KR100489458B1 - 기판의 기계-화학적 평탄화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 평탄화 용액이 고정-연마 폴리싱 패드에 분포되어 있는, 상기 고정-연마 폴리싱 패드상의 기판의 기계-화학적 평탄화 방법에 관한 것이다. 상기 평탄화 용액은 양호하게, 기판의 표면층을 용액으로 통과시키지 않으면서 기판의 표면층을 산화시키는, 연마가 없는 평탄화 용액이다. 이때 기판의 표면층은 평탄화 용액이 제공되면, 상기 고정-연마 패드에 압력을 가하고, 상기 고정-연마 패드나 기판 중 적어도 하나는 서로에 대해 이동하여 기판의 표면으로부터 물질을 제거한다. 동작 시, 상기 평탄화 용액은, 상기 폴리싱 패드의 연마 표면으로부터 쉽게 제거되는 표면층에 녹지 않는 산화제의 거칠거칠한 층을 형성한다. 본 발명의 일실시예에서, 평탄화 용액의 pH는, 기판의 표면층의 물질을 용액으로 통과시키지 않으면서 기판 표면층의 물질을 산화시키도록 제어된다.

Description

기판의 기계-화학적 평탄화 방법{Method for chemical-mechanical planarization of a substrate on a fixed-abrasive polishing pad}
본 발명은 기판의 기계-화학적 평탄화에 관한 것이며, 특히 고정-연마 폴리싱 패드로 기판을 평탄화하는 것에 관한 것이다.
기계-화학적 평탄화("CMP") 프로세스는 반도체 장치들의 제조 중에 웨이퍼의 표면이나 다른 기판의 표면으로부터 물질을 제거한다. 도 1은 압반(20)과, 웨이퍼 캐리어(30)와, 폴리싱 패드(40)와, 평탄화 용액(44)을 구비한 CMP 머신(10)을 도시한다. 상기 폴리싱 패드는 비-연마제(non-abrasive material)(예를 들어, 폴리에탄)로 만들어진 종래의 폴리싱 패드가 될 수 있으며, 또는 현탁 매질(suspension medium)에 고정적으로 산재해 있는 연마 입자들로 이루어진 새로운 차원의 고정-연마 폴리싱 패드(fixed-abrasive polishing pad)가 될 수 있다. 상기 평탄화 용액은 웨이퍼의 표면으로부터 물질을 제거하는 연마 입자들 및 화학 약품들이 있는 종래의 CMP 현탁액이 될 수 있으며, 또는 연마 입자가 없는 용액이 될 수도 있다. 대부분의 CMP 응용에서, 연마 입자들을 갖는 종래의 CMP 현탁액은 종래의 폴리싱 패드에서 사용되며, 연마 입자를 갖지 않는 평탄화 용액은 고정-연마 폴리싱 패드들상에서 사용된다.
상기 CMP 머신(10)은 또한 상기 압반(20)의 상부 표면(22)과 상기 폴리싱 패드(40)의 하부 표면에 부착된 하부-패드(25)를 갖는다. 한 가지 형태의 CMP 머신에서, 구동 어셈블리(26)가 상기 압반(20)을 화살표 A 방향으로 회전시킨다. 다른 형태의 CMP 머신에서, 상기 구동 어셈블리는 상기 압반을 화살표 B 방향으로 앞뒤로 왕복 운동시킨다. 상기 폴리싱 패드(40)가 상기 하부-패드(25)에 부착되어 있기 때문에, 상기 폴리싱 패드(40)는 상기 압반과 함께 이동한다.
상기 웨이퍼 캐리어(30)에는 웨이퍼(12)가 부착될 수 있는 하부 표면(32)이 있거나, 또는 상기 웨이퍼(12)가, 상기 웨이퍼(12)와 상기 웨이퍼 캐리어(30) 사이에 위치한 탄성 패드(resilient pad)(34)에 부착될 수 있다. 상기 웨이퍼 캐리어(30)는 가중된, 자유-부유식 웨이퍼 캐리어(free-floating wafer carrier)가 될 수 있으며, 상기 웨이퍼 캐리어(30)에는 액추에이터 어셈블리(360)가 부착되어 있어서, 축 운동, 회전 운동, 또는 (화살표 C 및 D 방향으로 각각 표시된) 축 운동과 회전 운동의 조합을 동시에 할 수 있다.
