufen einen großen Einfluß auf die Funktion der Spiegelpixel.
1. Kanalstopper...Anhebung der Dotierung unter dem Feldgebiet
2. Cure-Oxid...zusätzliche Oxidschicht zum Einbetten von Partikeln und Defekten
46

3.2 Einordnung des CMP in die Hochvolt-CMOS Technologie
P-Wanne N-Wanne
n+ dotiertes Gebiet
p+ dotiertes Gebiet
Metall Poly-Si
PE-CVD-Oxid Elastomer
Abbildung 3.8: CMOS-Ansteuerelektronik für die Lichtmodulatoren
Aluminium-Spiegelschicht
Elastomer
Planarisierung Metall2
Metall2
Planarisierung Metall1
Metall 1
Poly-Si
Feldoxid
Kanalstopper
Pinchgebiet
Bereits vor Einführung der CMP-Technologie im IMS-Dresden wurden aufwendige Maßnahmen
zur Planarisierung des Zwischenoxids und der zweiten Metallebene durchgeführt. Bis zur ersten
Metallebene sind bereits Stufen von mehr als 1000 nm entstanden.
Deshalb wurde zuerst eine lokale Planarisierung und dann eine globale BSG-Planarisierung
durchgeführt. Dazu wird zuerst die Dicke des Oxides mit einer 10 Punkte-Messung vorgemessen.
Die lokale Planarisierung erfolgt durch Abscheidung von 700 nm PE-CVD-USG und anschließendem
Argon Sputterätzen. Die Kanten werden stärker angegriffen als Flächen und somit abgerundet.
Voidbildungen und Elektromigration der Metall1-Bahnen werden durch die Kantenabrundung
vermindert. Nun werden erneut 1400 nm USG abgeschieden und es wird die Schichtdicke gemessen.
Bei der BSG-Planarisierung werden zwei Mal 2,8 μm BSG bei 350°C abgeschieden. Es ist
bei diesen Temperaturen fließfähig und füllt kleine und tiefe Gräben mit Aspektverhältnissen von
bis zu 1 sehr gut aus.
Anschließend wird das BSG mit einer Selektivität von 1 zu SiO 2 plasmageätzt. Nun werden die
Oxiddicken zur Prozeßkontrolle nachgemessen. Dann werden noch einmal 400 nm USG und
1400 nm BSG abgeschieden und dann plasmageätzt. Abschließend müssen noch einmal die
Schichtdicken gemessen werden.
Da das BSG extrem hygroskopisch ist, müssen die Abscheidung und das Plasmaätzen im
Vakuum ohne zwischenzeitliche Zufuhr von Umgebungsluft erfolgen.
Das BSG zeigt gute Planarisierungseigenschaften an Gräben von maximal 20 μm Breite. Darüber
hinaus nimmt die Planarisierungswirkung schnell ab, weil das Fließvermögen von BSG begrenzt
ist. Somit wird nur im Pixelgebiet wirkungsvoll planarisiert. Der Planarisierungsprozeß mit BSG
erfordert einen erheblichen Entwicklungs- und Fertigungsaufwand. Durch geschickte Prozeßführung
und einen großen Meßaufwand ließen sich die Schichtdickeninhomogenitäten auf 150 bis
200 nm reduzieren.
Zusätzlich entstehen im CVD-Plasma Oxid-Keime. An diesen Keimen lagern sich weitere Moleküle
an und bilden Oxid-Partikel, die sich auf der Waferoberfläche niederschlagen. Dadurch ent-
47

3 Bildgebende Mikrosysteme
steht eine sehr rauhe und unebene Oxidoberfläche, die sich auf der Spiegelebene abbilden kann.
Mit Hilfe der BSG-Planarisierung im Zwischenoxid ist es möglich die Stufenhöhen bis auf Reststufen
von minimal 120 nm zu reduzieren. Die Durchlaufzeiten für die Planarisierung betragen
pro Los etwa eine Woche.
48
lokale Planarisierung
Vertical distance: 1,082 μm
globale BSG-Planarisierung
im Zwischenoxid
Vertical distance: 193,68 nm
Abbildung 3.9: Planarisierungen im Pixelgebiet mit BSG-Planarisierung
globale BSG-Planarisierung
über Metall 2
Vertical distance: 142,46 nm
Über der zweiten Metallebene muß noch einmal eine zu der ersten Metallebene analoge BSG-Planarisierung
durchgeführt werden. Hier wurde allerdings nur einmal Oxid abgeschieden und
anschließend zurückgeätzt.
Die Reststufen nach Durchführung des kompletten Planarisierungsprozesses betrugen 120 bis 150
nm. Sowohl die Höhe der Reststufen und die geringen Planarisierungslängen als auch die langen
Durchlaufzeiten, der erhebliche Meßaufwand, die kritische Prozeßführung und die Defekte und
Partikel des Oxides zeigen die Notwendigkeit einer alternativen Planarisierungsmethode.
Die genaue Prozeßführung beim CMP wird in Kapitel 5 ausführlich beschrieben. In Tabelle 3.1
ist ein Vergleich der aktuellen Ergebnisse der CMP-Planarisierung mit der BSG-Planarisierung
dargestellt. Der Hauptvorteil liegt in den um mehr als 50% verminderten Stufenhöhen im Pixelgebiet.
Die Oberflächenrauheit der Aluminiumfläche wird durch das Rückätzen des TiN, als
Antireflexionsschicht über dem Aluminium, festgelegt.
Da bei beiden Planarisierungsverfahren gleich zurückgeätzt wird, haben auch die Rauheiten den
gleichen Wert. Zu den Oberflächendefekten, Partikeln oder lokalen Schichtdickenschwankungen
können aus meßtechnischen und Kapazitätsgründen keine vollständigen Angaben gemacht werden.
Eine optische Kontrolle ergab allerdings geringere Partikelzahlen an den mit CMP prozessierten
Wafern.

3.2 Einordnung des CMP in die Hochvolt-CMOS Technologie
Anforderung Soll BSG-
Planarisierung
(Ist)
Reststufen nach ILD-Planarisierung
im Pixelgebiet
Reststufen nach Metall 2 Planarisierung
im Pixelgebiet
globale Schichtdickenschwankungen
lokale Schichtdickenschwankungen
im Pixelgebiet
Oxidzieldicke im ILD Zwischenoxid,
global
0 nm 100 - 200
nm
0 nm 80 - 150
nm
0 nm 150 - 200
nm
CMP
(Ist)
CMP-Maßnahmen zum Erreichen der
Anforderungen

3 Bildgebende Mikrosysteme
55,5 mm
50
27,5 mm
A BBBBA
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
C D D D D C
A B B B B A
Gebiet
A
B
C
D
Patternfaktor
nach
Met.1
30
37
34
58
nach
Met.2
31
81
76
88
Ritzrahmen
mit PATMOS
Y-Justiermarken
X-Justiermarken
Matrix
Abbildung 3.10: Gebiete mit gleichen topographischen Eigenschaften und Anordnung der
Matrizen auf dem Wafer.
Aus den Anforderungen ergaben sich folgende Entwicklungsziele, die in Kapitel 4 und Kapitel 5
bearbeitet werden.
- Wie kann allgemein die globale Uniformität optimiert werden?
- Bleibt die globale Uniformität am Matrixlayout erhalten?
- Wie groß sind die mittleren Abtragsraten am unstrukturierten Wafer und am konkreten Matrixlayout?
- Wie kann man die Reststufen nach CMP minimieren?
- Ist das Layout der Matrix für CMP geeignet? Wenn nicht, welche Änderungen sind am Layout
notwendig, um es für CMP zu optimieren?
- Können Planarisierungswirkung und der Einfluß von Layoutänderungen simuliert werden?
- Wie groß sind die Defekte und Partikelzahlen nach CMP und Reinigung?
- Wirkt sich das CMP nachteilig auf die elektrischen Parameter der Schaltung aus?
- Wie stark bilden sich neue Stufen an Stoplayern aus und durch welche Maßnahmen kann man
diese Stufen gering halten?
- An welchen Stellen müssen spezielle Meßfenster zur Prozeßkontrolle integriert werden?
- Kann die In-Situ Abtragsratenmeßeinrichtung der CMP-Anlage für die Endpunktdetektion
genutzt werden? Wie müssen dabei die Parameter eingestellt werden?

3.3 Prozeßkontrolle
3.3 Prozeßkontrolle
Die Prozeßkontrolle spielt beim CMP eine entscheidende Rolle. Dabei werden die verwendeten
Meß- und Kontrollverfahren um so anspruchsvoller, je komplizierter die Topographie und geringer
die Strukturweiten sind. Die Vielzahl der auf das CMP anwendbaren Prozeßkontrolleinrichtungen
zeigt Abb. 3.11. Die wichtigsten zu kontrollierenden Parameter sind die lokale
Schichtdicke, Schichtdickenhomogenität und die Stufenhöhe. In der Matrixtechnologie wird mit
Siliziumnitrid als Stoplayer zum Erreichen bestimmter Oxiddicken gearbeitet. Es dürfen keine
Oxidreste über dem Si-Nitrid stehenbleiben aber auch an besonders schnell polierenden Stellen
darf das Si-Nitrid noch nicht durchpoliert sein. Da die Si-Nitridschicht als Hilfsschicht möglichst
dünn gewählt wird, ergibt sich ein kleines Prozeßfenster (Abb. 3.12). Dieses zu ermitteln, ist eine
Aufgabe der Prozeßkontrollmaßnahmen.
Profilometer
spektrales Reflektometer
spektrales Ellipsometer
Vierspitzenmeßplatz
Oberflächeninspektionsgerät
CMP
Abbildung 3.11: Prozeßkontrolleinrichtungen für das CMP
Abtrag durch CMP
Patternfaktoren
klein groß
InSitu Abtragsmessung
Prozeßfenster
min
CMP max
CMP
Schräglichtplatz
Rasterkraftmikroskop
TXRF-Analyse
optisches Mikroskop
Raster-Elektronen-Mikroskop
PE-TEOS
Si 3 N 4
PE-TEOS
Abbildung 3.12: Prozeßfenster für Oxidpolieren mit Si 3N 4 als Stopschicht
Die Haupteinrichtung zum Messen von Oxidschichtdicken ist das spektrale Reflektometer vom
Typ „LEITZ MPV-SP“. In einem optischen Frequenzband von 400 nm bis 800 nm wird die relative
Intensität des an den Materialübergängen reflektierten Lichts gemessen und mit einer theoretisch
ermittelten Kurve überlagert. Anschließend werden die Parameter des theoretischen Modells
an die praktisch ermittelte Kurve angenähert und so die Schichtdicken auf dem Wafer ermittelt.
Zeit
51

3 Bildgebende Mikrosysteme
Der Meßbereich des spektralen Reflektometers liegt zwischen wenigen Nanometern und mehreren
Mikrometern. An dicken Schichten wird die Anzahl der Perioden des reflektierten Signals
gezählt und so die Dicke ermittelt. Bei ganz dünnen Schichten erreicht man keine volle Periode
und die Schichtdicken müssen über den Anstieg des Signals ermittelt werden. Die Größe des
Meßflecks des spektralen Reflektometers kann je nach Vergrößerung des Objektivs zwischen 100
x 100 μm 2 und 10 x 10 μm 2 liegen. Bei dem kleinen Meßfenster ist die reflektierte Lichtmenge
sehr klein, so daß die Auswertung des Signals oftmals ungenau ist. Mit dem spektralen Reflektometer
ist es möglich, Schichtstapel bestehend aus maximal zwei Schichten zu messen. Bekannt
sein muß dafür der Brechungsindex der Materialien und die Schichtdicke des unteren Materials.
Der Brechungsindex von Oxid liegt im betrachteten Wellenlängenbereich zwischen n = 1,454 und
n = 1,468 und der von Si 3 N 4 liegt zwischen n = 2,01 und n = 2,07.
Eine Messung dauert etwa 5 s je Meßpunkt und ist damit eine schnelle und komfortable Methode
flächendeckende Dickenmessungen mit mehr als 50 Punkten über den Wafer durchzuführen. Für
die Messungen müssen in das Schaltungsdesign spezielle Meßfenster eingefügt werden. Für einfache
und genaue Messungen sollten diese nur Oxidschichten über Silizium besitzen. Im Pixelgebiet
ist es nicht möglich, Meßfenster einzufügen. Deshalb befinden sich alle Meßfenster in den
Randgebieten und im Ritzrahmen. Die Anordnung und Anzahl ist in Kapitel 5 beschrieben. Auf
die Schichtdicken im Matrixgebiet läßt sich mit einer Stufenmessung von den Meßfenstern aus
ins Pixelgebiet folgern. Dazu braucht man Kenntnis von den darunterliegenden Schichtdicken der
Oxide, des Polysiliziums und der ersten Metallebene.
Stufenhöhen können mit dem Profilometer oder dem Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen
werden. Für Standardmessungen wird das Profilometer angewendet.
Es kann Stufen von bis zu 1 mm Höhe messen und hat eine maximale wiederholbare Auflösung
von 0,75 nm. Das Meßergebnis hängt beim Profilometer von dem Nadelradius, dem Öffnungswinkel
der Nadel, der Scangeschwindigkeit und der Auflagekraft ab.
An dem im FhG IMS eingesetzten Profilometer „Dektak V200SI“ wird für Standardanwendungen
eine Nadel von 2,5 μm Radius mit einem Öffnungswinkel von 60° eingesetzt. Mit dieser
Nadel lassen sich bei für das CMP üblichen Anfangsstufenhöhen von 1000 nm nach Gleichung 35
minimal l = 4,0 μm breite Gräben messen. Ein Stufenscan von 100 μm Länge dauert etwa 30 s. Je
länger die Scanzeit wird, um so höher wird die laterale Auflösung. Die Auflagekraft wurde mit
147 mN gewählt. Bei hoher Auflagekraft in weichen Materialien wie Aluminium kann die Nadel
Kratzer hinterlassen. Deshalb kann die Auflagekraft bis minimal 4,9 mN reduziert werden.
52
h
Meßspitze
l
α
r
α
2
Oxid mit
Stufe
1
h r -- 4r
2
2
=
– –
Abbildung 3.13: Eindringtiefe der Profilometernadel in den Graben
für h < 0,5r (35)
Für Stufenscans in schmaleren Gräben als 4 μm wird das AFM eingesetzt. Beim AFM werden die
atomaren Anziehungskräfte zwischen Materialoberfläche und der Meßnadel gemessen. Es erlaubt
höhere horizontale und vertikale Auflösungen als das Profilometer. Mit dem AFM lassen sich
l 2

3.3 Prozeßkontrolle
Flächenscans durchführen, so daß dreidimensionale Aufnahmen möglich werden. AFM Aufnahmen
dauern länger und sind deshalb auch teurer. Für die Messung von Oberflächenrauheiten vor
und nach CMP wird das AFM genutzt. Der Einsatz des AFM zur Prozeßkontrolle beim CMP ist
in den Artikeln [50], [51] und [52] beschrieben.
Ein wichtiges Instrument der Prozeßkontrolle beim CMP ist die Insitu 1 -Abtragsmessung. Dabei
kann direkt während des Polierens die Höhe des Abtrags festgestellt und beim gewünschten Zielwert
gestoppt werden. Bisher wurden viele Meßprinzipien zur Insitu-Abtragsratenmessung entwickelt.
Einige beruhen auf dem Erfassen von Parameteränderungen beim Erreichen eines
anderen Materials. Zu diesen Verfahren gehören die chemischen Sensoren oder die Motorstrommessung,
bei der der Motorstrom des Platens gemessen und dessen Änderung ausgewertet wird.
Die chemischen Sensoren detektieren die Veränderung der Ionenkonzentration im Abwasser
beim Übergang zu einem anderen Material.
In die CMP-Anlage von Applied Materials ist ein interferometrisches Abtragsratenmeßinstrument
integriert. Der Vorteil gegenüber den vorher beschriebenen Meßverfahren liegt in der Detektierung
von Abträgen in beliebigen Schichtstapeln, die nur für Infrarotlicht durchlässig sein müssen
[53]. Den Aufbau und die Funktionsweise des Endpunkterkennungssystems zeigt Abb. 3.14. In
dem unter dem Polierkopf rotierenden Platen befindet sich ein Meßfenster.
Der Start der Messung wird durch die Position des Platens getriggert und beginnt mit Eintritt des
Fensters unter den Kopf. Das gewonnene Signal ist dann ein Summensignal aus einer relativ großen
Fläche unter dem Wafer. Der eingesetzte Laser hat eine Wellenlänge von λ = 680 nm. Damit
entsteht an einem unstrukturierten Wafer ein periodisches Signal, dessen volle Periode (d peakpeak)
nach Gleichung 36 einem Abtrag im Oxid (n = 1,46) von δh = 233 nm entspricht. Es wird
eine Messung pro Umdrehung durchgeführt.
Für die Auswertung der Signale steht ein eigener Rechner zur Verfügung. Mit Hilfe der Nachbearbeitung
des Signals wie Filtern, Glätten und Mitteln kann das Signal in eine auswertbare Form
gebracht werden. Als Endpunktkriterien können Anstiege, Absolutwerte, Maxima und Minima
und die Kombination daraus genutzt werden. In Abb. 3.14 ist das Endpunktsignal eines Schichtstapels
aus Oxid, Siliziumnitrid und Aluminium gezeigt. In dem Diagramm ist in den ersten 250 s
deutlich der Abtrag des Oxides zu sehen. Um die volle Schicht abzutragen, hat das Signal also
vier volle Perioden durchlaufen. Somit hatte die abgetragene Oxidschicht etwa eine Dicke von
930 nm und die durchschnittliche Abtragsrate beträgt 233 nm/min.
dpeak – peak
=
λ
-----
2n
Der Reflexionsgrad von Siliziumnitrid ist geringer als der von Oxid. Deshalb sinkt auch die
Amplitude des Signals mit Eintritt ins Siliziumnitrid. Nach einer Polierzeit von 50 s und einem
Abtrag von 150 nm erfolgt der Eintritt ins Aluminium. Dieses Material zeichnet sich durch einen
hohen Reflexionsgrad aus. Weiterhin kann das Laserlicht nicht ins Aluminium eindringen und
das Signal befindet sich auf einer konstanten, sehr hohen relativen Intensität.
Nach Aufnahme einer solchen Kurve und entsprechenden Kontrollmessungen kann die Software
auf einen bestimmten Endpunkt hin angelernt werden, indem das Ende des Polierens an eine ganz
bestimmte Stelle der Kurve gelegt wird.
1. Insitu...während der Bearbeitung, Echtzeitdatenverarbeitung
(36)
53

3 Bildgebende Mikrosysteme
54
Abbildung 3.14: In Situ-Abtragsratenermittlung mit dem Endpunkterkennungssystem
Die Sichtkontrolle spielt eine wichtige Rolle nach dem CMP. An den Farben des Oxides im
Weißlicht läßt sich seine Dicke abschätzen. Das Polierergebnis an strukturierten Wafern kann
sofort qualitativ beurteilt werden. So erkennt man z.B. freigelegtes Metall unter einer TiN Schicht
an dem silbernen Glänzen. Partikelkontrollen sind im Schräglichtplatz möglich. Im Lichtmikroskop
lassen sich dann die Strukturen genauer untersuchen.
Partikel lassen sich mit dem Oberflächeninspektionsgerät (OIG) zählen und klassifizieren. Das
am Institut vorhandene OIG kann allerdings die Partikel nur an unstrukturierten Wafern messen.
Ein weiteres Kontrollgerät ist das Raster-Elektronen-Mikroskop „SEM525M/EDX“ der Firma
Philips. Mit ihm läßt sich durch Brechen der Wafer etwas über die Schichtstapel der Schaltungen
erfahren.
Eine Übersicht über die einzelnen Prozeßkontrollverfahren mit ihren technischen Daten und ihren
Einsatzgebieten zeigt Tabelle 3.2.
Meßbereich
Meßsystem an der „MIRRA“
Meßfenster
Laserlicht
opt.
Detektor
Platen
Kopf
Oxid Si 3N 4 Aluminium Erzeugung der Phasenverschiebungen
Platen
Pad
Oxid
SiN
Aluminium

3.3 Prozeßkontrolle
Prozeßkontrolleinrichtung
spektrales
Reflektometer
Typ vor
CMP
Leitz
MPV-SP
Profilometer Dektak
V200Si
AFM Veeco/
Nanoscope
III
Sichtkontrolle Schräglichtplatz
Licht
Mikroskop
Vierspitzenmeßplatz
Oberflächeninspektionsgerät
Nikon/
Optiphot200
Tencor/
Omnimap
RS35
Tencor/
Surfscan400
REM Philips
SEM525/
EDX
bei
CMP
nach
CMP
Meßbereich
x x 10 nm -
50 μm
max. Auflösung
/ MF Bemerkungen
1% für
MB>100 nm
x x 1mm 2,5 nm
Tabelle 3.2: Einsatzgebiete der Prozeßkontrolleinrichtungen beim CMP
min. Meßfleck: 10 x 10 μm 2 ,
spektr. Bereich: 400nm - 800 nm
x x 6 μm < 0,1 nm max. Bildfeld 512 x 512 μm 2 ,
x x - - dickenabhängige Farben des
Oxids, Homogenitäten, Partikel
x x - - 50 - 1000 fache Vergrößerung
x x
x 5 MΩ/
square
x 0,36μm 2 -
256μm 2 *
< 1% Bestimmung spez. Widerstand,
Bestimmung von Schichtdicken
über den Widerstand ist möglich
0,015μm 2 Partikelzählung, Klassifizierung
der Partikelgrößen in 8 Klassen,
* Lichtstreuquerschnitt
Der Ablauf des Planarisierungskomplexes hinsichtlich der Prozeßkontrollvorgänge ist in Abb.
3.15 dargestellt (siehe auch [54]). Vor dem CMP werden bereits Vormessungen von Schichtdikken
und Stufen durchgeführt. Während des CMP erfolgt eine Echtzeitauswertung der gesammelten
Abtragsdaten. Mit diesen Daten kann der Zeitpunkt des Polierstops ermittelt werden. Nach der
auf das CMP folgenden Reinigung werden erneute Stufen- und Schichtdickenmessungen durchgeführt.
Ist die Solldicke noch nicht erreicht, müssen die Wafer noch einmal poliert werden, ist
sie überschritten, muß erneut eine Schicht abgeschieden und anschließend noch einmal poliert
werden. Auf diesen Daten basierend werden das aktuelle Polierrezept und Endpunktprogramm
angepaßt. Hinsichtlich der Partikelzahlen werden regelmäßig Kontrollen durchgeführt, an denen
der Reinigungsprozeß überprüft wird.
-
20 nm bei
1μm Bildbreite
visuelle Kontrolle
TXRF-Analyse - x - - Analyse auf Metallkontamination
InSitu-Abtrags- AMAT
messung
MIRRA
Ellipsometer Sopra/
ES4G
x - 1nm Kontrolle des Abtrags während des
Polierens
x x 0 - 30μm MF ≤ 1% spektr. Bereich: 270nm - 800nm,
near Infrarot (NIR): 800-1800 nm
55

3 Bildgebende Mikrosysteme
Eingang
Planarisierungskomplex
56
Dicken- und
Stufen-
messungen
vor CMP
Abbildung 3.15: Standardprozeßablauf beim Chemisch Mechanischen Polieren
3.4 Prozeßequipment
CMP
Insitu-
Abtragsmessung
Für die Polierversuche und die Prozeßentwicklung stand die CMP-Anlage „Mirra“ der Firma
„Applied Materials“ zur Verfügung [56]. Die „Mirra“ hat einen maximalen Durchsatz von 60
Wafern/Stunde, bei einem mittleren Abtrag von 600 nm PE-CVD-Oxid je Wafer. Diese Anlage
besitzt drei 20 inch große Polierteller (Platen) und vier Polierköpfe (Heads). Die vier Polierköpfe
sind an einem Drehkreuz befestigt, so daß jeder Kopf über jeden Polierteller gedreht werden
kann. Anstelle des vierten Poliertellers ist eine Station zum Be- und Entladen der Wafer an den
Polierkopf eingebaut. Jeder Polierteller besitzt einen Padconditioner, mit dem während des Polierens
das Polierpad aufgerauht werden kann. Schematisch ist die Anlage in Abb. 3.16 dargestellt.
Die „Mirra“ ist eine „dry in“ und „wet out“ Anlage. Mit den drei Poliertellern kann ein Dreistufenpolieren
in einem Arbeitsgang erfolgen. In der Praxis wird der dritte Polierteller für eine Reinigung
der Wafer, das „Buffing“ genutzt. Auf diesem Polierteller wird der Wafer mit Wasser
poliert, das unter hohem Druck auf das Polierpad gesprüht wird. Die Anlage kann mit 150 mm
und 200 mm Wafern betrieben werden. Im vorderen Teil der Anlage befindet sich ein Wasserbekken,
in dem bis zu vier Kassetten untergebracht werden können. Die Ladestation erlaubt das Beund
Entladen des Wafers, während die anderen Wafer poliert werden. Um das Polierpad besser
auszunutzen, können die Köpfe beim Polieren zusätzlich eine lineare Bewegung ausführen.
Die CMP- Anlage wurde reinraumkompatibel konstruiert. Im FhG IMS Dresden ist sie in einer
„Through the wall“ Technologie eingebaut, so daß die Bedienung und Bestückung der Anlage
vom Reinraum aus erfolgt, die Köpfe und Polierteller sich aber im Servicebereich befinden. Die
Anlage besitzt ein ISRM 1 . Es erlaubt eine Echtzeit Prozeßkontrolle auf strukturierten Wafern. Es
enthält digitale Filter, um den Signal-Rauschabstand zu vergrößern. In der Software läßt sich ein
bestimmter Sollabtrag einstellen. In Versuchen wurde der Endpunkt wiederholbar mit einer
Genauigkeit von

