KR100505448B1 - 연마입자가 캡슐화된 연마패드 및 그의 제조방법과 그를이용한 반도체제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드 및 그를 제조하는 방법을 제공하고 이를 화학적기계적 연마에 사용하여 보다 효율적이고 저비용의 평탄화작업을 수행할 수 있는 반도체 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드는 연마되는 물질의 균일성을 위한 소프트레이어와 상기 소프트레이어 상에 상기 연마공정시 연마되는 물질의 평탄화를 위해 상기 하드레이어로 이루어진 기본패드, 및 상기 기본패드 상에 구비되며 상기 연마공정시 연마되는 물질의 제거를 위한 연마용 입자를 함침하는 소정량의 연마용 물질을 캡슐화한 다수의 1차 바인더와 상기 상기 1차 바인더를 묶어주는 2차 바인더를 구비하는 연마레이어를 구비한다.
Description
본 발명은 반도체 제조시에 사용되는 장비와 그를 이용한 제조방법에 관한 것으로 특히 화학적 기계적 연마공정을 사용하며 층간절연막등을 평탄화할 때에 사용되는 연마패드에 관한 것이다.
통상적으로 층 배선을 갖는 반도체 집적회로 장치에서, 기판상에 하층 배선을 형성하고 하층 배선상에 절연막을 형성한 다음, 절연막에는 하층 배선과 상층 배선 사이의 접속을 하기 위해서 접속 구멍을 형성한 후 절연막상에 금속막을 퇴적시키고 상기 금속막을 리소그래피(lithography) 공정과 에칭(etching) 공정에 의해 패턴화함으로서 상층 배선을 형성한다. 그 때, 하층 배선이 존재하므로 절연막의 표면은 요철을 갖고 있어서 그 상태로 상층 배선을 형성하면 여러가지의 폐해가 생긴다.
즉, 상층 배선형성을 위한 리소그래피 공정을 요철금속막에 대해 행해야 하기 때문에 미세한 패턴을 형성하는 것이 어렵게 된다. 또한 절연막에 리크(leak)가 발생할 우려가 있거나 상층 배선의 절단과 같은 불량이 생기는 일이 있다. 그 때문에 상층 배선을 형성하는 하지가 되는 절연막 표면은 가능한 한 평탄화되는 것이 바람직하다.
그와 같은 평탄화기술의 하나로서 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)가 널리 이용되고 있다.
화학적기계적연마(CMP)방법은 연마 입자가 포함된 슬러리(Slurry)를 폴리우레탄 등의 재질로 만들어진 패드 위로 공급하면서 웨이퍼를 이 패드면에 마찰시켜 평탄화 작업을 할 수 있는 공정이다. 이때, 슬러리에 포함된 화학제에 의한 화학반응은 표면의 요철에는 무관하게 등방선으로 작용하지만, 패드가 닿는 돌출부위의 반응물이 먼저 제거되기때문에 평탄화가 이루어질 수 있다.
그러나 화학적 기계적 연마 방법을 사용하여 평탄화 또는 소자간을 분리시킬 경우 웨이퍼의 에지(edge) 지역에 존재하는 셀이 어택(attack)을 받아 수율이 감소하는 문제를 않고 있으며 이로인해 단위 웨이퍼당 얻을 수 있는 넷다이(Net Die)의 개수에 제한을 받게 되고, 웨이퍼 에지의 과다 연마에 의한 어택으로 인해 여러가지 결함들이 발생되는 문제를 않고 있다.
또한 종래 슬러리 공급의 화학적 기계적 인며 공정의 경우 현재 1장의 웨이퍼에 200~ 300ml/분 정도의 슬러리가 소모되고 있으며 이중 20 ~ 30% 정도의 슬러리 만이 화학적 기계적 연마 공정에 참여한다. 그러나 연마 공정의 안정성 측면에서 공급되는 슬러리의 사용량을 자유롭게 감소 시킬 수 없으며 따라서 이에 따른 경제적 손실을 감수 할수 밖에 없다.
특히 현재 일반적으로 사용되는 화학적기계적연마용 슬러리의 경우 공정 진행후 연마 입자와 화학액이 혼합되어 있는 폐액이 발생되어, 한장의 웨이퍼에 대하여 3~4회 정도의 공정이 적용된다고 가정할 경우 2~4 리터 정도의 슬러리가 소비되며 하루 1000장의 웨이퍼 가공시 발생된느 폐슬러리의 양은 2000~4000리터나 되고 이를 처리하는데 별도의 비용이 소비된다는 문제점이 있다.