상기 웨이퍼(12)를 상기 CMP 머신으로 평탄화시키기 위해, 상기 웨이퍼 캐리어(30)는 상기 폴리싱 패드(40)에 대항해서 상기 웨이퍼(12)를 전면-아래 방향으로 가압한다. 상기 웨이퍼(12)의 전면이 상기 폴리싱 패드(40)에 대항해서 가압하는 동안, 상기 압반(20)이나 상기 웨이퍼 캐리어(30) 중 적어도 어느 한 쪽은 다른 쪽에 대해 이동하여, 상기 웨이퍼(12)를 상기 폴리싱 패드(40)를 가로질러 이동시킨다. 상기 웨이퍼(12)의 전면이 상기 평탄화 표면(42)을 가로질러 이동하기 때문에, 상기 폴리싱 패드(40)와 평탄화 용액(44)은 상기 웨이퍼의 전면으로부터 물질을 계속해서 제거한다.
CMP 프로세싱의 한가지 목적은 반도체 웨이퍼들 위에 균일하게 편평한 표면을 만드는 것이다. 평탄화된 표면의 균일함(uniformity)은 몇 가지 요인과 관계가 있는데, 그 중의 하나는 상기 웨이퍼와 상기 폴리싱 패드 사이에서의 연마 입자들의 분배이다. 상기 연마 입자들은 고정적으로 분포되어 있기 때문에 고정-연마 폴리싱 패드는 상기 웨이퍼와 상기 폴리싱 패드 사이에 실질적으로 일정한 입자 분배를 제공한다. 그렇지만, 연마 입자를 갖는 CMP 현탁액은 입자를 균일하게 제공할 수 없는데, 왜냐하면 상기 웨이퍼 주변에 있는 상기 현탁액이 웨이퍼의 다른 부분 아래에 있는 현탁액보다 적게 있기 때문이다. 따라서, 고정-연마 폴리싱 패드를 사용하는 것이 바람직하다.
고정-연마 폴리싱 패드를 사용해서 웨이퍼의 표면에서 물질을 제거할 때의 한 가지 문제는, 상기 고정-연마 패드가 종래의 패드 및 현탁액에 비해 폴리싱 속도가 상대적으로 낮은 경향이 있다는 것이다. 고정-연마 패드는 종종 현탁액 없이 사용되는데 왜냐하면 연마 입자를 갖는 종래의 평탄화 현탁액이 고정-연마 폴리싱 패드의 평탄화 표면에 해를 끼칠 수 있기 때문이다. 예를 들어, 고정-연마 패드상에서 종래의 연마 현탁액으로 웨이퍼를 평탄화할 때, 현탁액에 있는 연마 입자들은 일반적으로 폴리싱된 패드에 있는 연마 입자들에 해를 끼친다. 따라서, 상기 고정-연마 폴리싱 패드에 해를 끼치지 않으면서 고정-연마 패드 CMP의 폴리싱 속도(polishing rate)를 높이는 것이 바람직하다.
고정-연마 패드 CMP의 다른 문제는 웨이퍼의 표면상에 뜻하지 않은 결함이 생길 수 있다는 것이다. 웨이퍼에서 물질을 제거할 때, 상기 고정-연마 폴리싱 패드의 연마 입자 및 다른 부분이 이탈되어 웨이퍼의 표면과 고정-연마 폴리싱 패드의 표면 사이가 막혀지게 된다. 상기 고정-연마 패드를 현탁액 없이 사용하면, 상기 고정-연마 폴리싱 패드의 떨어진 부분이 웨이퍼를 긁어버려 웨이퍼 위에 있는 몇몇 다이(die)에 해를 끼칠 수 있다. 그러므로, 고정-연마 폴리싱 패드에 의해 생기는 결함을 줄이는 것이 바람직하다.
도 1은 종래 기술에 따른 기계-화학 평탄화 머신의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 방법의 일실시예에 따라 평탄화된 기판의 부분 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 따른 도전체를 제조하기 위한 방법의 일실시예의 한 점에서의 반도체 웨이퍼의 부분 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 도전체를 제조하기 위한 방법의 일실시예의 또 다른 한 점에서의 도 3의 반도체 웨이퍼의 부분 개략 단면도이다.
