KR100332363B1 - Conditioner and conditioning process for polishing pad of chemical mechanical polishing apparatus - Google Patents
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Abstract
다양한 연마패드의 종류, 성질 및 그 상태에 따라 적합한 패드 컨디셔닝을 수행할 수 있는 패드 컨디셔너 및 그 컨디셔닝방법에 대해 개시하고 있다. 본 발명의 컨디셔너는 연마패드 표면거칠기를 효율적으로 향상시키기 위해 연마헤드에 장착되어 독립적으로 상하운동이 가능하다. 따라서, 본 발명의 컨디셔너와 그 컨디셔닝 방법에 의하면, 컨디셔너가 공압제어 메커니즘을 가지기 때문에 연마패드의 종류와 성질에 따라 적합한 압력으로 가압하여 연마패드 컨디셔닝을 한다. 이로 인해, 연마패드의 수명과 성질을 향상시켜서 연마속도의 재연성을 보장할 수 있다.A pad conditioner and a method for conditioning the pad are disclosed, which can perform suitable pad conditioning according to the types, properties, and conditions of various polishing pads. The conditioner of the present invention is mounted on the polishing head to efficiently improve the surface roughness of the polishing pad, and can independently move up and down. Therefore, according to the conditioner and the conditioning method of the present invention, since the conditioner has a pneumatic control mechanism, it is pressurized to a suitable pressure according to the type and property of the polishing pad to perform polishing pad conditioning. Because of this, it is possible to ensure the reproducibility of the polishing rate by improving the life and properties of the polishing pad.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼를 평탄화하기 위한 화학기계적 연마장치의 컨디셔너 및 컨디셔닝 방법에 관한 것으로, 특히 연마패드의 표면거칠기를 효율적으로 향상시키기 위해 연마헤드에 장착되어 독립적으로 상하운동할 수 있는 화학기계적 연마장치의 컨디셔너 및 이를 이용한 컨디셔닝 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a conditioner and a conditioning method of a chemical mechanical polishing apparatus for planarizing a semiconductor wafer, and more particularly, to a chemical mechanical polishing apparatus mounted on a polishing head to efficiently improve the surface roughness of a polishing pad. It relates to a conditioner and a conditioning method using the same.
반도체 칩의 고성능화와 고집적화가 이루어짐에 따라 반도체 웨이퍼는 제조과정 중 마스킹(masking), 에칭(etching), 절연층 형성 및 금속배선 형성 등의 공정의 수가 증가하고 있다. 특히, 고정밀도를 요하는 반도체 집적회로에서 웨이퍼 표면 위의 전도성 구조층의 성능과 정확성을 위해서 일반적으로 반도체 웨이퍼의 한쪽 면을 평탄화가 유지되어야 한다. 특히, 집적회로의 크기가 초소형화 되어가고 다층금속배선을 사용함에 따라 웨이퍼 표면의 평탄화도 고정밀도로 달성해야 할 필요가 높아졌다. 이에 따라 웨이퍼 표면을 연마하여 평탄화하기 위한 장치의 필요성이 부각되었다.As high performance and high integration of semiconductor chips is achieved, the number of processes such as masking, etching, insulating layer formation, and metallization are increasing in the semiconductor wafer manufacturing process. In particular, in semiconductor integrated circuits that require high precision, planarization of one side of the semiconductor wafer should generally be maintained for the performance and accuracy of the conductive structure layer on the wafer surface. In particular, as the size of integrated circuits is miniaturized and multi-layer metal wiring is used, the planarization of the wafer surface has to be achieved with high accuracy. Accordingly, there is a need for an apparatus for polishing and planarizing wafer surfaces.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근 반도체 소자 제조업계에서는 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하, "CMP")장치를 이용한 평탄화 공정기술이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 상기 연마장치는, 웨이퍼가 장착된 연마 헤드와, 웨이퍼의 연마면에 접촉되는 연마패드와, 연마패드를 부착시킨 플레이튼(platen)과, 연마패드와 웨이퍼 연마면 사이에 연마액을 공급하는 기구로구성된다. 이와 같은 연마장치를 작동을 살펴보면, 연마헤드에서 웨이퍼에 압력을 가하여 연마패드에 웨이퍼를 접촉시키고 그 사이에 연마액을 공급한 상태에서, 연마헤드를 공전·비자전시키거나 플레이튼을 자전시킴으로써 웨이퍼를 연마한다.In order to solve such a problem, in the semiconductor device manufacturing industry, a planarization process technology using a chemical mechanical polishing (CMP) device is widely used. Generally, the polishing apparatus includes a polishing head on which a wafer is mounted, a polishing pad in contact with the polishing surface of the wafer, a platen on which the polishing pad is attached, and a polishing liquid between the polishing pad and the wafer polishing surface. It consists of a mechanism. In operation of such a polishing apparatus, the wafer is brought into contact with the wafer by applying pressure to the wafer from the polishing head, and the polishing head is rotated or derotated or the platen is rotated while the polishing liquid is supplied therebetween. Polish it.