또한 현재의 일반적인 슬러리 공급방식을 사용하여 웨이퍼의 화학적 기계적 연마를 수행할 때, 오버폴리싱(overpolishing) 공정을 적용하는 한 웨이퍼 표면상에 형성된 이종 물질의 구조물간의 압력 불균일 분포, 연마입자의 함유량, 메탈을 화학적기계적 연마시에 산화제의 영향으로 발생되는 디싱(dishing)현상과 부식(erosion) 현상등을 피할 수 없게 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드 및 그를 제조하는 방법을 제공하고 이를 화학적기계적 연마에 사용하여 보다 효율적이고 저비용의 평탄화작업을 수행할 수 있는 연마패드 및 그 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 해결하기 위한 본 발명은 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드에 있어서, 연마되는 물질의 균일성을 위한 소프트레이어와 상기 소프트레이어 상에 상기 연마공정시 연마되는 물질의 평탄화를 위해 상기 하드레이어로 이루어진 기본패드, 및 상기 기본패드 상에 구비되며 상기 연마공정시 연마되는 물질의 제거를 위한 연마용 입자를 함침하는 소정량의 연마용 물질을 캡슐화한 다수의 1차 바인더와 상기 상기 1차 바인더를 묶어주는 2차 바인더를 구비하는 연마레이어를 포함하고, 상기 1차 바인더는 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 큰 수지를 사용하고, 상기 2차 바인더는 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 작은 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드를 제공한다.
또한 본 발명은 화학적기계적 연마공정을 위해 연마입자가 함침된 연마패드의 제조방법에 있어서, 연마되는 물질의 균일성을 위한 소프트레이어와 상기 소프트레이어 상에 상기 연마공정시 연마되는 물질의 평탄화를 위해 상기 하드레이어로 이루어진 기본패드를 형성하는 단계, 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 큰 수지를 사용한 1차 바인더와 용매의 혼합용액에 연마입자를 분산시키는 단계, 상기 연마입자를 분산시킨 혼합용액을 스프레잉방식으로 캡슐화된 연마입자를 형성하는 단계, 상기 캡슐화된 연마입자를 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 작은 수지를 사용한 2차 바인더와 혼합하여 균등질의 혼합용액을 형성하는 단계, 패드 표면에 상기 균등질의 혼합용액을 연마입자크기/농도 구배가 가능한 스크린프린트방식으로 코팅하고 경화시켜 연마레이어를 형성하는 단계, 및 상기 연마레이어를 상기 기본패드 상에 형성하는 단계를 포함하는 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드 제조방법를 제공한다.
본 발명은 화학적기계적 연마 공정에서 필요한 연마입자와 화학액의 공급방식을 현재 일반적으로 사용되는 외부슬러리 공급방식을 사용하는 대신 연마에 필요한 연마입자를 연마가 진행되는 연마패드에 미리 함침시켜 연마가 진행되는 과정에서 함침된 연마입자가 계속적으로 공급되도록 제조된 연마함침 패드에 관한 것이다.
이하, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드는 연마되는 입자를 제거하기 위해 캡슐화된 입자가 함침된 연마레이어와, 평탄화(Planarity)를 위한 하드레이어(Hard layer)와, 균일성(Uniformity)을 위해 소프트레이어(Soft layer)를 구비하고 있다. 즉, 소프트레이어, 하드레이어 및 연마레이어의 순서로 적층된 구조를 갖는다.
도2는 도1의 연마패드에서 캡슐화된 연마입자 레이어층을 나타내는 구성도이다.
도2를 참조하여 살펴보면, 연마용물질은 케미컬(chemical)에 의해 용해되는 1차바인더로 캡슐화되었으며, 이렇게 캡슐화된 입자들은 케미켈에 스웰링(swelling)되는 2차바인더에 의해 연마레이어로 형성된다.
화학적기계적 연마공정시에 공급되는 케미컬(chemical)에 의해 1차바인더가 용해되면서 연마입자가 도출되어 화학적기계적 연마공정에 참여하게 되며, 웨이퍼와 연마패드와의 마찰력으로 스웰링 현상에 의해 결합력이 약해진 연마레이어의 2차바인더 표층이 제거되고 그 다음층이 다시 화학적기계적 연마공정에 참여하게 되는 것이다.
도3은 도1의 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드의 제조공정도이다.