3.4 Prozeßequipment
ten lassen sich universell bestücken. Die Anlage ist aufgrund ihrer Kompaktheit, der drei Polierteller,
ihrer Korrosionsbeständigkeit gegenüber Metallslurries und der umfangreichen
Einstellmöglichkeiten in der Software gut für den Einsatz in der Forschung und Entwicklung
geeignet.
Schiene für
Linearbewegung
Be-/Entladestation
Wafertransport
Roboter
Kassettenbecken
Polierteller
Polierkopf
Padconditioner
Drehkreuz
Reinraumwand
Abbildung 3.16: Schematischer Aufbau des CMP-Systems „Mirra“ im FhG IMS Dresden
Eine besondere Bedeutung hinsichtlich der Polierergebnisse haben die Polierköpfe. In Abb. 3.17
ist der schematische Aufbau eines Polierkopfs dargestellt. Der Polierdruck wird durch eine mit
Luft unter Druck gesetzte Gummimembran erzeugt. Gegen seitliches Verrutschen des Wafers
beim Polieren schützt der Retaining-Ring. Er drückt direkt auf das Pad. Da das Pad kompressibel
ist, kann der Wafer bei zu geringem Retaining-Ring-Druck seitlich unter dem Kopf hervorgleiten.
Der Retaining-Ring-Druck ist konstruktionsbedingt vom Membrandruck abhängig. Die Abhängigkeit
des Retaining-Ring-Drucks vom Membrandruck ist vom Anlagenhersteller vorgegeben
und in Gleichung 37 dargestellt. Deshalb müssen Restriktionen für das Verhältnis zwischen
Membrandruck P Membran und dem wirkenden Retaining-Ring-Druck P RRact eingehalten werden.
Das Verhältnis zwischen diesen beiden Größen (ratio) sollte nie kleiner als 0,44 werden (Gleichung
38). P RRappl ist der angelegte Retaining-Ring-Druck.
Retaining-
Ring
Wafer
P RRact
P RRappl
P Membran
Durchführung
Abbildung 3.17: Vereinfachter schematischer Aufbau des Polierkopfs
PRRact =
1, 188 × PRRappl – ( 1, 4023 × PMembran) Slurryversorgung
Balg
Gummimembran
Pad
(37)
57

3 Bildgebende Mikrosysteme
Zur Reinigung der Wafer nach dem CMP hat sich die mechanische Bürstenreinigung durchgesetzt.
Im FhG IMS Dresden steht ein doppelseitiger Bürstenreiniger „DSS-200“ 1 der Firma
Ontrak zur Verfügung [57]-[59].
Der Bürstenreiniger (Scrubber) besteht aus der Eingabestation, zwei Reinigungstationen (Brush
Station), einer Sprüh- und Trockenschleuderstation und der Ausgabestation (siehe Abb. 3.18).
Die Eingabestation wird manuell bestückt und die Waferkassetten sofort mit Wasser besprüht.
Mit Beginn der Programmabarbeitung durchlaufen die Wafer die zwei Bürstenreinigungen. Während
die Vorder- und Rückseite gereinigt werden, kann eine Lösung (NH 4OH) hinzugegeben
werden. Das erhöht besonders die Reinigungswirkung von hydrophoben Oberflächen. In der
nächsten Station erfolgt eine Spülung mit ultraschallmoduliertem Wasser (Megasonic). Bereits
hier wird der Wafer nur noch an den Kanten gehalten, um eine Kontamination an Vorder- und
Rückseite auszuschließen. Nun wird der Wafer mit einer voreinstellbaren Schleuderdrehzahl trokkengeschleudert.
Mit Hilfe eines Roboterarms wird der Wafer dann in die Ausgangskassette
gestellt.
An hydrophilen Oberflächen läßt sich mit DI-Wasser eine gute Reinigungswirkung erreichen. Bei
hydrophoben Oberflächen neigen die Bürsten dazu, die im Bürstenmaterial festgesetzten Partikel
an die Waferoberfläche abzugeben. Durch Zugabe von 0,5 - 4% NH 4OH können auch hydrophobe
Oberflächen, wie Silizium, gereinigt werden. Die Partikelzahlen von neuen, unprozessierten
Wafern befinden sich auch nach der Reinigung, mit etwa 10-20 Partikel >0,2 μm, auf dem
Niveau neuer Wafer.
Weiterführende Artikel zur Reinigung nach dem CMP befinden sich in [57]-[65].
58
P RRact
ratio=
----------------------
Kassetten
-eingabe
P Membran
Abbildung 3.18: schematischer Aufbau des DSS-200
1. DSS...Double Sided Scrubber
Brush 1 Brush 2 Sprüh- und
Schleuderstation
Kassettenausgabe
Bedienung
(38)

4.1 Statistische Versuchspläne
4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
In diesem Kapitel werden die Abhängigkeiten der Polierergebnisse anhand von praktischen Versuchen
nachgewiesen. An unstrukturierten Wafern werden die Einflüsse der Anlagenparameter
auf die Abtragsrate und die Inhomogenität spezifiziert. Die Aufgabe ist, einen möglichst stabilen
und reproduzierbaren Prozeß mit hohen Abtragsraten und geringer Inhomogenität zu erreichen.
Unter Nutzung der Ergebnisse aus den Tests an unstrukturierten Wafern werden die Planarisierungseigenschaften
von strukturierten Wafern untersucht. Dazu wurde ein hinsichtlich der Auswertbarkeit
optimiertes Testfeld erstellt.
Bei den Planarisierungseigenschaften interessieren besonders die Einebnung von Stufen und der
Gesamtabtrag nach vollständiger Planarisierung in Abhängigkeit von der Topographie. Die Ausbildung
von neuen Stufen an Stopschichten wird anschließend an zwei verschiedenen Polierpads
untersucht. Der Vergleich läßt generelle Aussagen zu den Vor- und Nachteilen weicher und harter
Pads zu.
Für die Versuche mit verschiedenen Polierpads wurde ein anderes Testfeld in Kooperation mit
Simec Dresden entwickelt. Die Versuche an den unstrukturierten Wafern und an den Stopschichtwafern
wurden mit Hilfe von statistischen Versuchsplänen geplant und ausgewertet. Dazu mußte
ein statistisches Modell gefunden werden, das die realen Polierergebnisse gut beschreibt. Ein
lineares Modell kann diese Anforderungen nicht erfüllen, so daß ein quadratisches Modell
gewählt wurde.
4.1 Statistische Versuchspläne
Zum besseren Verständnis des Einflusses von Maschinenparametern auf das Polierergebnis werden
statistische Versuchspläne, die man als DOE bezeichnet, aufgestellt. In diesen Versuchsplänen
wird mit einer relativ kleinen Anzahl von Versuchen eine bestmögliche Quantifizierung der
Einflüsse der Polierparameter erreicht. Auf diese Weise werden die Zielgrößen Abtrag und Inhomogenität
an unstrukturierten Wafern sowie die Ausbildung von Stufen an Stoplayern, Dishing,
Erosion und die Planarisierungswirkung an strukturierten Wafern untersucht. Die Eingangsparameter
sind Kopfdrehzahlen, Platendrehzahlen und Membrandruck. Weiterhin wird der Einfluß
verschiedener Padmaterialien auf die oben genannten Punkte untersucht. Dazu standen ein weiches
„SubaIV“ und ein hartes „IC1000/SubaIV“ Pad zur Verfügung.
An einen solchen Versuchsplan sind nach [24] folgende Anforderungen zu stellen:
- Die Anzahl der durchzuführenden Versuche soll möglichst gering sein.
- Die Berechnung der Koeffizienten bzw. Parameter des postulierten mathematischen Modells
muß möglich sein.
- Die Berechnung der Koeffizienten soll möglichst einfach sein.
- Der Versuchsplan soll so aufgebaut sein, daß ein hoher Grad der Adäquatheit gewährleistet wird
und somit nur geringe Modellfehler entstehen.
- Alle Variablen sollen gleichberechtigt sein (Drehbarkeit der Pläne).
59

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
- Der Versuchsplan soll gestatten, auch diejenige Kombination der Einflußgrößen zu bestimmen,
bei der die zu untersuchende Antwortfunktion Extremwerte annimmt.
- Das Modell soll möglichst genau die Erscheinungen in der Nähe dieser Extremwerte abbilden.
Die DOE‘s wurden auf eine quadratische Genauigkeit ausgelegt, das heißt, die Zusammenhänge
sind durch Funktionen 2. Ordnung beschrieben. Da bei den Ergebnisgrößen nicht von einer linearen
Antwortfunktion ausgegangen werden kann, stellen solche Versuchspläne den besten Kompromiß
zwischen Genauigkeit und vertretbarem Aufwand dar (Abb. 4.1).
60
1
x 3 x 2
-1
-1
-1 1
x1 1
Einheitsmatrix des stat. Versuchsplanes
Einheitsmatrix des stat. Versuchsplanes
mit „IC1000“ mit „SubaIV“
Typ: Orthogonal in Sphere mit 15 Versuchen Typ: Quadratic Design mit 13 Versuchen
a) b)
Abbildung 4.1: Grafische Darstellung der Versuchspläne mit a) IC1000 und b) SubaIV
Während man bei den Ergebnisgrößen Inhomogenität und Polierrate möglichst genaue Ergebnisse
erhalten möchte, sollen die Wechselwirkungen zwischen den Eingangsparametern gering
bleiben.
Mathematisch beschreiben läßt sich der Ansatz für die Wirkungsfläche allgemein durch ein
Regressionspolynom 2. Grades
k
∑
y = a0+ aixi + aijxix j + aiixi i = 1
k – 1
k
∑ ∑
i
j
i = 1
und im speziellen vorliegenden Fall mit k = 3 durch die Gleichung 40.
k
∑
2
mit i < j (39)
mit a 0 , a 1 , a 2 ,..., a 33 als zu schätzende Koeffizienten und x 1 , x 2 , x 3 als Eingangsparameter.
Man findet nach Bestimmung der Koeffizienten das Extremum der Funktion, indem man die
Funktion differenziert und die erste Ableitung gleich Null setzt. Man muß nun so viele partielle
Ableitungen bilden, wie das Polynom Unbekannte enthält. Die Anzahl der entstehenden Glei-
1
x3 0
1
0 x2 -1
-1 0
x1 1
-1
y =
a0+ a1x1 + a2x2 + a3x3 + a12x1x 2 + a13x1x 3 + a23x2x 3 + a x
11 1 + a22x2 +
2
2
2
a33x3 (40)

4.1 Statistische Versuchspläne
chungen ist gleich der Anzahl der Unbekannten (Faktoren). Für das Polynom 2. Grades mit 3
Unbekannten (Faktoren) ergibt sich:
∂y
∂x1
=
a1 + a12x2 + a13x3 + 2a11x1= 0
Analog dazu erfolgt die Ermittlung der Nullstellen für x 2 und x 3 .
Aus den so ermittelten Nullstellen lassen sich die x 1, x 2 und x 3 Werte für das Extremum errechnen.
Voraussetzung für eine sinnvolle Lösung ist, daß das reale Maximum innerhalb des untersuchten
Bereichs liegt. Es gibt nicht immer sinnvolle Extremwerte, interessant ist auch der prinzipielle
Verlauf der Wirkungsfläche.
Wird ein Faktor x variiert (dx), kann sich die Antwortgröße y um einen bestimmten Betrag (dy)
ändern, der ein Maß für Größe und Richtung der Wirkung ist. Dieser vorzeichenbehaftete Betrag
wird durch die Koeffizienten a beschrieben. Sie sind dann dimensionslos, wenn auch y dimensionslos
ist und beziehen sich auf die Einheitsmatrix der unabhängigen Versuche (Abb. 4.1). Für
den Praktiker ist der Koeffizient erst von einer bestimmten Antwortgröße an interessant. Man
spricht dann von der kleinsten relevanten Antwortgrößendifferenz [24].
Wird in linearen und in symmetrischen, orthogonalen quadratischen Versuchsplänen ein Koeffizient
nur durch den Einfluß einer einzigen Variablen x i hervorgerufen, handelt es sich um einen
linearen Hauptkoeffizienten a i . Der Koeffizient a 1 wird durch Änderungen des Faktors x 1 verursacht.
Der quantitative Ausdruck ist die Differenz zwischen dem Mittelwert aller Antworten auf
der oberen Stufe von x 1 und dem Mittelwert aller Antworten auf der unteren Stufe von x 1 (Gleichung
42).
∑
∑
ai =
xi ⋅ y⁄ ( xi) 2
Die Anzahl der Versuche auf der oberen Stufe (x i = 1) in Abb. 4.1b ist dieselbe wie die auf der
unteren Stufe (x i = -1), da dieser Versuchsplan symmetrisch ist.
In den Mittelpunktsversuchen (x i = 0) wird der Ausdruck (x i ∗y = 0). Somit haben die Mittelpunktsversuche
keinen Einfluß auf die Koeffizienten a i. Die Sternpunkte der Einheitsmatrix in
Abb. 4.1a wirken sich auf die Werte der Hauptkoeffizienten aus. Analog dazu werden die Haupteffekte
HE 2 und HE 3 berechnet.
Da hier mehrere Wechselwirkungsgrößen vorhanden sind, können auch Wechselwirkungseffekte
(WE) entstehen. Dabei handelt es sich um kombinierte Einflüsse auf die Antwortgröße, die genau
wie die Haupteinflüsse Ursache für Effekte sein können und sich in der Änderung des Versuchsergebnisses
widerspiegeln. Ein Wechselwirkungseffekt tritt nur dann auf, wenn die Haupteffekte
nicht additiv sind, d.h., wenn der Effekt bei gleichzeitiger Änderung zweier Faktoren nicht gleich
der Summe aus HE 1 und HE 2 ist, oder anders ausgedrückt, wenn der Effekt eines Faktors von der
Stufe eines anderen Faktors abhängt.
Bei gleichzeitiger Änderung von x 1 und x 2 kann der beobachtete Effekt sowohl größer als auch
kleiner als die Summe der Haupteffekte sein. Der Wechselwirkungseffekt kann somit positiv als
(41)
(42)
61

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
auch negativ sein. Er ist symmetrisch. Ist beispielsweise ein negativer Wechselwirkungseffekt
gefunden worden, sind zwei gleichberechtigte Aussagen möglich:
- Der Faktor x 1 erzeugt auf der unteren Stufe des Faktors x 2 einen größeren Effekt als auf der oberen
Stufe von x 2 .
- Der Faktor x 2 erzeugt auf der unteren Stufe des Faktors x 1 einen größeren Effekt als auf der oberen
Stufe von x 1 .
Als quantitative Aussage gilt: Der WE 12 ist die halbe Differenz zwischen dem Effekt 1 auf der
oberen Stufe von x 2 und dem Effekt 1 auf der unteren Stufe von x 2 (auch die symmetrische Aussage
ist möglich).
Wechselwirkungseffekte:
Bei einem guten Design sollten die 2-Faktor-Wechselwirkungseffekte merklich kleiner sein als
die wesentlichen Haupteffekte.
Weiterführendes dazu ist in [24] nachzulesen.
In den hier verwendeten Versuchsplänen sind 3-5 Centerpoints vorhanden. Dieses System ist
überbestimmt. Die Koeffizienten der quadratischen Komponenten a 11, a 22 und a 33 können, wie
die anderen Koeffizienten übrigens auch, am einfachsten rechentechnisch durch Minimierung der
Summe der Abweichungsquadrate (S 2 ) ermittelt werden (Gleichung 44). Ein Verfahren dazu von
Choleski ist in [26] beschrieben.
Die Koeffizienten der Matrix sind ermittelt, wenn S 2 minimal wird. Die Antwortgrößen y ber und
y gem sind die berechneten und die gemessenen Antwortwerte. Anhand der Abweichungsquadrate
läßt sich die Güte des Modells allgemein und die Genauigkeit der berechneten Einzelwerte
bestimmen.
62
a ij
S 2
=
=
( ∑xi
xjy) ( xixj ) 2
⁄ ∑
( yber – ygem) 2
∑
(43)
(44)

4.2 Abtragsmechanismen an unstrukturierten Wafern
4.2 Abtragsmechanismen an unstrukturierten Wafern
4.2.1 Analytische Beschreibung des Abtrags an unstrukturierten Wafern
Es wird das Polieren von unstrukturierten Wafern mit Oxidoberfläche betrachtet. Die wesentlichen
Ergebnisgrößen für das Polieren an unstrukturierten Wafern sind die Polierrate und die Inhomogenität.
Des weiteren ist das Randverhalten von großer Bedeutung für die Ausnutzung der
Waferoberfläche und somit der Ausbeute [68].
Für das Polieren von Glas hat Preston [25] die bereits in Kapitel 2.3 vorgestellte Gleichung 7
Δh
RR ------ K
Δt pP Δs
= =
-----
Δt
aufgestellt. Der Prestonkoeffizient K p beinhaltet materialspezifische Parameter.
Dieser Ansatz ist ein makroskopischer rein mechanischer linearer Ansatz. Die Gleichung
beschreibt die Abtragsrate für Oxid-CMP bei mittleren Drehzahlen und Drücken recht genau.
Ungenauigkeiten entstehen erst bei sehr geringen Drücken und hohen Drehzahlen. Der Anstieg
der Abtragsrate nimmt bei hohen Drehzahlen ab, wie auch anhand der folgenden experimentellen
Untersuchungen gezeigt. Dieser Effekt ist auf ein Hydroplaning (s. Kap. 2.3) zwischen Wafer und
Padmaterial zurückzuführen. Der mechanische Abtrag wird geringer und es wirkt hauptsächlich
die chemische Komponente. Diese ist allerdings beim Oxidpolieren vernachlässigbar klein.
4.2.2 Polieren unstrukturierter Wafer
Zum Kennenlernen der Einflüsse von Änderungen an Polierdruck, Kopf- und Platendrehzahlen
sowie des Retaining-Ringes auf Abtrag und Inhomogenität eignen sich am besten unstrukturierte
oxidbeschichtete Wafer. Ein stabiler, qualitativ guter und schneller Prozeß ist Voraussetzung zur
Entwicklung einer Planarisierungstechnologie. Um mit möglichst wenigen Versuchen umfangreiche
Aussagen über das Polierverhalten der Maschine machen zu können, wurde der in Kapitel 4.1
beschriebene statistische Versuchsplan aus Abb. 4.1a) angewendet. Als veränderliche Größen
wurden die Platendrehzahl, der Membrandruck, die Kopfdrehzahl und der Retaining-Ring-Druck
festgelegt. Das genaue Design und die Ergebnisse des statistischen Versuchsplanes sind in
Anlage B tabellarisch dargestellt. Zur besseren Polierpadausnutzung führt der Polierkopf während
des Polierens eine Sweepbewegung aus.
Vorbereitend wurden die Wafer mit 2000 nm PE-TEOS Oxid beschichtet. Diese Oxiddicke reicht
aus, um bei der gewählten Polierzeit ein Polieren bis ins Silizium zuverlässig zu vermeiden. Die
Ausgangsinhomogenitäten der Schichtdicke innerhalb der Wafer sind mit σ < 2,0 % (54 Punkte-
Messung) akzeptabel. Das Polierpad ist ein „IC1000/SUBAIV“ Pad. Es ist ein relativ hartes, für
Oxid-CMP angewendetes Standardpad. Als Slurry wurde die „SS12“ der Firma Cabot genutzt.
Die Polierzeit beträgt bei allen Versuchen einheitlich 240 s.
63

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
4.2.2.1 Abtrag an unstrukturierten Wafern
Die mittlere Abtragsrate an unstrukturierten Wafern ist immer geringer als die von strukturierten
Wafern. Die Raten an Stegen oder Gräben nähern sich mit abnehmender Stufenhöhe der Rate von
unstrukturierten Wafern an.
Die Prozeßzeiten und -kosten können durch eine hohe Abtragsrate verringert werden. Allerdings
hat man nur ein kleines Zeitfenster zur Verfügung, um bei der richtigen Schichtdicke zu stoppen.
Die Prozeßkontrolle gestaltet sich also mit steigender Abtragsrate schwieriger.
Von welchen Faktoren die Abtragsrate am stärksten beeinflußt wird, zeigt der normierte Effekt
auf den Abtrag in der Abb. 8.2 in Anlage B. Platendrehzahl und Membrandruck haben etwa
gleichwertig den größten Einfluß. Sowohl die Kopfdrehzahl und der Retaining-Ring-Druck als
auch die Wechselwirkungen zwischen den Größen zeigen Effekte, die nur 1/10 bis 1/20 so groß
sind. Deshalb können sie in der Praxis vernachlässigt werden.
Die Polierergebnisse stimmen also mit der Prestongleichung, in der nur Druck und Drehzahl
berücksichtigt werden, sehr gut überein. Die Abhängigkeiten der Abträge sind in Abb. 4.2 dargestellt.
Der quadratische bzw. achteckige Rahmen stellt den Bereich dar, in dem das Modell mit
einem Fehler von weniger als 5,8 % rechnet. Die konstanten Polierparameter wurden so gewählt,
um damit praxisnah die Polierergebnisse zeigen zu können.
64
Kopfdrehzahl [rpm]
a)
Abtrag in nm
Platendrehzahl [rpm]
Parameter: Membrandruck = 4,5 psi
Ret-Ring act. = 3.1 psi
1050
1120
Ret-Ring act. [psi]
Abtrag in nm
Membrandruck [psi]
Parameter: Platendrehzahl = 63 rpm
b)
Kopfdrehzahl = 57 rpm
Abbildung 4.2: Kennlinienfelder des Abtrags nach 3 min Polierzeit a) abhängig von Kopf-
und Platendrehzahl und b) von Membran- und Retaining-Ring-Druck
Der lineare Zusammenhang zwischen Membrandruck und Abtrag ist in Abb. 4.2b demonstriert.
Eine Nichtlinearität zwischen Abtrag und Platengeschwindigkeit ist bei Drehzahlen von mehr als
100 rpm in Abb. 4.2a zu erkennen. Mit steigender Drehzahl steigen die Abträge unterproportional
der Drehzahl. Dieser Effekt ist auf den in Kapitel 2.3.1 beschriebenen Hydroplaning Modus
zurückzuführen.

4.2 Abtragsmechanismen an unstrukturierten Wafern
Bei hohen Geschwindigkeiten beginnt der Wafer zunehmend zu schwimmen und die Abtragsrate
steigt langsamer. In Abb. 4.2a ist ein um rund 70 nm geringerer Abtrag bei hohen Kopfdrehzahlen
als bei geringen Kopfdrehzahlen und konstanten Platendrehzahlen von 100 rpm zu beobachten.
Zusätzliche Untersuchungen zeigten, daß dieser Sachverhalt als Modellfehler zu betrachten ist.
Bei tatsächlichen Polierversuchen stieg der Abtrag mit steigenden Kopfdrehzahlen leicht an.
4.2.2.2 Inhomogenitäten an unstrukturierten Wafern
Noch wichtiger als eine stabile Abtragsrate sind geringe Inhomogenitäten in der Abtragsrate. Die
Kennlinienfelder für die Inhomogenitäten sind in den Abb. 4.3 bis Abb. 4.5 dargestellt. Um das
Randverhalten charakterisieren zu können, ist der Randausschluß nur mit 2,5 mm gewählt worden.
Das erklärt auch die relativ großen Werte der Inhomogenitäten. Bei größeren Randausschlüssen
von 5 bis 8 mm werden Inhomogenitäten der Abtragsrate kleiner als 3 % erreicht. Die 20
Punkte-Messungen erfolgten über den Radius des Wafers parallel zum Flat.
In Abb. 4.3 wurde mit geringen Kopf- und Platendrehzahlen gearbeitet. Die niedrigste Inhomogenität
von σ < 5,4 % stellt sich bei Membrandrücken über 4,0 psi und Retaining-Ring-Drücken
unter P RRact = 3,8 psi ein. Die hohen Membrandrücke können aber die Gummimembran zerstören.
Die absolute Obergrenze für 6 Zoll Wafer liegt bei P Membran = 5 psi.
Bei geringen Retaining-Ring-Drücken, besonders in Verbindung mit hohen Membrandrücken,
besteht die Gefahr, daß der Wafer unter dem Kopf hervorgleitet (siehe auch Kapitel 3.4). Hier
ergibt sich ein unzuverlässiges Prozeßfenster mit relativ starken Gradienten. Abb. 4.4 zeigt das
Kennlinienfeld bei mittleren Drehzahlen. Hier wird die niedrige Inhomogenität von σ < 5,6 % bei
hohen Retaining-Ring-Drücken in einem weiten Bereich des Membrandrucks erreicht. Sehr hohe
Retaining-Ring-Drücke können aber den Slurrytransport unter den Wafer vermindern. Die Prozeßsicherheit
ist groß, weil keine für die Maschine kritischen Parameter eingestellt werden müssen.
Auch das Prozeßfenster ist relativ groß, weil im Arbeitsbereich mittlerer Drehzahlen die
Gradienten relativ gering sind.
Bei höheren Drehzahlen wird die Homogenität bei ansonsten gleichen Parametern schlechter
(Abb. 4.5). Für mittlere bis hohe Geschwindigkeiten gilt: Sowohl die Drücke als auch die
Geschwindigkeiten können um ±10 % variieren, ohne daß sich die Homogenität merklich ändert.
In Anlage B, Abb. 8.3 sind die normierten Effekte auf die Homogenität dargestellt. Es gibt keinen
Parameter, der einen besonders großen Effekt hervorruft. Am größten sind die Effekte von Kopfdrehzahl,
Retaining-Ring-Druck und Platendrehzahl. Die anhand des Statistikmodells errechneten
Werte stimmen mit den gemessenen annähernd überein, wie Tabelle 8.1 in Anlage B zeigt. Die
Fehler liegen größtenteils unter 7 %. Allerdings sind auch 3 Ausreißer mit Fehlern von mehr als
20 % zu sehen.
65

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
66
Retainingringdruck [psi]
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Berechnetes Kennlinienfeld
6,8
7,0
6,2
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Membrandruck [psi]
6,0
5,4
5,2
Kopfgeschwindigkeit: 35 rpm Platengeschwindigkeit: 40 rpm
Inhomog. in %
4,6
4,8
5,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
6,6
6,8
7,0
7,2
Abbildung 4.3: Kennlinienfeld bei geringen Drehzahlen mit kleinem Prozeßfenster bei
kritischen Parametern
Retainingringdruck [psi]
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Berechnetes Kennlinienfeld
8,0
7,0
6,8
6,4
5,4
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Membrandruck [psi]
Abbildung 4.4: Kennlinienfeld mit großem Prozeßfenster bei mittleren Drehzahlen und
geringen Inhomogenitäten
5,6
6,0
Abbildung 4.5: Kennlinienfeld mit Prozeßfenster bei hohen Retaining-Ring-Drücken und
hohen Drehzahlen
5,8
Kopfgeschwindigkeit: 57 rpm Platengeschwindigkeit: 63 rpm
Retainingringdruck [psi]
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Berechnetes Kennlinienfeld
8,0
5,6
7,0
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Membrandruck [psi]
5,8
5,6
6,0
Kopfgeschwindigkeit: 70 rpm Platengeschwindigkeit: 70 rpm
5,0
4,6
Inhomog. Uniformität in %
5,4
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
7,8
8,0
Inhomog. Uniformität in %
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
7,8
8,0
8,2

