KR100516657B1 - 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및이를 이용한 연마 방법 - Google Patents

반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및이를 이용한 연마 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연마 입자를 연마 패드에 함침시켜 연마 공정 중에 연마 입자가 지속적으로 공급되도록 함으로써 다성분계 슬러리 공급 장치를 사용할 필요가 없으며, 슬러리의 수명을 연장시키고 불필요한 슬러리의 사용을 방지할 수 있는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드는 소프트 레이어와, 상기 소프트 레이어 상부에 구비되는 하드 레이어 및 상기 하드 레이어 상부에 구비되는 입자 함침 레이어를 포함하되, 상기 입자 함침 레이어는 연마입자와, 상기 연마 입자를 바인딩하며 연마 공정시 공급되는 소정 화합물에 의하여 용해되는 제1 바인더 및 상기 제1 바인더를 바인딩하며 상기 제1 바인더가 용해되어 공급된 상기 연마 입자와 반도체 기판과의 마찰력에 의한 스웰링 현상에 의해 용해되는 제2 바인더를 더 포함한다.

Description

반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및 이를 이용한 연마 방법{ABRASIVE CAPSULATION PAD FOR FABRICATING SEMICONDUCTOR DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것으로서, 특히 연마 입자를 연마 패드에 함침시켜 연마 공정 중에 연마 입자가 지속적으로 공급되도록 함으로써 다성분계 슬러리 공급 장치를 사용할 필요가 없으며, 슬러리의 수명을 연장시키고 불필요한 슬러리의 사용을 방지할 수 있는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 반도체 소자의 소자 분리막을 형성하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 수행하는 경우 산화막과 패드 질화막의 연마 선택비를 증가시키기 위하여 산화막과 패드 질화막간의 연마 속도 차이가 큰 세리아 계열의 고선택도 슬러리를 사용한다. 그러나 세리아 계열의 연마제를 사용하는 경우, 입자간의 응집으로 인하여 침전 현상이 발생하고 이를 방지하기 위하여 기존의 장비대신에 침전을 방지할 수 있는 슬러리 침전 방지 장치를 사용해야 한다는 문제점이 있다.
또한, 세리아 계열의 연마제를 사용하는 경우, 산화막과 패드 질화막 사이의 연마 선택비를 증가시키는 화합물을 첨가하는데, 이러한 경우 다성분계 슬러리 공급 장치를 필요로 하며 세리아 연마 입자 간의 분산성에도 영향을 주어 슬러리의 수명을 감소시킨다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 슬러리 공급 장치의 종단에 세리아 연마제와 추가되는 화합물을 혼합하는 새로운 장치를 추가하는 것이 제안되었으나 이러한 장치를 추가하더라도 연마제와 추가 화합물의 혼합비를 정확하게 제어하거나 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.
세리아 계열의 연마제의 경우 산화막에 대한 연마 속도가 실리카 계열의 슬러리에 비하여 느리므로 연마 공정에 필요한 시간이 증가되므로 산화막만 연마되는 제1차 공정에는 실리카 계열의 슬러리를 사용하고, 산화막과 패드 질화막이 동시에 연마되는 제2차 공정에는 세리아 계열의 연마제를 사용하는 방법이 제안되었다. 그러나 이러한 방법은 실리카 계열의 슬러리와 세리아 계열의 연마제간의 pH차이에 의한 응집 등 슬러리간의 기본적인 특성의 차이로 인하여 결함이 발생할 가능성이 높고 서로 다른 platen에서 서로 다른 헤드를 사용하여 연마 공정을 수행하여야 하므로 공정이 복잡해지고 2개의 장비를 이용해야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 연마 입자를 연마 패드에 함침시켜 연마 공정 중에 연마 입자가 지속적으로 공급되도록 함으로써 연마 공중시에 별도로 슬러리를 공급할 필요가 없어 다성분계 슬러리 공급 장치를 사용할 필요가 없으며, 첨가 화합물에 의하여 슬러리의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있으며, 필요한 소요량 이외에 소요되는 불필요한 슬러리의 사용을 방지하여 비용을 절감하고 폐슬러리의 양을 감소시킬 수 있는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드와 그 제조 방법 및 이를 이용한 연마 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
