KR20060030257A

KR20060030257A - Chemical mechanical polishing apparatus used in manufacturing semiconductor devices

Info

Publication number: KR20060030257A
Application number: KR1020040079061A
Authority: KR
Inventors: 김현수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-10

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 장치는 웨이퍼를 진공 흡착하는 기판 지지대와 패드 컨디셔너가 설치되는 컨디셔너 지지대를 가진다. 기판 지지대는 원판 형상으로 형상 지어지고 컨디셔너 지지대는 기판 지지대를 감싸도록 환형의 링 형상으로 형상 지어진다. 원판 형상을 가지는 연마 패드가 가압판의 하부면 상에 부착되어 제공되며, 가압판은 기판 지지대 및 컨디셔너 지지대와 대향되도록 위치된다. The present invention relates to a chemical mechanical polishing apparatus, wherein the apparatus has a substrate support for vacuum adsorption of a wafer and a conditioner support on which a pad conditioner is installed. The substrate support is shaped into a disc shape and the conditioner support is shaped into an annular ring shape to surround the substrate support. A polishing pad having a disc shape is provided attached to the lower surface of the pressure plate, and the pressure plate is positioned to face the substrate support and the conditioner support.

화학적 기계적 연마 장치, 패드 컨디셔너, 연마 패드Chemical Mechanical Polishing Device, Pad Conditioner, Polishing Pads

Description

Chemical mechanical polishing apparatus used in the manufacture of semiconductor devices {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS USED IN MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICES}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 도면;1 schematically shows a chemical mechanical polishing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention;

도 2는 도 1의 기판 지지대와 컨디셔너 지지대의 평면도; FIG. 2 is a plan view of the substrate support and conditioner support of FIG. 1; FIG.

도 3은 연마 패드의 평면도; 그리고3 is a plan view of the polishing pad; And

도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.4 is a view schematically showing a chemical mechanical polishing apparatus according to another example of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 웨이퍼 20 : 패드 컨디셔너10 wafer 20 pad conditioner

30 : 연마 패드 120 : 기판 지지대30: polishing pad 120: substrate support

140 : 컨디셔너 지지대 200 : 가압판140: conditioner support 200: pressure plate

본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마 장치에 사용되는 연마헤드 및 연마 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a polishing head and a polishing method used in a polishing apparatus for polishing a surface of a semiconductor wafer.

반도체 소자 제조 공정은 웨이퍼 상에 박막층을 형성하는 증착공정과 그 박막층 상에 미세한 회로패턴을 형성하기 위한 노광 및 식각공정을 포함한다. 웨이퍼 상에 요구되는 회로패턴이 형성될 때까지 상술한 공정들은 반복되며, 회로패턴이 형성된 웨이퍼의 표면에는 많은 굴곡이 생긴다. 최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되어, 웨이퍼 표면의 굴곡의 수 및 이들 사이의 단차는 증가하고 있다. 그러나 상술한 웨이퍼 표면의 굴곡은 노광 공정에서 디포커스 등의 문제를 유발하므로, 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정이 주기적으로 이루어지고 있다. 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 다양한 표면 평탄화 기술이 사용되고 있다. 이들 중 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있는 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing) 장치가 주로 사용된다.The semiconductor device manufacturing process includes a deposition process for forming a thin film layer on a wafer and an exposure and etching process for forming a fine circuit pattern on the thin film layer. The above-described processes are repeated until the required circuit pattern is formed on the wafer, and many bends are generated on the surface of the wafer on which the circuit pattern is formed. Background Art [0002] In recent years, semiconductor devices have been multilayered with high integration, and the number of bends on the surface of the wafer and the step between them are increasing. However, since the above-described bending of the wafer surface causes problems such as defocus in the exposure process, the process of planarizing the surface of the wafer is performed periodically. Various surface planarization techniques are used to planarize the surface of the wafer. Among them, chemical mechanical polishing apparatuses that can obtain excellent flatness not only in a narrow region but also in a large region are mainly used.

화학적 기계적 연마 장치는 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 장치이다. 기계적 연마는 회전하는 연마용 판인 연마 패드에 웨이퍼를 가압 및 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면과의 마찰에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(slurry)와 같은 화학적 연마제에 의해 웨이퍼 표면을 연마하는 것이다. A chemical mechanical polishing apparatus is an apparatus for polishing a surface of a wafer by mechanical friction and at the same time by a chemical abrasive. Mechanical polishing is polishing of the wafer surface by friction between the polishing pad and the wafer surface by pressing and rotating the wafer on a polishing pad, which is a rotating polishing plate, and chemical polishing is performed by a slurry supplied between the polishing pad and the wafer. The wafer surface is polished with the same chemical abrasive.

