KR100307487B1 - 평탄화를위한화학기계적연마방법및그장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CMP 공정에서 사용되는 슬러리의 첨가제를 가스 상태 또는 버블 상태로 조절 가능하게 공급하여 가공하고자 하는 막의 화학적 반응을 촉진시킴으로써 CMP 공정의 신뢰도를 증진시킬 수 있도록 한 화학 기계적 연마 기법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, CMP 공정에서 액상 첨가제를 사용하는 전술한 종래 기술과는 달리, CMP 공정 시에 연마제를 포함하는 슬러리와 가스 상태 또는 버블 상태의 산화제 또는 수화제를 이용하여 웨이퍼의 표면을 반응시키거나 불활성화시킨다. 따라서, 본 발명은, 액상 첨가제를 사용하는 종래 방법에서와 같이 첨가제의 화학 성분이 변화하거나 슬러리 응집 및 침전 현상이 유발되는 것을 확실하게 방지할 수 있기 때문에, CMP 공정의 재현성 및 안정성을 확보할 수 있는 것이다.

Description

평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법 및 그 장치{CMP METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 평탄화를 위한 화학 기계적 연마(CMP : Chemical MechanicalPolishing) 기법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자를 제조할 때 웨이퍼 상에 형성된 금속 물질을 연마하여 평탄화하는데 적합한 화학 기계적 연마 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 웨이퍼 상에 형성된 막(예를 들면, 금속막, 절연막, 폴리 실리콘막 등)을 평탄화하는 데 사용되는 공정 중의 하나인 화학 기계적 연마(CMP) 공정은 반도체 소자의 제조 공정 중에 형성되는 층간 절연막, 금속막, 폴리 실리콘막을 전반적으로 평탄화하는 공정이다.
이러한 CMP 공정은 패드와 슬러리(slurry)의 화학적 성분과 기계적 성분을 이용하여 웨이퍼 표면을 가공(즉, 평탄화)하는 것으로, 슬러리는 기계적 작용을 할 수 있는 연마제와 가공하고자 하는 웨이퍼 표면을 부드럽게(soft) 만들어 주는 화학적 성분으로 이루어진다. 즉, 슬러리 원액은 H2O에 의해 용해된 상태가 아니라 일정한 간격으로 부유해 있는 콜로이드(Collide) 상태로 존재하는 데, 이와 같이 콜로이트 상태인 슬러리 원액이 물리 및 화학 성분으로 구성된다.
여기에서, 슬러리 내의 물리 성분은 웨이퍼 표면을 연마하기 위한 미세한 실리카(Silica) 내지는 Al2O3입자인 연마제와 화학 성분으로 웨이퍼 표면을 부드럽게 연마하기 위한 액상 첨가제(liquid phased additive)로 구성된다.
이때, 평탄화하고자 하는 막이 절연막 또는 폴리 실리콘막인 경우, 액상 첨가제로서는 KOH, NH4OH 등의 수용액이 사용되며, 이러한 수용액이 가공하고자 하는 웨이퍼의 표면을 화학적으로 수화(Hydration)시킨다. 반면에, 평탄화하고자 하는막이 금속막(예를 들면, W, Al, Cu 등)인 경우, 액상 첨가제로서는 H2O2, KIO3, Fe(NO3)3등의 산화제가 사용되며, 이러한 산화제가 가공하고자 하는 웨이퍼의 표면을 산화(Oxidation)시켜 폴리싱(연마)한다.
그러나, 가공하고자 하는 웨이퍼 표면(즉, 막)을 산화시키는 액상 첨가제인 산화제는 대기 노출 시에 대기와 반응하여 시간이 경과함에 따라 화학 성분의 변화(즉, 경시성에 의한 성분 변화)가 야기되거나 혹은 슬러리 응집 및 침전 현상이 유발된다는 문제점(즉, 폴리싱의 특성 변화 문제)이 있으며, 이러한 문제는 반도체 소자의 신뢰도를 저하시키는 주요한 요인 중의 하나로 작용하고 있다.