본 발명의 CMP 프로세스는 폴리싱 속도를 양호하게 증가시키며 고정-연마 패드 CMP에서의 결점을 줄인다. 기판상의 금속 표면 층을 평탄화하는 본 발명의 실시예에서, 고정-연마 폴리싱 패드상에 비-연마 평탄화 용액(abrasive-free planarizing solution)이 분포된다. 상기 비-연마 평탄화 용액은, 금속을 용액으로 통과시키지 않으면서 기판의 표면상의 금속을 산화시키는 산화제를 양호하게 갖는다. 고정-연마 패드는 현탁 매질(suspension medium)을 가지며 또한 상기 현탁 매질에 고정되어 부착되는 연마 입자가 실질적으로 균일하게 분배되어 있다. 그런 다음 상기 기판의 표면 층은 상기 평탄화 용액이 있으면 상기 고정-연마 패드를 가압하며, 상기 고정-연마 패드나 상기 기판 중 적어도 한 쪽은 다른 쪽에 대해 이동된다. 동작 시, 상기 평탄화 용액은, 상기 폴리싱 패드의 연마 입자에 의해 제거된 표면 층에 녹지 않는 산화물들의 거칠거칠한 층을 형성한다. 상기 녹지 않는 산화물들은 일반적으로, 비-산화 물질과는 달리 기계적 힘으로 사용하면 기판으로부터 쉽게 떨어져 나간다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 평탄화 용액에는 산화체가 있으며, 상기 표면 층의 물질을 용액으로 통과시키지 않으면서 산화시키기 위해, 상기 평탄화 용액의 pH를 제어한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 기판 또는 웨이퍼의 표면 층은 공기가 있으면 산화시키는 찰코제나이드 물질(chalcogenide material)이다. 따라서, 찰코제나이드 물질의 평탄화 용액은 찰코제나이드 물질을 용해시키지 않는 pH를 갖는다.
본 발명의 CMP 프로세스는, 절연층 상부 표면과 절연층의 함몰부들(depressions) 내에 도전체의 상부 층을 퇴적시킴으로써, 반도체 웨이퍼상에 전기적으로 절연된 도전성 형상들(conductive features)을 형성하는데 사용될 수 있다. 상기 상부 도전 층의 일부는 상기 절연층이 상기 절연 층의 함몰부 사이에서 노출될 때까지 본 발명의 CMP 프로세스로 제거된다. 보다 상세하게 설명하면, 비-연마, 산화 평탄화 용액을 고정-연마 패드에 분배하고, 상기 평탄화 용액이 존재하는 곳에서 상기 고정-연마 패드에 대항해서 상기 상부 도전층을 가압하고, 상기 상부 도전층과 상기 고정-연마 패드를 서로에 대해 이동시킴으로써, 상기 상부 도전층이 양호하게 제거된다. 상기 절연층의 함몰부들 내의 상기 상부 도전층의 나머지 부분들은 전기적으로 절연된 도전성 형상들을 형성한다.
본 발명은 고정-연마 폴리싱 패드로 반도체 웨이퍼상의 표면층이나 다른 기판상의 표면 층을 신속히 평탄화하기 위한 방법이다. 본 발명의 실시예의 중요한 양상은, 표면층의 물질을 용해하지 않고 표면층의 물질을 산화 및/또는 거칠게 하는 비-연마 평탄화 용액(abrasive-free planarizing solution)으로 도포된 고정 연마 폴리싱 패드(fixed-abrasive polishing pad)상의 표면층을 평탄화한다는 것이다. 웨이퍼상의 얇고 거친 층은 고정-연마 패드 CMP의 폴리싱 속도를 증대하는 고정 연마 폴리싱 패드에서의 연마 입자들에 의해서 용이하게 제거된다. 그러므로 본 발명의 방법은 고정-연마 패드를 이용하여 CMP 공정의 수율을 증대한다.
