KR100292902B1

KR100292902B1 - 반도체장치의연마장치및연마방법

Info

Publication number: KR100292902B1
Application number: KR1019970057313A
Authority: KR
Inventors: 도리이고우지
Original assignee: 가네꼬 히사시; 닛뽕덴끼 가부시끼가이샤
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2002-06-27
Also published as: JPH10138123A; KR19980042007A; JP2738392B1; GB9723456D0; GB2318998A; US5876269A; GB2318998B

Abstract

반도체장치를 연마하는 장치 (방법) 는 서로 적층된 경도가 서로 다른 상부층재료 및 하부층재료로 이루어진 연마패드가 장착되어 있으므로 반도체웨이퍼는 상기 연마패드에 맞대어 가압하면서 연마되며, 상기 연마패드의 상부층재료의 경도는 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 설정되고, 그리고 상기 연마패드의 하부층재료의 경도는 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 설정된다.

Description

반도체장치의 연마장치 및 연마방법{APPARATUS AND METHOD FOR POLISHING SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체장치의 연마장치 및 연마방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 연마패드 및 백패드의 경도에 대하여 반도체장치의 연마장치 및 연마방법을 개선시키는 것에 관한 것이다.

반도체장치의 제조에 있어서, 예를 들어, MOS 트랜지스터 능동소자 또는 알루미늄배선의 패터닝 결과로서, 일반적으로 반도체웨이퍼 또는 기판의 표면상에 불규칙성 또는 불균일성이 발생한다. 즉, 소자영역 또는 알루미늄 배선의 표면 불규칙성은 반도체 웨이퍼 상에 형성된 층간절연막의 표면상에서도 불규칙성으로서나타난다. 이들 표면 불규칙성은 이후 상층배선 형성공정시, 특히 리소그래피 공정에서 공정치수의 정확도에 영향을 미친다.

최근, 배선피치가 감소하고 다층배선으로 진보함에 따라, 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 것이 매우 중요하게 되었다. 이에 따라, 반도체 제조공정시 스핀온글래스(spin on glass) 및 이와 유사한 유동성 코팅으로 층간절연막의 오목부를 충전하는 종래의 방법을 사용하여, 평탄화에 대한 요구를 만족시는 것이 불가능하게 되었다.

현재 사용중인 방법으로서 화학기계연마법 (CMP) 이 있다. 도 6 은 종래의 연마장치를 사용하여 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법을 나타낸다. 회전식 플래튼 (revolving platen; 50) 의 상부면에 연질재료 (51) 및 경질재료 (52) 를 적층방식으로 부착하며, 연질패드로서 작용하는 연질재료 (51) 및 경질패드로서 작용하는 경질재료 (52) 로 연마패드를 구성한다. 반도체 웨이퍼 (53) 를 연마할 때, 상기 연마패드로 연마재 (54) 를 공급한다. 반도체 웨이퍼를 스핀들 (55) 의 하부면에 고정하고, 연마될 노출면을 연마패드로 가압하기 위하여 규정압력을 가하면서 플래튼 (50) 및 스핀들 (55) 을 동일한 방향으로 회전시킴으로써 반도체 웨이퍼의 표면을 연마한다. 이 방법은 층간절연막, 소자분리막, 금속막 등을 연마하는 데 널리 사용한다.

도 7 은 종래의 반도체 웨이퍼의 연마방법을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하여, 연마패드를 연질재료 (51) 및 경질재료 (52) 의 이중막으로 구성하는 이유를 설명한다. 도 7에서는, 반도체 웨이퍼 (53) 의 절연막 (56) 을 연질재료(51) 및 경질재료 (52) 로 구성된 연마패드로 가압한 상태를 나타낸다. 도 7 에서, 도면부호 57 은 절연막 (56) 에 의해 피복된 배선패턴을 나타낸다.

제조공정시 반도체 웨이퍼 (53) 에 여러 절연막 (56) 및 배선패턴 (57) 의 적용은, 도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼 (53)를 연마할 때, 수십 마이크로미터에 이르는 만곡도 (degree of bowing) 가 발생한다는 것을 의미한다. 따라서, 절연막 (56) 및 금속막 (57) 의 볼록부에 대하여 선택적으로 연마를 완료하려면, 연마패드의 표면변형을 억제하여야 한다. 이것이 고경질도가 요구되는 이유이다. 이와 달리, 반도체 웨이퍼의 전면을 균일하게 연마하려면, 연마패드가 만곡을 상쇄하기에 충분한 유연성을 가져야 한다. 따라서, 평탄화 및 균일화의 2 가지 목적을 달성하기 위하여, 연마패드를 경질재료 (경질패드, 52) 와 이 경질재료 (52) 하부에 있는 연질재료 (연질패드, 51) 로 구성한다.