4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
In Abb. 4.6 sind die Abhängigkeiten der Inhomogenitäten von Kopf- und Platendrehzahl bei verschiedenen
Membrandrücken dargestellt. Hier ist zu erkennen, daß der Membrandruck eine untergeordnete
Rolle für die Wahl der Poliergeschwindigkeiten hat. Der Membrandruck zeigt
praktisch keinen Einfluß auf die optimale Kopfdrehzahl, die Platendrehzahlen sollten bei vermindertem
Membrandruck erhöht werden. Das Prozeßfenster ist bei dem niedrigen Membrandruck
von P Membran = 2,5 psi hinsichtlich der Drehzahlen als günstiger zu betrachten.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich bei Membrandrücken von P Membran = 3,5 psi, hohen
Retaining-Ring-Drücken von P RRact > 5,5 psi, Kopfdrehzahlen von 55 rpm und Platendrehzahlen
von 60 - 80 rpm die geringsten Inhomogenitäten bei einem großen Prozeßfenster ergeben.
Kopfdrehzahl [rpm]
a)
100
50
Inhomogenität [%]
6,4
50 100
Platendrehzahl [rpm]
8,0
7,2
Platen = 61.57 rpm Kopf = 55.45 rpm
Wert Untergrenze Obergrenze
5.49 1.52 9.46
Parameter: Membrandruck = 4,5 psi
Ret-Ring act. = 6,0 psi
Abbildung 4.6: Kennlinienfelder der Inhomogenität des Abtrags mit optimalen Werten bei a)
4,5 psi Membrandruck und b) 2,5 psi Membrandruck
4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
Kopfdrehzahl [rpm]
b)
Ziel der Messungen von Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern ist es, die Planarisierungsmechanismen
genauer kennenzulernen und Regeln für die CMP-gerechte Designerstellung
zu finden. Für das Festlegen der abzuscheidenden USG-Schichtdicke für definierte Stufenhöhen
muß die Höhe des Gesamtabtrags bis zur vollständigen Planarisierung bekannt sein.
100
50
8
Inhomogenität [%]
7
6
50 100
Platendrehzahl [rpm]
Platen = 77.60 rpm Kopf = 54.51 rpm
Wert Untergrenze Obergrenze
5.35 1.37 9.33
Parameter: Membrandruck = 2,5 psi
Ret-Ring act. = 6,0 psi
67

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
Die normierte Planarisierung 1 ist abhängig von den Patternfaktoren und den Grabenbreiten.
Die Stufenhöhen sind ein weiteres Kriterium zur Festlegung der Dicke des abzuscheidenden Oxides.
Bei abzuscheidenden Oxiddicken von mehr als 2 μm ist zu überlegen, ob ein Zweistufenprozeß
mit zweimaligem Abscheiden und Polieren günstiger ist. Da im Planarisierungsprozeß der
Lichtventilmatrix nur USG-Oxidstufen planarisiert werden, sind auch die Untersuchungen besonders
auf dieses Material ausgerichtet. Abhängig von den Patternfaktoren in einem gemischten
Layout sind unterschiedliche Gesamtabträge zu erwarten. Meist wird jedoch eine konstante
Schichtdicke über den Chip und weiterführend über den gesamten Wafer verlangt. Diese kann nur
durch ein CMP-gerechtes Design erreicht werden. Untersuchungen zum mittleren Gesamtabtrag
sollen helfen, Layoutoptimierungen an der großen Lichtventilmatrix vorzunehmen.
4.3.1 Testfeld zur Ermittlung der Planarisierungseigenschaften
Zur Optimierung des Polierverhaltens von komplexen Schaltungen ist es notwendig, das Chemisch
Mechanische Polieren bereits im Vorfeld an von den Poliereigenschaften ähnlichen, leicht
und billig herzustellenden Testscheiben durchzuführen. Die Kombination von verschiedenen Stufenhöhen
sollte möglich sein, wie sie zum Beispiel bei den Ebenen Polysilizium und Metall 1 auftreten.
Damit können layoutspezifische Schwächen bereits im Vorfeld aufgedeckt, analysiert und
beseitigt werden. Um neue Verbrauchsmaterialien wie hochselektive Slurries oder neue Pads mit
besseren Planarisierungseigenschaften einführen zu können, muß ein vergleichbarer Testalgorithmus
erstellt werden.
Desweiteren muß an der CMP-Anlage in regelmäßigen Abständen die Konstanz der Polierparameter
und Ergebnisse überprüft werden. Dazu bieten sich klar strukturierte Testscheiben und ein
fest definierter Testalgorithmus an.
An ein zu entwickelndes Testfeld sind folgende Ansprüche zu stellen:
- universelle Einsetzbarkeit im ILD- STI- oder Polyprozeß
- Ermittlung von strukturabhängiger Uniformity, Abtrag und Planarisierung
- geringe bis keine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Testblöcke
- Meß- und Auswertbarkeit der Stufen vor und nach Planarisierung
- Meß- und Auswertbarkeit der Oxiddicken vor und nach Planarisierung
- Möglichkeit der Herstellung großer Flächen mit gleichen Patternfaktoren oder Grabenbreiten mit
dem Waferstepper
- mindestens 4 verschiedene Grabenbreiten mit je 4 verschiedenen Patternfaktoren (besser 5), zur
sinnvollen Darstellung von Kurven
- Ausnutzung des maximalen Bildfeldes von 17,5*17,5 mm 2 des Wafersteppers
1. Die normierte Planarisierung ist die normierte Reststufenhöhe nach Abtrag der Ausgangsstufenhöhe am Steg. Bei
idealer Planarisierung würde der Wert Null, ohne Planarisierung Eins werden.
68

4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
Das unter Berücksichtigung der oben genannten Anforderungen entwickelte Testfeld, dargestellt
in Abb. 4.7, hat folgende Eigenschaften und Merkmale:
- jeden von 4 Patternfaktoren gibt es mit mindestens 4 Grabenbreiten (siehe Tabelle 4.1)
- jeden von 4 Patternfaktoren gibt es mit mindestens 4 Stegbreiten
- jede von 4 Grabenbreiten gibt es mit mindestens 4 Stegbreiten und eine Grabenbreite mit 3 Stegbreiten
- die Meßfenster von 50 µm x 50 µm für Oxiddickenmessungen (spektrales Reflektometer mit 50
facher Vergrößerung) sind in die Blöcke integriert
- außer den 1,7 µm breiten Gräben (3 Stk.) sind alle Stufen mit dem Profilometer meßbar
- zur Vereinfachung bei ausreichender Genauigkeit wurden die kleinsten Stege und Gräben zu
1,7 µm statt 1,67 µm (5/3µm) definiert
- die einzelnen Blöcke sind zu größeren Flächen zusammenstepbar, deshalb können beliebige
Waferlayouts erstellt werden
- geringe gegenseitige Beeinflussung benachbarter Testblöcke durch breite Stege (200 µm)
- Ordnung von kleinen Steg- und Grabenbreiten zu großen Steg- und Grabenbreiten von links
oben nach rechts unten, um Blöcke mit ähnlichen Poliereigenschaften in einem Bereich zu
haben
- von einer Blockzeile / -spalte zur nächsten werden maximal 2 Grabenbreiten übersprungen
- die Zeilen wurden mit konstanten Grabenbreiten und die Spalten mit konstanten Patternfaktoren
belegt
- Anordnung der Meßfenster genau in der Mitte der Blöcke im Graben
- Justiermarken zur Retikel- und Chipjustage bei Mehrebenenbelichtung
A
B
C
17200
D
E
900
Dunkelmaske mit Teststrukturen
1 2 3 4
5/45
1,7/1,7 5/1,7 15/1,7
1,7/5 5/5 15/5 45/5
5/15 15/15 45/15 135/15
45/135 135/135 405/135
15/135
15/45 45/45 135/45 405/45
17400
Abbildung 4.7: Maske mit Design des Testfeldes (alle Maße in μm)
Meßfenster
2
50 x 50 µm
Block
4100 x 3200 µm 2
Chromstege
Steg/Graben
Justiermarken
69

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
70
Graben/PF 0,9 0,75 0,5 0,25 0,1
1,7 1,7 5 15
5 1,7 5 15 45
15 5 15 45 135
45 5 15 45 135 405
135 15 45 135 405
Tabelle 4.1: Stegbreite in Abhängigkeit von Grabenbreite und Patternfaktor (alle Maße in
μm)
4.3.2 Abtragsmechanismen in Topographien
Das in Kapitel 4.3.1 vorgestellte Testfeld wurde zu Planarisierungsexperimenten verwendet. Die
Ausgangsstufen betragen 700 nm. Die Abträge sind an den Stegen größer als im Graben. Nur
dadurch kommt eine planarisierende Wirkung zustande. Die Gesamtabträge nach vollständiger
Planarisierung bei unterschiedlichen Polierdrücken an Stegen und Gräben sind in den Abb. 4.8
und Abb. 4.9 dargestellt. Die zeitliche Entwicklung des Abtrags als Funktion von verschiedenen
Patternfaktoren und Polierdrücken ist in Anlage C in Abb. 8.6 und Abb. 8.7 dargestellt. In Abb.
4.8 zeigt sich der Abtrag völlig unabhängig von den Steg- und Grabenbreiten bei konstantem Patternfaktor,
da bei jedem Patternfaktor mehrere Kombinationen aus Steg- und Grabenbreiten ausgewertet
wurden. Der Abtrag ist nur abhängig vom Patternfaktor. Während in den Gräben der
Gesamtabtrag bei einem Patternfaktor von 0,1 und 4,5 psi Polierdruck nach 240 s etwa 450 nm
beträgt, ist er bei Patternfaktoren von 0,9 nur etwa 180 nm. Geht man nach dieser Polierzeit von
vollständig planarisierten Stufen aus, haben sich zwischen den Blöcken mit minimalem und
maximalem Patternfaktor Höhenunterschiede von 270 nm herausgebildet.
Die Abträge sind im betrachteten Gebiet annähernd linear abhängig vom Patternfaktor. Das zeigen
auch die linearen Trendlinien in Abb. 4.8. Diese Höhenunterschiede zwischen Gebieten mit
gleichen Abtragseigenschaften sind beim Planarisieren von komplexen Strukturen ein zentrales
Problem und werden sich auch beim Planarisieren der Lichtventilmatrix wiederfinden. Ein Weg
zur Minimierung der Höhenunterschiede zwischen Gebieten mit extremen Unterschieden im Füllungsgrad
ist die Minimierung des Polierdrucks.
Bei vergleichbaren Reduzierungen der Stufenhöhe (hier Polieren bis zur vollständigen Beseitigung
der Stufen) reduzieren sich die Höhenunterschiede bei einem Polierdruck von 1,5 psi auf
etwa die Hälfte, nämlich 500 nm-360 nm = 140 nm. Die Reduzierung des Polierdrucks auf ein
Drittel hat aber einen entscheidenden Nachteil. Die Polierzeiten und die Prozeßkosten erhöhen
sich auf das Dreifache. In der Forschung und Entwicklung sind solche Polierzeiten vertretbar, in
der Produktion ist der Kostenfaktor das wichtigere Entscheidungskriterium. Die beschriebenen
Höhenunterschiede sind selbst bei geringen Polierdrücken noch zu groß, um eine optisch homogene
Oberfläche an der Lichtventilmatrix zu erhalten.
Aus den Abbildungen geht noch eine weitere Möglichkeit der Schichtdickenangleichung hervor.
Schränkt man sich bei der Gestaltung des Schaltungsdesigns auf einen engen Bereich von Patternfaktoren
ein, werden die Höhenunterschiede minimiert. In welchem Bereich der Patternfaktoren

4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
man sich dabei befindet, ist von untergeordneter Bedeutung und kann von anderen Faktoren
abhängig gemacht werden. In Abb. 4.8 und Abb. 4.9 wurden die Polierzeiten bei unterschiedlichen
Polierdrücken so gewählt, daß sich nach der Prestongleichung überall gleiche Abträge ergeben
müßten.
Abtrag in nm
600
500
400
300
200
100
0
Abtrag im Graben nach vollständiger Planarisierung als Funktion des Patternfaktors bei
unterschiedlichen Polierdrücken und normierten Zeiten
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50
Patternfaktor
0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
4,5 psi 3,5 psi 2,5 psi 1,5 psi
Linear (4,5 psi) Linear (3,5 psi) Linear (2,5 psi) Linear (1,5 psi)
Abbildung 4.8: Abtrag im Graben nach vollständiger Planarisierung bei unterschiedlichen
Polierdrücken
Abtrag in nm
1300
1200
1100
1000
900
800
700
Abtrag am Steg nach vollständiger Planarisierung als Funktion des Patternfaktors bei
unterschiedlichen Polierdrücken und normierten Zeiten
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50
Patternfaktor
0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
4,5 psi 3,5 psi 2,5 psi 1,5 psi
Linear (4,5 psi) Linear (3,5 psi) Linear (2,5 psi) Linear (1,5 psi)
Abbildung 4.9: Abtrag am Steg nach vollständiger Planarisierung bei unterschiedlichen
Polierdrücken
71

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
In Abb. 4.10 und Abb. 4.11 sind die zeitlichen Abhängigkeiten der Abtragsraten gezeigt. Während
bei kleinen Patternfaktoren am Steg anfangs sehr hohe Abtragsraten auftreten, die dann
schnell nachlassen, ist bei großen Patternfaktoren von 0,75 und 0,9 selbst zu Beginn des Polierens
nur eine geringe Erhöhung zu sehen. Alle Abtragsraten an den Stegen und in den Gräben nähern
sich nach ausreichend langer Zeit der Polierrate von unstrukturiertem Oxid. Diese liegt hier bei
etwa 170 - 180 nm/min.
Bei kleinen Patternfaktoren ist der Flächenanteil an hochliegenden Gebieten klein und die durch
den Druck des Polierkopfes auf diese Flächen wirkenden Kräfte werden betragsmäßig groß. Deshalb
treten bei kleinen Patternfaktoren hohe Abträge auf, die zu einer schnellen Reduzierung der
Stufen führen. Im Block A1 ist die Abtragsrate bereits nach 100 s sowohl im Graben als auch am
Steg konstant, woraus ein vollständiger Abbau der Stufen geschlußfolgert werden kann. Je größer
der Patternfaktor ist, um so geringer sind die Anfangsabtragsraten am Steg und um so länger bleiben
sie relativ hoch.
Im Bereich zwischen 30 s und 60 s ist ein Ansteigen der Abtragsraten am Steg zu beobachten.
Dieser Anstieg ist durch das Hochlaufen der Drehzahlen und Drücke der Anlage bedingt. Die
Anlaufphase der Maschine kann bis zu 50 s betragen. Das Polierpad muß in dieser Zeit vollständig
mit Slurry benetzt werden, um konstante Polierraten zu erhalten.
72
Abtragsrate in nm/min
1200
1000
800
600
400
200
Entwicklung der Abtragsraten bei verschiedenen Patternfaktoren am Steg
0
0 20 40 60 80 100
Zeit in s
120 140 160 180 200
BlockA1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 BlockB4, 45/5, PD=0,9
BlockC1, 5/15, PD=0,25 Block C2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 4.10: momentane Abtragsraten bei verschieden Patternfaktoren am Steg und einem
Polierdruck von 4,5 psi
Im Graben ist genau die gegenläufige Tendenz zum Polierverhalten am Steg zu beobachten (Abb.
4.11). In den Blöcken mit kleinen Patternfaktoren ist von Beginn an die Polierrate relativ hoch,
weil der größte Flächenanteil im Graben liegt. Die Polierrate nähert sich dann auch schon nach
kurzer Zeit (100 s) einer konstanten Rate. Bei großen Patternfaktoren erfolgt die Annäherung der
Polierrate an einen konstanten Betrag sehr viel langsamer. Nach den hier gezeigten 180 s Polierzeit
haben sich alle Polierraten dem konstanten Wert angenähert. Die Gesamtabträge h am Steg
und im Graben lassen sich zeitabhängig analytisch durch die Gleichung 45 beschreiben, wobei
die momentane Abtragsrate RR mom von der Zeit abhängt.

4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
Abtragsrate in nm/min
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
t 1
∫
h = RRmom()t t d
t 0
mit RR mom = f(t) (45)
Abtragsratenentwicklung am Graben
0 20 40 60 80 100
Zeit in s
120 140 160 180 200
BlockA1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 BlockB4, 45/5, PD=0,9
BlockC1, 5/15, PD=0,25 Block C2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 4.11: momentane Abtragsraten bei verschieden Patternfaktoren im Graben und
einem Polierdruck von 4,5 psi
Aus dem Vergleich von Abb. 4.10 und Abb. 4.11 kann man schlußfolgern, daß die Planarisierungen,
abhängig vom Patternfaktor, auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei kleinen Patternfaktoren
gibt es sehr hohe Ausgangspolierratenunterschiede ΔRR zwischen Steg und Graben (hier bei
PD = 0,1; ΔRR = 900 nm/min), die sich aber bereits nach kurzer Zeit (hier t = 100 s) angleichen.
Bei großen Patternfaktoren sind die Polierratenunterschiede geringer (PD = 0,9; ΔRR = 250 nm/
min), verringern sich aber über einen langen Zeitraum (t = 180 s). Beides führt zu dem gewünschten
Planarisierungseffekt.
Aus produktionstechnischer Sicht sind allerdings Strukturen mit kleinem Patternfaktor zu bevorzugen,
da man mit wesentlich kürzeren Polierzeiten auskommt. Bei Betrachtung der Abtragsraten
lassen sich nicht direkt Aussagen zu den tatsächlichen Stufenentwicklungen machen. Die bisherigen
Angaben zu Stufenentwicklungen werden durch die Planarisierungsversuche in Kapitel 4.3.3
bestätigt.
Wendet man CMP an, so sollen danach nicht nur die Stufen planarisiert sein, sondern man will
auch bei einer ganz bestimmten Zieldicke den Poliervorgang stoppen. Dazu sind die über die
gesamte Zeit gemittelten Abtragsraten, dargestellt in Abb. 4.12, besser als die in den Abb. 4.10
und Abb. 4.11 geeignet. Sie werden durch die lineare Beziehung RR mittel = dh ges/dt ges berechnet.
Anhand der mittleren Abtragsrate läßt sich zu jeder beliebigen Zeit sofort der Gesamtabtrag an
den Stufen oder Gräben bestimmen. Die Prozeßkontrolle wird durch diese Darstellungsweise vereinfacht.
73

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
74
Abtragsrate in nm/min
1200
1000
800
600
400
200
Entwicklung der Abtragsraten bei verschiedenen Patternfaktoren an Steg und Graben
0
0 20 40 60 80 100
Zeit in s
120 140 160 180 200
Graben: A1, 5/45, PD=0,1 C2, 15/15, PD=0,5 B4, 45/5, PD=0,9
Steg:
A1, 5/45, PD=0,1 C2, 15/15, PD=0,5 B4, 45/5, PD=0,9
Abbildung 4.12: mittlere Abtragsraten in Abhängigkeit von der Polierzeit
Wie dick muß nun die Oxidschicht gewählt werden, um eine komplette Planarisierung zu gewährleisten?
Dazu betrachtet man den Abtrag im Graben bis zur vollständigen Planarisierung der Stufen.
Die Gesamtdicke h gesamt des abzuscheidenden Oxides ergibt sich aus der Addition der
Stufenhöhe h, der Zieloxiddicke d und dem Abtrag bis zur kompletten Planarisierung δh planar
(Abb. 4.13). Die abzuscheidende Oxiddicke ist eine Funktion der Grabenbreite und des Patternfaktors.
Je schmaler die Gräben werden, um so geringer sind die notwendigen Ausgangsdicken.
An Grabenbreiten

4.3 Planarisierung und Abtrag an strukturierten Wafern
4.3.3 Planarisierungseigenschaften
Bisher wurden die Abtragsraten und notwendigen Schichtdicken zur vollständigen Planarisierung
diskutiert. Nun wird auf die Stufenentwicklungen an verschiedenen Topographien während des
Polierens eingegangen. Mit Hilfe der Stufenentwicklungen kann die Effektivität von Planarisierungen
bestimmt werden. In Anlage D, Abb. 8.8 bis Abb. 8.12 sind vergleichend die Entwicklungen
der Stufenhöhen bei Polierdrücken von 4,5 psi und 1,5 psi und unterschiedlichen
Patternfaktoren dargestellt. Poliert man bei einem Drittel an Polierdruck die dreifache Zeit, so
erkennt man etwa die gleiche Stufenentwicklung. Daraus läßt sich schlußfolgern, daß die Stufenentwicklung
druckunabhängig ist (nicht jedoch der Abtrag). Betrachtet man in Abb. 4.14 die normierte
Planarisierung, das heißt die zu polierende Schichtdicke im Graben im Vergleich zur
Stufenhöhe, so ist eine deutliche Abhängigkeit von der Grabenbreite zu erkennen. Vom Patternfaktor
dagegen ist kein direkter Zusammenhang nachweisbar. Die Werte der normierten Planarisierungen
sind nur näherungsweise bestimmbar, da sie aus den Werten der Reststufen und
Abträge in 30 s Abständen ermittelt und anschließend approximiert wurden. Zusammenfassend
läßt sich eine signifikante Abhängigkeit der Effektivität der Planarisierung von der Grabenbreite
schlußfolgern. Die Grabenbreiten sollten nicht größer als 5 μm werden. Diese Werte zeigen die
Effektivität der Planarisierung in Bezug auf eine minimale Oxid-Abscheidung. Der Abtrag der
Ausgangsstufenhöhe wird jedoch an unterschiedlichen Topographien nach verschiedenen Zeiten
erreicht. In der Praxis werden aber alle Topographien eines Layouts die gleiche Zeitdauer poliert.
Deshalb zeigen Abb. 4.15 und Abb. 4.16 die Reststufen nach 60 s Polierzeit in Abhängigkeit vom
Patternfaktor und der Grabenbreite. Abb. 4.15 zeigt eine deutliche Abhängigkeit der Stufenhöhe
vom Patternfaktor. Kleine Patternfaktoren (0,1 - 0,25) zeigen eine verminderte Reststufenhöhe
nach dieser Polierzeit auf etwa die Hälfte bis ein Viertel gegenüber der von großen Patternfaktoren
(0,75 - 0,9). Besonders bei kleinen Patternfaktoren führt eine Erhöhung der Grabenbreite zu
einer größeren Stufe. Auch hier läßt sich schlußfolgern, daß kleine Patternfaktoren mit geringen
Grabenbreiten die geringsten Stufen ergeben. Braucht man etwa gleiche Stufenhöhen nach einer
konstanten Polierzeit, so müssen mit steigendem Patternfaktor die Gräben schmaler werden.
normierte Planarisierung
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
Parameter: Patternfaktoren
0,9
0,75
0,25
0,5
normierte Planarisierung
0,75
0,9
0,00
1 10 100 1000
Grabenbreite in µm
Abbildung 4.14: normierte Planarisierung bei unterschiedlichen Grabenbreiten und
Patternfaktoren
0,5
0,9
0,1
0,25
0,75
75

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
76
Stufenhöhe in nm
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
15/135
5/45
Entwicklung der Stufenhöhen 60s, 4,5 psi
45/135
15/45
5/15
1,7/5
405/135
15/5
15/1,7
405/45
Abbildung 4.15: Stufenhöhen als Funktion des Patternfaktors nach 60 s Polierzeit
In Abb. 4.16 ergibt sich ein Minimum in den Stufen bei konstanten Patternfaktoren an Grabenbreiten
zwischen 5 μm (PD = 0,5) und 15 μm (PD = 0,9). Die Ursache für dieses Minimum liegt
allerdings nicht im Planarisierungsverhalten der CMP-Anlage. Beim Ätzen der Stufen mit Flußsäure
(HF) entstehen in schmalen Gräben tiefere Stufen als in breiten. Die geätzten Stufen in den
1,7 μm breiten Gräben sind etwa 800 nm tief, während die restlichen nur 700 nm tief sind. Die
unterschiedlichen Ausgangsstufenhöhen spiegeln sich in den Höhen nach einer Minute Polierzeit
wieder. Arbeitet man beim Strukturieren von Gräben ohne Ätzstop, ist es günstig Grabenbreiten
von 5 bis 15 μm zu wählen. Meist sind die Stufenhöhen in den Topographien einer Schaltung vorgegeben.
Dann gilt wieder möglichst kleine Grabenbreiten zu wählen.
Stufenhöhe in nm
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
135/135
0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50
Patternfaktor
0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
0
0,9
0,75
0,5
Abbildung 4.16: Stufenhöhen als Funktion der Grabenbreiten nach 60 s Polierzeit bei
konstanten Patternfaktoren
5/5
4,5 psi
Entwicklung der Stufenhöhen nach 60s Polierzeit und 4,5 psi Polierdruck
0,9
0,75
0,5
0,25
0,9
0,75
0,5
0,25
1 10 100 1000
Grabenbreite in µm
4,5 psi
0,9
0,75
0,5
0,25
0,1
Parameter: Patternfaktor
0,75
0,5
0,25
0,1

4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
Zur Gewährleistung homogener Schichtdicken über den gesamten Wafer und definierter Dicken
nach Polierstop eignet sich der Einsatz von Stoplayern.
In Kooperation mit der Firma Simec Dresden wurden Untersuchungen zur Ausbildung von Stufen
an Stoplayern durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, bis zur Ausbildung sich in der Höhe
nicht mehr ändernder Stufen an Stoplayern zu polieren und anschließend deren Höhe zu bestimmen
(Abb. 4.17). Aus der Höhe der entstehenden Stufen kann man auf die geometrischen Strukturen
mit der geringsten Stufenausbildung bei Erreichen eines Stoplayers schließen und daraus
folgend neue Regeln für das Chipdesign aufstellen.
Poliert wurde CVD-Oxid mit Stufenhöhen von 700 nm. Die Stufen wurden vollständig planarisiert
und anschließend erst das Ausbilden neuer Stufen an einer Si 3N 4 Schicht beobachtet. Da die
Hersteller in der Regel Selektivitäten von Slurries für ebene Flächen angeben, ist es notwendig
die patternabhängige Selektivität zu bestimmen. Die Abnahme der Selektivität an kleinen Strukturen
ist als Problem bekannt.
CVD-Oxid Si3N4 Silizium
maximale
Stufe
Dishing
Steg Graben
Pitch
Kantenverrundung
Erosion
CMP bis zum Stoplayer
Abbildung 4.17: Ausbildung von Stufen an Stopschichten
Der Versuchsplan der Experimente wurde mit Hilfe der Software ECHIP erstellt. Dieser Versuchsplan
ist die Ausgangsbasis für die folgenden Auswertungen und Optimierungen der Poliervorgänge
hinsichtlich der Minimierung der sich ausbildenden Stufen. Die Auswertung der
Polierergebnisse erfolgte mit Excel. In den Experimenten wurden ein hartes geschichtetes
IC1000/SUBAIV Polierpad und ein weiches SUBAIV Pad verglichen, um zu ermitteln, welches
Padmaterial besser zum Polieren an Stopschichten geeignet ist.
Für diese Versuche wurde in Zusammenarbeit mit Simec Dresden ein Testfeld entwickelt.
77