도 2는 본 발명의 방법의 일실시예에 따라 CMP 머신(10)상에서 평탄화되는 웨이퍼(12)의 개략 단면도이다. 웨이퍼(12)는 웨이퍼 캐리어(30)에 탑재되어 평탄화 용액(144)으로 도포된 고정 연마 폴리싱 패드(140)의 평탄화 표면(142)에 대항해서 가압된다. 평탄화 용액(144)은, 고정 연마 폴리싱 패드(140) 위에 설치되고 평탄화 용액(144)의 공급 용기(148)에 효과적으로 연결되어 있는 디스펜서(146)를 통해 상기 고정 연마 폴리싱 패드(140)상에 분산된다. 평탄화 용액(144)은 웨이퍼(12)의 전면(14)에서 표면층의 물질로 산화하거나(oxidizes), 또는 거칠게되거나(roughens) 또는 반응하여, 기계적인 힘에 의해서 손쉽게 제거되는 웨이퍼상에 얇은 층을 형성한다. 고정 연마 폴리싱 패드(140)는 현탁 매질(145)과 현탁 매질(145)에서 고정적으로 분산되는 복수의 연마 입자(147)를 가진다. 평탄화 표면(142)은 그 위에 형성된 복수의 돌출부들(raised features)(143)을 가지고 있어서 웨이퍼(12)를 추가 연마한다.
웨이퍼(12)를 평탄화하기 위해, 웨이퍼 캐리어(30) 및/또는 고정 연마 폴리싱 패드(140)는 웨이퍼(12)가 고정 연마 폴리싱 패드(140)의 평탄화 표면(142)에 대항해서 가압되는 동안 서로에 대해 이동한다. 웨이퍼(12)의 전면(14)이 고정 연마 폴리싱 패드(140)의 평탄화 표면(142)을 가로질러 이동할 때, 연마 입자(147)는 웨이퍼(12)의 전면(14)에서 얇은 산화층(도시 안됨)을 벗겨내어 웨이퍼(12)에서 물질을 제거한다. 이후 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 연마 입자(147)는 비산화 물질보다 빨리 웨이퍼(12)의 전면(14)의 산화 표면이나 기타 거친 표면을 제거한다.
평탄화 용액(144)은 물질을 용해하지 않고 웨이퍼(12)의 전면(14)의 표면에서 상기 물질과 함께 산화물을 형성한다. 웨이퍼(12)의 전면(14)이 촉매제의 도움없이 공기가 존재하는 곳에서 산화하지 않는 금속일 때, 상기 평탄화 용액은 양호하게, 특정 금속으로 하여금 산소와 반응하게 하여 산화물을 형성하는 산화체를 가진 액체이다. 그러므로 평탄화 용액(144)내의 특정 산화체들(oxidants)은 웨이퍼(12)의 전면(14)의 표면층의 물질에 좌우된다. 물질을 용해하지 않고 웨이퍼(12)의 전면(14)의 표면에서 상기 물질을 갖는 산화물을 형성하기 위해, 평탄화 용액은 통상 pH-제어 용액(pH-controlled solution)내에서 산화체를 가진다. 따라서, 특정 평탄화 용액은 물질을 용액에 통과시키지 않고 웨이퍼(12)의 전면(14)에서 상기 물질과 반응하는 pH를 양호하게 갖는다. 웨이퍼(12)의 전면(14)에서의 물질이 찰코제나이드(공기가 존재하는 곳에서 음의 산화물을 형성한다)이면, 평탄화 용액은 찰코제나이드 물질을 용액에 통과시키지 않는 실질적으로 임의의 액체로 구성된다.
웨이퍼(12)의 전면에서의 물질은 단일 층의 물질일 수 있거나, 다층의 물질을 갖는 멀티-레벨 막 스택(multi-level film stack)일 수도 있다. 예를 들면, 웨이퍼의 전면에서의 물질은 상이한 금속들(예를 들어, 텅스텐 플러그상의 티탄 및 알루미늄)과 장벽층(예를 들어, 티탄 질화물)을 갖는 멀티-레벨 막 스택일 수 있다. 평탄화 용액(144)은 멀티-레벨 막 스택의 적어도 일부의 층을 갖는, 양호하게는 멀티-레벨 막 스택의 모든 층을 갖는 산화물을 형성한다. 따라서, 본 발명은 단일-레벨 및 멀티-레벨 막 형성에 대한 평탄화에 적용된다.