일본 특개평 7-297195 호는 반도체장치의 연마와 관련된 종래 기술의 특정예를 제공한다. 폴리우레탄 부직포와 경질의 발포성 폴리우레탄으로 이루어진 이중막의 연마포를 가압플레튼에 부착한다. 보풀(nap)을 세우고 전면을 형상화하기 위하여, 연마포의 하부표면에 다이아몬드가 피복된 도구를 적용한다.

상기 특허에서 설명한 기술은, 일반적으로 연마패드의 하부층을 구성하는 연질재료 (연질패드, 51) 로서, 로델-니타사제 (Rodel-Nitta) 의 SUBA 400 (JIS 스프링 A 경도 54∼65, 쇼어스프링 A 경도 57.5∼69) 또는 로델사제 (Rodel) SUBA Ⅳ (JIS 스프링 A 경도 54∼68, 쇼어스프링 A 경도 57∼71) 를 사용한다. 한편, 연마패드의 상부층을 구성하는 경질재료 (경질패드, 52) 로서 로델사제 IC 1000(JIS 스프링 A 경도 95, 쇼어스프링 A 경도 98) 를 사용한다.

여기서, JIS 스프링 A 경도는 일본공업규격 (JIS) K 6301 에서 설명된 기준에 따른 JIS 스프링 타입 A 에 의해서 측정한 경도를 말한다. 쇼어스프링 A 경도는 쇼어스프링 타입 A 에 의해서 측정한 경도를 말한다. 도 10 은 비교를 위하여 상기 2 개의 스프링 타입의 상호관계를 나타낸다.

그러나, 상기 특허에서 설명한 연마패드를 반도체 웨이퍼 (53) 의 연마시 사용하면, 반도체 웨이퍼 (53) 의 중앙 부근에서는 연마도 (polishing rate) 가 감소하고, 반도체 웨이퍼 (53) 의 최외각 주변으로부터 일정거리 (예를 들어, 6 ㎜) 내에 있는 영역에서는 연마도가 현저하게 감소하는 문제가 있다. 이러한 문제는 패드의 하부층인 연질재료 (51) 의 경도가 낮기 때문에 발생한다.

도 8 은 종래의 예에서 반도체 웨이퍼 (53) 에 의해서 패드 상에 부여된 하중의 결과로서, 연마패드가 어떻게 변형되는 지를 나타낸다. 연마시, 안내링 (guide ring; 58) 에 의해서 반도체 웨이퍼 (53) 를 지지한다. 하중을 가하기 위하여 베이스 플레이트 (base plate; 59) 를 사용하고, 경질재료 (52) 및 연질재료 (51) 로 구성된 연마패드에 대고 반도체 웨이퍼 (53) 를 가압하면서 백패드 (60)에 의해서 반도체 웨이퍼 (53) 의 형상을 제어한다.

상술한 연마방법에서, 연마패드의 상부층을 형성하는 경질재료 (52) 의 경질특성은, 도시된 바와 같이, 연마패드의 표면이 하향으로 변형되면, 그의 표면 형상이 반도체 웨이퍼 (53) 의 에지곡률을 따를 수 없다는 것을 의미한다. 결과로서, 에지에 최대하중이 가해지게 되므로, 에지 부근에서 국부적 변형이 발생하게된다. 이에 따라, 에지에서 특정거리 (예를 들어, 2∼3 ㎜) 내에 있는 영역에서 접촉압력이 현저하게 감소할 뿐 아니라, 반도체 웨이퍼 (53) 의 중앙부와 연마패드 사이의 접촉압력도 감소한다. 이러한 현상은 연마패드의 하부층을 형성하는 연질패드용 연질재료 (51) 를 불필요하게 선택했기 때문에 발생하며, 이러한 현상에 의해 반도체 웨이퍼의 최외각 주변으로부터 특정거리 (예를 들어, 6 ㎜) 내에 반도체 소자를 형성하기가 어렵다.