상기 연마패드에는 로델사의 IC와 GS 시리즈(상품명)와 같은 건식발포체가 주로 사용된다. 이러한 연마패드는 표면 기포를 포함하고 있는데, 이 표면 기포는 웨이퍼의 전면에 연마액을 공급하는 동시에 연마액과 웨이퍼의 표면반응에 의해 발생한 반응물을 배출시키는 통로 역할을 한다.In the polishing pad, dry foams such as IC and GS series (trade name) of RADEL are mainly used. The polishing pad includes surface bubbles, which supply a polishing liquid to the front surface of the wafer and at the same time serve as a passage for discharging reactants generated by the surface reaction between the polishing liquid and the wafer.
그러나, 표면에 기포가 형성된 건식 발포제 패드는 초기의 연마공정을 진행하고 난 후에는 표면의 기포에 반응물이 낀 상태로 쉽게 제거되지 않기 때문에 이후의 연마공정에 큰 영향을 준다. 특히, 산화막을 평탄화하는 CMP에서는 연마액 입자와 반응물들이 기포에 존재하여 패드 표면이 반짝거리는 글레이징(glazing)현상이 발생된다. 또한, 연마공정시 패드는 웨이퍼에 가해지는 하중에 의해 변형되게 되는데, 변형의 크기는 가해진 하중과 패드의 성질에 의해 결정된다. 패드가 변형되면, 패드의 표면거칠기가 감소하게 되어 웨이퍼와 패드의 접촉면적이 증가하고 연마면에 가해지는 압력은 감소하게 된다. 또한, 패드의 표면거칠기의 감소로 인해 연마액의 공급경로도 감소하게 되어 연마속도가 감소한다. 따라서, 패드의 수명과 패드의 성질을 향상시켜서 연마속도의 재연성이 보장할 수 있는 방법이 필요하게 되었다. 이를 위해, 종래기술의 연마공정에서는 패드 컨디셔너(pad conditioner)를 마련하고 주기적으로 패드의 표면을 처리하는 패드 컨디셔닝(pad conditioning)을 수행한다. 그러나, 종래기술에서는 연마패드의 종류와 성질에 무관한 패드 컨디셔닝을 수행하였기 때문에 연마패드를 균일하게 하여 연마속도의 재연성을 보장하기에는 미흡하였다.However, the dry foam pad having bubbles formed on the surface has a great influence on the subsequent polishing process since the pad is not easily removed after the initial polishing process is in the state of the reactant in the bubbles of the surface. In particular, in the CMP planarization of the oxide film, the polishing liquid particles and reactants are present in the bubbles, thereby causing glazing of the pad surface. In addition, in the polishing process, the pad is deformed by the load applied to the wafer, and the size of the deformation is determined by the applied load and the properties of the pad. When the pad is deformed, the surface roughness of the pad is reduced, thereby increasing the contact area between the wafer and the pad and reducing the pressure on the polishing surface. In addition, the supply path of the polishing liquid is also reduced due to the reduction of the surface roughness of the pad, thereby reducing the polishing rate. Therefore, there is a need for a method capable of improving the reproducibility of the polishing rate by improving the life of the pad and the properties of the pad. To this end, in the polishing process of the prior art, a pad conditioner is provided and pad conditioning is performed periodically to treat the surface of the pad. However, in the prior art, since the pad conditioning was performed irrespective of the type and the nature of the polishing pad, the polishing pad was not uniform to ensure the reproducibility of the polishing rate.