본 발명은 물결 무늬 선들(damascene lines)과 층간 플러그들(interlayer plugs)과 같은 도전성 형상들(conductive features)을 형성하기 위해 웨이퍼(12)의 전면(14)을 형성하는 금속층들을 평탄화하는데 특히 유용하다. 웨이퍼(12)로부터 텅스텐의 도전층을 평탄화하기 위해, 평탄화 용액은 5.0 이하의 pH 농도를 양호하게 가지며, 다음의 산화체들, 즉 질산 제2철(ferric nitrate), 과산화 수소(hydrogen peroxide), 요오드화 칼륨(potassium iodate), 브롬(bromine)들중 적어도 하나를 포함한다. 특정 실시예에서, 텅스텐의 층은 4.5의 pH에서, 실리카-산화 세륨 고정-연마 폴리싱 패드(silica-ceria fixed-abrasive polishing pad)와 입자가 없는 요오드화 칼륨 평탄화 용액(particle-free potassium iodate planarizing solution)으로 신속히 평탄화될 수 있다. 하나의 적절한 평탄화 용액은 미국 델라웨어주 뉴욕 소재의 로델사(Rodel Corporation)가 제조한 변형된 QCTT1011-14B 요오드화 칼륨 평탄화 용액이다. QCTT1011-14B 용액은 통상의 비연마 폴리싱 패드들(non-abrasive polishing pads)에서만 사용되었던 연마 입자들을 가진 통상의 현탁액이다. 본 발명에서 사용하기 위해 QCTT1011-14B 용액을 변경하기 위해, 연마 입자들을 제거하여 비-연마 용액을 형성하고, 그 용액을 고정-연마 패드상에서 사용한다.
본 발명의 방법은 또한 알루미늄 및 구리(이에 제한되지는 않음)를 함유하는 다른 물질들을 평탄화하는데 사용 가능하다, 웨이퍼(12)의 전면(14)으로부터 알루미늄의 도전층을 평탄화하기 위해, 평탄화 용액은 약 3.0과 10.0 사이의 pH를 양호하게 가지며, 다음의 산화체들, 즉 과산화 수소, 요오드화 칼륨, 질산 제2철 중 하나를 포함한다. 웨이퍼(12)의 전면(14)으로부터 구리의 도전층을 평탄화하기 위해, 평탄화 용액은 약 2.5 보다 낮은 pH를 갖거나, 약 10.5 보다 높은 pH를 양호하게 가지며, 다음과 같은 혼합물, 즉 0.1%-5.0% 질산과 0.1%-10.0% 에탄올을 혼합한 탈이온화된 물 또는, 0.1%-5.0% 질산과 0.1%-1.0% 벤조트리아졸(benzotriazole)을 혼합한 탈이온화된 물 또는, 0.5%-3.0% 수산화 암모늄을 함유한 탈이온화된 물 또는 0.5%-3.0% 암모니아 페리시아나이드(ferricyanide)를 함유한 탈이온화된 물 들중 하나를 갖는다.
도 3은 본 발명의 방법의 일실시예로서 웨이퍼(12)상에 형성된 전기적으로 절연된 도전체를 도시하고 있다. 웨이퍼(12)는 일반적으로 기판(13)과, 함몰부들 또는 비아들(vias)(16)을 갖는 절연층(15)과, 절연층(15) 위와 비아들(16)내로 퇴적된 상부 도전층(17)을 가지고 있다. 상부 도전층(17)의 물질은 비아들(16)을 채워서 접촉 플러그(18)를 형성한다. 절연층, 반절연층, 반도체층, 도체층의 몇몇 층들이 기판(13)과 상부 도전층(17) 사이에서 웨이퍼(12)상에 퇴적된다. 상부 도전층(17)은 텅스텐, 알루미늄, 또는 폴리실리콘(이에 제한되지는 않음)을 함유하는 복수의 도전성 물질들로 제조 가능하다. 웨이퍼(12)상에 전기적으로 절연된 물체를 형성하기 위해, 웨이퍼(12)는 웨이퍼 캐리어(30)에 부착되며, 본 발명에 따른 평탄화 용액(144)은 고정 연마 폴리싱 패드(140)상에 퇴적된다. 도 2와 관련하여 상기 언급한 바와 같이, 평탄화 용액은 연마 입자들을 포함하지 않으며, 상위 도전층(17)의 물질이 용액으로 통과하지 않으면서 상위 도전층(17)의 물질을 양호하게 산화시킨다. 웨이퍼 캐리어(30)는, 상기 고정-연마 폴리싱 패드(140)의 돌출부들(143)에 대항해서 웨이퍼(12)를 가압한다. 평탄화 용액(144)이 상위 도전층(17)의 물질을 산화시키기 때문에, 평탄화 용액(144)은, 웨이퍼(12)의 전면(14)에 걸쳐 얇고 거친 층(19)을 형성한다. 상기 거친 층(19)은, 상위 도전층(17)의 비산화 물질의 표면에 비해, 비교적 깨지기 쉬운 특징을 갖는 거친 표면을 갖는다.