최근에는, 상술한 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 도 9 에서 도시된 연마방법을 시도하고 있다. 이 개선된 연마방법은, 연마시 반도체 웨이퍼 (53) 를 지지하도록, 연질재료 (51) 및 경질재료 (52) 로 이루어진 연마패드에 안내링 (81)을 대고 가압하는 것을 포함한다. 연마패드가 국부적으로 변형되는 영역을 안내링 (81) 외측영역으로 (예를 들어, 반도체웨이퍼 (53) 의 외주를 향하여) 벗어나게 함으로써, 반도체 웨이퍼 (53) 의 최외각 주변 부근에서 연마도의 변동을 억제할 수 있다.

그러나, 상술한 개선된 종래의 연마방법은, 반도체 웨이퍼 (53) 에 가하는 연마하중과 거의 동일하게 되도록 연마패드에 대고 안내링 (81) 을 가압하는 압력을 필요로 한다. 이것은 안내링 (81) 의 마찰, 안내링 (81) 에 의한 연마패드로의 연마재 공급중단, 및 시간에 따른 연마패드의 변화 결과로서 안내링 (81) 에 대한 최적압력의 변화에 의해서 야기되는 불안정한 가동을 일으킨다. 또한, 연마장치를 개선하기 위해서는 설비투자 비용이 요구되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 개선된 CMP 장치 및 CMP 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 반도체 웨이퍼의 주변부에서의 연마도 감소를 억제함으로써, 지금까지 불가능했던 최외각 주변으로부터 6 ㎜ (예를 들어) 영역내에서의 반도체 소자의 제조를, 반도체 웨이퍼의 최외각 주변으로부터 약 2 ㎜ 거리내에서 가능하게 할 뿐만 아니라, 반도체 웨이퍼당 유효한 반도체칩의 수를 증가시킬 수 있는 반도체장치의 연마장치 및 연마방법을 제공하는 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층 재료 및 하부층재료를 포함하는 연마패드가 장착되고, 반도체 웨이퍼를 상기 연마패드에 대고 가압하면서 연마하며, 연마패드의 상부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 설정하고, 연마패드의 하부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 설정하는 반도체장치의 연마장치를 제공한다.

제 1 양태에서, 상기 반도체 웨이퍼 자체와 이 반도체 웨이퍼에 하중을 가하는 수단사이에, 쇼어스프링 A 경도 40∼70 의 완충재료를 배치하는 모드가 바람직하다. 유사하게, 상기 경질재료가 특정 두께의 발포성 폴리우레탄인 모드가 바람직하다. 또한, 상기 연질재료가 폴리우레탄이 포화된 부직포인 모드가 바람직하다. 또한, 상기 완충재료가 특정 두께의 폴리우레탄인 모드가 바람직하다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층 재료 및 하부층 재료를 포함하는 연마패드에 대고 반도체 웨이퍼를 연마하며, 연마패드의 상부층 재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 설정하고, 연마패드의 하부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 설정하는 반도체장치의 연마방법을 제공한다.

제 2 양태에서, 상기 반도체 웨이퍼 자체와 이 반도체 웨이퍼에 하중을 가하는 수단사이에 배치된 쇼어스프링 A 경도 40∼70 인 완충재로로 연마를 행하는 모드가 바람직하다. 유사하게, 상기 경질재료가 특정 두께의 발포성 폴리우레탄인 모드가 바람직하다. 또한, 상기 연질재료가 폴리우레탄이 포화된 부직포인 모드가 바람직하다. 또한, 상기 완충재료가 특정 두께의 폴리우레탄인 모드가 바람직하다. 또한, 서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층재료 및 하부층재료를 포함하는 연마패드에 대고 상기 반도체 웨이퍼를 가압하면서 연마하는 동안, 상기 연마패드의 상부면으로 연마재를 공급하는 모드가 바람직하다. 또한, 연마재가 그의 KOH 함량에 의해서 pH 10-11 로 조절된 발연성 실리카 (fumed silica) 인 모드가 바람직하다.

상기 제 1 및 제 2 양태는, 반도체 웨이퍼의 최외각 주변에 의해서 상부층재료에 가해지는 하중의 결과로서 연마패드의 상부층재료를 국부적으로 변형시키는 현상을 억제할 수 있다. 이는 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 연마패드의 상부층재료의 경도를 설정하고, 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 하부층재료의 경도를 설정함으로써 달성할 수 있다.