일반적인 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 'CMP') 장치는 웨이퍼를 진공 흡착하는 기판 지지대를 가지며, 기판 지지대의 상부에는 웨이퍼와의 마찰에 의해 웨이퍼를 연마하는 연마 패드가 부착된 패드 지지대가 배치 된다. 연마 패드를 장시간 사용시 연마 패드의 표면 거칠기가 낮아진다. CMP 공정의 보다 효과적인 연마율의 달성을 위해서는 연마 패드의 표면은 일정범위의 거칠기로 유지되어야 한다. 연마 패드의 표면 거칠기가 감소하게 되면 웨이퍼와 패드의 접촉면적이 증가하고 연마면에 가해지는 압력은 감소한다. 일정기간 사용된 연마 패드는 패드 컨디셔너에 의해 거칠기가 조절된다. 그러나 일반적인 설비에서 패드 컨디셔너가 제공된 컨디셔너부는 직접적으로 연마가 이루어지는 연마부와 이격된 장소에 제공되어 있다. 따라서 연마 패드를 패드 컨디셔너부로 이동하여 패드의 거칠기를 적정조건으로 조절한 후 다시 연마부로 이송하여 공정을 진행하므로 생선성이 크게 저하되고 있다.A general chemical mechanical polishing (CMP) apparatus has a substrate support for vacuum adsorption of a wafer, and a pad support with a polishing pad for polishing the wafer by friction with the wafer is disposed above the substrate support. do. When the polishing pad is used for a long time, the surface roughness of the polishing pad becomes low. In order to achieve a more effective polishing rate of the CMP process, the surface of the polishing pad must be maintained in a range of roughness. As the surface roughness of the polishing pad decreases, the contact area between the wafer and the pad increases and the pressure applied to the polishing surface decreases. Polishing pads used for a certain period of time are controlled by the pad conditioner. However, in a typical installation, the conditioner portion provided with the pad conditioner is provided at a place separated from the polishing portion where the polishing is directly performed. Therefore, since the polishing pad is moved to the pad conditioner to adjust the roughness of the pad to an appropriate condition, the polishing pad is transferred to the polishing unit to proceed the process, and thus the fish property is greatly reduced.

또한, 종래에 사용되고 있는 연마패드는 링형상을 이루어져 웨이퍼와 접촉하는 면적이 작아 제거율이 낮았다. 제거율을 향상하기 위해서는 연마패드를 고압으로 가압하거나 고속으로 회전시키며, 연마패드와 웨이퍼를 역방향으로 회전시켰다. 이로 인해 불균일한 디싱(dishing), 영역에 따른 비선형적 제거율 등의 문제가 발생한다.In addition, the polishing pad used in the related art has a ring shape and a small area in contact with the wafer has a low removal rate. To improve the removal rate, the polishing pad was pressed at high pressure or rotated at high speed, and the polishing pad and the wafer were rotated in the reverse direction. This causes problems such as non-uniform dishing and nonlinear removal rate according to the area.

본 발명은 웨이퍼 연마 및 연마 패드의 거칠기 유지 등에 소요되는 일련의 시간을 단축하여 생산성을 향상할 수 있는 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a polishing apparatus that can improve productivity by shortening a series of time required for maintaining wafer roughness and roughness of a polishing pad.