웨이퍼(12)를 상기 고정-연마 폴리싱 패드(140)에 대항해서 가압한 후, 상기 웨이퍼(12)나 상기 고정-연마 폴리싱 패드(140) 중 적어도 한 쪽은 다른 쪽에 대해 이동하고, 따라서 상기 고정-연마 폴리싱 패드(140)의 돌출부들(143)은 웨이퍼(12)의 거친 층(19)을 가로질러 스크래핑(scrape)한다. 상기 고정-연마 폴리싱 패드(140) 내의 연마 입자들(147)은 상기 거친 표면(19)의 울퉁불퉁한 깨지기 쉬운 부분을 상위 도전층(17)의 나머지 부분으로부터 파괴시킨다. 상기 평탄화 용액(144)은 상기 상위 도전층(17)의 새로이 노출된 부분을 계속해서 산화시키고, 상기 상위 도전층(17)의 표면에 걸쳐 거친 층(19)을 계속해서 형성한다.
도 4는 본 발명의 화학 기계적 평탄화 방법의 실행으로 인해 평탄화된 이후의 웨이퍼(12)를 도시한다. 웨이퍼는, 상위 도전층(17)의 접촉 부분이 제거되어 절연층(15)이 비아들(16) 내의 도전 플러그들(18)을 전기적으로 절연시킬 때까지 평탄화된다. 양호한 실시예에서, 평탄화 용액(144)은, 절연층(15) 물질을 산화시키거나 용해시키지 않으면서 도전층(17) 물질을 산화시키는 화학 약품을 사용함으로써 도전층(17) 물질에 대해 선택적으로 된다. 도전층(17) 물질에 대해 선택적인 평탄화 용액을 사용함으로써, 상기 절연층(15)은 폴리싱 정지층(polishing stop layer)으로 작용할 수 있어, CMP 프로세스 종료의 정확성을 증가시킨다.
또한, 평탄화 용액(144)은 도전층이 용액 속으로 전달되지 않으면서 도전층 물질을 산화시키기 때문에, 접촉 플러그(18)의 상부 표면은 절연층(15)의 상부 표면과 실질적으로 동일 평면이 된다. 이것은 도전층(17) 물질을 용해하는 평탄화 용액 및 현탁액과는 대조적이다. 현탁액이 도전층(17)을 용해할 때, 도전층(17)을 효과적으로 에칭하여, 접촉 플러그(18)의 상부 표면이 절연층(15)의 상부 표면보다 낮아지게 된다. 따라서, 도전층 물질을 에칭하는 현탁액 및 평탄화 용액을 사용하는 CMP 방법과 달리, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 방법은 일반적으로 접촉 플러그(18) 및 도전층(15) 사이의 마이크로 레벨까지도 일정한 평면 표면을 생성한다.
본 발명의 양호한 실시예의 이점은, 웨이퍼의 평탄화를 희생시키지 않으면서 고정-연마 폴리싱 패드로 평탄화된 웨이퍼의 처리량(throughput)을 향상시킨다. 표면층의 물질을 용해하는 현탁액과는 달리, 본 발명은 용액을 통과하지 않는 표면층 물질을 산화시키는 비-연마 평탄화 용액(abrasive-free planarizing solution)을 사용한다. 상기 언급한 바와 같이, 고정-연마 폴리싱 패드에서 연마 입자들은 비산화 물질보다 빨리 거친 산화 물질을 제거한다. 또한, 평탄화 용액이 용액을 통과하지 않고 표면층 물질을 단지 산화시키기 때문에, 도전 부분의 표면은 절연층 상부 표면 이하에서 에칭되지 않는다. 따라서, 본 방법은 처리량을 증가시키고 고도의 평면 표면들을 생성한다.