도3을 참조하여 살펴보면, 먼저 1차바인더와 용매를 혼합하여 혼합용액을 만든다. 이어서 혼합용액에 연마입자를 혼합시킨다.
여기서 1차 바인더는 연마물질의 저장소로 물에 용해되는 수지(resin)중에서 용해도가 큰 수지인 폴리에틸렌 글리콘(ethylene glycol) 또는 폴리비닐 알콜(vinyl alcohol)이나, 셀룰루우스(cellulose)계, 알카리(alkali)계열의 용해성 수지인 아크릴(acryl)계 또는 스티랜 아크릴(styrene-acryl)계 수지 및 이들의 혼합으로 이루어진 물질을 사용한다. 이 때 알콜계 용매를 사용하는 경우에는 용매의 혼합비율을 2:7에서 6:4정도의 범위로 조절한다.
또한, 연마제간의 결합력을 증진시켜 주기 위하여 물이나 알카리계의 용해성 폴리비닐 피롤리돈(pyrrolidone)등을 첨가하며, 연마제 기준으로 1 ~ 10wt% 정도의 범위로 조절한다.
또한 연마물질은 적용목적에 따라 퓸 실리카(fumed silica), 콜로이더 실리카(colloidal silica), 연마속도가 큰 세리아 연마제(ceria abrasive)등을 사용하교 1차바인더와의 혼합비는 연마기준 5 ~ 25wt%정도로 조절한다.
이어서 연마입자가 혼합된 혼합용액을 분산시킨 후, 스프레이 드라잉(spray drying) 방식으로 캡슐화된 연마입자를 형성한다. 이 때 폴리머형태의 캡슐이 연마입자를 둘러싸게 된다.
이어서 캡슐화된 연마입자를 2차바인더와 혼합하여 균등질의 혼합(homogeneous mixing) 용액을 제조한다.
여기서 2차 바인더는 연마제의 보조물질로서 물에 용해되는 수지중에서 용해성이 작은 수지를 사용하며, 용해를 제어하기 위해 아크릴 산(arrylic acid), PEG Acrylate, 기계적 특성을 제어하기 위하 우레탄 아크릴 산염(acrylate) 올리고머(oligomer) 또는 다기능 모노머(multi-functional monomer)를 사용한다.
이어서 패드표면에 2차바인딩된 연마입자를 코팅하고, 경화시켜 입자함침 패드를 제조한다. 이 때에 용해성 제어 수지(solubility control resin)와 기계적 특성 제어 수지(mechanical properties)의 혼합비를 3:7에서 7:4 정도로 조절한다.
연마입자가 캡슐화된 레이어는 균일성 특성을 위한 소프트레이어와 평탄화 특성을 위한 하드레이어가 적층된 스택 연마패드를 사용한다.
여기서 경화방식으로는 열경화형, UV경화형 또는 EB경화형의 경화방식을 사용한다.
도4는 스크린 프린팅 방법으로 연마 패드중심으로 부터 반경에 따른 연마입자 크기 구배나 농도 구배를 주기 위한 두가지 종류의 스크린 프린팅 마스크로 형성된 연마패드이다.
연마패드 표면에 2차바인더와 혼합된 캡슐화된 연마입자들은 코팅할 때 도4a및 도4b에 도시된 바와 같이 스크린 프린팅 방식으로 서로 다른 연마입자 크기와 농도를 가지는 두가지 조성의 혼합용액을 2개의 마스크를 사용하여 두번에 걸쳐 스크린 프린팅할 경우 입자 함침 패드의 중심에서부터 원하는 반경으로 연마 입자 크기의 구배나 농도의 구배를 구현할 수 있다.
연마공정시 웨이퍼를 내포하고 있는 헤드의 스윕(sweep) 간격에 맞게 입자함침 패드내의 연마입자 크기 구배나 농도 구배를 조절한다면 연마시에 중심부와 경계부분의 연마속도를 조절할 수 있다.
또한 여기서 입자 함침패드를 형성할 때 원하는 연마특성에 따라 마스크의 모양을 조절하여 단위 연마물질이 캡슐화된 레이어를 구형 또는 사각형등으로 조절하고, 단위 레이어의 크기도 다양하게 조절할 수 있다.
도5는 도1의 연마패드의 단면도 및 이를 이용한 연마공정도이다.