또한, 본 발명은 불균일한 디싱이나 웨이퍼의 영역에 따른 비선형적 제거율을 방지하면서 연마율을 향상시킬수 있는 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한 다.It is also an object of the present invention to provide a polishing apparatus capable of improving the polishing rate while preventing non-uniform dishing or nonlinear removal rate along the area of the wafer.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 화학적 기계적 연마 장치는 지지부와 패드 가압판을 가진다. 상기 지지부는 웨이퍼가 놓여지는 기판 지지대와 상기 기판 지지대와 인접한 측부에 위치되며 상부면에 패드 컨디셔너가 설치되는 컨디셔너 지지대를 포함한다. 상기 기판 지지대는 원통형의 형상을 가지며 상기 컨디셔너 지지대는 상기 기판 지지대의 둘레를 감싸도록 배치된다. 상기 패드 가압판은 공정 진행시 상기 지지부와 대향되도록 배치되며 상기 패드 가압판의 하부면에는 연마 패드가 부착된다. 상기 패드 가압판과 상기 기판 지지대는 구동부에 의해 회전 또는 직선이동된다. 상기 연마 패드는 판형으로 형상 지어지는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, the chemical mechanical polishing apparatus of the present invention has a support and a pad pressing plate. The support portion includes a substrate support on which a wafer is placed and a conditioner support positioned on a side adjacent to the substrate support and having a pad conditioner installed on an upper surface thereof. The substrate support has a cylindrical shape and the conditioner support is disposed to surround the substrate support. The pad presser plate is disposed to face the support part during the process, and a polishing pad is attached to a lower surface of the pad presser plate. The pad pressing plate and the substrate support are rotated or linearly moved by a driving unit. The polishing pad is preferably shaped into a plate shape.

상기 구동부는 상기 기판 지지대를 회전시키는 기판 회전기와 상기 패드 가압판을 회전시키는 패드 회전기를 포함할 수 있다. 공정 진행 중 상기 연마 패드는 상기 기판 지지대에 놓여진 웨이퍼 및 상기 패드 컨디셔너와 접촉될 수 있다. 상기 컨디셔너 지지대는 상기 패드 회전기에 의해 상기 패드 가압판과 같이 회전될 수 있으며, 상기 컨디셔너 지지대는 구동부에 의해 상하로 수직이동될 수 있다.The driving unit may include a substrate rotator for rotating the substrate support and a pad rotator for rotating the pad pressing plate. During the process, the polishing pad may contact the wafer placed on the substrate support and the pad conditioner. The conditioner support may be rotated together with the pad pressing plate by the pad rotator, and the conditioner support may be vertically moved up and down by a driving unit.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 4를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 4. The embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shape of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a clearer description.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 연마 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 연마 장치는 지지부, 가압판(200), 그리고 구동부를 가진다. 지지부는 웨이퍼(10)가 놓여지는 기판 지지대(120)와 패드 컨디셔너(20)가 놓여지는 컨디셔너 지지대(140)를 가진다. 기판 지지대(120)는 원판형의 형상을 가지며, 내부에 진공라인(도시되지 않음)이 형성되어 웨이퍼(10)를 진공으로 흡착한다. 공정 진행 중 기판 지지대(120)는 기판 회전기(160)에 의해 회전된다. 기판 회전기(160)는 기판 지지대(120)의 하부면으로부터 아래로 연장된 지지축(162)과 이를 회전시키는 모터(164)로 구성될 수 있다.1 is a view schematically showing a polishing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the polishing apparatus has a support, a pressure plate 200, and a driving unit. The support has a substrate support 120 on which the wafer 10 is placed and a conditioner support 140 on which the pad conditioner 20 is placed. The substrate support 120 has a disc shape, and a vacuum line (not shown) is formed therein to suck the wafer 10 in a vacuum. During the process, the substrate support 120 is rotated by the substrate rotator 160. The substrate rotator 160 may include a support shaft 162 extending downward from the bottom surface of the substrate support 120 and a motor 164 rotating the substrate 162.

도 2를 참조하면, 컨디셔너 지지대(140)는 환형의 링 형상을 가지며 기판 지지대(120)의 둘레를 감싸도록 배치된다. 컨디셔너 지지대(140) 상에 패드 컨디셔너(20)가 결합된다. 패드 컨디셔너(20)의 상부면에는 다이아몬드 입자 등이 장착된다. 다이아몬드 입자는 연마 패드(30)를 긁어 연마 패드(30)가 일정 거칠기를 유지하도록 한다. 기판 지지대(120)와 컨디셔너 지지대(140)는 각각 제조되고, 컨디셔너 지지대(140)는 기판 지지대(120)를 감싸도록 위치된다. 공정진행 중 기판 지지대(120)와 컨디셔너 지지대(140)는 일체로 형성되어 공정 진행중 동시에 회전된다. 그러나 선택적으로 기판 지지대(120)와 컨디셔너 지지대(140)는 각각 제조되어 공정진행 중 웨이퍼(10)는 회전되고 패드 컨디셔너(20)는 고정될 수 있다. Referring to FIG. 2, the conditioner support 140 has an annular ring shape and is arranged to surround the substrate support 120. The pad conditioner 20 is coupled to the conditioner support 140. Diamond particles and the like are mounted on the upper surface of the pad conditioner 20. The diamond particles scrape the polishing pad 30 so that the polishing pad 30 maintains a constant roughness. The substrate support 120 and the conditioner support 140 are each manufactured, and the conditioner support 140 is positioned to surround the substrate support 120. During the process, the substrate support 120 and the conditioner support 140 are integrally formed and rotated at the same time during the process. However, optionally, the substrate support 120 and the conditioner support 140 may be manufactured so that the wafer 10 is rotated and the pad conditioner 20 is fixed during the process.