본 발명의 실시예의 다른 이점은, 고정-연마 패드가 평탄화 용액에 의해 손상되지 않는다는 점이다. 종래의 연마 입자들을 갖는 현탁액은 고정-연마 패드들을 마멸시키고, 따라서 고정-연마 패드들의 효용성 및 사용 기한을 감소시킨다. 그러나, 본 발명의 방법에 따른 평탄화 용액은, 연마 입자들 또는 고정-연마 패드들을 손상시키는 다른 화학 약품들을 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명의 방법에 따른 평탄화 용액은 손상을 주거나 고정-연마 패드의 사용 기한을 감소시키지 않는다.
본 발명의 실시예의 또 다른 이점은, 고정-연마 폴리싱 패드로 평탄화된 웨이퍼상의 결함들의 수를 감소시킨다는 것이다. 연마 입자들을 갖는 종래의 현탁액이 고정 연마 폴리싱 패드를 급속하게 마멸시키기 때문에, 많은 고정-연마 패드 CMP 프로세스는 용액 없이 웨이퍼들을 평탄화한다. 그러나, 상기 언급한 바와 같이, 입자들이 고정-연마 패드로부터 부서져 나오고, 웨이퍼의 표면을 스크래칭할 수 있다. 본 발명의 방법에 따라 사용되는 평탄화 용액은, 웨이퍼와 고정-연마 폴리싱 패드 사이에 액체 버퍼를 제공함으로써 결함을 감소시킴으로써, 웨이퍼의 표면을 스크래칭하는 작은 입자들을 제거한다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 사용되는 평탄화 용액은 웨이퍼의 표면상의 결함들의 수를 감소시킨다.
본 발명의 양호한 실시예의 또 다른 이점은, 하나의 물질을 다른 물질과 관련해서 평탄화하는데 있어서 선택성을 향상시킨다는 것이다. 평탄화 용액 없이 고정-연마 폴리싱 패드상의 웨이퍼를 평탄화하는 CMP 프로세스는, 특정 유형의 물질들이 웨이퍼의 표면으로부터 물질을 제거하는 화학 반응들에 의존하지 않기 때문에, 상기 특정 유형의 물질에 대해 선택적이지 못하다. 그러나, 본 발명의 양호한 실시예는, 평탄화 용액이 다른 물질과 상이한 한 물질과 화학적으로 반응하도록 공식화될 수 있기 때문에, 선택적 평탄화를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 특정 반도체 웨이퍼 구조들상의 물질의 제거를 제어할 수 있는 성능을 양호하게 향상시킨다.
위의 설명으로부터, 비록 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 예로 들었지만, 본 발명의 정신 및 관점을 벗어나지 않는 다양한 변형이 가능할 수 있다. 또한, 본 발명의 양호한 실시예가 반도체 웨이퍼를 평탄화하기 위한 비-연마 평탄화 용액(abrasive-free planarizing solution)을 사용하였다고 하였으나, 고정-연마 폴리싱 패드나 평탄화 프로세스를 변경하기 위해 평탄화 용액에 연마 입자를 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 양호한 실시예를 필드 방출 디스플레이용 기판 등의 다른 기판의 평탄화에도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 한정되는 것은 아니다.