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
4.4.1 Testfeld
Das Retikel zur Erzeugung von Teststrukturen ist in zwei Bereiche untergliedert. Der Hauptteil
des Retikels beinhaltet Teststrukturen zur Untersuchung der CMP-Planarisierungseigenschaften.
Teststrukturen zur Endpunkterkennung befinden sich am oberen und unteren Retikelrand.
Das Testfeld für die Planarisierungsuntersuchungen (Abb. 4.18) untergliedert sich in einen
Bereich zur Untersuchung der "long distance planarity" (Treppenstrukturen) und in einen Bereich
mit Blöcken unterschiedlicher Pattern Density (PD) zur Untersuchung der "short distance planarity".
Die Teststrukturen zur Untersuchung der Planarisierungseigenschaften sind hauptsächlich
für Oxid- und Si-Nitrid-CMP-Prozesse vorgesehen. Das Retikel ist für eine Lithographie unter
Verwendung eines positiv wirkenden Photoresists bestimmt.
Zur Untersuchung der "long distance planarity" wurden die Treppenstrukturen als "up area" mit
benachbarten großflächigen rechteckigen "up areas" gewählt [66]. Der Abstand zwischen den
benachbarten "up areas" variiert aufgrund der Treppenform von 0,5 mm bis max. 4,5 mm. Die
Relaxationslängen harter Polierpads werden in dieser Größenordnung erwartet [67]. Die auf dem
Retikel enthaltenen Strukturen werden durch eine geschickte Wahl des Abstandes einzelner
belichteter Bildfelder auf dem Wafer periodisch fortgesetzt. Hierbei kann das "up area" zwischen
den Bildfeldern beliebig in der Breite variiert werden (Abb. 4.19).
Die Strukturen zur Untersuchung der "short distance planarity" bestehen aus in Blöcken angeordneten
Stegen und Gräben (lines and spaces). Um Wechselwirkungen zwischen den einzelnen
Blöcken auszuschließen, wurden Abstände von 1,8 mm zwischen den einzelnen Blöcken gewählt.
Der große Abstand zwischen den Blöcken begrenzt ihre Gesamtanzahl aufgrund der beschränkten
Retikelfläche. Es stehen insgesamt 15 Blöcke (1,64 x 1,64 mm 2 ) zur Verfügung. In den Untersuchungen
an Stopschichten wurde nur die „short distance planarity“ berücksichtigt, da diese Strukturen
besonders dem Layout der Lichtventilmatrix entsprechen.
"lines and spaces" werden als Teststrukturen gewählt, da sie sich zum einen sehr einfach vermessen
lassen, zum anderen haben andere CMP Testretikel gezeigt, daß bei gleichen geometrischen
Abmessungen (Breite und Abstand) keine Unterschiede zwischen "lines" oder "squares" im CMP
Planarisierungsverhalten zu beobachten sind.
Im Wesentlichen variiert die PD (up/(up+down)) in den drei Stufungen 0.5, 0.25, 0.125 bei verschiedenen
"up area" Ausdehnungen (0.5, 1, 5, 20, 100, 250 µm). Einige mögliche Kombinationen
sind, da sie als nicht produktrelevant eingeschätzt wurden, weggelassen worden. Zusätzlich
wurde dreimal die PD 5/6 gewählt. Diese Grabenstruktur entspricht eher Anforderungen von
Metall CMP Prozessen.
78

4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
1,8
1/1 5/5 20/20 100/100 5/1
1/3 5/15 20/60 100/300 20/4
1,64 0,5
1,64
1/7 5/35 0,5/0,5 250/250 100/20
18
up / down in µm
Abbildung 4.18: Design des Testfeldes für die DOE’s auf SubaIV und IC1000/SubaIV
Abbildung 4.19: Darstellung der Variation der Blockabstände zur Einstellung beliebiger
Stegbreiten
4.4.2 Experimentelle Ergebnisse zur Ausbildung von Stufen an Stopschichten
1,8
Stoplayer dienen der Verbesserung der Schichtdickenhomogenität über den gesamten Wafer. Sie
sind hilfreich zum Stoppen des Poliervorgangs bei einer bestimmten Schichtdicke. An Stoplayern
treten die in Kapitel 2.2.2 diskutierten Effekte wie Dishing und Erosion auf.
An bereits planaren Oberflächen bilden sich am Stoplayer neue Stufen, die mit steigender Überpolierzeit
sich einem konstanten Wert nähern. Diese Stufenhöhe kann als Maß für die Eignung
der Topographien und Polierparameter für eine möglichst geringe Ausbildung von Stufen genommen
werden.
17,2
alle anderen Maße
in mm
79

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
Ziel der Untersuchungen des Polierverhaltens an Stoplayern ist, die Stufenentwicklung beim
Erreichen dieses Layers voraussagen zu können. In zwei statistischen Versuchsplänen mit verschiedenen
Padmaterialien wird die Eignung der Polierpads hinsichtlich der Ausbildung von Stufen
untersucht und bewertet. Zum Einsatz kam das in Kapitel 4.4.1 beschriebene Testfeld. Die
Stufenhöhen betrugen 700 nm. Poliert wurde ein TEOS CVD-Oxid. Als Stopschicht diente ein
Layer aus LP-Si 3 N 4 . SUBAIV ist ein relativ weiches Padmaterial. IC1000/SUBAIV ist dagegen
eine Sandwichbauform mit dem weichen Unterpad SUBAIV und dem oberen harten Pad IC1000.
Mit dem Padstapel sollen die Vorteile der beiden Padtypen verbunden werden.
Das IC1000 Pad planarisiert schneller, während SUBAIV die geringeren globalen Inhomogenitäten
liefert. Einen Vergleich der vollständig ausgebildeten Stufen am Stoplayer zeigen Abb. 4.20
und Abb. 4.21. Während in Abb. 4.20 die Stufen am IC1000 Pad, abhängig von der Grabenbreite,
mit Werten zwischen 70 nm und 165 nm doppelt so groß sind wie die von SUBAIV, haben sie in
Abb. 4.21 die gleiche Größenordnung mit Höhen zwischen 40 nm und 90 nm. Die Polierrezepte
in dieser Abbildung unterscheiden sich in den Drehzahlen des Kopfes und des Platens. In den
Abbildungen wurden tatsächliche, aus den Versuchsplänen entnommene Antwortwerte abgebildet.
Die Versuche hatten nicht dasselbe Design. Daß diese Werte aber trotzdem vergleichbar sind,
wird an späterer Stelle diskutiert. Die Diagramme lassen die Schlußfolgerung zu, daß die Entwicklung
der Stufenhöhen ein dynamischer Prozeß, abhängig von den Platen- und Kopfdrehzahlen
ist.
Die Stufenhöhen in Abhängigkeit von der Grabenbreite verhalten sich so, wie es schon in den
Planarisierungsversuchen im letzten Kapitel beschrieben wurde. Mit steigender Grabenbreite steigen
auch die Stufen logarithmisch an. Ab 60 μm Grabenbreite flacht die Kurve etwas ab.
80
Stufenhöhe in nm
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Vergleich der Stufenhöhen zwischen IC1000 und SUBAIV
Kopfdrehzahl: 70rpm
Platendrehzahl: 70 rpm
Membrandruck: 3,5 psi
1 10 100 1000
Grabenbreite in µm
IC1000 SUBAIV
Abbildung 4.20: Stufenbildung am Stoplayer als Funktion von Padmaterial und Grabenbreite

4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
Stufenhöhe in nm
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Vergleich der Stufenhöhen zwischen IC1000 und SUBAIV
IC1000 SUBAIV
Kopfdrehzahl: 40 rpm 20 rpm
Platendrehzahl: 100 rpm 70 rpm
Kopfdruck: 4,5 psi 5,0 psi
1 10 100 1000
Grabenbreite in nm μm
IC1000 SUBAIV
Abbildung 4.21: Stufenbildung am Stoplayer als Funktion von Padmaterial und Grabenbreite
Als nächstes wurden die Abhängigkeiten der Stufen vom Patternfaktor untersucht. Setzt man konstante
Grabenbreiten voraus (z.B. 20 μm), so ist keine Abhängigkeit der Stufenhöhen von den
Patternfaktoren zu erkennen (Abb. 4.22).
Stufenhöhe in nm
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
35
Platendrehzahl: 70 rpm
Stufe als Funktion der PD
300
60
Parameter. Grabenbreite Pad: IC1000
15
Abbildung 4.22: Stufenbildung am Stoplayer als Funktion des Patternfaktors bei konstanten
Polierparametern
250
100
20 20
Kopfdrehzahl: 70rpm Membrandruck: 3,5 psi
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Patternfaktor Stufenhöhen
4
81

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
Bisher wurden die Stufen in Abhängigkeit von den Teststrukturen betrachtet. Die Anlagenparameter
spielen aber auch eine wesentliche Rolle bei der Ausbildung von Stufen. Wie Abb. 4.23
zeigt, steigt die sich ausbildende Stufenhöhe mit sinkendem Polierdruck. Dies ist mit einer stark
nichtlinearen Kompressibilität des Polierpads zu erklären. In Abb. 4.24 ist die prinzipielle Kennlinie
der Paddeformation als Funktion des Druckes dargestellt. Mit zunehmendem Druck wird der
Anstieg der Verformung geringer. Wird vorausgesetzt, daß sich bereits vollständige Stufen am
Stoplayer ausgebildet haben, sind die Polierraten im SiO 2 und Si 3N 4 gleich groß (im Beispiel 50
nm/min und 150 nm/min). Die Polierraten sind proportional zum wirkenden Druck. In Abb. 4.24
ist zu erkennen, daß die sich ausbildenden Stufen bei hohen Polierdrücken durchaus geringer sein
können, als bei geringen Polierdrücken.
Zusätzlich ist eine Abhängigkeit der Stufen von den Kopf- und Platendrehzahlen vorhanden. Die
Entwicklung von Stufen an Stoplayern ist ein dynamischer Prozeß. Die Abb. 4.25 zeigt die
Abhängigkeiten der sich maximal einstellenden Stufen von den Kopfdrehzahlen, Platendrehzahlen
und vom Druck, ermittelt mit dem in Kapitel 4.1 vorgestellten statistischen Modell. Die
numerischen Parameter und Ergebnisse von Block 4 (100 μm Grabenbreite, 100 μm Stegbreite)
sind in Tabelle 4.2 dargestellt. Block 4 wurde als Kompromiß zwischen üblichen Leiterbreiten
und für CMP-relevante Relaxationslängen für die Untersuchungen gewählt.
82
Stufenhöhe in nm
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Stufen als Funktion von Grabenbreite und Membrandruck
1 10 100 1000
Grabenbreite in µm
Membrandruck:
2,0psi 3,5 psi 5,0psi
Pad: IC1000
Abbildung 4.23: Stufenbildung am Stoplayer als Funktion des Membrandrucks bei konstanten
Polierparametern

4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
i
Polierdruck in ps
6
5
4
3
2
1
0
Padverformung als Funktion des Druckes
(prinzipieller Verlauf)
dx 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Padverformung in nm Arbitrary Units
Abbildung 4.24: Padverformung und Stufenbildung an Stopschichten als Funktion des
Druckes und der Abtragsraten verschiedener Materialien (Prinzipdarstellung)
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
Block 4
(Kopfdruck= 2,0 psi)
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
120
20
Pad: IC1000
120
Kopfdrehzahl
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
Abbildung 4.25: Abhängigkeiten der Stufenentwicklung von den Maschinenparametern beim
Pad IC1000
In der Abb. 4.25 ist eine deutliche Erhöhung in der Ausbildung von Stufen bei Verringerung des
Polierdruckes zu sehen. Bei geringen Polierdrücken (2 psi) bilden sich Stufen zwischen 110 nm
und 150 nm, während sich die Kopfdrehzahlen kaum auf die Stufenhöhen auswirken. Bei hohen
Polierdrücken ergibt sich eine starke Abhängigkeit der Stufenhöhen von den Kopfdrehzahlen mit
40 nm bis 110 nm, während die Platendrehzahlen keine nennenswerten Änderungen hervorrufen.
Bei mittleren Polierdrücken von 3,5 psi läßt sich gleichmäßig eine Änderung der Stufenhöhen als
Funktion von Platendrehzahlen und Kopfdrehzahlen im Bereich von 100 nm bis 150 nm nachweisen.
Die Auswertung der Abbildungen zeigt eine Änderung der Wichtung der Einflußvariablen mit
steigenden Polierdrücken. Die geringsten Stufen beim Polieren von Stopschichten mit dem
IC1000 Pad ergeben sich bei hohen Drücken in Verbindung mit geringen Kopfdrehzahlen. Die
dx 2
Block 4
(Kopfdruck= 3,5 psi)
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
120
20
Pad: IC1000
120
Kopfdrehzahl
150
125
100
75
50
25
Abtragsrate Si 3N 4 in nm
300
250
200
150
100
50
0
Abtragsrate SiO2 in nm
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
unverformt
Block 4
(Kopfdruck= 5,0 psi)
Si 3N 4
Pad
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
120
20
Pad: IC1000
dx
SiO 2
Si-Wafer
120
Kopfdrehzahl
Si 3 N 4
83

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
Abweichungen zwischen den quadratischen geschätzten und den gemessenen Werten liegen
immer unter 10,4 %.
84
Versuch
Platendrehzahl
in rpm
Kopfdrehzahl
in rpm
Membrandruck
in psi
Stufe Ist
Block4 in nm
Tabelle 4.2: Design und Ergebnisse des IC1000/SUBAIV Versuchsplans am Beispiel von
Block 4 mit 100μm Steg- und 100μm Grabenbreite
Vergleichend zu dem bisherigen Untersuchungen wurden Versuche mit dem relativ weichen
Polierpad SUBAIV durchgeführt. Generell läßt sich bei Betrachtung der in Abb. 4.26 dargestellten
Kennlinienfelder eine geringere Abhängigkeit der Polierergebnisse von den Anlagenparametern
erkennen als beim IC1000 Pad. Beim SUBAIV Pad ist keine eindeutige Abhängigkeit der
Stufenhöhen vom Druck zu erkennen. Die geringsten Stufenhöhen stellen sich bei mittleren
Drücken und hohen Kopfdrehzahlen bei 60 nm ein. Ein Einfluß der Platendrehzahl ist nur bei
hohen Polierdrücken im Bereich von 80 nm bis 130 nm und ein Einfluß der Kopfdrehzahlen bei
geringen Polierdrücken mit Werten zwischen 70 nm und 110 nm nachweisbar. Die Abweichung
der Schätzung dieses statistischen Modells liegt insgesamt höher als beim IC1000 Pad und
erreicht Beträge von 13,6 %.
Am SUBAIV Pad sind die von den Maschinenparametern abhängigen Änderungen in der Stufenhöhe
nicht so ausgeprägt wie beim IC1000 Pad. Die günstigsten Stufenhöhen an den Versuchsstrukturen
mit 100 μm Steg- und 100 μm Grabenbreite ergeben sich bei einem mittleren
Polierdruck von 3,5 psi und hohen Kopfdrehzahlen.
Stufe berechnet
Block 4 in nm
Fehler Stufe absolut
Block 4 in nm
Fehler Stufe
Block 4 in %
1 70 70 3,5 145 140 5 -3,4
2 100 100 2,5 158 159 -1 1,0
3 100 40 4,5 74 76 -2 2,4
4 40 100 4,5 104 106 -2 2,3
5 100 100 4,5 142 130 12 -8,2
6 100 40 2,5 164 156 12 -4,8
7 40 40 2,5 102 108 -6 5,9
8 40 40 4,5 70 63 7 -10,3
9 40 100 2,5 108 100 8 -6,8
10 23 70 3,5 112 113 -1 1,2
11 117 70 3,5 162 170 -8 4,8
12 70 23 3,5 72 74 -2 2,8
13 70 117 3,5 104 111 -7 6,7
14 70 70 2 145 147 -2 1,6
15 70 70 5 82 89 -7 8,3

4.4 Entwicklung der Stufen an Stopschichten
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
Abbildung 4.26: Abhängigkeiten der Stufenentwicklung von den Maschinenparametern beim
Pad SUBAIV
Versuch
Block 4
(Kopfdruck= 2,0 psi)
120
Platendrehzahl
in rpm
20
Pad: SUBAIV
120
Kopfdrehzahl
Kopfdrehzahl
in rpm
Membrandruck
in psi
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
Block 4
(Kopfdruck= 3,5 psi)
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
Stufe Ist
Block 4 in nm
Tabelle 4.3: Design und Ergebnisse des SUBAIV Versuchsplans am Beispiel von Block 4
mit 100 μm Steg- und 100 μm Grabenbreite
Im direkten Vergleich der beiden Padmaterialien kann keinem generell der Vorzug gegeben werden.
Die sich entwickelnden Stufen sind stark von den eingestellten Maschinenparametern abhängig.
Die einzusetzenden Padmaterialien sollten also von Zielen wie Planarisierung oder
Abtragsrate abhängen.
Stufe berechnet
Block 4 in nm
Kopfdrehzahl
Fehler Stufe absolut
Block 4 in nm
Fehler Stufe
Block 4 in %
1 70 70 3,5 75 83 -8 10,6
2 70 20 2 104 108 -4 4,4
3 20 70 5 133 128 5 -3,7
4 70 120 5 93 88 5 -5,0
5 120 70 2 103 107 -4 4,7
6 20 120 3,5 57 66 -9 16,6
7 120 120 3,5 56 62 -6 10,2
8 70 70 3,5 93 83 10 -10,7
9 20 20 3,5 108 102 6 -5,3
10 20 70 2 100 101 -1 1,1
11 70 120 2 78 67 11 -13,6
12 120 20 3,5 93 83 10 -10,2
13 120 70 5 99 98 1 -1,1
14 70 20 5 94 104 -10 11,3
15 70 70 3,5 81 83 -2 2,4
120
20
Pad: SUBAIV
120
175
150
125
100
75
50
25
20
Platendrehzahl
Block 4
(Kopfdruck= 5,0 psi)
Stufe in nm Stufenhöhe im Nitrid nach CMP in
120
20
Pad: SUBAIV
120
Kopfdrehzahl
85

4 Untersuchungen zum Planarisierungskomplex
86

5.1 Einführung und Zielstellung
5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.1 Einführung und Zielstellung
Die Realisierung bildgebender Mikrosysteme auf Elastomer-Basis stellt hohe Anforderungen an
die Planarität der darunterliegenden CMOS-Schaltung.
Bedingt durch das Funktionsprinzip müssen alle Steuerelektroden der Bildpixel (Metall2) in einer
Ebene liegen und an der Oberfläche völlig planar sein (optische Planarität). Die Funktion der
Lichtventilmatrizen beruht auf der gezielten Veränderung elektrostatischer Kräfte in einer Kondensatoranordnung.
Unterschiedliche Dicken des jeweiligen Dielektrikums würden zu unterschiedlichen
Auslenkungen zwischen den einzelnen Pixeln und somit zu Verzerrungen der
Oberfläche führen.
Die Freiheitsgrade zum Erreichen dieser idealen Oberflächen sind allerdings begrenzt. Die
Anordnung von maximal sechs Matrizen auf dem Wafer ist aus Platz- und Kostengründen festgelegt
(Anlage A, Abb. 8.1). Ungünstig aus Sicht der CMP-Planarisierung ist das Zusammenfallen
von vier Chipecken in der Mitte des Wafers, da die Randgebiete andere Poliereigenschaften aufweisen
als das eigentliche Matrixgebiet. Die Meßfenster zur Bestimmung der Oxiddicken können
nur in die Randelektronik oder in die Ritzrahmen integriert werden. Deshalb ist die Bestimmung
der Schichtdicken im Pixelgebiet nur über Stufenmessungen über einen langen lateralen Weg von
mehreren Millimetern möglich. Bei der Herstellung extrem planarer Chips mit Größen von 14
cm 2 kann sich die Waferkrümmung auf die CMP-Ergebnisse auswirken und muß, wenn möglich,
kompensiert werden.
5.1.1 Allgemeine Anforderungen
Die USG-Abscheidung zur Planarisierung nach Metall1 und Metall2 erfolgt mit anschließendem
Argon-Rücksputtern zur Verhinderung von Voidbildungen an kleinen Strukturen.
Bisher kam eine Planarisierung mit Boroxid zum Einsatz. Dieses Planarisierungsverfahren erwies
sich jedoch nicht als geeignet, da lokal Reststufen größer 100 nm blieben, global keine Planarisierung
erfolgte und Probleme mit Partikeln auftraten.
Mit der Integration des CMP-Verfahrens in die Technologie für die große Lichtventilmatrix sollen
gute globale Planaritäten erzielt und Verunreinigungen durch Partikel vermindert werden.
Zusätzlich bietet sich die Möglichkeit der Einbeziehung der interferometrischen Endpunkterkennung
bei der Verwendung von Polierprozessen mit Stopschicht, wodurch die Prozeßstabilität und
Reproduzierbarkeit verbessert werden.
Die starke Strukturabhängigkeit des CMP-Prozesses, die sich beispielsweise in strukturspezifischen
Erscheinungen wie Dishing und Schichtdickeninhomogenitäten äußert, erfordert jedoch ein
CMP-kompatibles Design. Deshalb müssen in der Polysilizium-, Metall1- und Metall2-Ebene
Optimierungen der Patternkonfigurationen erfolgen.
Zur Entwicklung des Planarisierungsverfahrens für die große Lichtventilmatrix wurde ein spezielles
Testlos (V3381) präpariert, bei dem nur die Schritte durchgeführt wurden, die zur Topogra-
87

5 Prozeßintegration der Planarisierung
phiebildung beitragen. Ziel des Testloses war die Anpassung des CMP-Prozesses an diese
konkrete Oberflächenstruktur und die Optimierung der für CMP abzuscheidenden Schichtstapel
über Metall1 und Metall2.
Die Trennung der Prozeßentwicklung in Metall1- und Metall2-CMP ist der Übersichtlichkeit
wegen vorgenommen, da in der Realität die Metall2-CMP auf den Ergebnissen der Metall1-CMP
aufbaut.
5.1.2 Anforderungen an die Planarität des ILD
Die Topographie der Metall1-Ebene weist zwischen dem Aktivgebiet und den höchsten Metall1-
Strukturen (auf dem Bondpad) Höhenunterschiede von 1500 nm (Recessed LOCOS) und 1600
nm (Standard LOCOS) auf. Das Viaoxid ist global zu planarisieren, da es die Unterlage der Elektrodenebene
(Metall2) darstellt. Die für die Isolation ausreichende Oxiddicke liegt bei 900 nm
über den höchsten Metall1-Strukturen. Der maximale Unterschied in der Oxiddicke über Metall1
sollte nicht mehr als 200 nm betragen.
Die Meßfenster zur Kontrolle der Oxiddicke befinden sich über Feldoxid, d.h. die maximale zu
planarisierende Stufe wird rechnerisch durch Addition der Bondpad-FOX-Stufe mit der FOX-
GOX-Stufe ermittelt (Abb. 5.1).
88
900+/-100 nm 400 nm
Viaoxid 500 nm
maximale
Stufe
Bondpad
FOX
Down area (GOX) Down area (FOX)
Metall PE-CVD-Oxid Thermisches Oxid
Poly-Si
Abbildung 5.1: Prinzipbild der Topographie der Metall1-Ebene
Ziel nach Cureoxid-
Abscheidung
Ziel nach CMP
gemessene Stufe
Bondpad-FOX
gemessene Stufe
FOX-GOX
Die Optimierung der Schichtdickenhomogenitäten soll durch Überarbeitung mehrerer Technologieschritte
erfolgen (Abb. 5.2).
Zur Angleichung der Abtragsraten zwischen Pixelgebiet und Randelektronik sowie dem nicht
belegten Waferrandgebiet wird eine Optimierung der Patternkonfigurationen durchgeführt. Ein
speziell auf das Matrixdesign abgestimmtes Polierrezept dient der Feinabstimmung der Polierraten
über den Waferdurchmesser. Durch spezielle Schichtstapelfolgen können die abzuscheidenden
Oxidschichtdicken verringert und unter Nutzung von Stoplayern die Homogenitäten der
Schichtdicken verbessert werden. Zur Beseitigung von Reststufen, die beim Polieren mit Stoplayern
entstehen, wird der Einsatz eines zweiten Polierschrittes nach der Beseitigung der Si-Nitridschicht
untersucht.