이와 같이, 반도체 웨이퍼의 최외각 주변 부근의 연마도를 반도체 웨이퍼의 중앙 부근의 연마도와 동일하게 확보하는 것이 가능하다. 따라서, 반도체 웨이퍼의 주변에 보다 더 근접하여 반도체 소자를 제조할 수 있으므로, 반도체 웨이퍼당 유효한 반도체칩의 수를 증가시킴으로써, 생산성을 증가시킬 수 있다.

연마패드의 하부층재료의 경도를 종래보다 높게 설정함으로써 (쇼어스프링 A 경도 78∼87.5), 반도체 웨이퍼의 패턴 및 볼록부에 의해서 상부층재료에 가해지는 하중의 결과로서 상부층재료가 국부적으로 변형하는 현상을 억제함으로써, 반도체 웨이퍼의 평탄화 특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 연마량을 감소시킬 수 있고, 더 나아가 생산성을 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 이점 및 특징은 첨부도면과 연관시켜서 취해진 하기의 설명으로부터 명백해 질 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예를 형성하는 반도체장치를 연마하는 장치의 주요부의 구조를 도시하는 종단면도;

도 2 는 상기 실시예를 형성하는 연마패드의 연질재료의 경도와 연마종료후 반도체웨이퍼의 최외주 부근에서 남아 있는 막두께의 분포간의 관계를 도시하는 그래프;

도 3 은 동일한 실시예를 형성하는 연마패드의 연질재료의 경도와 연마도인 표면변화량과의 관계를 도시하는 그래프;

도 4 는 동일한 실시예를 형성하는 연마패드의 연질재료의 경도와 평탄성과의 관계를 도시하는 그래프;

도 5 는 본 발명의 제 2 실시예를 형성하는 백패드의 경도와 연마종료후 반도체웨이퍼의 최외주 부근에서 남아 있는 막두께의 분포간의 관계를 도시하는 그래프;

도 6 은 반도체웨이퍼를 연마하는 종래의 장치의 개략도;

도 7 은 반도체웨이퍼를 연마하는 종래의 방법을 예시하는 도면;

도 8 은 반도체웨이퍼를 연마하는 종래의 방법을 예시하는 도면;

도 9 는 반도체웨이퍼를 연마하는 종래의 방법에 대한 변형예를 예시하는 도면; 및

도 10 은 JIS 스프링 A 경도와 쇼어스프링 A 경도간의 관계를 예시하는 그래프.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 반도체웨이퍼 2 : 스핀들

3 : 안내링 4 : 베이스플레이트

5 : 백패드 6 : 플래튼

7 : 경질재료 8 : 연질재료

9 : 연마패드

이하, 도면을 참조로 하여, 본 발명을 만족시키는 최적의 모드를 2 개의 실시예를 중심으로 하여 설명한다.

제 1 실시예

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예를 구성하는 반도체장치를 연마장치에 대한 주요부의 구조를 도시하는 종단면도이다. 도 1 에서, 스핀들 (2) 의 일부를 구성하는 안내링 (3) 에 의해서 연마될 반도체 웨이퍼 (실리콘 웨이퍼, 1) 를 지지한다. 또한, 스핀들 (2) 의 일부를 또한 구성하는 베이스 플레이트 (4) 에 의해서 하중을 가하도록 하고, 백패드 (5) 에 의해서 반도체 웨이퍼 (1) 의 형상을 제어한다. 서로 적층되는 방식으로 플래튼 (6) 에 부착된 경질재료 (7) 및 연질재료 (8) 로 이루어진 연마패드 (9) 에 대고, 상기 베이스 플레이트 (4) 에 의해가해진 하중으로, 반도체 웨이퍼 (1) 를 가압하도록 함으로써 연마공정을 실시한다.

연마패드 (9) 의 상부층을 구성하는 경질재료 (7) 의 경도를 쇼어스프링 A 경도 97∼98.5 (JIS 스프링 A 경도 95 이상) 로 설정하는 반면, 연마패드 (9) 의 하부층을 구성하는 연질재료 (8) 의 경도는 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 로 설정한다. 경질재료 (7) 로서 사용하는 재료의 예로는 두께가 약 1.3 ㎜ 인 발포성 폴리우레탄이 있다. 유사하게, 연질재료 (8) 로서 사용되는 재료의 예로는 두께가 대략 1.2 ㎜ 인 폴리우레탄이 포화된 부직포가 있다.