이를 개선하기 위한 방법 중의 하나인 미국특허 제5,885,137호는 연마패드의 프로파일을 조절하기 위해 컨디셔닝 부품을 장착한 유연막(flexible membrane)이 공동(cavity)을 둘러싸게 하고, 연마패드에 대한 유연막의 위치를 가변시킬 수 있도록 공동 내의 압력을 조절하는 기술을 개시한다.One method for improving this is U.S. Patent No. 5,885,137, in which a flexible membrane with a conditioning component surrounds the cavity to adjust the profile of the polishing pad, and the position of the flexible film relative to the polishing pad. Disclosed is a technique of adjusting the pressure in the cavity to vary.
그런데, 이 기술은 유연막을 사용하기 때문에 공동 내의 압력을 변화시킴에 따라 유연막이 공동 외부로 돌출되거나 공동 내부로 빨려들어가게 되는 과정이 반복되어 유연막이 파손될 염려가 있다.However, since this technique uses a flexible membrane, as the pressure in the cavity is changed, the process in which the flexible membrane protrudes out of the cavity or is sucked into the cavity may be repeated, causing the flexible membrane to be damaged.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 다양한 연마패드의 종류, 성질 및 그 상태에 따라 적합한 패드 컨디셔닝을 수행할 수 있는 패드 컨디셔너 및 그 컨디셔닝방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an aspect of the present invention is to provide a pad conditioner and a conditioning method capable of performing proper pad conditioning according to various types, properties, and states of various polishing pads.
본 발명의 다른 기술적 과제는 비교적 내구성이 강한 패드 컨디셔너 및 그 컨디셔닝방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem of the present invention is to provide a pad conditioner and a conditioning method thereof, which are relatively durable.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔너를 장착한 CMP 장치를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a CMP apparatus equipped with a conditioner according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 *Explanation of reference numbers for the main parts of the drawings
100 … 연마헤드 105 … 반도체 웨이퍼100... Polishing head 105. Semiconductor wafer
110 … 컨디셔너 112 … 컨디셔너 가이드110. Conditioner 112. Conditioner Guide
114 … 컨디셔너 베이스 116 … 공압라인 연결부114. Conditioner base 116... Pneumatic Line Connection
118 … 슬러리 120 … 플레이튼118. Slurry 120... Platen
122 … 연마패드122... Polishing pad
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 컨디셔너는, 반도체 웨이퍼를 장착시키기 위한 연마헤드와, 상기 웨이퍼의 연마면을 연마시키기 위한 연마패드와, 상기 연마패드를 부착시킨 플레이튼과, 상기 연마패드와 웨이퍼 연마면 사이에 연마액을 공급하는 기구를 구비하는 통상의 화학기계적 연마장치에 적용되는 것으로서, 상기 연마패드에 대한 컨디셔너의 위치를 정해주기 위한 컨디셔너 베이스(conditioner base)와; 상기 연마패드에 대한 원근방향으로 상기 컨디셔너 베이스의 위치이동을 안내하되, 상기 컨디셔너 베이스와 더불어 공동을 형성하는 컨디셔너 가이드와; 상기 컨디셔너 베이스에 가변 공기압이 전달되도록 상기 공동 내에 가변되는 공기량을 공급하는 공기공급수단을 구비하되, 그 전체가 상기 연마헤드에 장착된 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, a conditioner includes: a polishing head for mounting a semiconductor wafer, a polishing pad for polishing a polishing surface of the wafer, a platen to which the polishing pad is attached, and a polishing pad; A conditioner base for applying a conventional chemical mechanical polishing apparatus having a mechanism for supplying a polishing liquid between wafer polishing surfaces, the conditioner base for positioning a conditioner relative to the polishing pad; A conditioner guide for guiding a positional movement of the conditioner base in a perspective direction with respect to the polishing pad, the conditioner guide forming a cavity together with the conditioner base; And air supply means for supplying a variable amount of air in the cavity so that the variable air pressure is transmitted to the conditioner base, the whole of which is mounted to the polishing head.