5.1 Einführung und Zielstellung
Ausgangszustand:
Optimierung
Patternkonfiguration
Ziel:
Höhenunterschiede
zwischen Waferrand und Chips:
Stufen im
Matrixbereich:
1200 nm
200 nm
< 200 nm 0 nm
Maßnahmen zum Erreichen des Ziels:
Optimierung
Polierrezept
Abbildung 5.2: Ziele und Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtdickenhomogenitäten
nach Metall1 Planarisierung
5.1.3 Anforderungen an die Planarität nach Metall2
Optimierung
Schichtstapel
Optimierung
Rückätzen und
2. Polierschritt
Nach der Strukturierung von Metall2 liegt im Gegensatz zur Topographie der Metall1-Ebene nur
eine zu planarisierende Stufe über dem gesamten Wafer vor, deren Höhe etwa 1200 nm beträgt.
Bei der Planarisierung nach der Metall2-Strukturierung geht es darum, bei bestmöglicher Planarität
über dem Metall2 keinen Isolator stehenzulassen, da sonst zusammen mit dem Elastomer ein
geschichtetes Dielektrikum entsteht (in den Oxid- oder Si-Nitridresten können sich Ladungen
sammeln, die nicht mehr abfließen, Metall2 wird abgeschirmt). Andererseits darf das Metall2
aber auch nicht anpoliert werden, da dann die Oberfläche sehr rauh wird (bis zu 140 nm), was
eine erhöhte Anfälligkeit für Korrosion zur Folge hat, weil keine zusätzliche Passivierung vorgesehen
ist. Das bedeutet, idealerweise soll das als Antireflexionsschicht auf dem Metall2 dienende
40 nm dicke TiN beim Polieren freigelegt werden, um eine ebene Unterlage für den Elastomer zu
schaffen. Am freipolierten TiN ergeben sich nur bis zu 8 nm Höhenunterschiede in der Oberfläche
(Rauheit). Die Ansprüche an die Planarisierung nach der Metall2-Planarisierung können analog
zur ersten Planarisierung formuliert werden. Abweichend zur ersten Metallebene wird hier
eine zusätzliche, zu Metall2 inverse Maske, entwickelt. Mit Hilfe dieser Maske können Strukturen
mit definierten Tiefen geätzt und somit eine Angleichung der Schichtdicken zwischen Pixelgebiet
und Randgebiet erreicht werden.
Ausgangszustand:
Optimierung
Patternkonfiguration
Ziel:
Höhenunterschiede
zwischen Waferrand und Chips:
Stufen im
Matrixbereich:
abhängig von Metall1 CMP
100 nm
< 200 nm 0 nm
Maßnahmen zum Erreichen des Ziels:
Optimierung
Polierrezept
Qualifizierung
Endpunkterkennung
Optimierung
Schichtstapel
Optimierung des Ätzens
mit zu Metall2
inverser Maske
Abbildung 5.3: Ziele und Maßnahmen zur Verbesserung der Schichtdickenhomogenitäten
nach Metall2 Planarisierung
89

5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.2 Optimierung der Patternkonfiguration für CMP
Die Optimierung der Patternkonfiguration erfolgt in beiden Metallebenen. Ziel ist es, die mittleren
Polierraten im Pixelgebiet, in der Randelektronik und im Waferrandgebiet anzugleichen, um
über den gesamten Wafer gleichmäßige Abträge und konstante Restschichtdicken zu erhalten.
Mit den Erkenntnissen aus Kapitel 4 und den Ergebnissen des Versuchsloses VC727, ohne Randund
Dummystrukturen, erfolgte eine Layoutoptimierung der großen Lichtventilmatrix in beiden
Metallisierungsebenen. Es zeigte sich, daß es zur Gewährleistung der Homogenität über den
gesamten Wafer nach der ILD-Planarisierung notwendig ist, die Verteilung der Strukturen über
den Wafer so zu optimieren, daß die Flächenbelegung (Patternfaktoren) überall etwa gleich ist.
Dann ergeben sich in den Down areas gleiche Abträge nach kompletter Planarisierung (siehe auch
Kap. 4.3, Abb. 4.8).
Für die Matrix bedeutet das, die weniger dicht belegten Chipränder sowie den Waferrand mit
Hilfe von eingefügten Dummystrukturen an die dicht belegten Pixelgebiete anzupassen, da diese
Teile als eigentliches Matrixgebiet nicht oder nur geringfügig verändert werden können.
Den Aufbau der Füllstrukturen in der Polysilizium-, Metall1- und Metall2-Ebene zeigt die Abb.
5.4. Um keine Vorzugsrichtung beim Polieren zu erhalten, wurden quadratische Füllelemente mit
Fenstern gewählt. Die Kantenlänge mit 20 μm entspricht der der Pixel im Matrixgebiet und die
Größe der Fenster mit 6,4 μm bis 14 μm liegt in dem Bereich, der mit vertretbaren Oxiddicken
vollständig planarisierbar ist (Kap. 4.3, Abb. 4.13).
Der Matrixchip wurde in A-, B-, C- und D-Teile unterteilt (siehe Anlage A, Abb. 8.1). Die Teile
unterscheiden sich durch ihre topographische Beschaffenheit und somit durch ihr Polierverhalten.
Die A-Teile bilden die Ecken der Matrix, in denen sich die Ansteuerelektronik befindet. Die Bund
C-Teile bilden die Spalten- und Zeilentreiber und der D-Teil bildet das Pixelgebiet. An den
Übergängen der Pixelgebiete zu der Randelektronik waren erhebliche Schichtdickenabfälle zu
verzeichnen, da in den Chiprandgebieten im Verhältnis zum Pixelgebiet relativ wenig Strukturen
vorhanden waren.
In den vorher voll belegten Waferrand werden zusätzlich Dummystrukturen mit den Patternfaktoren
(Füllungsgraden) der D-Teile geätzt. Die Anordnung der Dummystrukturen im Waferrandgebiet
ist Abb. 8.1 in Anlage A zu entnehmen.
90
20 μm
x
Poly-Si
Abbildung 5.4: Aufbau und Lage der Füllstrukturen zueinander
l
Metall1

5.2 Optimierung der Patternkonfiguration für CMP
Die Größen der Fenster (x Werte) zur Erlangung der in Tabelle 5.1 gezeigten Füllungsgrade sind:
in Polysilizium: x = 13μm => 57 %
in Metall1: x = 14μm => 51 %
x = 6,4μm => 90 %
in Metall2: x = 7,2μm => 87 %
Der Versatz der Fenster zwischen Polysilizium und Metall1 nach Abb. 5.4 beträgt in den A, B
und C-Teilen, l = 10 μm (Abb. 5.4). Die Lage der Füllstrukturen der Metall2-Ebene bezüglich
Polysilizium und Metall1 hat keine besondere Bedeutung, da das ILD nach Metall1 zu dieser Zeit
bereits planarisiert ist.
Als Restriktionen zum Einfügen der Füllstrukturen wurden 20 μm Abstand zu Metall- und Polysiliziumstrukturen
und 40 μm Abstand zum Rand von A- und B-Gebieten gewählt, um während des
Tests der Schaltung, Kurzschlüsse beim Kontaktieren der Bondpads mit den Waferprobernadeln
zuverlässig zu vermeiden.
Zur Kontrolle der mit dem Planarisierungskomplex erreichten Schichtdicken wurden Meßfenster
in alle Ebenen eingefügt. Zwei Meßfenster von 200 μm x 200 μm Größe befinden sich in jedem
A-Teil, ein weiteres Meßfenster von 150 μm x 100 μm Größe befindet sich im B-Teil (Abb. 5.5a,
d). Weitere Meßfenster sind im Ritzrahmen vorhanden.
Die A-D-Teile des Chips haben unterschiedliche mittlere Ausgangsfüllungsgrade. Im B-Teil werden
zusätzlich noch drei Bereiche unterschiedlicher Ausgangsfüllungsgrade unterschieden.
Tabelle 5.1 zeigt die Ausgangsstrukturbelegungen, die eingefügten und erreichten Füllungsgrade.
Im Ausgangszustand sind die Unterschiede im Füllungsgrad zwischen den A-D-Teilen relativ
hoch. Nach Einfügen der Füllstrukturen sind nur noch minimale Unterschiede in den Füllungsgraden
erkennbar. Die maximalen Unterschiede in der Metall1-Ebene von 17 % bis 58 % vor der
Auffüllung reduzieren sich auf 34 % bis 52 % nach der Auffüllung. Im Pixelgebiet (D-Teile)
wurde die Strukturdichte reduziert. Bessere Angleichungen sind nicht erreichbar, da die oben
genannten Restriktionen eingehalten werden sollen. Auch sind innerhalb der Teile Unterschiede
in der Flächenbelegung vorhanden, so daß ein zu hoher Füllungsgrad neue partielle Unterschiede
innerhalb des entsprechenden Teils erzeugen würde.
Als Bezugsfüllungsgrad diente immer die Belegung im Pixelgebiet (D-Teile), da dort die wenigsten
Änderungen möglich waren. Die Füllungsgrade der A- bis C- Teile konnten nicht genau
angeglichen werden. Deshalb sind auch nach der Layoutoptimierung noch Schichtdickenunterschiede
durch Polieren zu erwarten.
Die Ergebnisse der Designanpassung sind in den nächsten Abschnitten beschrieben. Die globalen
Homogenitäten wurden durch diese Maßnahmen verbessert, sind aber für die geforderten Ansprüche
noch nicht ausreichend. In der Metall2-Ebene sind die Füllungsgrade im Pixelgebiet mit 88 %
sehr hoch. Bei der konformen Oxid-Abscheidung über Metall2 füllen sich die 1 μm schmalen
Gräben auf, so das der Füllungsgrad zusätzlich ansteigt. Diese hohen Füllungsgrade sind im
Randbereich der Matrix nicht zu erreichen, so daß dadurch zusätzliche Polierratenunterschiede
auftreten. Weitere Verbesserungen der Homogenität können durch Polieren bis zu Stoplayern
erreicht werden. Das Einfügen von Stoplayern ist in Kapitel 5.3 und Kapitel 5.4 beschrieben.
Abbildung 5.5a-f zeigt die verschiedenen Teile der Matrix mit ihren jeweiligen Füllstrukturen.
91

5 Prozeßintegration der Planarisierung
92
POLY-Si
vor Füllung
in %
Füllgrad
in %
nach Füllung
in %
A-
Gebiet
B-
Gebiet
oben
B-
Gebiet
mitte
B-
Gebiet
unten
C-
Gebiet
D-
Gebiet
Wafer
rand
Bemerkungen
7,3 17 26 57 18 57 0 B-Gesamt=22 %
57 57 0 0 57** 0 57 B-mitte und C keine Füllstrukturen
möglich
** nur am Rand
47 28 26 57 26 57 57
METALL1
vor Füllung 30 17 45 49 34 58 0 B-Gesamt=37 %
Füllgrad
51 90 0 0 49** * 49 * Metall1-Flächen wurden
in %
im D-Teil reduziert
** nur am Rand
nach Füllung
in %
52 37 45 49 41 49 49
METALL2
vor Füllung
in %
Füllgrad
in %
nach Füllung
in %
31 64 91 88 76 88 0 B-Gesamt=81 %
87 87 0 0 87** 0 88 ** nur am Rand
71 72 91 88 85 88 88
Tabelle 5.1: Änderung der Füllungsgrade durch Einfügen von Füllstrukturen

5.2 Optimierung der Patternkonfiguration für CMP
a) (50 fach) b) (500 fach)
c) (100 fach) d) (100 fach)
e) (200 fach) f) (1000 fach)
Abbildung 5.5: Aufnahmen mit Füllstrukturen nach Metall1 im a) A-Teil mit Meßfenster, b)
A-Teil mit Transistor, c) B-Teil (oben bis mitte), d) B-Teil (mitte bis unten)
mit Meßfenster e) C-Teil mit Meßfenster, f) D-Teil
93

5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
5.3.1 Entwicklung der ILD-Planarisierung nach Metall1 mit CMP
5.3.1.1 Optimierung des Polierrezeptes
Mit dem Polierrezept läßt sich das Mitte-Randverhalten der Polierraten über den Wafer einstellen.
Die Strukturweiten im Pixelgebiet sind fest vorgegeben, so daß diese nicht auf ein hinsichtlich der
Planarisierungseigenschaften von Stufen optimiertes Rezept angeglichen werden können. Die
Wahl des Polierrezeptes hängt in hohem Maße von der Strukturbelegung des Wafers ab.
Bei den ersten Planarisierungen wurde mit einem Polierrezept (Rezept 1) gearbeitet, das an
unstrukturierten Wafern gute Homogenitäten über den Wafer mit hohen Polierraten verband. Die
Anlagenparameter liegen in einem sicheren und zuverlässigen Bereich und die Planarisierungseigenschaften
von Topographien sind gut. Die Parameter des Rezeptes 1 sind in Tabelle 5.2 dargestellt.
Mit diesem Polierrezept wurden die Wafer 1 - 17 des Versuchsloses VC727 poliert.
An diesen Scheiben war jedoch ein enormer Anstieg der Schichtdicke von der Wafermitte zum
Scheibenrand hin (bis zu 1100nm) zu erkennen. Am Scheibenrand wurde das Zwischenoxid,
Polysilizium und Metall1 mit 100% Flächenbedeckung abgeschieden.
Bei den Wafern 18 - 24 waren an den Chiprändern Füllstrukturen in die Metall1-Ebene eingefügt,
sowie am Scheibenrand großflächig Dummystrukturen ins Oxid geätzt. Die Polysiliziumebene
wurde an den Scheibenrändern mit 100% Flächenbelegung abgeschieden. Da sich auch jetzt noch
nach der Planarisierung zum Scheibenrand hin ein Anstieg der Oxiddicken zeigte, wurde ein
anderes Polierrezept (Rezept 2), mit zum Scheibenrand hin stärkerem Abtrag, gewählt. Dieses
konnte mit Hilfe der in Kap. 4.2.2 durchgeführten Versuche speziell auf das existierende Waferlayout
des Loses VC727 abgestimmt werden. Einen Vergleich der Abtragsraten über den Waferdurchmesser
zeigt Abb. 5.6.
94
Abtrag in % .
125
120
115
110
105
100
normierter Abtrag bei verschiedenen Polierrezepten
0 10 20 30 40 50 60 70
Rezept1 Rezept 2
Waferradius in mm
Abbildung 5.6: Vergleich der Abträge zwischen Mitte und Rand mit verschiedenen
Polierrezepten

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Rezept 1 Rezept 2
Kopfdrehzahl in rpm 57 97
Platendrehzahl in rpm 63 45
Polierdruck in psi 4,5 2,8
Ret-Ring-Druck appl. in psi 8 4,6
Ret-Ring-Druck act. in psi 3,2 1,5
Slurry 30N50 30N50
Slurrymenge in ml/min 50 50
Padmaterial IC1000/SUBAIV IC1000/SUBAIV
Padkonditionierung in situ in situ
Polierzeit ttt variabel variabel
Tabelle 5.2: Vergleich der eingesetzten Polierrezepte
An den Scheiben, die mit dem Rezept 2 poliert wurden, wurde eine homogene Scheibenmitte und
ein leichter Abfall der Oxiddicke am Rand erzielt.
In allen folgenden Waferchargen wurden die Waferrandgebiete komplett mit den in Kapitel 5.2
beschriebenen Dummystrukturen belegt, deren Flächenbelegung, der des Pixelgebietes entspricht.
Es zeigte sich, daß bereits durch das Design eine gleichmäßige Polierratenverteilung über den
Wafer erreicht wird, so daß als Konsequenz wieder das Rezept 1, mit der gleichmäßigsten
Abtragsratenverteilung, eingesetzt wurde.
Gestoppt wird beim Polieren des Oxides über der ersten Metallebene nach Zeit.
Beim Polieren eines ganzen Loses zeigte sich eine kontinuierliche Abnahme der Abtragsraten, bei
ansonsten konstantem Polierrezept. Dieser Effekt ließ sich durch das Einfügen eines 40s exsitu
Konditionierschrittes vor Bearbeitung jedes Wafers beseitigen.
5.3.1.2 Ermittlung der optimalen Schichtstapel für die Planarisierung
Das erste für die Optimierung der Schichtstapel an der Lichtventilmatrix vorgesehene Los war
V3381.
Die erste Planarisierung erfolgte auch bei diesem Los nach Strukturierung der ersten Metall-
Ebene.
Zunächst wurde anhand der Ergebnisse der Metall1-CMP am Los VC727 das Rezept 2 beibehalten.
Die maximal zu planarisierende Stufe war 1440 nm = 1260 nm + 180 nm (Abbildung 5.7). Alle
Wafer wurden mit Recessed LOCOS in der Feldoxidation prozessiert. Ziel war das Polieren bis
zu einer Restoxiddicke von 500 nm über den up areas von Metall1. Danach erfolgte eine Abscheidung
von 400 nm USG als Cure-Oxid, um 900 nm Zwischenoxid zu erreichen. Wie aus Abbildung
5.7 zu erkennen ist, beträgt der Zielwert der Oxiddicke im Feldoxid, in dem die Meßfenster
sind, nach CMP 2910 nm.
95

5 Prozeßintegration der Planarisierung
96
Down area
im FOX
Zielwert
Oxiddicke
up area im FOX
Metall1
BPSG
Poly-Si
FOX
400 nm
500 nm
1260 nm
1150 nm
FOX+BPSG
Abbildung 5.7: Darstellung der Topographie des Loses V3381 für CMP
Cure Oxid
Ziel nach CMP
Höhe Metall1
Down area
im GOX
180 nm
Feldstufe
Es wurden verschiedene Varianten der Schichtfolgen und Schichtdicken über Metall 1 erprobt
und deren Resultate verglichen:
Variante 1: nur USG-Abscheidung (3000 nm) und Rückpolieren
Diese einfachste Variante besteht darin, nach der Metall1-Strukturierung nur USG abzuscheiden.
Für die Planarisierung von 1440 nm Stufe und 500 nm Restoxid braucht man etwa 3000 nm Oxid
(nach Kap. 4.3.2, Abb. 4.13: Stufe + Restoxid + notwendige Oxiddicke zur vollständigen Planarisierung
+ Sicherheitszugabe). Durch die hohe Dicke der Abscheidung werden die Schichtdickenschwankungen
schon vor CMP relativ groß.
Variante 2: Si-Nitridstopschicht über 2000 nm USG und vollständige Entfernung der Si-Nitridschicht
durch Polieren
Durch den Einsatz der Si-Nitridschicht können die Oxidabscheidedicken und die Polierzeiten
reduziert werden. Die Stopschicht wirkt zusätzlich schichtdickenausgleichend. Als Stopschicht
kommt PE-SiN zum Einsatz, das hinsichtlich seiner optimalen Dicke zwischen 150 nm und 250
nm variiert wird (siehe Abb. 5.8 und Tabelle 5.3).
schwaches Polieren
im Si-Nitrid
Down area
im FOX
Zielwert
Oxiddicke
starkes Polieren
nach Entfernen von Si-Nitrid
Ziel nach CMP
Up area im FOX
Metall1
BPSG
Restoxid (500 nm)
Stufe (1260 nm)
Poly-Si+Metall1
Poly-Si Dicke
FOX
FOX+BPSG
nur bei Variante mit
Oxidabscheidung
über Si-Nitrid ausgefüllt
Down area
im GOX
Höhe Metall1
Feldstufe
(180 nm)
Abbildung 5.8: Darstellung der Topographie des Loses V3381 für CMP mit Si-Nitridschicht

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Variante 3: Si-Nitridstopschicht über 2000 nm USG und Stoppen in der Si-Nitridschicht,
anschließend wird das Si-Nitrid weggeätzt (siehe Abb. 5.8 und Tabelle 5.3)
Wesentlich bessere Homogenitäten nach der Planarisierung läßt das Stoppen in den down areas
der Si-Nitridschicht erwarten. Die Oxidabscheidedicken und die Polierzeiten können gegenüber
Variante 1 reduziert werden. Die Stopschicht wirkt zusätzlich schichtdickenausgleichend. Als
Stopschicht kommt wieder PE-SiN mit einer Dicke von 150 nm zum Einsatz.
Variante 4: SiN-Schicht über 2000 nm USG und Stoppen in der Si-Nitridschicht, anschließend
wird das SiN weggeätzt und ein zweites Mal die Reststufen noch einmal poliert (siehe Abb. 5.8)
Zusätzlich zu den in Variante 3 beschriebenen Eigenschaften werden die durch Dishing und
Rückätzen entstandenen Stufen planarisiert.
Variante 5: Si-Nitridstopschicht über 2000 nm USG und zusätzliche Oxidschicht über der Si-
Nitridschicht, Polierstop in der Si-Nitridschicht, anschließend wird das SiN weggeätzt und ein
zweites Mal die Reststufen noch einmal poliert (siehe Abb. 5.8)
Zusätzlich zu den in Variante 3 und 4 beschriebenen Eigenschaften werden die tiefsten Stellen
des Designs (nur Oxid über Gateoxid) mit ausgefüllt.
Die Scheiben der Variante 1 hatten nach dem Polieren die schlechtesten Schichtdickenhomogenitäten
(siehe Tabelle 5.3). Die absoluten Ausgangsinhomogenitäten werden durch die notwendige
Abscheidung von 3000 nm Oxid schon sehr hoch. Durch die zusätzlich entstehenden Schichtdikkeninhomogenitäten
durch das CMP werden die Ergebnisse insgesamt schlecht.
Die Wafer wiesen nach CMP keine Stufen mehr auf.
In den Varianten 2 - 4 mit Si-Nitridstoplayer wird nur soviel Oxid abgeschieden, daß in den down
areas im GOX die Zieldicke erreicht wird (hier: 2000 nm ~ 1260 nm + 180 nm + 500 nm, siehe
Abbildung 5.8), jetzt müssen nur noch die Stufen abgetragen werden.
Die Selektivität von Oxid zu PE-SiN mit der Slurry Klebosol 30N50 ist etwa 2,75. Das bedeutet,
daß Oxid rund 2,75 mal so schnell poliert wird wie PE-Nitrid.
Zu Beginn des Polierens wird erst das PE-SiN in den up areas abgetragen (dort ist der Druck
höher), dann das Oxid in den up areas mit hoher Rate, während in den down areas immer noch
langsam polierendes Si-Nitrid vorhanden ist. Die Si-Nitridschicht hat eine optimale Dicke, wenn
gleichzeitig die Si-Nitridstopschicht in den down areas und die maximalen Ausgangsstufen beseitigt
sind.
Bei einer zu dicken Si-Nitridschicht ist folgendes zu erwarten: Wenn die Oxidstufe wegpoliert ist
und im down area noch SiN vorhanden ist, dann wird Oxid mit der höheren Rate weiterpoliert
und man erhält inverse Stufen (siehe Kapitel 4.4).
Zur Ermittlung der optimalen Dicke wurden in Variante 2 drei verschiedene Si-Nitriddicken ausgewählt:
150 nm, 200 nm und 250 nm (Varianten 2.1 bis 2.3). Die Si-Nitridschicht von 250 nm
Dicke erwies sich als zu dick, da beim Polieren der Stopschicht inverse Stufen entstanden (-20 nm
bis - 60 nm), ebenso bei 200 nm SiN mit Stufen von (-30 nm bis -50 nm).
Bei den Scheiben (der Variante 2.1) mit 150 nm PE-SiN wurde das SiN vollständig wegpoliert
und es ergaben sich Reststufen in Höhe von -10 nm bis -15 nm.
97

5 Prozeßintegration der Planarisierung
Die Resultate der Varianten 1 und 2 zeigt die Tabelle 5.3:
98
Variante1 Variante2.1 Variante2.2 Variante2.3
abgeschiedene Oxiddicke in nm 3000 2000 2000 2000
abgeschiedene SiN-Dicke in nm - 150 200 250
Ausgangsinhomogenität USG in % 4,3 2,4 2,4 2,4
Zieldicke nach CMP in nm 2900 2900 2900 2900
mittlere Oxiddicke nach CMP in nm (MW) 2957 2939 3013 2988
Standardabweichung in % 2,85 2,50 2,67 2,7
Δ (max-min) in nm 328 273,5 295 322
Inhomogenität in % 5,5 4,6 4,9 5,4
Reststufenhöhe in nm 0 -10 bis -15 -30 bis -50 -20 bis -60
mittlere Polierzeiten in s 750 480 510 600
Tabelle 5.3: Vergleich der Polierergebnisse der Varianten 1 und 2 am Los V3381
Zusammenfassend läßt sich zu Variante 1 und 2 sagen, daß die Variante mit Stopschicht gegenüber
der mit ausschließlich Oxid eine bessere Homogenität und geringere Standardabweichungen
liefert und zu kürzeren Polierzeiten führt, da nur die Stufen wegpoliert werden müssen. In diesem
Los wurden die Si-Nitridschichten vollständig wegpoliert.
SiN über den Meßfenstern wirkt sich störend auf Schichtdickenmessungen nach der Oxid-CMP
über Metall1 aus und behindert gleichzeitig die Vor- und Nachmessungen für die Metall2-CMP.
Diese Messungen sind für die weitere Prozessierung aber unabdingbar. Das angestrebte Ziel, die
Homogenität durch einen Stoplayer zu steigern, wurde erreicht. Die Verbesserung in der Homogenität
in Variante 2 resultiert hauptsächlich aus der geringeren Abscheidedicke des Oxides und
den damit verringerten Ausgangsinhomogenitäten von 4,3 % auf 2,4 %. Mit einer Deckschicht
von 150 nm Si-Nitrid und vollständigem Durchpolieren des Si-Nitrids werden geringe Reststufenhöhen
nach CMP bei gleichzeitig guten Homogenitäten und kurzen Polierzeiten erreicht.
Die maximalen Stufen und die Homogenitäten sind in diesem Los noch nicht zufriedenstellend.
Die Verbesserung der Homogenitäten ist hauptsächlich auf die geringeren Abscheidedicken des
Oxides zurückzuführen.
Deshalb wurde im nächsten Los VC748, aufbauend auf den Erfahrungen des Testloses V3381,
die Technologie verändert.
In Variante 3 wurden, aufbauend auf den Ergebnissen der Varianten 1 und 2, 2000 nm USG und
150 nm PE-Si-Nitrid abgeschieden. Diesmal wurde jedoch das Polieren im Si-Nitrid gestoppt. In
den hochliegenden Oxidgebieten wird mit hoher Rate poliert. Erst bei Angleichung des Höhenniveaus
an die Si-Nitridschicht im down area verlangsamt sich der Polierprozeß und es erfolgt ein
Schichtdickenausgleich über den gesamten Wafer. Dazu wurde die Polierzeit von 480 s auf 320 s
verringert. Das Kriterium zum Beenden des Polierens ist eine minimale Stufenausbildung an den
SiN- Oxidübergängen. Nach der genannten Polierzeit betragen die Stufen im Matrixrandbereich -
30 nm bis -40 nm. Die auf dem Oxid noch vorhandenen Si-Nitridschichten stören die weiteren
Schichtdickenmessungen. Da sich nicht genau vorhersagen läßt, ob im ILD eingeschlossenes Si-
Nitrid negative Auswirkungen auf die elektrischen Parameter hat, wurde das Si-Nitrid selektiv
zum Oxid mittels Plasmaätzen entfernt.
Zu diesem Zweck wurde ein RIE-Ätzprozeß entwickelt, bei dem die Wafer erst mit hoher Ätzrate
und geringer Selektivität zwischen Si-Nitrid und Oxid (Schritt 1) und anschließend mit kleiner
Ätzrate und „hoher“ Selektivität (Schritt 2) im Split-Power-Mode in der Triode geätzt werden. In

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Schritt 1 wird eine Selektivität von Oxid zu Si-Nitrid von 325 nm / 250 nm erreicht. Im Schritt 2
beträgt die Selektivität 12 nm / 30 nm auf unstrukturierten Wafern. Durch die Aufteilung in zwei
Schritte können die Ätzzeiten gering gehalten und trotzdem das restliche Si-Nitrid sicher entfernt
werden. Durch das selektive Si-Nitridätzen können die entstehenden Stufen um 10 nm bis 15 nm
verringert werden.
Mittelwert der
Oxiddicke in nm
Standardabweichung
in%
max-min
in nm
Inhomogenität
in%
Reststufen im
Randgebiet in nm
3198 1,29 170 2,7 -40 bis 15
Tabelle 5.4: Ergebnisse des Loses VC748 mit Polierstop im Si-Nitrid und anschließendem
Rückätzen
Wie die Werte in Tabelle 5.4 zeigen, hat sich der Einsatz einer PE-Si 3 N 4 -Stopschicht und deren
Entfernung durch selektives Ätzen grundsätzlich bewährt. Die maximalen Unterschiede in der
Oxiddicke über den Wafer liegen deutlich unter 200 nm. Die Homogenität ist im Mittel 2,7 %.
Beim Durchpolieren der Stopschicht im vorhergehenden Versuch ergaben sich 4,6 %. Da sowohl
bei den Abscheidungen, als auch beim Polieren Ratenschwankungen auftreten, sollte das Rückätzen
möglichst jedesmal auf die Restnitriddicken abgestimmt werden.
Die ILD-Planarisierung am Los VC748 läßt folgende Schlüsse zu:
Die beste Homogenität wird durch Stoppen des CMP-Prozesses im PE-Si 3 N 4 und anschließendem
selektiven Rückätzen des PE-Si 3N 4 erreicht.
Die Si-Nitridreste könnten über Metall 1 stehenbleiben und der Ätzschritt entfallen, wenn:
- die Si-Nitridreste keinen störenden Einfluß auf die elektrischen Parameter ausüben (das kann nur
durch vergleichende elektrische Messungen ermittelt werden) und
- der CMP-Prozeß so optimiert und stabilisiert abläuft, daß eine Kontrolle der Oxiddicke nach
dem Polieren über Metall1 sowie bei der Metall2 CMP nicht mehr notwendig ist.
Dies ist aber im derzeitigen Stadium der Entwicklung der Lichtventilmatrix nicht der Fall, so daß
auf alle Fälle die Si-Nitridrückätzung stattfinden muß.
Bei diesem kombinierten Verfahren von CMP und Rückätzen bleibt trotz der besseren Homogenität
immer noch eine Differenz der Oxiddicke von 140 nm - 200 nm über den Wafer (Maximum
in Wafermitte, Minimum am Rand) und Reststufen in der Randelektronik von -40 nm bis 15 nm.
Da die Oxiddickendifferenz bei der Cure-Oxid-Abscheidung noch verstärkt werden kann, sollte
versucht werden, die Differenz durch Variation des Polierrezeptes zu minimieren.
Betrachtet man noch einmal die Auswahlkriterien für das Polierrezept 2 (siehe oben), so wird
deutlich, daß dieses Rezept wegen des Mitte-Rand-Anstiegs beim Los VC727 gewählt wurde.
Konkret heißt das, das Rezept 2 poliert am Waferrand stärker als in der Mitte und ist für das in
allen Ebenen optimierte Layout nicht mehr das optimale Polierrezept.
Folglich wurde im nächsten Los VC826 wieder zum Standardrezept 1 übergegangen (siehe
Tabelle 5.2 und Abb. 5.6).
Mit diesen Polierergebnissen hätte man die Entwicklung des Planarisierungskomplexes über der
Metall1-Ebene abschließen können.
99