스핀들 (2) 은 반도체 웨이퍼 (1) 를 유지하고 반도체 웨이퍼에 대하여 회전운동을 부여하는 역할을 하는 메카니즘이다. 스핀들은, 반도체 웨이퍼를 연마하는 동안 반도체 웨이퍼 (1) 를 지지하기 위한 안내링 (3), 반도체웨이퍼 (1) 에 하중을 가하기 위한 베이스 플레이트 (4) 및 반도체 웨이퍼 (1) 의 형상을 제어하기 위하여 완충재료로서 역할을 하는 백패드 (5) 를 구비한다. 경질 플라스틱 또는 이와 유사한 재료로 이루어지고, 그의 하부에지가 연마패드 (9) 의 상부면과 접촉하지 않도록 안내링 (3) 을 설치한다. 완충재료로서 작용하는 백패드 (5) 는 두께가 약 0.6 ㎜ 인 폴리우레탄 또는 유사한 재료로 이루어지고, 경도는 쇼어스프링 A 경도 72.5 (JIS 스프링 A 경도 70) 로 설정한다.

연마패드 (9) 를 구성하는 경질재료 (7) 및 연질재료 (8) 의 경도를 제외하고, 이 연마장치의 기본구조는 종래와 동일하며, 연마될 반도체 웨이퍼의 치수 및형상과 일치하는 스핀들 (2) 및 플래튼 (6) 을 사용한다.

도 1 내지 도 4 를 참조하여, 상기와 같이 구성된 연마장치를 사용한 반도체 웨이퍼의 연마방법을 설명한다.

먼저, 반도체 소자가 형성되는 표면과 연마패드 (9) 의 상부면이 접하면서, 스핀들 (2) 의 백패드 (5) 의 하부면과 밀접하게 접촉하도록 반도체 웨이퍼를 고정한다. 다음으로, 이러한 목적을 위하여, 연마패드 (9) 의 상부면으로 메카니즘으로부터 연마재를 공급하며, 연마패드 (9)는 각각의 경도가 쇼어스프링 A 경도 97∼98.5 (JIS 스프링 A 경도 95 이상) 및 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 인 경질재료 (7) 및 연질재료 (8) 로 이루어진다.

사용된 연마재는 그의 KOH 함량에 의해서 pH 10-11 로 조절된 약 12%의 발연성 실리카를 함유하는 일반적인 연마재일 수도 있다. 연마재의 유량은 연마장치의 구조 및 연마조건에 따라 변화하지만, 이 실시예에서는 상기 유량이 100∼300 cc/min 의 범위내에 있다.

다음으로, 스핀들 (2) 의 베이스 플레이트 (4) 로 특정 압력으로 연마패드 (9) 의 상부면에 대고 반도체 웨이퍼 (1) 를 가압하고, 스핀들 (2) 및 플래튼 (6) 을 동일한 방향으로 회전시킨다. 반도체 웨이퍼 (1) 에 가해진 하중은 예를 들어, 250∼750 g/㎠ 의 범위내로 설정하고, 회전속도는 약 10∼50 rpm 으로 설정한다. 스핀들 (2) 의 회전속도와 플래튼 (6) 의 회전속도는 거의 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 이들의 회전속도가 정확히 일치하면, 스핀들 (2) 을 일방향 또는 다른 방향으로 속도를 늦추는 것이 적당하다. 이러한 조건하에서 반도체웨이퍼 (1) 를 연마함으로써, 반도체 웨이퍼 (1) 의 에지부에 의해서 가해지는 응력으로부터 야기되는 연마패드 (9) 의 경질재료 (7) 의 국부적 변형을 방지할 수 있다.

도 2 는 상기 실시예를 구성하는 연마패드의 연질재료의 경도와, 연마의 완료 후 반도체웨이퍼의 최외각 주변으로부터 15 ㎜ 내에 남아 있는 막두께 분포 간의 관계를 나타낸다. 도 2 의 경우, 연마패드 (9) 의 경질재료 (7) 의 경도는 쇼어스프링 A 경도 97∼98.5 (JIS 스프링 A 경도 95 이상) 로 설정한다. 종래의 경도, 즉 쇼어스프링 A 경도 67.5 (JIS 스프링 A 경도 65) 의 재료를 연질재료 (8) 로서 사용하면, 반도체 웨이퍼의 최외각 주변으로부터 2∼3 ㎚ 의 영역에서 피크를 형성하여, 보다 더 내측에 있는 반도체 웨이퍼의 영역보다 200 nm 더 두껍다는 것을 도면으로부터 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 0.2 ㎛ 룰의 반도체 장치에 대하여 리소그래피공정에서의 초점심도는 200 nm 이하이다. CMP 방법을 대량생산을 위하여 사용하면 반도체웨이퍼의 최외각 주변으로부터 5∼6 ㎜ 내의 영역에서 반도체소자를 형성하는 것은 어렵게 된다.