도5에 도시된 바와 같이, 연마패드의 바깥부분에는 연마속도가 느리게 입자크기/농도를 작게 하고, 연마패드의 안쪽부분(도우넛 형태 영역)에는 입자크기/농도를 크게 구성한 다음 웨이퍼의 평탄화를 위해 화학적기계적 연마공정을 실시하게 되면 웨이어의 중심부에는 연마속도를 빠르게, 웨이퍼의 주변부에는 연마속도를 느리게 하면서 공정을 진행 할 수 있다.
또한 상기의 화학적기계적 연마시 연마물질이 캡슐화된 레이어의 워터스웰링 또는 알카리 스웰링 특성을 개선시켜 주기 위해 DI(초순수)나 KOH등을 흘려주며 연마를 진행한다.
전술한 바와 같이 제조된 연마패드를 사용하여 화학적 기계적 연마를 진행할 경우 외부에서 따로 슬러리를 공급하지 않으므로 별도의 복잡한 슬러리 공급장치를 사용할 필요가 없으며, 연마공정 자체에 필요한 슬러리 소요량 이외로 소비되는 불필요한 슬러리 사용을 방지하여 경제적 손실을 막을 수 있고, 따라서 발생되는 페슬러리의 양도 감소되므로 페슬러리 처리 비용등을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
특히 입자 함침 패드의 제조시 패드의 중심을 기준으로 구간별로 연마 입자의 농도와 크기에 구배를 둘 경우 현재 일반적인 화학적 기계적 연마장치에서 발생되는 웨이퍼 에지 부식문제를 크게 완화시킬 수 있어 웨이퍼당 넷다이(Net Die) 수를 극대화 시킬 수 있으며, 이는 연마장비의 특별한 개조 없이도 웨이퍼 반경에 따른 연마비(rate)의 제어가 가능해진다는 장점이 생긴다.
또한 화학적기계적 연마의 디바이스 웨이어 적용후 나타나는 가장 큰 문제점중 하나인 디싱과 부식의 발생은 오버폴리싱(over polishing)이라는 공정이 없어지지 않는 한 피할 수 없는 결함이며, 최대한 발생량을 저감시키는 데 그 효과가 있다.
특히 디싱과 부식특성은 자유연마(free-abrasive)공정시 주로 발생하며 고정연마(fixed-abrasive)를 이용할 경우 그 발생양을 상당히 감소시킬 수 있으며, 이는 여러 가지 문헌에서 증명이 되고 있다. 이러한 디싱과 부식의 감소는 화학적기계적연마 가공에 참여한 연마제의 양을 감소시키는 방법과, 자유도가 무한대인 유리입자로서 결함 정도를 현재의 가공방식에서 어느 정도의 자유도를 구속시키는 고정 연마 패드를 사용하는 방법이 있다.
그러나, 일반적으로 화학적기계적연마 공정에 사용되는 실리카(SiO2)의 양을 감소시키는 방법은 연마속도의 저하를 초대할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 유리입자 대신 연마입자를 패드 표면에 부착하여 연마 입자의 자유도를 억제함으로써 디싱, 부식을 저감시키는 방법을 선택하였다.
현재 한장의 웨이퍼에 대해 3~4회 정도의 화학적기계적연마공정이적용 된다고 가정할 경우 2 ~ 4리터 정도의 슬러리가 소비된다.
그러나 본 발명에서 제안한 입자 함침 연마패드를 이용하여 화학적기계적연마공정을 실시하면, 반도체 장치 제조에 소요디는 슬러리의 사용을 60~70% 이하로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
현재 일반적으로 사용되는 화학적기계적연마 공정용 슬러리의 경우 공정 진행 후 연마입자와 화학액이 혼합되어 있는 폐액이 발생되나, 입자 함침패드를 사용할 경우 공급액이 초순수이거나 또는 순수 화학액이므로 처리비용이나 사용측면에서도 상당한 이점을 가지고 있다. 그리고 디싱이나 부식등의 표면가공 결함에 대하여서도 종전의 연마패드 사용시보다 20 ~ 30% 감소한 양호한 가공결과를 얻을 것으로 기대된다.
특히 입자함침 패드를 프린팅하는 과정에서 여러가지 모양의 마스크를 사용하여 입자함침패드 중심으로 부터 반경에 따른 연마입자의 크기나 농도 구배를 자유자재로 조절함으로써 화학적기계적 연마공정을 적용할 경우 필연적으로 발생되는 웨이퍼 에지의 과도 연마 현상을 방지/조절가능하게 되어 단위 웨이어당 넷다이 수를 증가시켜 전체공정의 수욜을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의해서 화학적기계적연마공정을 실시하면 슬러리양을 현저하게 줄일 수 있어, 제조비용을 줄일 수 있으며, 디싱현상과 부식현상이 제거되어 웨이어퍼의 수율 향상을 기대할 수 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드
도2는 도1의 연마패드에서 캡슐화된 연마입자 레이어층을 나타내는 구성도.