5 Prozeßintegration der Planarisierung
Stufenmessungen mit dem AFM im Pixelgebiet ergaben jedoch Reststufenhöhen bis zu 290 nm,
während in den Randgebieten der Chips die Stufen annähernd planarisiert waren (Abb. 5.9). Die
weiteren Untersuchungen konzentrierten sich auf die Minimierung der Stufen im Matrixgebiet bei
gleichzeitiger Beibehaltung der geringen Stufen im Randgebiet und der guten Homogenität.
Zum Ausgleich der Stufenhöhenunterschiede zwischen Pixel- und Randgebiet wurden zusätzliche
Maßnahmen notwendig. Deshalb wurde am Los VC826, entsprechend Variante 4, nach dem
Stoppen im Si-Nitrid und der Entfernung des restlichen Si-Nitrids mittels Plasmaätzens die Reststufe
im Oxid nachpoliert.
Die Polierzeiten wurden mit 60 s bis 85s so gewählt, daß die vorhandenen Stufen gerade planar
wurden.
a)
100
Mittelwert der
Oxiddicke in nm
Standardabweichung
in %
max-min
in nm
Inhomogenität
in %
Reststufen im Rand- und
Matrixgebiet in nm
2925 2,13 246 4,2 10
Tabelle 5.5: Ergebnisse des Loses VC826 nach Polierstop im Si-Nitrid, Rückätzen und
zweitem Polieren (Variante 4)
max Step height: 184 nm
b)
max Step height: 271 nm
RMS (Rq): 2,3 nm
max Step height: 7,2 nm
Abbildung 5.9: AFM-Aufnahmen der Stufen nach CMP am Los VC826 a) nach 1. Polieren,
b) nach Si-Nitridätzen und c) nach 2. Polieren
Die Löcher in Abb. 5.9 a) und b) sind Gebiete in denen über GOX keine anderen Layer liegen.
Tabelle 5.5 zeigt schlechtere Homogenitäten als im vorhergehenden Versuch. Durch den zweiten
Polierschritt verschlechtert sich die Homogenität, da abhängig vom Patternfaktor und den verschiedenen
Stufenhöhen, durch die Selektivitäten beim Ätzen, der Abtrag variiert. Die Stufen
sind jedoch nach dem zweiten Polieren vollständig planarisiert, so daß nach zusätzlichem
Abscheiden einer Cure-Oxidschicht zum Einbetten von Partikeln oder Defekten die Metall2-
c)

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Ebene aufgebracht werden kann. Die schlechteren Homogenitäten werden zu Gunsten der geringeren
Stufenhöhen in Kauf genommen.
In Variante 5, bei der über dem Si-Nitrid noch eine zusätzliche 300 nm dicke Oxidschicht abgeschieden
wurde, wurde an einigen Wafern des Loses V3381 die Planarisierung getestet. Gestoppt
wurde der Polierprozeß, genau wie bei der Variante 3, 500 nm über Metall1. Der Vorteil dieser
zusätzlichen Oxidabscheidung liegt in dem Ausfüllen der down areas über GOX (siehe Abb. 5.8
und Abb. 5.9). Da keine Rückätzung des Si-Nitrides erfolgte, konnte die Homogenität nach CMP
nur noch durch Tiefenmessung der Kontaktlöcher (Vias) bis zum Metall1 mit dem AFM überprüft
werden. Oxiddickenmessungen waren nach CMP nicht möglich, da für die Messung des
Schichtstapels Oxid-SiN-Oxid kein praktikables Verfahren zur Verfügung stand. Die Viatiefen
schwankten um 137 nm bis 178 nm bei einer Gesamttiefe von 1100 nm. Vergleichende Messungen
am Los VC826 ohne zusätzliche Oxidschicht ergaben Viatiefenschwankungen um 77 nm bis
112 nm. Aus diesen Messungen läßt sich schlußfolgern, daß mit der zusätzlichen Oxidschicht
keine Verbesserung der Homogenität erreicht werden kann. Die Prozeßkontrollmaßnahmen werden
durch die eingebettete Si-Nitridschicht aber erheblich erschwert. Deshalb wurde diese Planarisierungsvariante
nicht weiter verfolgt.
Mit der Überführung der CMOS-Technologie vom IMS Duisburg an das IMS Dresden änderte
sich die Herstellung des Feldoxides. In Duisburg wurde die Feldisolation mittels Recessed-
LOCOS hergestellt, in Dresden wird Standard-LOCOS verwendet.
Dadurch erhöhte sich die Feldoxidstufe von 180 nm auf 280 nm. Das Planarisierungsverfahren
wurde an die erhöhten Feldoxidstufen angepaßt. Dazu wurde das Los VC857 in zwei Teile mit
und ohne Recessed-LOCOS gesplittet. Die Planarisierung erfolgte wieder nach Variante 4 durch
Abscheiden von 2000 nm CVD-Oxid, 150 nm PE-Si 3N 4, Polieren nach dem Rezept 1 und
anschließendem Rückätzen der restlichen Si-Nitridschicht. Die vergleichenden Ergebnisse sind
Tabelle 5.6 zu entnehmen. Die schlechten Homogenitäten resultieren teilweise aus dem Überpolieren
(vollständige Entfernung des Si-Nitrids an einigen Stellen) der Wafer. Das Polieren ausschließlich
nach Zeit gestaltet sich schwierig und kann nur durch die Einhaltung enger Grenzen in
den Maschinenparametern erreicht werden. Die mit Standard-LOCOS hergestellten Wafer haben
keine schlechteren Homogenitäten als die mit Recessed-LOCOS hergestellten, streuen aber stärker.
Die Homogenitätenverteilung der Oxiddicken über ein Los stellt die Abbildung 5.10 dar.
Mittelwert der Standard- max-min Inomo- Reststufen im Rand- und
Variante
Oxiddicke in nm abweichung in % in nm genität in % Matrixgebiet in nm
Recessed-LOCOS 2994 2,25 265 4,4 0
Standard-LOCOS 3066 2,28 288 4,7 0
Tabelle 5.6: Ergebnisse des Loses VC857 mit Standard- und Recessed-LOCOS nach
Polierstop im Si-Nitrid, Rückätzen und zweitem Polieren
101

5 Prozeßintegration der Planarisierung
102
prozentuale Wahrscheinlichkeit
Homogenitätenverteilung über das Los VC857
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5
Homogenität in %
Recessed-LOCOS Standard-LOCOS
Abbildung 5.10: Vergleich der Homogenitäten zwischen Standard- und Recessed-LOCOS für
Los VC857
Das insitu-Endpunktsystem konnte in diesem Prozeßschritt nicht genutzt werden, da das gewonnene
Signal aufgrund der ungleichmäßigen Flächenbelegung bei den großen Lichtventilmatrizen
keine einheitlichen Merkmale hatte.
Das beschriebene Planarisierungsverfahren, entsprechend Variante 4, erwies sich als geeignet für
die Metall1-Planarisierung und wurde deshalb als Teilschritt „CMP-Prozesse“ in die Fertigung
übernommen.
5.3.2 Zusammenfassung zum Planarisierungskomplex der Metall1-Ebene
Für die Planarisierung nach Metall 1 wurden 5 Varianten getestet (Tabelle 5.7):
- (1) nur USG-Abscheidung und Polieren,
- (2) USG mit Si-Nitridstopschicht, die durch Polieren wieder vollständig entfernt wird,
- (3) USG mit Si-Nitridstopschicht in der beim Polieren gestoppt wird und das Si-Nitrid anschließend
weggeätzt wird,
- (4) USG mit Si-Nitridstopschicht in der beim Polieren gestoppt wird, das Si-Nitrid weggeätzt
und anschließend die Reststufen wegpoliert werden,
- (5) USG mit eingebetteter Si-Nitridstopschicht, wobei die Stopschicht über den Aktivgebieten
nicht entfernt wird.
In Variante 1 ergeben sich im Vergleich die schlechtesten Homogenitäten. Die Vorteile von Variante
2 gegenüber 1 ergeben sich nur durch die geringeren Dicken der Oxidabscheidung und den
daraus resultierenden besseren Homogenitäten. In der Variante 3 waren zwar die Oxiddickenschwankungen
über den Wafer am geringsten, aber im Matrixgebiet waren noch Stufen von bis
zu 300 nm vorhanden.
Ein direkter Vergleich von Variante 5 mit den restlichen Varianten anhand von Messungen mit
dem spektralen Reflektometer ist wegen des eingebetteten Si-Nitrids nicht möglich. Der Vergleich
der Viatiefen und der Streuung der Viatiefe über den Wafer zeigte keine signifikanten

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Unterschiede. Da aber für diese Variante durch statistische Versuche erst noch zu zeigen ist, daß
die elektrischen Parameter durch das eingebettete Si 3N 4 nicht nachteilig beeinflußt werden und
eine einfache Prozeßkontrolle nicht gewährleistet ist, wird die Variante 5 zunächst nicht weiterverfolgt,
obwohl dabei die Restnitridentfernung entfallen würde. Das heißt, daß für die ILD-Planarisierung
nach Metall1 die Variante 4 favorisiert wird. Zur Entfernung der Si-Nitridreste wird
ein Si-Nitridätzprogramm benutzt, dessen Zeiten für die beiden Ätzschritte noch einmal mittels
eines Versuchsplanes optimiert werden sollten. Mögliche Varianten sind Schritt 1: 20 s / Schritt
2: 60 s bzw. 40 s / 0 s. Bei Verwendung des Ätzprozesses 40 s / 0 s erfolgt ein Oxidabtrag > 100
nm in nitridfreien Gebieten. Dieser Abtrag muß bei der USG-Abscheidung vor CMP berücksichtigt
werden.
Betrachtet man die Schwankungen der Oxiddicken (max-min) über den Wafer, ergibt sich bei den
Wafern mit Standard-LOCOS-Feldoxid ein Bereich von 228 nm bis 357 nm. Die Ausgangsdikkenschwankungen
lagen bei 160 nm bis 180 nm. Durch das CMP sind also zusätzliche Dickenschwankungen
in Höhe von 70 nm bis 180 nm entstanden. Bessere Werte ließen sich mit
Zunahmen der Dickenschwankungen von maximal 60 nm im Los VC748 nur durch Einsparen des
zweiten Polierschrittes erzeugen.
Die Anzahl der Meßstellen für Stufen und Oxiddicken konnte von anfänglich 22 auf je 5 reduziert
werden. Die Lage der Meßpunkte zeigt Abb. 8.1 in Anlage A.
Los V3381 V3381 VC748 VC826 VC857
Variante 1
2
3
4
4
nur Oxid durchpolieren Stop im Si-Nitrid Stop im Si-Nitrid, wie VC826 aber mit
von Si-Nitrid +Ätzen
Ätzen+2.Polieren Standard-LOCOS
Stufe Poly-Si/Met1-FOX 1260 nm 126 nm 1190 nm 1230 nm 1300 nm
Stufe FOX-GOX 180 nm 180 nm 180 nm 180 nm 28 nm
Dicke: FOX+BPSG 1150 nm 1150 nm 1249 nm 1270 nm 1210 nm
Ziel Oxid über Met.1 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm 500 nm
abzuscheidende Oxiddicke
über Met1 vor CMP
3000 nm 2000 nm 2000 nm 2050 nm 2270 nm
PE-Si-Nitriddicke vor CMP - 150 nm 150 nm 136 nm (150 nm) 150 nm
Inhomogenität vor CMP 4,3 % 2,4 % 2,4 % 2,3 % 2,5 %
max-min vor CMP 350 nm-375 nm 150 nm-160 nm 150 nm-160 nm 135 nm-170 nm 160 nm-180 nm
Polierrezept 1. Polieren Rezept 2 Rezept 2 Rezept 2 Rezept 1 Rezept 1
mittlere Abtragsrate 250 nm/min 255 nm/min 146 nm/min 250 nm/min 248 nm/min
Rest-SiN - - auf 20 von 22 MP auf 19 von 22 MP auf 4 von 22 MP
Entfernung SiN - wegpoliert Ätzen 20 s / 60 s Ätzen Duisbg. Ätzen 6 s / 120 s
Polierrezept 2. Polieren - - - Rezept 1 (85 s) Rezept 1 (85 s)
Restoxid über Met.1 430 nm-605 nm 510 nm-555 nm 750 nm-764 nm 410 nm-450 nm 40 nm-511 nm
Mittelwert Oxid über FOX 2957 nm 2939 nm 3198 nm 2925 nm 3066 nm
max-min nach CMP 283 nm-400 nm 256 nm-304 nm 140 nm-217 nm 180 nm-308 nm 228 nm-357 nm
Inhomogenität nach CMP 5,5 % 4,6 % 2,7 % 4,2 % 4,7 %
Stufe Poly-Si/Met1-FOX
(Rand)
0 nm 0 nm -40 nm bis 15 nm 0 nm 0 nm
Stufe in Pixelgebiet nicht gemessen nicht gemessen nicht gemessen 0 nm 0 nm
Tabelle 5.7: Vergleich der Planarisierungsvarianten im Metall1-Komplex
103

5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.3.3 Festlegung der Arbeits- und Prüfschritte der ersten Metallebene
Ausgehend von den beschriebenen Untersuchungen lassen sich folgende Festlegungen für den
Arbeitsablauf zur Planarisierung des ILD-Oxides über Metall1 treffen:
1. Allgemeines:
Pad: IC1000/SubaIV mit Rillen (k-grooves)
Slurry: Klebosol 30N50
Polieranlage: MIRRA
Vor dem Polieren ist sicherzustellen, daß die aktuelle Polierrate bekannt ist. Diese muß an einem
Monitorwafer bestimmt worden sein, vor dem ein exsitu Konditionieren durchgeführt wurde. Aus
der aktuellen Polierrate, actRate, ist ein Umrechnungsfaktor F zu bestimmen (Gleichung 46).
Die Polierschritte sind zeitgesteuert.
Alle Oxiddicken- und Stufenmessungen sind an 5 Punkten des Wafers durchzuführen.
Der Planarisierungskomplex beginnt nach der Strukturierung von Metall1.
2. Vormessungen:
Höhe der Stufe:Feldoxid - Gateoxid (der Laufkarte entnehmen)
Höhe der Stufe:Poly-Si /Met1 - Feldoxid (mit Profilometer)
Oxiddicke: Feldoxid + BPSG (mit spektralem Reflektometer)
3. Abscheidungen:
Zur Ermittlung der notwendigen Dicke der USG-Abscheidung werden herangezogen:
a = 720 nm USG und 120 nm Ar-Sputterätzen
b = Höhe Stufe FOX - GOX
c = Höhe Stufe Poly-Si /Met1 - FOX
d = Restoxid nach CMP über Met1/Poly-Si /FOX
e = durch Oxidabtrag im Si-Nitridätzschritt erforderliche Zugabe
Die Dicke der Abscheidung berechnet sich dann zu:
3.1 Abscheidung USG mitGesamtdicke = b + c + d + e - a
3.2 Abscheidung von 150 nm PE-Si-Nitrid
4. Messung:
an ausgewählten Wafern Messungen der Oxiddicke an 5 Punkten (mit spektralem Reflektometer)
5. erstes Polieren:
Rezept: Rezept 1 mit 40 s exsitu Konditionieren vor dem Polieren
Standard LOCOS: Polierzeit = F x 210 s
Recessed LOCOS: Polierzeit = F x 200 s
104
F 250 nm
=
⎛
⎝
-------- ⎞
min⎠
⁄ ( actRate)
(46)

5.3 Planarisierungskomplex der ersten Metallebene
Der Polierzeit entsprechend wird das Polierrezept angegeben. Es sind am ersten polierten Wafer
die Oxidhöhe und die Reststufe zu messen und die Polierzeit gegebenenfalls zu korrigieren.
6. Entfernung des Rest-SiN:
Anlage: Triode 384T
Ätzzeiten: 40 s RIE (Ätzraten: Oxid : Si-Nitrid; 325 nm/min : 250 nm/min)
7. zweites Polieren:
Rezept: Rezept 1 mit 40 s exsitu Konditionieren vor dem Polieren
Polierzeit = F x 60 s
Der Polierzeit entsprechend wird das Polierrezept angegeben. Es sind am ersten polierten Wafer
die Oxidhöhe und die Reststufe zu messen und die Polierzeit gegebenenfalls zu korrigieren.
Ziele:
- Es soll eine Oxiddicke von 500 nm über Metall1/Poly-Si /FOX erreicht
werden.
- Die Reststufen müssen kleiner ±15 nm sein
8. Nachmessungen
Die Nachmessungen erfolgen an ausgewählten Wafern.
Höhe der Stufe:Poly-Si /Met1 - Feldoxid (5 Punkte mit Profilometer im Randbereich)
Oxiddicke: Feldoxid + BPSG (5 Punkte mit spektralem Reflektometer)
105

5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
5.4.1 Entwicklung der Planarisierung nach Metall2 mit CMP
Nach Abschluß der Planarisierung über der ersten Metallebene und einer 400 nm dicken Cureoxid-Abscheidung
wird von einer ideal ebenen Oberfläche für die Metall2-Prozesse ausgegangen.
Im nächsten Schritt werden die Kontaktlöcher (Vias) geätzt. Anschließend folgt die Metall2-
Abscheidung und Strukturierung. Die neu entstehenden Stufen resultieren nur aus den Viatiefen
und den Stufen des strukturierten Metall2. Die zweite Metallebene ist 1000 nm dick. Auf der
Metallschicht befindet sich eine 40 nm dicke TiN-Antireflexionsschicht für die Fotolithographie.
Die neu entstehenden Stufen haben also Höhen von etwa 1000 nm. Die Kontakte zwischen der
ersten und zweiten Metallebene werden zusammen mit der Aluminium-Abscheidung hergestellt.
Durch die designoptimierenden Maßnahmen wurden bereits die Füllungsgrade der Matrixgebiete
A bis D angeglichen (siehe Kapitel 5.2). Eine schematische Darstellung der Schichtfolgen zeigt
Abbildung 5.11.
106
Dicke
Metall2
USG
Viatiefe
Metall1
BPSG
Poly-Si
FOX
Metall2
TiN Ziel nach CMP2
Höhe Metall2
Höhe nach CMP1
Höhe Metall1
Abbildung 5.11: schematische Darstellung der Topographie nach der Metall2-Abscheidung
Ziel der Planarisierung ist es, das TiN freizulegen, ohne jedoch Metall2 anzupolieren. Um das zu
realisieren, ist es notwendig, die unterschiedlichen Selektivitäten der über Metall2 liegenden
Materialien auszunutzen. Das Ende des Polierprozesses wird im Gegensatz zu der Planarisierung
nach Metall1 nicht über die Rate und die Polierzeit bestimmt. Nur mit dem Einsatz der interferometrischen
Endpunkterkennung ist es möglich, direkt auf der über Metall2 liegenden Schicht zu
stoppen (da 88% der Fläche mit Metall2 belegt sind). Die Kontrolle, ob nach dem Polieren die
TiN-Schicht über Metall2 freigelegt ist, kann nur durch Sichtkontrolle erfolgen.
Wie bereits in Kapitel 5.1.3 beschrieben, wirken sich Oxidreste über der zweiten Metallschicht
auf das Auslenkverhalten der fertigen Spiegel aus. Wird in das Aluminium hineinpoliert, entsteht
eine rauhe Oberfläche mit Kratzern. Deshalb muß die Zielhöhe über Metall2 genau erreicht werden.
Es wurden verschiedene Varianten von Stopschichten über Metall2 und Slurries mit unterschiedlichen
Selektivitäten getestet.
USG

5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
Aufbauend auf den Ergebnissen der Metall1-CMP wurden folgende Varianten untersucht:
Variante 1: USG-Abscheidung (2μm) über Metall2/TiN und Rückpolieren mit hochselektiver
STI-Slurry. Dafür wurde eine STI-Slurry eingesetzt, die eine Selektivität von Oxid zu
Si 3 N 4 von 200 hat.
Variante 2: USG-Abscheidung in Höhe der Stufe (1000 nm), anschließend 150 nm PE-Si-Nitridabscheidung
und Polieren mit herkömmlicher Slurry (Klebosol 30N50).
In Variante 1 soll die 40 nm dicke TiN-Schicht als Polierstop dienen. Aufgrund der hohen erwarteten
Selektivitäten könnte diese Schichtdicke bereits ausreichen.
Variante 3: PE-Si 3N 4-Abscheidung (100 nm), dann USG-Abscheidung (2 μm) über Metall2/TiN
und Rückpolieren mit hochselektiver STI-Slurry.
Variante 4: PE-Si 3N 4-Abscheidung (100 nm - 150 nm), dann USG-Abscheidung in Höhe der
Stufe (1000 nm), anschließend 150 nm PE-Si-Nitridabscheidung und Polieren mit herkömmlicher
Slurry (Klebosol 30N50), (Abb. 5.13) und Rückätzen des Rest-SiN
In Variante 1 soll die 40 nm dicke TiN-Schicht als Polierstop dienen. Aufgrund der hohen erwarteten
Selektivitäten könnte diese Schichtdicke bereits ausreichen.
Wegen der 150 nm PE-Si 3 N 4 in Variante 2 kann die abzuscheidende Oxiddicke reduziert werden,
woraus eine bessere Ausgangshomogenität resultiert. Der Flächenanteil an PE-Si 3N 4 beträgt in
den down areas im Matrixgebiet theoretisch 22%, praktisch wachsen die schmalen Gräben während
der USG-Abscheidung zu, so daß das Si-Nitrid kaum noch seine Funktion als Stopschicht in
Höhe Metall2 erfüllen kann (Abb. 5.12c).
Sowohl in Variante 1 als auch in Variante 2 konnten die Zielwerte des Polierstops im TiN nicht
erreicht werden. Entweder wurde ins Aluminium poliert oder es blieb noch Oxid über dem TiN
stehen.
Die Stufen wurden in beiden Varianten vollständig planarisiert. Kontrollierende AFM-Untersuchungen
zeigten Rauhigkeiten von 140 nm im anpolierten AlSiCu. Ergänzende AFM-Messungen
ergaben schon vor dem Polieren Ausgangsrauhigkeiten im AlSiCu (Korngrößen) von 70 nm
(Abb. 5.12 a und b), die größer als die TiN-Schichtdicke sind.
Diese Varianten wurden nicht weiterverfolgt.
Aus den vorliegenden Ergebnissen lassen sich folgende Schlußfolgerungen ziehen:
Die Standard TiN-Schichtdicke ist zu dünn, um als Stopschicht dienen zu können, da die Oberfläche
von TiN aufgrund der Rauhigkeit stellenweise tiefer als die AlSiCu-Oberfläche liegt.
Die Schichtdickenhomogenität ist in Variante 1 schlechter als in Variante 2. Das ist auf die größeren
Ausgangsinhomogenitäten, bedingt durch die Abscheidung größerer Oxiddicken, zurückzuführen.
Die Selektivität zwischen Oxid und TiN der hochselektiven STI-Slurry ist bei strukturierten
Wafern geringer als bei unstrukturierten Wafern und 40 nm TiN reichen auch hier aufgrund der
Oberflächenrauhigkeit nicht als Stopschicht. Das heißt, die direkt über Metall2 liegende Stopschicht
muß verstärkt werden. Zu diesem Zweck wird in den Varianten 3 und 4 nach der Metall2-
107

5 Prozeßintegration der Planarisierung
Strukturierung eine 100 nm dicke PE-Si-Nitrid-Schicht abgeschieden. Der Aufbau darüber wurde
wie in den ersten beiden Varianten gesplittet (siehe oben).
a)
Rmax : 201 nm
RMS (Rq): 18,8 nm
108
Abbildung 5.12: AFM Aufnahmen a) einer AlSiCu-Oberfläche b) einer polierten AlSiCu-
Oberfläche c) Stufen nach Oxidabscheidung im Pixelgebiet
Abbildung 5.13: Schichtstapel der Variante 4
b)
USG
Metall2
Rmax : 136 nm
RMS (Rq): 10,9 nm
Metall1
max Step height: 511 nm
Nach dem Polieren von Variante 3 war an vielen Stellen Metall2 anpoliert. Die Reststufen betrugen
30 nm bis 60 nm. Im Pixelgebiet war noch Oxid über dem Metall. Die hochselektive Slurry
lieferte keine besseren Ergebnisse als die herkömmliche Slurry. Variante 4 ergab die besseren
Homogenitäten im Pixelgebiet. Deshalb wurden zur Wahrung der Prozeßkompatibilität mit dem
CMP der ersten Metallebene die weiteren Untersuchungen mit der Slurry Klebosol 30N50 durchgeführt.
Das Rückätzen des Rest-SiN erfolgt wie beim Metall1 mittels Plasmaätzen.
Die Ergebnisse der bisherigen Versuche sind für die Herstellung der Lichtventilmatrizen noch
nicht zufriedenstellend. Über dem Pixelgebiet bleibt nach CMP noch Oxid über dem Si-Nitrid
TiN
USG USG
c)
PE-Si-Nitrid
Ziel nach CMP2
Höhe Metall2