특히, 반응성이 우수하고 다루기가 편리한 H2O2는 금속막을 식각하는 효과가 있어 외관비(aspect ratio)가 큰 접점 플러그(Contact plug) 내에 도전층을 증착할 때 벌어진 틈새가 발생하면 이 틈새로 침투하여 더욱 간격을 벌리는 현상(Seam)을 유발시키는 데, 이러한 현상으로 인해 반도체 소자의 신뢰도 및 생산 수율이 저하되는 문제를 갖는다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, CMP 공정에서 사용되는 슬러리의 첨가제를 가스 상태 또는 버블 상태로 조절 가능하게 공급하여 가공하고자 하는 막의 화학적 반응을 촉진시킴으로써 CMP 공정의 신뢰도를 증진시킬 수 있는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 CMP 공정에서 사용되는 슬러리의 첨가제를 가스 상태 또는 버블 상태로 조절 가능하게 공급함으로써, 슬러리의 응집 및 침전 현상을 방지할 수 있는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 관점에 따른 본 발명은, 반도체 소자의 제조를 위해 첨가제가 혼합된 슬러리를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 방법에 있어서, 상기 슬러리에 연마제를 함유시키고, 상기 슬러리에 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 혼합하고, 상기 혼합된 슬러리를 상기 웨이퍼의 표면에 유입시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하며, 상기 첨가제는 O3, H2O2, KIO3, Fe(NO3)3중 어느 하나인 산화제(Hydration)인 것을 특징으로 하는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 다른 관점에 따른 본 발명은, 반도체 소자의 제조를 위해 첨가제가 혼합된 슬러리를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 장치에 있어서, 가공하고자 하는 웨이퍼를 흡착 유지하며, CMP 공정 중에 회전 구동되는 홀더; CMP 공정 중에 상기 홀더와는 반대 방향으로 회전 구동되며, 상기 웨이퍼의 가공 면이 접하는 상부에 연마포가 탑재되는 회전 수단; 연마제가 혼합된 슬러리를 저장하며, 저장된 슬러리를 펌핑하여 관을 통해 상기 회전 수단 측으로 전달함으로써 상기 웨이퍼의 표면에 상기 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 수단; 및 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 발생하여 상기 관을 통해 상기 회전 수단 측으로 전달함으로써 상기 웨이퍼 표면에 상기 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 공급하는 가스 발생 수단으로 이루어진 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 장치의 구성도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 슬러리 공급 장치 11 : 저장통
12 : 펄프 13 : 관
14 : 가스 발생기 15 : 밸브
20 : 연마 장치 21 : 회전 장치
21a : 회전판 21b : 연마포
22 : 홀더 22a : 베이스
22b : 필름 22c : 리테인 링
30 : 웨이퍼
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, CMP 공정에서 액상 첨가제를 사용하는 전술한 종래 기술과는 달리, CMP 공정 시에 연마제를 포함하는 슬러리와 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 이용하여 웨이퍼 표면을 반응시키거나 불활성화시킨다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 화학 기계적 연마 장치는, 크게 구분해 볼 때, 관(13)을 통해 서로 유기적으로 연결되는 슬러리 공급 장치(10)와 연마 장치(20)로 구성된다.
먼저, 슬러리 공급 장치(10)는 저장통(11), 펌프(12), 관(13), 가스 발생기(14) 및 밸브(15)를 포함하는 데, CMP 공정을 수행할 때 저장통(11)에 저장된 슬러리는 펌프(12)의 회전에 따른 흡입력에 의해 관(13)을 따라 화살표 방향(A)으로 진행되어 연마 장치(20) 측으로 공급된다.
또한, 슬러리의 공급과 동시에 가스 발생기(14)에서는 가스 상태의 첨가제가 발생하게 되는 데, 여기에서 발생되는 가스 상태의 첨가제는 밸브(15)를 경유하는 관(13)을 따라 화살표 방향(B)으로 진행되어 연마 장치(20) 측으로 공급된다. 이때, 본 발명에서는 첨가제를 가스 상태로 공급하지 않고 버블(bubble) 상태로 만들어 공급할 수도 있으며, 첨가제를 가스 상태가 아닌 버블 상태로 공급하더라도 실질적으로 동일 내지 유사한 결과를 얻을 수 있다.
이때, 가스 상태(또는 버블 상태)로 연마 장치(20)에 공급되는 첨가제는 가공하고자 하는 웨이퍼의 표면을 수화시키는 수화제(가공하고자 하는 막이 절연막, 폴리 실리콘막 등인 경우)나 혹은 가공하고자 하는 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화제(가공하고자 하는 막이 W, Al, Cu 등의 금속막인 경우)로써 작용하는 데, 수화제로서는 KOH, NH4OH 등을 사용할 수 있으며, 산화제로서는 O3, H2O2, KIO3, Fe(NO3)3등을 사용할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 화학 기계적 연마 장치는 가스 발생기(14)와 연마 장치(20) 간을 연결하는 관(13)의 소정 부분에 밸브(15)를 구비하는 데, 이러한 밸브(15)는 가스 발생기(14)로부터 발생하여 관(13)을 통해 연마 장치(20)로 공급되는 가스 상태 첨가제(또는 버블 상태 첨가제)의 양을 조절하기 위한 것이며, 이러한 밸브(15)를 이용하여 가스 상태 첨가제의 공급량을 조절하는 것은 필요 또는 용도에 따라 웨이퍼에서의 산화막(또는 수화막) 성장을 조절하기 위해서이다.
따라서, 화살표 방향(A)을 따라 저장통(11)으로부터 공급되는 슬러리와 화살표 방향(B)을 따라 가스 발생기(14)로부터 공급되는 가스 상태 첨가제는 양측 관이 합류하는 지점에서 만나 혼합되며, 이와 같이 혼합된 슬러리 및 가스 상태 첨가제는 화살표 방향(C)으로 진행되어 연마 장치(20)로 공급된다.