상기 컨디셔너는 상기 연마헤드와 독립적으로 상기 연마패드에 대한 위치이동이 가능한 것이 바람직하다.Preferably, the conditioner is capable of moving relative to the polishing pad independently of the polishing head.
한편, 상기한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 컨디셔닝 방법은, 상기한 본 발명의 컨디셔너를 이용한 것으로서, 상기 웨이퍼를 상기 연마헤드에 장착하는 단계와; 상기 연마패드가 부착된 플레이튼을 상기 웨이퍼에 접근시키는 단계와; 상기 컨디셔너의 공기공급수단이 가변 공기압을 상기 컨디셔너 베이스에 전달하여 컨디셔너를 상기 연마패드에 접촉시키는 단계; 상기 연마헤드와 플레이튼의 상대위치가 변화하도록 운동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the conditioning method of the present invention for solving the above technical problem, using the conditioner of the present invention, the step of mounting the wafer to the polishing head; Approaching the wafer with the platen having the polishing pad attached thereto; Contacting the conditioner with the polishing pad by the air supply means of the conditioner transferring a variable air pressure to the conditioner base; And moving the polishing head and the platen so as to change their relative positions.
본 발명의 방법에서, 상기 컨디셔너의 접촉단계가, 연마공정 중에 진행될 수도 있고 연마공정 완료 후에 진행될 수도 있다.In the method of the present invention, the contacting step of the conditioner may be performed during the polishing process or after completion of the polishing process.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the device and method of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔너를 장착한 CMP 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 연마헤드(100)의 하부에 연마대상 반도체 웨이퍼(105)가 부착되어 있고, 플레이튼(120) 상에는 웨이퍼(105)를 연마하기 위한 연마패드(122)가 놓여 있다. 또한, 웨이퍼(105)와 연마패드(122)의 사이에는 슬러리(slurry; 118)가 공급되어 있다. 컨디셔너 가이드(112), 컨디셔너 베이스(114), 공압라인 연결부(116)를 포함하여 구성되는 컨디셔너(110)는 연마헤드(100)에 장착된다. 공압라인 연결부(116)를 통해 도면의 화살표 방향으로 유입된 공기는 컨디셔너 가이드(112)와 컨디셔너 베이스(114) 사이의 공간(C)으로 이동하여 그 압력의 변화를 통해 컨디셔너 베이스(114)의 위치를 가변조절한다. 컨디셔너(110)는 연마헤드(100)에 장착되지만, 연마헤드(100)와는 별도로 공압에 의해 연마패드(122)에 대해 상하운동을 한다. 미국특허 제5,885,137호는 연마패드에 접촉하는 컨디셔닝 부품을 장착한 부분이 유연막으로 이루어지고 유연막의 팽창, 수축을 통해 컨디셔닝 강도를 조절할 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 컨디셔너(110) 자체가 연마패드(122)에 대해 상하이동하여 컨디셔닝 강도를 조절한다. 따라서, 유연막의 파손과 같은 문제가 발생하지 않는다.1 is a cross-sectional view showing a CMP apparatus equipped with a conditioner according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a polishing target semiconductor wafer 105 is attached to a lower portion of the polishing head 100, and a polishing pad 122 for polishing the wafer 105 is disposed on the platen 120. In addition, a slurry 118 is supplied between the wafer 105 and the polishing pad 122. The conditioner 110, which includes the conditioner guide 112, the conditioner base 114, and the pneumatic line connection 116, is mounted to the polishing head 100. Air introduced in the direction of the arrow in the drawing through the pneumatic line connection 116 moves to the space C between the conditioner guide 112 and the conditioner base 114 and the position of the conditioner base 114 through the change in the pressure thereof. Adjust the variable. The conditioner 110 is mounted to the polishing head 100, but moves up and down with respect to the polishing pad 122 by pneumatic pressure separate from the polishing head 100. U. S. Patent No. 5,885, 137 is a portion equipped with a conditioning component in contact with the polishing pad is made of a flexible film and can adjust the conditioning strength through expansion and contraction of the flexible film, in the embodiment of the present invention, the conditioner 110 itself is a polishing pad Adjust the conditioning intensity by moving to (122). Therefore, problems such as breakage of the flexible membrane do not occur.