5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
stehen, während in der Randelektronik zum Teil schon Metall2 anpoliert wird. Durch das Zurückätzen
entstehen wieder neue Stufen. Um eine Aussage über die nach CMP noch vorhandene
Oxiddicke über dem Pixelgebiet zu erhalten, wurde Wafer 10 des Loses V3381 (Variante 2) am
REM untersucht. Die Aufnahme (Abb. 5.14) zeigt, daß über dem direkt über Metall2 liegenden
Si-Nitrid noch 150 nm USG liegen.
Um den Grund für das langsame Polieren über dem Pixelgebiet gegenüber der Randelektronik zu
finden, wurde eine AFM-Messung der Gräben im Pixelgebiet vor CMP vorgenommen. Es zeigte
sich, daß die Gräben nach der Oxidabscheidung im Pixelgebiet nur 500 nm tief sind (Abb. 5.12 c).
Schon nach kurzer Polierzeit liegt über dem Pixelgebiet eine geschlossene Oxidschicht, die dementsprechend
langsam abgetragen wird.
CMP-Met. 2
CMP-Met. 1
FOX
Abbildung 5.14: Schichtaufbau der LVM-Pixel am Wafer 10, V3381, nach Polieren der
Metall2-Ebene
Fotolack
USG
PE-Si3N4 Metall 2
Cure-Oxid
BPSG
Poly-Si
GOX
Substrat
Durch Layoutänderungen ist der Dickenunterschied zwischen Pixelgebiet und Randelektronik
nicht mehr zu beheben, da eine Erhöhung des Füllungsgrades im Randgebiet oder eine Verringerung
des Füllungsgrades im Pixelgebiet nicht mehr möglich ist.
Mit Hilfe von Stopschichten läßt sich eine homogenere Oberfläche innerhalb der Matrixchips
nicht erreichen. In den Randgebieten A bis C ist ein Abfall der Oxiddicke bis zu 200 nm gegenüber
dem Pixelgebiet zu beobachten. Das gleichmäßige Stoppen im PE-Si-Nitrid über Metall2
erwies sich mit dem derzeitigen Design als nicht machbar. Teilweise wurde ins Metall hineinpoliert
und teilweise bereits im Oxid gestoppt.
Auf die Optimierung einer homogenen Oxiddickenverteilung und ein zielgenaues Stoppen konzentrieren
sich die weiteren Untersuchungen.
Zur Verbesserung der Homogenität wurde eine zusätzliche Maske für das Pixelgebiet entwickelt.
Dazu wurde das Layout der vorhandenen Maske der Metall2-Strukturierung invertiert. Mit dieser
Maske werden Stufen in die Oxidschicht im Pixelgebiet über Metall2 geätzt. Die Vorteile dieser
Technologie zeigt die Abbildung 5.15.
USG
109

5 Prozeßintegration der Planarisierung
110
Lithographie
und Ätzen
Maske
Metall2
Lack
Metall2
USG-
Absch.
Metall2
Abbildung 5.15: Darstellung der Wirkungsweise einer inversen Maske
Der durch die inverse Maske hergestellte Stufenverlauf läßt sich, wie in den Untersuchungen in
Kapitel 4.3.2 und Kapitel 4.3.3 herausgefunden, mit geringem Oxidabtrag in den down areas
planarisieren. Die inverse Matrix wird im gesamten Pixelgebiet belichtet. Gewählt wurde eine
Ätztiefe von 500 nm, um die nach der Oxidabscheidung vorhandenen Stufen und die Oxiddickenschwankungen
zwischen Matrix- und Randgebiet vollständig auszugleichen.
Zum sicheren Stoppen im Si-Nitrid wurden die Nitriddicken über Metall2 und Oxid auf 150 nm
erhöht.
Der vollständig entwickelte Planarisierungsprozeß setzt sich somit entsprechend Variante 4 aus
folgenden Schritten zusammen:
1. 150 nm PE-Si-Nitrid-Abscheidung
2. USG-Abscheidung (Dicke = maximale Stufe - 150 nm)
3. 150 nm PE-Si-Nitrid-Abscheidung
4. Lithographie und Dummystrukturätzung mit inverser Metall2-Maske
5. Polieren bis zur unteren Si-Nitridschicht mit Endpunkterkennung mit der Slurry Klebosol
30N50
6. Ätzen der TiN- und Si-Nitridreste
Im folgenden wird auf den Einsatz des insitu Endpunkterkennungssystems eingegangen. Die mit
diesem Endpunkterkennungssystem aufgenommenen Kurven sind reproduzierbar, wie die Abbildung
5.16 zeigt.
VC857 #6
Lithographie nach Ätzen
t/s
inverse Maske
Metall2
Abbildung 5.16: Darstellung der Reproduzierbarkeit der Endpunktkurve am Beispiel der
Wafer 6 (VC857) und Wafer 17(V3381)
Lack
USG
Ätzen
V3381 #17
USG
Metall2
t/s

5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
In den ersten 80 s bis 100 s ist ein deutlicher Anstieg des Signalpegels zu erkennen. In dieser Zeit
wird die Si-Nitriddeckschicht poliert. Anschließend werden die Stufen im Oxid planarisiert. Ab
200 s bis 250 s wird das vergrabene Si-Nitrid erreicht. Die Amplitude des Signals fällt stark ab.
Würde jetzt noch weiter poliert werden, poliert man ins Aluminium und der Signalpegel würde
wieder stark ansteigen (bis +20). Also wird kurz vor dem Minimum im Signal mit dem Polieren
gestoppt. Hier sollte das Si-Nitrid an allen Stellen anpoliert, aber noch kein Aluminium freigelegt
sein. Durch Prozeßschwankungen beim Abscheiden und Rückätzen kann die vergrabene Si-
Nitridschicht nach unterschiedlichen Zeiten erreicht werden. Diese Prozeßschwankungen gleicht
das insitu Endpunkterkennungssystem aus. So wird der Wafer 6 (VC857) in Abb. 5.16 insgesamt
289 s poliert während der Wafer 17 (V3381) nur 253 s poliert wird.
Die Endpunkterkennung wertet die Anstiege des Signals aus. Das Erfassen der Anstiege für den
Endpunkt wird erst nach 150 s gestartet. Deshalb wurden zwei signifikante Anstiegsänderungen
zum genauen Stoppen herangezogen. Die erste ist der starke Pegelabfall bei Erreichen des Si-
Nitridstoplayers. Dafür wurde ein Fenster der Höhe 2 und der Breite 30 s definiert. Nur wenn das
Signal aus diesem Fenster nach unten austritt wird das nächste Fenster aktiviert. Das zweite Fenster
hat eine Höhe von 0,1 und eine Breite von 2s. Der Austritt aus diesem Fenster muß nach der
Seite erfolgen um den Poliervorgang zu stoppen. Diese Bedingung ist erst fast im Minimum der
Kurve erreicht (Abb. 5.16). Das zweite Fenster ist aufgrund seiner Kleinheit in der Abbildung nur
als schwarzer Punkt zu erkennen. Die Parameter des Endpunktalgorithmus sind in Tabelle 5.8
zusammengefaßt. Zur Vermeidung von Fehlerkennungen des Endpunktes wird das vom Platen
kommende Signal gefiltert.
Slope Detect or Peak Count (Toggle) SLOPE SLOPE
Curve Fit Period (0-4999, 0 for NONE) 0
Initial Dead Time (0-9999) 150
Window Height (-99.99 - 99.99) -2,00 0,1
Window Time (1 - 9999) 30 2
Number of Windows Out (1 - 99) 1 NONE
Number of Windows In (1-99) NONE 1
Derivative Time (0-199) 0
Over Polish (0% - 999%) 0
Display Start Level (10% - 90%) 50
Display Gain (1 - 200) 200
Period of Signals to be Filtered 12
Number of Periods to Average (0 - 50) 1
Hi Pass Time Const (0 - 6000) 0
Low Pass Time Const (0 - 6000) 0
Median Filter Time (1 - 100, 0 for NONE) NONE
Tabelle 5.8: Parameter des Endpunktalgorithmus „LVM_ME2.ALG“ für das CMP über der
2. Metallebene
Sollte nach CMP noch zu viel PE-Si-Nitrid vorhanden sein, können die Parameter des zweiten
Fensters verändert werden, hier sollte bevorzugt die Zeit erhöht werden. Nach Veränderung der
Endpunktparameter ist mit erhöhter Aufmerksamkeit zu polieren, da die Gefahr besteht, daß der
Endpunkt nicht korrekt erkannt wird und damit ins Metall poliert wird.
111

5 Prozeßintegration der Planarisierung
Aus den mit dieser Prozeßfolge prozessierten Wafern lassen sich folgende Ergebnisse ermitteln
und Schlußfolgerungen ableiten:
Die Dummystrukturätzung mit der Maske MI (inverse Strukturen zur Metall2-Ebene) in den
Schichtstapel über dem Pixelgebiet hat sich zur Angleichung der Oxidhöhen über dem Pixelgebiet
gegenüber der Randelektronik bewährt.
Die Ergebnisse des Loses V3381 zeigen, daß mit einer Ätztiefe von 500 nm beim Polierprozeß
die Si 3N 4-Schicht über dem Pixelgebiet etwas eher als über der Randelektronik erreicht wird. Da
es genügt, lediglich über dem Pixelgebiet und nicht über der Randelektronik das Si 3 N 4 freizulegen,
das heißt ein gleichzeitiges Erreichen des TiN über Pixelgebiet und Randelektronik nicht
zwingend erforderlich ist, kann die Tiefe der Opferstrukturen von 500 nm beibehalten werden.
Die Homogenität im Matrixgebiet ist mit Höhenunterschieden von weniger als 100 nm sehr gut.
Das interferometrische Endpunktsignal zeigt erwartungsgemäß zuerst einen Abfall vom oberen
PE-Si-Nitrid, dann eine sinusähnliche Kurve, die man für Oxid erwartet und etwa bei 250 s wieder
einen starken Abfall, der anzeigt, daß die untere Si-Nitridschicht poliert wird. Es erweist sich
als geeignet, den Polierprozeß zu stoppen.
5.4.2 Zusammenfassung zum Planarisierungskomplex der Metall2-Ebene
Für die Planarisierung nach Metall2 ist unbedingt eine Stopschicht direkt über Metall2 erforderlich.
Diese muß nach dem Polieren über dem Pixelgebiet wieder restlos entfernt werden. Deshalb
wurde zur Planarisierung die Variante 4 eingesetzt.
Über der Randelektronik der Chips bzw. im Ritzrahmen und Scheibenrandbereich können Si-
Nitridreste stehenbleiben. Die Si-Nitridreste im Pixelgebiet werden durch einen Ätzschritt nach
dem Polieren entfernt.
Weiterhin ist es zum Ausgleich der Polierraten über Pixelgebiet und Randelektronik notwendig,
vor dem Polieren Opferstrukturen in den Schichtstapel über dem Pixelgebiet zu ätzen. Dafür hat
sich eine zur Metall2 Ebene inverse Maske als geeignet erwiesen. Um keine abrupten Übergänge
zu erhalten, werden diese inversen Strukturen sowohl in den D-Teil, als auch in die an die D-Teile
angrenzenden A-, B- und C-Teile geätzt.
In Tabelle 5.9 sind die Ergebnisse der Metall2 CMP noch einmal zusammengefaßt. Die Varianten
1, 2 und 3, ohne Dummystrukturätzung, sind hier nicht berücksichtigt, da diese Varianten keine
reproduzierbaren Ergebnisse lieferten.
Das Polieren mit automatischem Polierende durch die interferometrische Endpunkterkennung hat
sich über mehrere Lose als stabil und gut reproduzierbar erwiesen. Das ließ sich durch die Sichtkontrolle
nach dem Polieren bestätigen. Es gibt aber zwischen den einzelnen Wafern Unterschiede
im Flächenanteil des freigelegten Si 3N 4/TiN. Das kommt jedoch durch die
Prozeßschwankungen, denen die Wafer schon bei der Schichtabscheidung nach der Metall2-
Strukturierung unterliegen. Gerade das automatische Stoppen des Polierprozesses garantiert einen
optimalen Ausgleich dieser Schwankungen.
112

5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
Los
VC748
#2-7
VC748
#11-24
VC826
#1-24
V3381
#17-20
VC857
#1-8, 20-24
Variante 4 4 4 4 4
Stufe Metall2 1060 nm 1060 nm 1210 nm 1180 nm 1270 nm
1.PE-Si-Nitridabscheidung 150 nm 150 nm 150 nm 150 nm 150 nm
USG-Abscheidung 1000 nm 1000 nm 1033nm 1030 nm 1137nm
2. PE-Si-Nitridabscheidung 100 nm 150 nm 150 nm 150 nm 150 nm
Opferstrukturätzung 60 s / 0 s Ätzen Duisbg. (80 s)71 s / 0 s 75 s / 0 s 75 s / 0 s
Tiefe der Ätzung 474 nm - 490 nm 400 nm - 510 nm 610 nm bei 80 s 560 nm - 630 nm 520 nm - 554 nm
Polierrezept Rezept 1 mit End- Rezept 1 mit End- Rezept 1 mit End- Rezept 1 mit EP Rezept 1 mit EP
punktpunktpunkt
und Exsitu-Kond. und Exsitu-Kond.
Polierzeit 351 s - 413 s 249 s - 284 s 293 s - 325 s 259 s - 295 s 290 s - 330 s
mittlere Abtragsrate 200 - 180 nm/min 240 nm/min 215 nm/min 221 nm/min 221 nm/min
Entfernung Si-Nitrid #2-4: 0 s / 120 s
#5-7: 6 s / 120 s
0 s / 120 s 6 s / 120 s - 0 s / 90 s
Tabelle 5.9: Vergleich der Planarisierungsvarianten und Reproduzierbarkeit im Metall2-
Komplex
Ein Vergleich der erzielten Planarität nach dem kombinierten Verfahren von Opferstrukturätzung
mit inverser Maske, Polieren und Si-Nitridätzung über mehrere Lose gestaltet sich schwierig, da
die Si-Nitridätzung zur Entfernung der Stopschichtreste ein Prozeß ist, der stark von den Ausgangsbedingungen
(Dicke der Si-Nitridreste) abhängt. Da aber die Dicke der Si-Nitridreste auf
Metall nicht gemessen werden kann, wird eine mittlere Ätzzeit vorgegeben und über Sichtkontrolle
und Stufenmessung das Ergebnis überprüft.
In Abbildung 5.17 ist die bis zum TiN polierte Oberfläche dargestellt. In den hellen Bereichen ist
die Schichtdicke über Metall2 sehr gering. Metall2 ist aber in keinem Fall anpoliert. Die Reststufen
nach dem selektiven Rückätzen bis zu Metall 2 zeigt die AFM-Aufnahme.
a)
Stufe in Matrix nach Ätzen 60 nm 80 nm 105 nm 19 nm planar
Ergebnis der Sichtkontrolle in Wafermitte
Aluminium teilweise
anpoliert
homogen im
Matrixgebiet
in Wafermitte
Aluminium teilweise
anpoliert
homogen im
Matrixgebiet
homogen im
Matrixgebiet
Abbildung 5.17: Aufnahmen im Pixelgebiet a) Oberfläche nach CMP mit TiN Stoplayer (1000
fach), b) AFM-Aufnahme der Stufen nach CMP und Rückätzen
b)
max Step height: 41,8 nm
113

5 Prozeßintegration der Planarisierung
5.4.3 Festlegung der Arbeits- und Prüfschritte der zweiten Metallebene
Ausgehend von den beschriebenen Untersuchungen lassen sich folgende Festlegungen für den
Arbeitsablauf zur Planarisierung Oxides über Metall2 treffen:
1. Allgemeines:
Pad: IC1000/SubaIV mit Rillen (k-grooves)
Slurry: Klebosol 30N50
Polieranlage: MIRRA
Vor dem Polieren ist sicherzustellen, daß die aktuelle Polierrate konstant ist und das Endpunkterkennungssystem
eingeschaltet ist.
Die Polierschritte sind endpunktgesteuert. Es ist das Slope-Menü des Endpunktalgorithmus
„LVM_ME2.ALG“ (Tabelle 5.8) zu verwenden.
Alle Oxiddicken- und Stufenmessungen sind an 5 Punkten des Wafers durchzuführen.
Der Planarisierungskomplex beginnt nach der Strukturierung von Metall2.
2. Vormessungen:
Höhe der Stufe im Metall2 (mit Profilometer)
3. Abscheidungen:
3.1 Abscheidung von 150 nm PE-Si-Nitrid
Zur Ermittlung der Gesamtdicke der USG-Abscheidung werden herangezogen:
a = 720 nm USG und 120 nm Ar-Sputterätzen
b = Höhe der maximalen Stufe im Metall2
c = Dicke des unteren PE-Si-Nitrids
Die Gesamtdicke der USG-Abscheidung berechnet sich dann zu:
3.2 Abscheidung USG mitGesamtdicke: h = b - c - a
3.3 Abscheidung von 150 nm PE-Si-Nitrid
4. Opferstrukturätzung:
Anlage: Triode 384T
Ätzzeiten: 90 s RIE (Ätzraten: Oxid : Si-Nitrid; 325 nm/min : 250 nm/min)
Zieltiefe: 500 nm bis 600 nm
5. Messung:
an ausgewählten Wafern Messungen der Oxiddicke an 5 Punkten (mit spektralem Reflektometer)
6. erstes Polieren:
Rezept: icx480ea.pol (wie Rezept 1, aber mit 40 s exsitu Konditionieren vor dem
Polieren und automatischem Polierstop bei Erreichen der Si 3 N 4 -Schicht)
Ziel ist es, PE-Si-Nitriddicken von 0 nm - 150 nm im Matrixgebiet zu haben.
114

5.4 Planarisierungskomplex der zweiten Metallebene
Aluminium darf nur leicht anpoliert sein.
7. Entfernung des Rest-SiN:
Anlage: Triode 384T
Ätzzeiten: 90 s (Ätzraten: Oxid : Si-Nitrid; 12 nm/min : 30 nm/min)
Ziel: vollständige Entfernung des Si 3 N 4
8. Nachmessungen
Höhe der Stufe Metall2 im Matrixgebiet (2 Stellen an einem Wafer mit AFM)
115

5 Prozeßintegration der Planarisierung
116

6 Zusammenfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Planarisierungsverfahrens für bildgebende
Mikrosysteme.
Die besondere Herausforderung ist die gleichmäßige und globale Planarisierung von Chips mit
einer Grundfläche von 14 cm 2 , welche großflächige Bereiche mit unterschiedlichen Abtrags- und
Planarisierungseigenschaften besitzen. Zusätzlich erschwerend kommt hinzu, daß die elektrischen
Isolationseigenschaften für eine Hochvolt-CMOS-Technologie gewährleistet sein müssen.
Die geforderte Planarität ist höher als bei Logikanwendungen, da dort nur die elektrischen Parameter
eingehalten werden müssen, während hier die optischen Eigenschaften der über der Topographie
liegenden Schichten exzellent und die Verformung der Spiegelpixel über die gesamte
Matrix gleichmäßig sein muß. Dementsprechend homogen muß auch der Matrixunterbau sein. Es
ist also notwendig, nach der Strukturierung jeder Metallebene die Stufen und Inhomogenitäten in
den Oxiddicken zu beseitigen. Die mit der bisher durchgeführten BSG-Planarisierung aufgetretenen
Schwierigkeiten und erreichten Ergebnisse wurden diskutiert. Der Aufwand zum Erreichen
von lokalen Planarisierungen war sehr groß und schlecht reproduzierbar. Globale Planarisierungen
konnten überhaupt nicht erreicht werden. Die BSG-Planarisierung erforderte einen hohen
Meßaufwand an jedem Wafer. Die Inhomogenitäten wurden aufgrund der sehr dicken abzuscheidenden
Oxide und komplizierten Prozeßführung hoch.
Die umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Abtrags- und Planarisierungsverhalten
in Abhängigkeit von den Maschinenparametern wurden mit Hilfe von statistischen Versuchsplänen
vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet.
Der Abtrag an unstrukturierten Wafern ist hauptsächlich von der Platendrehzahl und dem Polierkopfdruck
abhängig und nimmt im Arbeitsbereich der Maschine linear zu. Der optimale Arbeitsbereich
der CMP-Anlage wurde diskutiert und mit den Polierparametern für optimale
Prozeßergebnisse abgeglichen.
Die Uniformität an unstrukturierten Wafern wird durch dynamische Vorgänge bestimmt. Die
Wechselwirkungen zwischen Kopf- und Platendrehzahlen sowie den Membran- und Retaining-
Ring-Drücken sind im Vergleich zu den Hauptwirkungen relativ hoch. Die besten Uniformitäten
bei gleichzeitig stabilen Prozeßbedingungen an unstrukturierten Wafern werden bei mittleren
Drehzahlen, mittleren Polierdrücken und hohen Retaining-Ring-Drücken erreicht.
Weitere Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Planarisierungsverhalten an Topographien.
Der Abtrag in den down areas bestimmt im wesentlichen die Schichtdickenhomogenität in Topographien
nach dem Planarisierungskomplex. Dabei sind besonders solche Strukturanordnungen
von Bedeutung, bei denen trotz verschiedener Patternfaktoren und Grabenbreiten die gleichen
Gesamtabträge in den down areas auftreten.
Die Gesamtabträge in den down areas werden hauptsächlich durch die Größe der Patternfaktoren
bestimmt.
Es stellte sich heraus, daß an Layouts mit kleinen Patternfaktoren und geringen Grabenbreiten die
geringsten Ausgangsdicken an Oxid abgeschieden werden müssen, um eine vollständige Planarisierung
zu erreichen. Zeitlich lassen sich solche Strukturen am schnellsten planarisieren. Durch
117

6 Zusammenfassung
Verringerung des Polierdrucks werden die topographiebedingten Schichtdickeninhomogenitäten
in den down areas bei vollständiger Planarisierung vermindert. Allerdings muß dafür eine Vervielfachung
der Polierzeit in Kauf genommen werden.
Werden die Ansprüche an die Homogenitäten noch größer oder können in Schaltungsdesigns
nicht immer konstante Füllgrade realisiert werden, muß man zum Polierstop langsamabtragende
Layer (Stoplayer) verwenden. An diesen verringern sich vorher vorhandene Schichtdickenschwankungen.
In den Versuchen wurde PE-Siliziumnitrid als Stoplayer verwendet. An zwei
Padtypen, einem harten und einem weichen, wurden Untersuchungen zur Ausbildung neuer Stufen
bei Erreichen des Stoplayers durchgeführt.
Mit beiden Pads konnten Stufenausbildungen in der gleichen Größenordnung beobachtet werden.
Die Ausbildung der Stufen ist jedoch sehr stark vom verwendeten Polierrezept abhängig. Die
Padauswahl konnte deshalb nach den Kriterien der Planarisierungswirkung an Stufen erfolgen.
Die Ausbildung von Stufen an Stoplayern ist layoutabhängig. Für CMP vorteilhafte Designs
haben schmale Oxidgebiete zwischen den Si-Nitridstoplayern.
Die Erfahrungen aus den Versuchen zu Planarisierungswirkungen und Stufenausbildungen an
Stoplayern wurden für die Entwicklung des Planarisierungskomplexes der Matrix eingesetzt.
Über der ersten Metallisierungsebene wird eine maximal erreichbare homogene Oxiddickenverteilung
im Matrixgebiet gefordert, da damit die Voraussetzungen für die Ebenheit über der zweiten
Metallebene geschaffen werden. Die Inhomogenität der Schichtdicken über den Wafer darf
nicht höher werden als die im Chip. Diese Anforderungen ließen sich nur durch Eingriffe in das
Layout der Matrix erzielen.
Das Layout der Chips wurde CMP-gerecht überarbeitet, indem die Füllungsgrade mittels Dummystrukturen
in der Poly- und Metall1-Ebene soweit wie möglich angeglichen wurden. In die
Waferrandgebiete wurden zusätzlich Dummystrukturen integriert. Dadurch konnten Oxiddickenanstiege
zum Waferrand hin vermieden werden.
Durch die sinnvolle Anordnung eines PE-Siliziumnitrid Layers als Polierstop im Oxid konnten
die Inhomogenitäten nach der Planarisierung über der ersten Metallebene noch einmal verringert
werden. Trotz der hohen Anforderungen sollte die Kompatibilität zum CMOS-Prozeß gewahrt
werden und einfache Prozeßkontrollen möglich bleiben. Deshalb wurde nach dem Polieren die
Stopschicht wieder entfernt. Die dabei entstehenden Stufen werden in einem zweiten CMP-
Schritt planarisiert. Mit diesem zweiten CMP-Schritt wurden Schichtdickenschwankungen über
den Wafer von 200 nm erreicht.
Für die Planarisierung der zweiten Metallebene mußte deren Design überarbeitet werden. In die
Randgebiete der Chips wurden zur Angleichung der Füllgrade Dummystrukturen eingefügt und
die Waferrandgebiete wurden mit Teilen der Metall2 Maske belegt. Die Planarisierung nach
Strukturierung von Metall2 erfolgt mit einem Schichtstapel aus 3 Schichten (PE-Siliziumnitrid,
USG, PE-Siliziumnitrid). Aufgrund des ungleichen Polierverhaltens im Chip ist vor dem Polieren
eine Dummystrukturätzung in den Schichtstapel über dem Pixelgebiet notwendig. Zum Ätzen der
Oxidschicht über dem Pixelgebiet wurde eine zu Metall2 inverse Maske entwickelt.
Durch den Einsatz eines endpunktgesteuerten Polierprozesses werden die Zieldicken gut reproduzierbar
erreicht. Gestoppt wird in den oben liegenden Gebieten der unteren Si-Nitridschicht.
Anschließend werden die Si-Nitridreste durch Plasmaätzen entfernt. Mit dem Planarisierungs-
118

komplex der zweiten Metallebene konnten homogene, für die Herstellung der Lichtventilmatrix
geeignete Oberflächen im Pixelgebiet erreicht werden.
Entsprechend der Zielstellung dieser Entwicklung wurden die oben beschriebenen Planarisierungsverfahren
in die Technologie zur Herstellung der Lichtventilmatrix eingeführt.
Mit Einsatz des Chemisch Mechanischen Polierens in der Technologie der Herstellung von bildgebenden
Mikrosystemen konnte ein Teilschritt der Gesamttechnologie qualitativ verbessert werden.
Der Aufwand zum Erreichen planarer Oberflächen hat sich um ein Vielfaches vermindert.
119