지지부(100)의 상부에는 하부면에 연마 패드(30)가 결합되는 패드 가압판(200)이 위치된다. 연마 패드(30)는 접착제 등에 의해 패드 가압판(200)에 부착될 수 있다. 공정 진행 중 패드 가압판(200)은 패드 회전기(220)에 의해 회전된다. 패드 회전기(220)는 패드 가압판(200)의 상부면에 결합된 회전축(222)과 이를 회전시키는 모터(224)로 구비될 수 있다. 회전축(222)은 지지로드(240)와 결합된다. 지지로드(240)는 도시되지 않은 구동수단에 의해 상하로 수직이동되거나 수평방향으로 회전될 수 있다. 또한, 공정진행 중 연마 패드(30)는 웨이퍼(10)의 반경방향으로 일정거리 왕복 직선이동될 수 있다. 공정진행 중 연마 패드(30)는 웨이퍼(10)와 동일방향으로 회전되며, 선택적으로 연마 패드(30)는 웨이퍼(10)와 반대방향으로 회전될 수 있다.The pad presser plate 200 to which the polishing pad 30 is coupled to the lower surface is positioned above the support part 100. The polishing pad 30 may be attached to the pad pressing plate 200 by an adhesive or the like. The pad pressing plate 200 is rotated by the pad rotator 220 during the process. The pad rotator 220 may be provided with a rotating shaft 222 coupled to an upper surface of the pad pressing plate 200 and a motor 224 for rotating the pad rotating plate 222. The rotating shaft 222 is coupled to the support rod 240. The support rod 240 may be vertically moved up and down or rotated in a horizontal direction by a driving means (not shown). In addition, during the process, the polishing pad 30 may be linearly reciprocated at a predetermined distance in the radial direction of the wafer 10. During the process, the polishing pad 30 is rotated in the same direction as the wafer 10, and optionally, the polishing pad 30 may be rotated in the opposite direction to the wafer 10.

연마 패드(30)가 링형상을 가지는 경우 웨이퍼(10)와 연마 패드(30)의 접촉면이 작아 웨이퍼(10)의 연마율이 저하될 수 있다. 본 실시예에서 도 3에 도시된 바와 같이 연마 패드(30)는 판형상을 가지며, 바람직하게는 원판형상을 가진다. 연마 패드(30)에는 슬러리를 연마 패드(30)와 웨이퍼(10)의 접촉면 사이로 공급하기 위한 슬러리 공급홀이 형성될 수 있다. 선택적으로 슬러리는 별도의 슬러리 공급 아암을 통해 공급될 수 있다.When the polishing pad 30 has a ring shape, the contact surface between the wafer 10 and the polishing pad 30 is small, and thus the polishing rate of the wafer 10 may be reduced. In the present embodiment, as shown in Fig. 3, the polishing pad 30 has a plate shape, and preferably has a disc shape. In the polishing pad 30, a slurry supply hole for supplying a slurry between the polishing pad 30 and the contact surface of the wafer 10 may be formed. Optionally, the slurry can be fed through a separate slurry feed arm.