Claims (76)

  1. 반도체 기판의 표면으로부터 물질을 제거하기 위한 기계-화학적 평탄화 방법에 있어서,
    비-연마 평탄화 용액(abrasive-free planarizing solution)을 제공하는 단계와;
    현탁 매질(suspension medium)에 분산된 연마-입자들을 갖는 고정-연마 패드(fixed-abrasive pad)를 제공하며, 고정-연마 입자들이 상기 현탁 매질에 고정 부착되는 단계와;
    상기 평탄화 용액을 상기 고정-연마 패드상에 덮는 단계와;
    상기 기판의 표면층의 물질을 산화하는 단계로서, 상기 표면층의 물질은 금속을 포함하며; 상기 평탄화 용액은 산화체를 포함하며, 상기 평탄화 용액의 pH는 금속 또는 산화물을 용액 안으로 통과시키지 않고 상기 표면층의 물질을 산화시키도록 제어되며, 상기 금속이 텅스텐일 경우 상기 산화체는 과산화 수소, 요오드화 칼륨 및 브롬 중 적어도 하나를 포함하는 단계; 및
    고정-연마 폴리싱 패드 내의 연마 입자들에 의해 상기 산화된 표면층을 제거하는 단계로서, 상기 기판의 산화된 표면층을 제거하는 단계는 상기 평탄화 용액의 존재하에 상기 고정-연마 패드에 대항하여 상기 표면층을 가압하고 또한 상기 고정-연마 패드 또는 기판 중 적어도 하나를 서로에 대해 이동시킴으로써 수행되는 단계를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비-연마 평탄화 용액을 제공하는 단계는 상기 평탄화 용액의 pH를 5.0 이하로 유지하는 단계를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 표면은 텅스텐을 포함하고,
    상기 비-연마 평탄화 용액을 제공하는 단계는 상기 용액의 pH를 4.0과 5.0 사이에서 유지하는 단계를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 요오드화 칼륨(potassium iodate)을 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 과산화 수소(hydrogen peroxide)를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 브롬(bromine)을 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면은 구리를 포함하고,
    상기 비-연마 평탄화 용액을 제공하는 단계는 상기 용액의 pH를 2.5 보다 낮거나 또는 10.5 보다 높게 유지하는 단계를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 수산화 암모늄, 페리시아나이드화 암모늄, 질산과 에탄올의 혼합물, 또는 질산과 벤조트리아졸의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 표면은 알루미늄을 포함하고,
    상기 평탄화 용액을 제공하는 단계는 상기 용액의 pH를 3과 10 사이에서 유지하는 단계를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 과산화 수소(hydrogen peroxide)를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 요오드화 칼륨(potassium iodate)을 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 평탄화 용액은 질산 제2철(ferric nitrate)을 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화된 표면층을 도전층으로부터 제거함으로써, 기판상의 절연층 위와 상기 절연층의 함몰부들(depressions) 내에 퇴적된 도전성 물질층을 갖는 기판상에 전기적으로 절연된 도전성 형상들(features)이 형성되는 기계-화학적 평탄화 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 산화된 표면층을 제거하는 단계는 상기 절연층이 전기적으로 노출되어 상기 절연층의 함몰부들 내의 도전성 물질이 전기적으로 절연될 때까지 유지되는 기계-화학적 평탄화 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이 알루미늄일 경우, 상기 산화체는 과산화 수소, 요오드화 칼륨 및 질산 제2철 중 적어도 하나를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이 구리일 경우, 상기 산화체는 수산화 암모늄, 페리시아나이드화 암모늄, 질산과 에탄올의 혼합물, 또는 질산과 벤조트리아졸의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 기계-화학적 평탄화 방법.
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  18. 반도체 웨이퍼(12)를 폴리싱하기 위한 기계-화학적 평탄화 장치에 있어서,
    현탁 매질(145)과 이 현탁 매질에 고정 분산된 복수의 연마-입자들(147)을 갖는 고정-연마 폴리싱 패드(140)와;
    전면(14)이 폴리싱될 웨이퍼(12)를 탑재하기 위한 형상을 갖는 웨이퍼 캐리어로서, 상기 웨이퍼 캐리어는 고정-연마 폴리싱 패드(140)에 대항하여 폴리싱될 면을 가압하도록 형성되며, 상기 웨이퍼 캐리어와 고정-연마 폴리싱 패드는 상기 웨이퍼의 전면(14)을 폴리싱하기 위해 서로에 대해 이동될 수 있는, 웨이퍼 캐리어(30); 및
    상기 금속 또는 산화된 금속을 비-연마 평탄화 용액(144) 안으로 통과시키지 않고 상기 웨이퍼의 전면(14)상에 존재하는 금속을 산화시키도록 선택된 산화체를 포함하는 비-연마 평탄화 용액(144)을 포함하는 공급 용기(148)를 구비하고, 상기 비-연마 평탄화 용액(144)을 고정-연마 폴리싱 패드(140)의 표면상에 분포시키도록 형성되는 디스펜서(dispenser; 146)를 포함하는 기계-화학적 평탄화 장치.
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