6 Zusammenfassung
Ausblick:
Der Planarisierungskomplex der Lichtventilmatrix läßt sich weiter optimieren. Dazu müßten
allerdings neue Wege gegangen werden, deren Aufwand aber nur lohnt, wenn die mit dieser
Arbeit erreichten Ergebnisse nicht den Anforderungen der Technologie entsprechen. Im Folgenden
werden mögliche Wege zur Verbesserung der Ergebnisse des Planarisierungskomplexes aufgezeigt.
Weitere Verbesserungen könnten sich mit neuen Verbrauchsmaterialien wie Slurries mit höheren
Selektivitäten oder Pads mit besseren Homogenitäten und schnellerer Planarisierung in Verbindung
mit der Optimierung der Anlagenparameter erreichen lassen.
Zur Zeit wird eine FEM-Simulation, speziell für die Voraussage der Abträge und Stufenentwicklungen
mit dem Simulationstool ANSYS, entwickelt. Mit diesem soll es möglich sein, die Höhe
der abzuscheidenden Schichtdicken und die durch das Chemisch Mechanische Polieren zu erwartenden
Inhomogenitäten zu bestimmen.
Die FEM-Simulation soll unter Berücksichtigung des Kopfdruckes und der Drehzahlen des Platens,
also unter Berücksichtigung der mechanischen Abtragsmechanismen durchgeführt werden
und läßt sich so sehr gut an die tatsächlichen Polierverhältnisse beim Oxidpolieren annähern.
Bei Überarbeitung der Technologie zur Herstellung der CMOS-Schaltung würde der Übergang zu
vergrabenem LOCOS (Recessed-LOCOS) zu einer Ausgangsstufenreduzierung von 100 nm führen
und somit die Bedingungen für das anschließende CMP verbessert werden.
Könnte man die insitu Abtragsratenmeßeinrichtung der CMP-Anlage für die Endpunktdetektion
der ersten Metallebene nutzen, wäre ein Stoppen des Polierprozesses über Metall1 in engeren
Genzen möglich, so daß die Nachkontrollen und das Nachpolieren unnötig werden und somit die
Prozeßkosten verringert würden. Der Einsatz der automatischen Endpunkterkennung könnte
durch eine gleichmäßigere Verteilung der Strukturen über den Wafer möglich werden.
Die Notwendigkeit für den zweiten CMP Schritt in der ersten Metallebene ergibt sich aus den
relativ kleinen tiefliegenden Gebieten (Löchern) im Pixelgebiet. In diesen sind über dem Gateoxid
keine Polysilizium oder Metall1 Strukturen vorhanden. Sie sind also die am tiefsten liegenden
Gebiete des Chips. Zur Zeit erfolgt eine nochmalige Layoutoptimierung der Metall1 Maske,
bei der diese Löcher mit Metall1 bedeckt werden. Dabei muß beachtet werden, daß sich der
Gesamtfüllfaktor nicht ändern darf. Um die Poliereigenschaften konstant zu halten, wird das
Metall1 an anderer Stelle reduziert. Änderungen im Polysilizium und Metall1-Layer könnten die
elektrischen Eigenschaften der Transistoren verändern, so daß zusätzliche Simulationen zum
Transistorverhalten notwendig werden.
Mit den Änderungen würde der zweite Polierschritt über Metall1 unnötig werden und die Homogenität
im Chip weiter verbessert werden.
Prinzipiell ist das CMP über Metall1 auch ohne anschließendes Ätzen der Si-Nitridschicht möglich.
Der Vorteil würde in einer exzellenten Schichtdickenhomogenität nach CMP liegen. Allerdings
müßten dann die Einflüsse des Restnitrids auf die elektrischen Eigenschaften der Schaltung
120

neu überprüft werden und das Problem der Meßbarkeit in den darauffolgenden Schichten gelöst
werden.
Für den Metall2-Komplex bietet sich eine Damascene Technologie an, die allerdings wieder
einen hohen Entwicklungsaufwand bedeuten würde. Für Aluminium-CMP gestaltet sich die Prozeßentwicklung
jedoch schwierig, da sich Aluminium-Slurries im Entwicklungsstadium befinden.
Sie müssen gleichzeitig die harte Aluminiumoxidschicht entfernen können und dürfen im
freigelegten Aluminium jedoch keine Kratzer erzeugen. Die Entwicklung einer Damascene Technologie
könnte auch für andere Anwendungen genutzt werden.
121

6 Zusammenfassung
122

7 Literaturverzeichnis
[1] P.L. Pai, C.H. Ting and W.G. Oldham, A Framework for Multilevel Interconnection Technology,
June 13-14, 1988, Proc. 5th VMIC IEEE, Santa Clara, CA, Cat. No. 88CH2624-5,
IEEE (1988), p.108, NY
[2] Wallace T. Tang, Daniel H. Ahn et al, Actively Controlled Chemical Mechanical Polishing
Planarization („acCMP“) Process, June 8-9, 1993 VMIC Conference, 1993 ISMIC-102/93/
0208
[3] Rahul Jairath, Anil Pant et al, Linear planarization for CMP, Solid State Technology, October
1996
[4] J.W. Jansen, R.J.Hanestad, Extension of Polish Pad Lifetime Using Wafer Backpressure,
Semiconductor International, June 1997, pp. 147
[5] Sudipto R. Roy, Raj Shah et al, Postchemical-Mechanical Planarization Cleanup Process
for Interlayer Dielectric Films, J. Electrochem Soc., Vol. 142, No. 1, January 1995
[6] Rahul Jairath, Janos Farkas et al, Chemical-mechanical polishing: Process manufacturability,
Solid State Technology, july 1994, pp. 71
[7] William J. Patrick et al, Application of Chemical Mechanical Polishing to the Fabrication of
VLSI Circuit Interconnections, J. Electrochem. Soc., Vol 138, No. 6, June 1991 pp. 1778
[8] John Curry, Integrating Solutions for the Challenges of CMP, Semiconductor Fabtech,
1998, pp. 223
[9] Joseph M. Steigerwald, Shyam P. Murarka, Ronald J. Gutmann, Chemical Mechanical Planarization
of Microelectronic Materials, John Wiley & Sons, Inc. , 1996
[10] Mansour Moinpour, CMP Productivity Improvements: A User‘s Perspective, Semiconductor
Fabtech, 1998, pp. 235
[11] John M. de Larios et al., Evaluating chemical mechanical cleaning technology for post
CMP applications, Micro, May 1997, pp. 61
[12] Debrah Scherber et al., Chemical and Mechanical Aspects of Consumables Used in CMP,
Semicon West, 1994, pp. 36
[13] Matt Stell et al., Planarization Ability of Chemical Mechanical Planarization (CMP) Processes,
Mat. Res. Soc. Symp. Proc.Vol. 337, 1994, Materials Research Society
123

7 Literaturverzeichnis
[14] D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich, Technologie hochintegrierter Schaltungen, 2. Auflage,
Springerverlag, 1996
[15] Iqbal Ali, Sudipto R. Roy, Gregg Shinn, Chemical-mechanical polishing of interlayer dielectric:
A review, Solid State Technology October 1994, pp. 63
[16] Joseph M. Steigerwald, A Fundamental Study of Chemical Mechanical Polishing of Copper
Thin Films, Doctoral Dissertation, SRC Technical Report No. T95028, Contract No. 95-IC-
508, February 1995
[17] P.C. Fazan et al., A Highly Manufacturable Trench Isolation Process for Deep Submicron
DRAMs, IEDM 1993, pp. 57,
[18] A. Bryant et al., Caracteristics of CMOS Device Isolation for the ULSI age, IEDM 1994,
pp. 671
[19] H. Inokawa et al., Ultranarrow Trench Isolated 0,2 CMOS and its Application to Ultralowpower
Frequency Dividers, IEDM, 1993, pp. 887
[20] B. S. Doyle et al., Comparison of Shallow Trench and LOCOS Isolation for Hot Carrier
Resistance, IEEE Electron Device Letters, 12 (1991), pp. 673
[21] Vivek Rao et al., Chemical mechanical polish of TEOS oxide-filled shallow trenches for
0,25μm process integration, June10-12, 1997 VMIC Conference, 1997 ISMIC-107/97/
0145(c), pp. 145
[22] Konstantin Smekalin, CMP dishing effects in shallow trench isolation, Solid State Technology,
July 1997, pp. 187
[23] Somnath Nag, Amitava Chatterjee, Shallow trench isolation for sub-0,25μm IC technologies,
Solid State Technology, September 1997, pp. 129
[24] E. Scheffler, Einführung in die Praxis der statistischen Versuchsplanung, 2. Auflage, VEB
Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1986
[25] F. W. Preston, The Theory and Design of Plate Glass Polishing Machines, Journal of the
Society of Glass Technology, 1918, pp. 214
[26] H. Bandemer, W. Näther, Theorie und Anwendung der optimalen Versuchsplanung II, Akademie-Verlag
Berlin 1980, S. 94 ff
[27] K. Ohe et al., CMOS with n + -Polysilicium Gate, IEEE Trans, on Electron Devices 36
(1989) 6, pp. 1110
[28] H.Nojo et al., Slurry engineering for self-stopping dishing free SIO 2-CMP, IEDM96-349,
IEEE 1996, pp. 14.1.1-14.1.4
124

[29] Greg C Lee et al., An in-depth characterization of dishing and erosion during tungsten
CMP, June10-12, 1997 VMIC Conference, 1997 ISMIC-107/97/0304(c), pp. 304
[30] Vortrag IBM, Planarization Technology: Chemical Mechanical Polishing, Semicon West,
1994, pp. 14 ff
[31] Matthew Rutten et al., Pattern Density Effects in Tungsten CMP, Semiconductor International,
September 1995, pp. 123
[32] C.Yu, P. C. Fazan, et al., Dishing effects in a chemical mechanical polishing planarization
process for advanced trench isolation, Appl. Phys. Lett. 61 (11), 14 September 1992, pp.
1344
[33] Srinivasan Sivaram, Hubert Bath, et al., Planarization Interlevel Dielectrics by Chemical-
Mechanical Polishing, Solid State Technology, May 1992, pp 87
[34] Zvezdalina Stavreva, Untersuchungen zum Chemisch Mechanischen Polieren (CMP) von
Cu-Schichten auf Si-Wafern, Diplomarbeit, TU Dresden, 12.10.1994
[35] Peter Singer, Making the Move to Dual Damascene Processing, Semiconductor International,
August 1997, pp. 79
[36] Bruce Roberts, Alain Harrus, Robert L. Jackson, Interconnect metallization for future
device generations, Solid State Technology, February 1995, pp. 69
[37] Jiun-Fang Wang, Anantha R. Sethuran et al., Chemical Mechanical Polishing of Dual
Damascene Aluminium Interconnect Structures, Semiconductor International, October
1995, pp 117
[38] L. M. Cook, et al., Theoretical and Practical Aspects of Dielectric and Metal CMP, Semiconductor
International, November 1995, pp 141
[39] L. M. Cook, Chemical Processes in Glass Polishing, Journal of Non-Crystalline Solids, No.
120, 1990, pp 152-172
[40] N.J. Brown, P.C. Baker, R.T.Maney, Proc. SPIE 306, 42 (1981)
[41] Rahul Jairath, et al., Consumables for the Chemical Mechanical Polishing (CMP) of Dielectrics
and Conductors, Advanced Metallization for Devices and Circuits Science Technology
Manufactury Symposium, Proceedings, Vol 337, 1994, San Francisco, Calif., pp.121
[42] J. A. Trogolo, K. Rajan, Near surface modification of silica structure induced by chemical/
mechanical polishing, Journal of Materials Science 29, February 1994, pp. 4554-4558
[43] Bin Zhao, Frank G. Shi, Threshold Pressure and Its Influence in Chemical Mechanical Polishing
for IC Fabrication, IEEE, 1998, IEDM 98-341, pp. 12.7.1
125

7 Literaturverzeichnis
[44] A. Gehner, Entwicklung hochauflösender Flächenlichtmodulatoren mit deformierbaren
Spiegelanordnungen für die maskenlose Mikrolithographie, Dissertation, Shaker Verlag,
1997
[45] H. Kück, M. Bollerott, W. Doleschal, et al., New system for fast submicron laser direct writing,
Proc. SPIE, Vol. 2440 Optical/Laser Microlithographie VIII, Feb. 1995
[46] H. Kück, W. Doleschal, et al., Deformable micromirror devices as phase-modulating highresolution
light valves, Sensors and Actuators A54, 1996, pp. 536-541
[47] W. Doleschal, A. Gehner, et al., Mikrospiegelanordnungen in CMOS kompatibler Oberflächenmikromechanik,
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme,
Jahresbericht, 1995, S. 45-47
[48] T. Tanneberger, Statische und dynamische Untersuchungen an Mikrospiegelarrays,
Diplomarbeit, Hochschule für Technik und Wirtschaft Mittweida (FH), 1998
[49] M.Bollerott et.al., Ein neues System für eine schnelle, maskenlose optische Mikrolithografie,
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltunngen und Systeme, Tätigkeitsbericht
1994, S. 108-112
[50] George J. Collins, Gary Williams, Controlling CMP with atomic force microscopy, Solid
State Technology, March 1996, pp. 99
[51] Yale E. Strausser, Atomic Force Microscopy Enhances Chemical Mechanical Polishing,
Semiconductor International, December 1996, pp 81
[52] Yale Strausser, Dale L. Hetherington, Atomic Force Microscopy Measurements in Support
of Chemical Mechanical Polishing (CMP), Internet: http://www.digmbh.de/Appnotes/
CMP/CMPmain.html
[53] M. Sun, H.-M. Tzeng, et al., In situ detection of thickness removal during CMP of oxide
and metal layers, CMP-MIC Conference, February 22-23, 1996 ISMIC, pp. 256
[54] W.Lee Smith, et al., Film thickness measurements for chemical mechanical planarization,
Solid State technology, January 1996, pp. 77
[55] Rainer Bartelt, Oberflächenrauheit richtig messen, Carl Hanser Verlag München, F&M
105 (1997) 7-8, S. 504-506
[56] Eric Worthington, New CMP architecture adresses key process issues, Solid State Technology,
January 1996, pp. 61
[57] Wilbur C. Krusell, Igor Malik, et al., The resurgence of mechanical brush scrubbing III,
Ultra clean processing of silicon surfaces (UCPSS ’94), September 19-21, 1994, Bruges,
Belgium
126

[58] John M. de Larios, Mike Ravkin, et al., Post-CMP Cleaning for Oxide and Tungsten Applications,
Semiconductor International, May 1996, pp. 121
[59] Wilbur C. Krusell, John M. de Larios, Jackie Zhang, Mechanical brush scrubbing for post-
CMP clean, Solid State Technology, June 1995, pp. 109
[60] Jim Schlueter, Controlling contamination during CMP processes, Solid State Technology,
May 1996, pp. 8
[61] J. Zhang et al., Double Sided Scrubbing: An Effective Method For Multiple Cleaning
Applications, Semicon Korea 1995, January 1995,
[62] Y. Gobil et al., Characterization and cleaning of CMP induced defects, Conference Proceedings
ULSI-X 1995 Materials Research Society, pp. 181
[63] D. L. Hetherington, The Effects Of Double-Sided Scrubbing On Removal Of Particles And
Metal Contamination From Chemical-Mechanical Polishing, February 21-22, 1995 DUMIC
Conference 1995, 1995 ISMIC - 101D/95/0156, pp. 156
[64] Youhei Yamada, Particle reduction process for Oxide CMP, June 10-12, 1997 VMIC Conference,
1997 ISMIC-107/97/0131(c), pp.131
[65] T.L. Myers, Post-tungsten CMP cleaning: Issues and solutions, Solid State Technology,
October 1995, pp. 59
[66] Peter Burke et al, MRS - CMP Dielectric Planarization, 10/96
[67] Peter Burke et al, AVS ICMCTF Conference, 4/1995
[68] A. Richard Baker, The Origin of the Edge Effect in Chemical Mechanical Planarization,
ECS 1996 Fall meeting San Antonio, TX, 7 October 1996
[69] B. Lawn and R. Wilshaw, J.Mater Sci.10 (1997) 1049
[70] Gerd Nanz, Lawrence E. Camilletti, Modeling of Chemical-Mechanical Polishing: A
Review, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol 8, No. 4, November
1995
[71] Tat-Kwan Yu, Chris Yu, Marius Orlowski, Modeling of Chemical-Mechanical Polishing
Process, Advanced Metalization for ULSI Applications Symposium, 1994, Austin Texas,
pp. 187
[72] J. Warnock, A Two-Dimensional Process Model for Chemimechanical Polish Planarization,
J. Electrochem. Soc., Vol138, No.8, August 1991, pp. 2398
127

7 Literaturverzeichnis
[73] Peter A. Burke, Semi-Empirical Modeling of SiO 2 Chemical-Mechanical Polishing PlanarizationVMIC
Conference, 1991, June 11-12, IEEE, pp. 379
[74] Chi-Wen Liu, et al, Modeling of the Wear Mechanism during Chemical-Mechanical Polishing,
J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No.2, February 1996, pp. 716
[75] Scott R. Runnels, Feature-Scale Fluid-Based Erosion Modeling for Chemical-Mechanical
Polishing, J. Electrochem. Soc., Vol. 141, No.7, July 1994
[76] Scott R. Runnels, Modeling the Effect of Polish Pad Deformation on Wafer Surface Stress
Distributions during Chemical-Mechanical Polishing, Electrochem. Soc. 1993, 93-25
[77] A. Richard Baker, The Origin of the Edge Effect in Chemical Mechanical Planarization,
ECS 1996 Fall meeting San Antonio, TX
[78] Dar-Zen Chen and Bor-Shin Lee, Pattern Planarization Model of Chemical Mechanical
Polishing, Journal of the Electrochemical Society, 146(2)744-748 (1999)
128

8.1 Anlage A
8 Anlagen
8.1 Anlage A
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
Waferrandbelegung
mit D-Teilen
Reflektometermeßpunkte
Profilometermeßpunkte
B B B BBB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
A
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CC
C
C
A
B B B BBB
B B A
A
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CC
C
C
A
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CCCCC
B B BB
BB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
B B BB
BB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
B B BB
BB
B B
Y-Justiermarken
Abbildung 8.1: Waferlayout für große aktive Elastomermatrix:
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
A B B BB
BB
B B A A B B B BBB
B B A
A
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
A
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
A
B B B BBB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
B B B BBB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
B B B BBB
B B
A
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CCCCC
A
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CC
C
C
A
A
C
C C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C CC
A
B B B BBB
B B
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
D D D D
B B B BBB
B B
X-Justiermarken
A
C
C
C
C
C
CC
C
C
C
C CC
C
C
A
129

8 Anlagen
8.2 Anlage B
130
Tabelle 8.1: Design und tabellarische Ergebnisse des DOE an unstrukturierten Wafern
Versuch
Platendrehzahl
in rpm
Kopfdrehzahl
in rpm
Membrandruck
in psi
Retaining-Ring
wirkend in psi
Abtrag Ist
in nm
Abtrag ber.
in nm
Inhomogenität Ist
in %
Inhomogenität ber.
in %
Residuals Abtrag
Residuals
Inhomogenität
Fehler Abtrag in %
Fehler Inhomogenität
in %
1 20 70 3,50 3,10 287 291 9 7,15 -4 1,85 -1,37 25,87
2 120 70 3,50 3,10 940 918 7 9,26 22 -2,26 2,40 -24,4
3 70 20 3,50 3,10 710 697 6,3 6,13 13 0,17 1,87 2,77
4 70 120 3,50 3,10 677 672 8,3 8,88 5 -0,58 0,74 -6,53
5 70 70 2,00 3,10 429 438 7,4 7,43 -9,3 -0,03 -2,13 -0,40
6 70 70 5,00 3,10 1012 984 5,8 6,18 27,3 0,38 2,78 -6,15
7 70 70 3,50 0,20 804 759 8,2 7,68 44,3 0,52 5,84 6,77
8 70 70 3,50 6,00 726 752 4,5 5,43 -26,3 -0,93 -3,50 -17,1
9 95 95 4,25 4,55 964 999 9,1 7,55 -35,6 1,55 -3,56 20,53
10 45 95 4,25 4,55 616 607 6,4 6,58 8,6 -0,18 1,42 -2,74
11 95 45 4,25 4,55 1079 1050 6,6 6,56 29,1 0,04 2,77 0,61
12 45 45 4,25 4,55 631 634 5,5 5,61 -3,1 -0,11 -0,49 -1,96
13 95 95 2,75 4,55 707 677 7,9 7,41 29,29 0,49 4,32 6,61
14 45 95 2,75 4,55 429 410 6,9 7,26 19,04 -0,36 4,64 -4,96
15 95 45 2,75 4,55 687 705 7,5 6,4 -18,5 1,1 -2,62 17,19
16 45 45 2,75 4,55 420 414 6 6,27 5,79 -0,27 1,40 -4,31
17 95 95 4,25 1,65 994 992 9,9 9,21 1,96 0,69 0,20 7,49
18 45 95 4,25 1,65 649 656 6,1 7,21 -7,29 -1,11 -1,11 -15,4
19 95 45 4,25 1,65 968 1013 7,8 7,45 -44,8 0,35 -4,42 4,70
20 45 45 4,25 1,65 632 653 5,4 5,48 -21,5 -0,08 -3,30 -1,46
21 95 95 2,75 1,65 643 665 9,9 9,8 -22,6 0,1 -3,40 1,02
22 45 95 2,75 1,65 433 454 9 8,62 -21,4 0,38 -4,70 4,41
23 95 45 2,75 1,65 663 663 8,6 8,01 -0,88 0,59 -0,13 7,37
24 45 45 2,75 1,65 439 429 5,3 6,86 9,88 -1,56 2,30 -22,7
25 70 70 3,50 3,10 707 703 7 6,52 0 0 0,00 0,00
25 70 70 3,50 3,10 735 6,8
25 70 70 3,50 3,10 692 6,5
25 70 70 3,50 3,10 703 5,5
25 70 70 3,50 3,10 680 6,8

8.2 Anlage B
Versuchsbedingungen:
Designcharakteristik: Orthogonal
Anzahl der Faktoren: 4
Anzahl der Antworten: 2
Anzahl der Versuche: 29
Mittelpunkte: 4
Faktoren Min Max Einheit fortlaufend
Platendrehzahl 20 120 rpm ja
Kopfdrehzahl 20 120 rpm ja
Membrandruck 2 5 psi ja
Ret.-Ring-Druck 0,2 6 psi ja
Antwortgrößen:
Abtrag [nm]
Inhomogenität [%]
Pad: IC 1000/SUBAIV
Slurry: SS12
Polierrezept: siehe Tabelle
Endpunkt: Zeit; 240s
Kopfsweep: sinusförmig, 5 Sweeps/min,
Sweepbereich: 4,2 - 5,8 inch von der Padmitte
Konditionierrezept: benutzerdefiniert, 5 Sweeps/min, 1,5 - 9 inch
131

8 Anlagen
132
CC
D:Ret_ring
CD
BC
AB
BB
A:Platen
C:Membrandruck
AA
AC
DD
AD
B:Kopf
BD
Normierter Effekt auf den Abtrag
0 5 10 15 20 25
Normierter Effekt
Abbildung 8.2: Normierter Effekt auf den Abtrag an unstrukturierten Wafern
DD
AB
BC
CC
AD
AC
BD
CD
BB
B:Kopf
D:Ret_ring
A:Platen
AA
C:Membrandr.
Normierter Effekt auf die Uniformität Inhomogenität
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Normierter Effekt
Abbildung 8.3: Normierter Effekt auf die Inhomogenität an unstrukturierten Wafern

8.3 Anlage C
8.3 Anlage C
Abtragsmechanismen an strukturierten Wafern
Abtrag in nm
Entwicklung des Abtrags im Down area, Druck=4,5 psi
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Zeit in s
Block A1, 5/45, PD=0,1 Block C1, 5/15, PD=0,25 Block C2,15/15, PD=0,5
BlockB3, 15/5, PD=0,75 Block B4, 45/5, PD=0,9
Abbildung 8.4: Abtrag im Graben bei 4,5 psi Polierdruck als Funktion der Zeit; Parameter:
Patternfaktor
Abtrag in nm
600
500
400
300
200
100
0
Entwicklung des Abtrags im Down area, Druck=1,5 psi
0 100 200 300
Zeit in s
400 500 600
BlockA1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 BlockB4, 45/5, PD=0,9
BlockC1, 5/15, PD=0,25 BlockC2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 8.5: Abtrag im Graben bei 1,5 psi Polierdruck als Funktion der Zeit; Parameter:
Patternfaktor
133

8 Anlagen
134
Abtrag in nm
1200
1000
800
600
400
200
0
Entwicklung des Abtrags im up area, Druck=4,5 psi
0 20 40 60 80 100
Zeit in s
120 140 160 180 200
Block A1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 Block B4, 45/5, PD=0,9
Block C1, 5/15, PD=0,25 Block C2,15/15, PD=0,5
Abbildung 8.6: Abtrag im up area bei 4,5 psi Polierdruck als Funktion der Zeit; Parameter:
Patternfaktor
Abtrag in nm
1400
1200
1000
800
600
400
200
Entwicklung des Abtrags im up area, Druck 1,5psi
0
0 100 200 300
Zeit in s
400 500 600
BlockA1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 BlockB4, 45/5, PD=0,9
BlockC1, 5/15, PD=0,25 BlockC2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 8.7: Abtrag im up area bei 1,5 psi Polierdruck als Funktion der Zeit; Parameter:
Patternfaktor

8.4 Anlage D
8.4 Anlage D
Planarisierungseigenschaften an Topologien
Stufenhöhe in nm
800
700
600
500
400
300
200
100
Entwicklung der Stufenhöhen bei unterschiedlichen Patternfaktoren, Polierdruck=4,5 psi
0
0 20 40 60 80 100
Zeit in s
120 140 160 180 200
"Block A1, 5/45, PD=0,1" Block B3, 15/5, PD=0,75 Block B4, 45/5, PD=0,9
Block C1, 5/15, PD=0,25 Block C2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 8.8: Entwicklung der Stufenhöhen als Funktion der Zeit bei einem Polierdruck
von 4,5 psi
Stufenhöhe in nm
Entwicklung der Stufenhöhen bei unterschiedlichen Patternfaktoren, Polierdruck=1,5 psi
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0 100 200 300 400 500 600
Zeit in s
BlockA1, 5/45, PD=0,1 BlockB3, 15/5, PD=0,75 BlockB4, 45/5, PD=0,9
BlockC1, 5/15, PD=0,25 BlockC2, 15/15, PD=0,5
Abbildung 8.9: Entwicklung der Stufenhöhen als Funktion der Zeit bei einem Polierdruck
von 1,5 psi
135

8 Anlagen
136
0s
30s
60s
90s
120s
150s
Abbildung 8.10: Stufenentwicklung an Strukturen mit kleinem Patternfaktor (0,1)
Abbildung 8.11: Stufenentwicklung an Strukturen mit mittlerem Patternfaktor (0,5)
0s
30s
60s
90s
120s
150s
180s

8.4 Anlage D
Abbildung 8.12: Stufenentwicklung an Strukturen mit großem Patternfaktor (0,9)
0s
30s
60s
90s
120s
150s
180s
137

8 Anlagen
138