이와 달리, 도면은 이 실시예에서 적당한 범위내에 있는 쇼어스프링 A 경도 78 (JIS 스프링 A 경도 75) 의 재료를 연질재료 (8) 로서 사용하면, 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변 부근에서의 피크를 반감시키고, 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변으로부터 약 2 ㎜ 내로 반도체 소자를 형성할 수 있다는 것을 나타낸다. 또한, 이 실시예에서도 적당한 경도범위내에 있는 쇼어스프링 A 경도 87.5 (JIS 스프링 A 경도 85) 로 연질재료 (8) 의 경도를 증가시키면, 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변 부근에서의 피크도 다시 반감시켜, 반도체웨이퍼 (1) 의 최외각 주변으로부터 약 50 nm 내로 반도체 소자를 형성할 수 있게 됨으로써, 마진을 훨씬 더 확대시킨다.

도 3 은 연마패드의 연질재료 (8) 의 경도와 연마도의 표면변화량과의 관계를 나타낸다. 이 실시예에서와 같이, 종래의 쇼어스프링 A 경도 57.5∼69 (JIS 스프링 A 경도 55∼65) 보다 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 의 영역에서 연마도의 표면변화량이 더 적다는 것을 알 수 있다. 연마패드의 연질재료 (8) 의 경도가 쇼어스프링 A 경도 87.5 (JIS 스프링 A 경도 85) 이상으로 상승하면, 이 경도는 연마패드의 경질재료 (7) 의 경도와 유사하게 되어, 연마패드에서 요구되는 유연도를 손실함으로써, 연마도의 표면균일성을 현저하게 저하시킨다.

도 4 는 연질재료의 경도와 평탄화 특성 사이의 관계를 나타낸다. 평탄화특성은 평탄부를 연마하지 않으면서 특정크기의 볼록패턴을 어떻게 선택적으로 평탄화할 수 있는 지를 나타내는 지표로서 작용한다. 도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 평탄부의 연마량은 평탄부와 볼록패턴 사이의 높이차에 반비례하며, 반도체 웨이퍼 (1) 의 평탄부의 연마량이 동일한 곳에서, 평탄부의 연마량은 연질재료 (8) 의 경도에 반비례한다. 즉, 평탄부의 연마량이 적을수록 평탄화특성이 우수하므로, 연마패드의 연질재료 (8) 의 경도를 증가시킴으로써 평탄화 특성을 향상시킬 수 있다.

상술된 것의 종합적인 판단은, 연마패드의 연질재료의 경도가 종래의 쇼어스프링 A 경도 57.5∼69 (JIS 스프링 A 경도 55∼65) 인 영역보다 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 인 영역에서 막두께, 연마도인 표면균일성 및 평탄성이 우수하다는 것을 나타내고 있다. 즉, 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변 부근에서 막두께 분포를 향상시킴으로서, 반도체웨이퍼 (1) 의 주변에 근접하게 반도체소자를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 연마도의 표면균일성 및 평탄성화 특성을 향상시킬 수 있다.

이러한 방식으로, 이 실시예의 구성은 연마패드 (9) 의 하부층을 형성하는 연질재료 (8) 의 경도가 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 로 지금 까지 보다 더 높게 설정한다는 사실은, 반도체웨이퍼 (1) 의 최외주에 의해서 가해지는 응력으로부터 야기되는 연마패드 (9) 의 경질재료 (7) 의 국부 일그러짐을 억제할 수 있다. 이에 따라, 반도체 웨이퍼 (1) 의 주변부에서의 연마도를 반도체웨이퍼의 중심 부근에서의 연마도와 동일하게 할 수 있다. 결과로서, 종래 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변으로부터, 6 ㎜ (예를 들어) 의 영역내에서 불가능하던 반도체 소자의 제조를, 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각주변으로부터, 즉 약 2 ㎜ 의 거리내에 근접하여 가능하게 함으로써, 반도체 웨이퍼 당 유효한 반도체칩의 수를 증가시키고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 연마패드의 하부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 (JIS 스프링 A 경도 75∼85) 로 종래보다 더 높게 설정함으로써, 반도체웨이퍼의 패턴 및 볼록부에 의해서 상부층재료에 가해지는 하중의 결과로서 상부층 재료를 국부적으로 변형시키는 현상을 억제함으로써, 반도체웨이퍼 (1) 의 평탄화특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 반도체 웨이퍼 (1) 의 연마량을 감소시킬 수 있고, 생산성을 한층 더 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.