상기와 같은 장치를 이용한 컨디셔닝방법에 대해 설명한다. 우선 반도체 웨이퍼(105)가 로딩(loading)장치(미도시)에 의해 연마헤드(100)의 아랫부분에 흡착, 고정된다. 이어서, 연마패드(122)가 부착된 플레이튼(120)이 수직상승하여 웨이퍼(105)와 연마패드(122)가 접촉하게 된다. 이어서, 연마헤드(100)에 장착된컨디셔너(110)가 공압에 의해 하강하여 연마패드(122)와 접촉하게 된다. 연마단계에서는 연마헤드(100)를 공전·비자전시키거나 플레이튼(120)을 자전시킴으로써 웨이퍼(105)를 연마한다. 컨디셔너(110)는 연마패드의 종류, 표면성질에 따라 적합한 접촉력을 가하기 위해 컨디셔너의 공압제어 메커니즘으로 연마패드(122)를 가압한다. 또한, 상하운동이 가능한 컨디셔너(110)에 의해 웨이퍼(105)의 연마 중이나 연마 후에도 연마패드(122)의 컨디셔닝을 수행할 수 있다.The conditioning method using the above apparatus will be described. First, the semiconductor wafer 105 is absorbed and fixed to the lower portion of the polishing head 100 by a loading device (not shown). Subsequently, the platen 120 to which the polishing pad 122 is attached rises vertically to come into contact with the wafer 105 and the polishing pad 122. Then, the conditioner 110 mounted on the polishing head 100 is lowered by pneumatic pressure to contact the polishing pad 122. In the polishing step, the wafer 105 is polished by revolving and non-rotating the polishing head 100 or by rotating the platen 120. The conditioner 110 presses the polishing pad 122 with the pneumatic control mechanism of the conditioner in order to apply an appropriate contact force according to the kind and surface property of the polishing pad. In addition, conditioning of the polishing pad 122 may be performed during or after polishing the wafer 105 by the conditioner 110 capable of vertical movement.
상기한 바와 같이, 본 발명의 컨디셔너와 그 컨디셔닝 방법에 의하면, 컨디셔너가 공압제어 메커니즘을 가지므로 연마패드의 종류와 성질에 따라 적합한 압력으로 가압하여 연마패드 컨디셔닝을 한다. 따라서, 연마패드의 수명과 성질을 향상시켜서 연마속도의 재연성을 보장할 수 있다. 또한, 컨디셔너 전체가 이동하여 가압하기 때문에 유연막의 손상과 같은 종래기술의 문제가 발생하지 않는다.As described above, according to the conditioner and the conditioning method of the present invention, since the conditioner has a pneumatic control mechanism, it is pressurized to a suitable pressure according to the type and property of the polishing pad to condition the polishing pad. Therefore, it is possible to ensure the reproducibility of the polishing rate by improving the life and properties of the polishing pad. In addition, since the entire conditioner is moved and pressurized, problems of the prior art such as damage to the flexible membrane do not occur.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications are possible by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
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