연마 패드(30)는 웨이퍼(10)의 반경보다는 큰 직경을 가진다. 바람직하게는 패드 컨디셔너의 폭은 웨이퍼의 반경과 유사한 길이를 가지고, 연마 패드(30)의 직경은 웨이퍼(10)의 직경과 유사한 길이를 가져 연마 패드(10)의 직경의 반은 웨이퍼와 접촉되고 나머지 반은 패드 컨디셔너(20)와 접촉된다. 기판 지지대(120)와 컨디셔너 지지대(140)는 그 상부에 놓여진 웨이퍼(10)와 패드 컨디셔너(20)가 동일 수평면 상에 배치되도록 높이가 조절된 상태로 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이 공정진행 중 연마 패드(30)는 웨이퍼(10)의 중심으로부터 패드 컨디셔너(20)의 외측 가장자리에 이르는 영역 상부에 위치된다. 공정 진행 중 연마 패드(30)는 웨이퍼(10)를 가압하면서 웨이퍼(10)를 연마함과 동시에 패드 컨디셔너(20)와의 마찰에 의해 표면 거칠기가 일정하게 유지된다.The polishing pad 30 has a diameter larger than the radius of the wafer 10. Preferably the width of the pad conditioner has a length similar to the radius of the wafer, the diameter of the polishing pad 30 has a length similar to the diameter of the wafer 10 so that half of the diameter of the polishing pad 10 is in contact with the wafer. The other half is in contact with the pad conditioner 20. The substrate support 120 and the conditioner support 140 are positioned with heights adjusted such that the wafer 10 and the pad conditioner 20 placed thereon are disposed on the same horizontal plane. As shown in FIG. 1, during the process, the polishing pad 30 is located above the area from the center of the wafer 10 to the outer edge of the pad conditioner 20. During the process, the polishing pad 30 polishes the wafer 10 while pressing the wafer 10, and at the same time, the surface roughness is kept constant by friction with the pad conditioner 20.

선택적으로 도 4에 도시된 바와 같이 컨디셔너 지지대(140)와 기판 지지대(120)의 상대적 높이는 조절하는 구동부가 제공될 수 있다. 일 예에 의하면 공정 진행시 웨이퍼(10)가 패드 컨디셔너(20)보다 높게 위치되도록 컨디셔너 지지대(140)는 하강하고, 연마 패드(30)의 표면 거칠기를 조절할 필요가 있을 때에 패드 컨디셔너(20)가 웨이퍼(10)보다 높게 위치되도록 또는 패드 컨디셔너(20)가 웨이퍼(10)와 동일 수평면상에 위치되도록 컨디셔너 지지대(140)가 승강될 수 있다.Optionally, as shown in FIG. 4, a driving unit for adjusting the relative heights of the conditioner support 140 and the substrate support 120 may be provided. According to an example, the conditioner support 140 descends so that the wafer 10 is positioned higher than the pad conditioner 20 during the process, and the pad conditioner 20 is required to adjust the surface roughness of the polishing pad 30. The conditioner support 140 can be elevated so that it is positioned higher than the wafer 10 or the pad conditioner 20 is positioned on the same horizontal plane as the wafer 10.

본 발명에 의하면 웨이퍼를 연마하는 도중에 연마 패드는 패드 컨디셔너와의 마찰로 인해 그 표면이 일정 거칠기로 계속적으로 유지되므로, 웨이퍼를 연마하는 부분과 패드의 표면 거칠기를 유지하는 부분이 각각 제공된 일반적인 장치에 비해 설비 가동률을 향상시킬수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the surface of the polishing pad is continuously maintained at a constant roughness due to friction with the pad conditioner during polishing of the wafer, a general device provided with a portion for polishing the wafer and a portion for maintaining the surface roughness of the pad are respectively provided. Compared with this, it is possible to improve the facility utilization rate.

또한, 본 발명에 의하면, 연마 패드가 원판형으로 형상 지어져 있으므로, 링 형으로 형상 지어지는 일반적인 경우에 비해 웨이퍼의 연마율을 향상시킬수 있다.In addition, according to the present invention, since the polishing pad is shaped like a disk, the polishing rate of the wafer can be improved as compared with the general case shaped like a ring.

Claims

In the chemical mechanical polishing apparatus,

A support having a substrate support on which the wafer is placed and a conditioner support positioned on a side adjacent to the substrate support and having a pad conditioner installed on an upper surface thereof;

A pad presser plate disposed to face the support part during the process and to which a polishing pad is mounted; And

And a drive unit for rotating or linearly moving the pad pressing plate or the substrate support.

The method of claim 1,

The pad conditioner has a ring shape,

And the conditioner support has a shape surrounding the substrate support.

The method according to claim 1 or 2,

And the polishing pad has a plate shape.

The method according to claim 1 or 2,

The driving unit,

A substrate rotator for rotating the substrate support;

And a pad rotator for rotating the pad presser plate.

The method of claim 4, wherein

And the conditioner support is rotated together with the pad presser by the pad rotator.

The method according to claim 1 or 2,

Wherein the polishing pad contacts the wafer placed on the substrate support and the pad conditioner.

The method according to claim 1 or 2,

The apparatus further comprises a drive for vertically moving the conditioner support vertically.