제 2 실시예

본 발명의 제 2 실시예에 대하여 하기에 설명된다.

상기 제 1 실시예에서와 같이, 이 실시예가 속하는 반도체장치의 연마장치는, 반도체웨이퍼 (1) 를 지지하고, 반도체 웨이퍼 (1) 에 회전이동을 부여하는 스핀들 (2) 과, 서로 적층된 방식으로 플래튼 (6) 에 부착된 연질재료 (8) 및 경질재료 (7) 로 구성된 연마패드 (9) 를 구비하는 방식으로 형상화된다. 스핀들 (2)은, 연마동안 반도체 웨이퍼 (1) 를 지지하는 안내링 (3), 반도체웨이퍼 (1) 에 하중을 가하기 위한 베이스 플레이트 (4), 및 반도체 웨이퍼 (1) (도 1 과 비교) 의 형상을 제어하기 위하여 완충재료로서 작용하는 백패드 (5) 를 구비한다.

제 2 실시예는, 스핀들이 제 1 실시예에서 사용한 쇼어스프링 A 경도 72.5 (JIS 스프링 A 경도 70) 로 종래의 백패드와 유사한 백패드 대신에, 종래보다 더 연질의 백패드 (5) 를 사용한 것을 특징으로 한다. 즉, 제 2 실시예는 쇼어스프링 A 경도 62.5∼67.5 (JIS 스프링 A 경도 60∼65) 의 재료를 백패트로 사용한다.

종래보다 더 연질의 재료를 백패드 (5) 로 사용함으로써, 제 2 실시예는 반도체 웨이퍼 (1) 의 에지가 연마패드 (9) 로부터 반응력을 흡수하도록 한다. 결과로서, 제 1 실시예에서 보다 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변 부근에서 훨씬 더 우수한 막두께 분포를 얻을 수 있다.

도 5 는 본 발명의 제 2 실시예를 구성하는 백패드의 경도와, 연마완료후 반도체웨이퍼의 최외각 주변 부근에 남아 있는 막두께 분포 사이의 관계를 나타낸다.

도시된 데이타는 연마패드 (9) 의 상부층을 구성하는 경질재료 (7) 가 쇼어스프링 A 경도 97∼98.5 (JIS 스프링 A 경도 약 95) 이고, 연마패드 (9) 의 하부층을 구성하는 연질재료 (8) 가 쇼어스프링 A 경도 87.5 (JIS 스프링 A 경도 85) 인 곳에서 적용한 것을 나타낸다. 종래의 백패드의 경도는 약 쇼어스프링 A 경도 72.5 (JIS 스프링 A 경도 70) 이기 때문에, 에지부근에서 막두께의 변형이 발생한다. 그러나, 이 제 2 실시예에서, 백패드 (5) 에 대하여 쇼어스프링 A 경도 62.5∼67.5 (JIS 스프링 A 경도 60∼65) 의 연질재료를 사용함으로써, 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 우수한 막두께 분포를 얻을 수 있다.

이러한 방식으로, 이 제 2 실시예에서 반도체 웨이퍼 (1) 의 형상을 제어하는 백패드 (5) 로서 종래보다 더 연질의 재료를 사용하는 것은, 반도체 웨이퍼 (1)의 에지가 연마패드 (9) 로부터 반응력을 흡수할 수 있다는 것을 의미한다. 결과로서, 제 1 실시예에서 보다 반도체 웨이퍼 (1) 의 최외각 주변 부근에서 훨씬 더 우수한 막두께를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 2 개의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였다. 상기 구성은 이들 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 본질적인 취지로부터 일탈함이 없는 형태로 어떠한 변형도 본 발명내에 포함된다. 예를 들어, 상기 실시예는 경질재료 (7) 로서 두께가 대략 1.3 ㎜ 인 발포성 폴리우레탄을 사용하고, 연질재료 (8) 로서 두께가 대략 1.2 ㎜ 인 폴리우레탄이 포화된 부직포를 사용하지만, 이들에 제한되지는 않는다. 두께가 0.5∼2.5 ㎜ 인 경질재료 (발포성 폴리우레탄과 같은) 가 상부층재료로서 바람직하다. 유사하게, 두께가 0.5∼2.5 ㎜ 인 연질재료 (폴리우레탄이 포화된 부직포와 같은) 가 하부층재료로서 바람직하다.