한편, 연마 장치(20)는 회전 장치(21)와 홀더(22)로 구성되는 데, 회전 장치(21)는 수직 방향으로 서로 맞닿아 고정 지지되는 형성된 회전판(21a)과 연마포(21b)를 구비하고, 회전판(21a)과 연마포(21b)에는 하부 측과 상부 측간을 관통하도록 형성된 다수의 홀(hole)이 형성되어 있으며, 각 홀들은 혼합된 슬러리 및 가스 상태 첨가제가 유입되는 관(13)에 연결되는 구조를 갖는다. 이때, 회전 장치(21)는 하부 측에 형성된 회전 부재의 구동에 따라 소정의 속도로 회전하는 데 그 회전 방향은 홀더(22)의 회전 방향과 반대이다.
다음에, 홀더(22)는 베이스(22a), 필름(22b) 및 리테인 링(22c)으로 구성되어 가공하고자 하는 웨이퍼(30)를 흡착 및 유지하는 것으로, CMP 공정 시 홀더(22)에 흡착 유지된 웨이퍼(30)의 가공 면은 하부의 회전 장치(21)의 상부에 위치하는 연마포(21b)에 밀착되어 도시 생략된 회전 부재의 구동에 따라 소정의 속도로 회전한다. 이때, 홀더(22)는 회전 장치(21)와는 반대 방향으로 회전한다.
한편, 가공을 위해 홀더(22)에 흡착 유지된 웨이퍼(30)의 가공 면은 금속막, 절연막, 폴리 실리콘막 등이 될 수 있는 데, 가공 면이 금속막일 때 금속막을 산화시키기 위해 관(13)과 회전 장치(21) 내의 다수의 홀을 통해 가스 상태(또는 버블상태)로 유입되는 첨가제(즉, 슬러리에 혼합된 첨가제)로는 O3, H2O2, KIO3, Fe(NO3)3등이 사용될 수 있으며, 이러한 첨가제와의 반응을 통해 웨이퍼(30) 상의 금속막 위에 금속 산화막이 형성된다.
또한, 홀더(22)에 흡착 유지된 웨이퍼(30)의 가공 면이 절연막, 폴리 실리콘막 등일 때, 절연막, 폴리 실리콘막 등을 수화시키기 위해 관(13)과 회전 장치(21) 내의 다수의 홀을 통해 가스 상태(또는 버블 상태)로 유입되는 첨가제(즉, 슬러리에 혼합된 첨가제)로는 KOH, NH4OH 등이 사용될 수 있으며, 이러한 첨가제와의 반응을 통해 웨이퍼(30) 상의 절연막, 폴리 실리콘막 등이 수화된다.
즉, 본 발명에 따르면, 가공(연마)하고자 하는 물질의 종류에 따라 가스 상태 또는 버블 상태로 슬러리에 홉합되어 유입되는 첨가제(산화제 또는 수화제)를 적응적으로 선택하여 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, CMP 공정에서 액상 첨가제를 사용하는 전술한 종래 기술과는 달리, CMP 공정 시에 연마제를 포함하는 슬러리와 가스 상태 또는 버블 상태의 산화제 또는 수화제를 이용하여 웨이퍼의 표면(가공 면)을 반응시키거나 불활성화시키기 때문에, 종래 방법에서와 같이 첨가제의 화학 성분이 변화하거나 슬러리의 응집 및 침전 현상이 유발되는 것을 확실하게 방지할 수 있어, CMP 공정의 재현성 및 안정성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 반도체 소자의 신뢰도 및 생산 수율을 증진시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 반도체 소자의 제조를 위해 첨가제가 혼합된 슬러리를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 방법에 있어서,
    상기 슬러리에 연마제를 함유시키고, 상기 슬러리에 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 혼합하고, 상기 혼합된 슬러리를 상기 웨이퍼의 표면에 유입시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하며, 상기 첨가제는 O3, H2O2, KIO3, Fe(NO3)3중 어느 하나인 산화제(Hydration)인 것을 특징으로 하는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제는, KOH, NH4OH 중 어느 하나인 수화제인 것을 특징으로 하는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 방법.
  3. 반도체 소자의 제조를 위해 첨가제가 혼합된 슬러리를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 장치에 있어서,
    가공하고자 하는 웨이퍼를 흡착 유지하며, CMP 공정 중에 회전 구동되는 홀더;
    CMP 공중 중에 상기 홀더와는 반대 방향으로 회전 구동되며, 상기 웨이퍼의 가공 면이 접하는 상부에 연마포가 탑재되는 회전 수단;
    연마제가 혼합된 슬러리를 저장하며, 저장된 슬러리를 펌핑하여 관을 통해 상기 회전 수단 측으로 전달함으로써 상기 웨이퍼의 표면에 상기 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 수단; 및
    가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 발생하여 상기 관을 통해 상기 회전 수단 측으로 전달함으로써 상기 웨이퍼 표면에 상기 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제를 공급하는 가스 발생 수단으로 이루어진 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 화학적 기계적 연마 장치는, 상기 관을 통해 상기 회전 수단 측으로 전달되는 상기 가스 상태 또는 버블 상태의 첨가제 양을 조절하기 위한 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 장치.
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