도3은 도1의 캡슐화된 연마입자를 가지는 연마패드의 제조공정도.
도4a 및 도4b는 스크린 프린팅 방법으로 연마 패드중심으로 부터 반경에 따른 연마입자 크기 구배나 농도 구배를 주기 위한 두가지 종류의 스크린 프린팅 마스크로 형성된 연마패드.
도5는 도1의 연마패드의 단면도 및 이를 이용한 연마공정도.
Claims (10)
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- 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드에 있어서,연마되는 물질의 균일성을 위한 소프트레이어와 상기 소프트레이어 상에 상기 연마공정시 연마되는 물질의 평탄화를 위해 상기 하드레이어로 이루어진 기본패드; 및상기 기본패드 상에 구비되며 상기 연마공정시 연마되는 물질의 제거를 위한 연마용 입자를 함침하는 소정량의 연마용 물질을 캡슐화한 다수의 1차 바인더와 상기 상기 1차 바인더를 묶어주는 2차 바인더를 구비하는 연마레이어를 포함하고,상기 1차 바인더는 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 큰 수지를 사용하고, 상기 2차 바인더는 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 작은 수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드.
- 제 3 항에 있어서,상기 1차 바인더는폴리에틸렌 글리콘, 폴리비닐 알콜, 셀룰루우스계, 알카리계열의 용해성 수지인 아크릴계, 스티랜 아크릴계 수지중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 화학적기계적연마공정을 위한 연마패드.
- 제 4 항에 있어서,상기 2차 바인더는,아크릴 산, PEG Acrylate, 우레탄 아크릴 산염, 올리고머, 다기능 모노머중에서 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 화학적기계적연마공정을 위한 연마패드.
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- 화학적기계적 연마공정을 위해 연마입자가 함침된 연마패드의 제조방법에 있어서,연마되는 물질의 균일성을 위한 소프트레이어와 상기 소프트레이어 상에 상기 연마공정시 연마되는 물질의 평탄화를 위해 상기 하드레이어로 이루어진 기본패드를 형성하는 단계;물에 용해되는 수지중에서 용해도가 큰 수지를 사용한 1차 바인더와 용매의 혼합용액에 연마입자를 분산시키는 단계;상기 연마입자를 분산시킨 혼합용액을 스프레잉방식으로 캡슐화된 연마입자를 형성하는 단계;상기 캡슐화된 연마입자를 물에 용해되는 수지중에서 용해도가 작은 수지를 사용한 2차 바인더와 혼합하여 균등질의 혼합용액을 형성하는 단계;패드 표면에 상기 균등질의 혼합용액을 연마입자크기/농도 구배가 가능한 스크린프린트방식으로 코팅하고 경화시켜 연마레이어를 형성하는 단계; 및상기 연마레이어를 상기 기본패드 상에 형성하는 단계를 포함하는 화학적기계적 연마공정을 위한 연마패드 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 1차 바인더는,폴리에틸렌 글리콘, 폴리비닐 알콜, 셀룰루우스계, 알카리계열의 용해성 수지인 아크릴계, 스티랜 아크릴계 수지중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 화학적기계적연마공정을 위한 연마패드 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 2차 바인더는,아크릴 산, PEG Acrylate, 우레탄 아크릴 산염, 올리고머, 다기능 모노머중에서 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하는 화학적기계적연마공정을 위한 연마패드 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 연마레이어를 형성하는 단계는,상기 기본 패드의 중심에서 일정거리 떨어진 도넛형태의 영역에 연마속도가 빠르게 연마입자크기/농도를 크게하여 제1연마레이어를 형성하는 단계; 및상기 도넛형태의 영역 이외의 영역에 연마속도가 느리게 상기 제1연마레이어에 비해 연마입자크기/농도를 작게 하여 제2연마레이어를 형성하는 단계를 포함하고,상기 제1연마레이어와 상기 제2연마레이어는 상기 연마입자크기/농도 구배가 가능한 스크린프린트방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적기계적연마공정을 위한 연마패드 제조방법.
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