동일한 방식으로, 이들 재료는 백패드 (5) 로서 두께가 대략 0.6 ㎜ 인 폴리우레탄을 사용하나, 이것에 한정되지는 않는다. 두께가 0.1∼1.2 ㎜ 인 완충재료 (폴리우레탄과 같은) 도 백패드로서 바람직하다.

사용된 연마재는 일반적으로 KOH 함량에 의해서 pH 10-11 로 조정된 발연성 실리카를 약 12% 함유하고, 연마재의 유량은 약 100∼300 cc/min 이지만, 이것에 한정되지는 않는다.

또한, 상기 실시예에서, 쇼어스프링 A 경도 97∼98.5 의 재료를 경질재료 (7) 로서 사용하였으나, 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 의 재료를 바람직한 경질재료 (7) 로서 사용할 수도 있다.

유사하게, 상기 실시예에서, 쇼어스프링 A 경도 62.5∼67.5 의 재료를 백패드 (5) 로서 사용하였으나, 쇼어스프링 A 경도 40∼70 의 재료가 바람직한 백패드 (5) 로서 사용할 수도 있다.

본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고 본 발명의 범위 및 정신으로부터 일탈함이 없이 변화 및 변경될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 반도체장치의 연마장치 및 연마방법은 반도체 웨이퍼의 주변부에서 연마도가 감소하는 것을 억제함으로써, 종래 최외각 주변으로부터 6 ㎜ (예를 들어) 범위내에서 불가능했던 반도체 소자의 제조를, 반도체 웨이퍼의 최외각 주변으로부터 약 2 ㎜ 거리내에서도 가능해짐으로써, 반도체 웨이퍼당 유효한 반도체칩의 수를 증가시킬 수 있다.

Claims

서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층재료 및 하부층재료를 포함하는 연마패드가 장착되고, 반도체 웨이퍼를 상기 연마패드에 대고 가압하면서 연마하는 반도체장치의 연마장치로서,

상기 연마패드의 상부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 설정하고, 상기 연마패드의 하부층재료의 경도는 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 설정한 것을 특징으로 하는 연마장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반도체 웨이퍼 자체와 이 반도체 웨이퍼에 하중을 가하는 수단사이에, 쇼어스프링 A 경도 40∼70 인 완충재료를 배치한 것을 특징으로 하는 연마장치.
제 1 항에 있어서,

상기 경질재료는 특정 두께의 발포성 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 연마장치.
제 1 항에 있어서,

상기 연질재료는 폴리우레탄이 포화된 부직포인 것을 특징으로 하는 연마장치.
제 2 항에 있어서,

상기 완충재료는 소정 두께의 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 연마장치.
서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층재료 및 하부층재료를 포함하는 연마패드에 대고 반도체 웨이퍼를 가압하면서 연마하는 반도체장치의 연마방법으로서,

상기 연마패드의 상부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 92∼98.5 로 설정하고, 상기 연마패드의 하부층재료의 경도를 쇼어스프링 A 경도 78∼87.5 로 설정하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 6 항에 있어서,

상기 반도체 웨이퍼 자체와 이 반도체웨이퍼에 하중을 가하는 수단사이에 배치된 쇼어스프링 A 경도 40∼70 인 완충재료로 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 6 항에 있어서,

상기 경질재료는 소정 두께의 발포성 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 6 항에 있어서,

상기 연질재료는 폴리우레탄이 포화된 부직포인 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 7 항에 있어서,

상기 완충재료는 소정 두께의 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 6 항에 있어서,

서로 적층되어 있고 서로 다른 경도를 갖는 상부층재료 및 하부층재료를 포함하는 연마패드에 대고 반도체 웨이퍼를 가압하면서 연마하는 동안, 상기 연마패드의 상부면으로 연마재를 공급하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
제 11 항에 있어서,

상기 연마재는 KOH 함량에 의해서 pH 10-11 로 조절된 발연성 실리카인 것을 특징으로 하는 연마방법.