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본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드는 소프트 레이어와, 상기 소프트 레이어 상부에 구비되는 하드 레이어 및 상기 하드 레이어 상부에 구비되는 입자 함침 레이어를 포함하되, 상기 입자 함침 레이어는 연마입자와, 상기 연마 입자를 바인딩하며 연마 공정시 공급되는 DI수 또는 염기 용액에 의하여 용해되는 제1 바인더 및 상기 제1 바인더를 바인딩하며 상기 제1 바인더가 용해되어 공급된 상기 연마 입자와 반도체 기판과의 마찰력에 의한 스웰링 현상에 의해 용해되는 제2 바인더를 더 포함하되, 상기 제2 바인더는 용해성을 제어하는 아크릴산 및 PEG 아크릴레이트 중 어느 하나와 기계적 성질을 제어하기 위한 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 다기능 모노머 중 어느 하나의 조합인 것을 특징으로 한다..본 발명에 따른 반도체 소자 제조 공정에 사용되는 평탄화된 소프트 레이어를 형성하는 단계와, 상기 소프트 레이어 상부에 하드 레이어를 형성하는 단계 및상기 하드 레이어 상부에 입자 함침 레이어를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 입자 함침 레이어를 형성하는 단계는 제1 바인더와 용매의 혼합 용액에 연마 입자를 분산시키는 단계와, 스프레이 건조 방식을 이용하여 상기 연마 입자가 분산된 혼합 용액을 건조시켜 바인딩된 연마 입자를 형성하는 단계와, 상기 바인딩된 연마 입자를 용해성을 제어하는 용해성 제어 레진인 아크릴산 및 PEG 아크릴레이트 중 어느 하나와 기계적 성질을 제어하기 위한 기계적 특성 제어 레진인 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 다기능 모노머 중 어느 하나의 조합으로 이루어진 제2 바인더와 혼합하여 균일 혼합 용액을 형성하는 단계와, 상기 균일 혼합 용액을 상기 하드 레이어 상부에 도포하는 단계 및 상기 도포된 균일 혼합 용액을 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 연마용 패드(10)는 패드(20)의 상부에 소프트 레이어(30), 하드 레이어(40) 및 입자 함침 레이어(50)를 구비하고 있다. 소프트 레이어(30)는 입자 함침 패드의 균일도를 확보하기 위한 층이며, 하드 레이어(40)는 평탄화 특성을 확보하기 위한 층이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드의 입자 함침 레이어(50)를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 입자 함침 레이어(50)는 연마 입자(60)와, 연마 입자(60)를 바인딩하는 제1 바인더(70) 및 제1 바인더(70)를 바인딩하는 제2 바인더(80)를 포함한다. 여기서, 연마 입자(60)는 산화막에 대한 연마속도는 크고 질화막에 대한 연마 선택비가 큰 세리아 계열의 연마제인 것이 바람직하며, 제1 바인더(70)는 연마 공정시 공급되는 물 또는 염기 용액 등의 화합물에 의하여 용해되며, 제2 바인더(80)는 제1 바인더(70)가 용해되어 도출된 연마 입자(60)와 반도체 기판과의 마찰력에 의한 스웰링 현상에 의해 용해된다. 구체적으로는, 제1 바인더(70)는 물 또는 염기 용액에 대한 용해 속도 및 용해도가 큰 수용성 레진인 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜 또는 셀룰로오즈 수지이거나 염기용성 레진인 아크릴 수지 또는 스티렌 아크릴 수지일 수 있으며, 이들의 조합일 수 있다. 또한 제2 바인더(80)는 물 또는 염기 용액에 대한 용해 속도 및 용해도가 작은 레진이 사용되며, 특히 용해도를 제어하기 위한 아크릴산 또는 PEG 아크릴레이트와 기계적 특성을 제어하기 위한 우레탄 아크릴레이트 올리고머 또는 다기능 모노머의 조합인 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드의 제조 방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
패드(20) 상부에 소프트 레이어(30), 하드 레이어(40) 및 입자 함침 레이어(50)를 순차적으로 형성한다. 입자 함침 레이어(50)를 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저 제1 바인더와 소정의 용매를 혼합하여 제조한 혼합 용액에 연마 입자(60)를 분산시킨 후 스프레이 건조 방식을 이용하여 연마 입자(60)가 분산된 혼합 용액을 건조시킨다. 상기 건조 공정에 의하여 연마 입자(60)들은 제1 바인더에 의하여 바인딩된다. 다음에는 바인딩된 연마 입자(60)를 제2 바인더와 혼합하여 균일 혼합 용액을 형성하고 상기 균일 혼합 용액을 하드 레이어(40) 상부에 도포한다. 그 다음에, 상기 도포된 균일 혼합 용액을 바람직하게는 열경화 공정, UV 경화 공정 또는 EB 경화 공정을 이용하여 경화시키면 본 발명에 의한 입자 함침 레이어(50)가 형성된다. 여기서, 연마 입자(60)는 산화막에 대한 연마속도는 크고 질화막에 대한 연마 선택비가 큰 세리아 계열의 연마제인 것이 바람직하며, 상기 연마 입자(60)가 분산된 혼합 용액은 제1 바인더(70)를 세리아 계열 연마제 질량의 5 내지 25%에 해당하는 질량만큼 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 용매는 알콜계 용매이며, 용매와 연마 입자의 질량 비율이 2:7 내지 6:4 인 것이 바람직하다. 연마 입자를 제1 바인더(70)에 의하여 바인딩하는 경우, 연마 입자 간의 결합력을 증가시키기 위하여 연마 입자 질량의 1 내지 10%에 해당하는 질량의 비닐 파이로리돈을 혼합하는 것이 바람직하다.
제1 바인더(70)는 물 또는 염기 용액에 대한 용해 속도 및 용해도가 큰 수용성 레진인 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜 또는 셀룰로오즈 수지이거나 염기용성 레진인 아크릴 수지 또는 스티렌 아크릴 수지일 수 있으며, 이들의 조합일 수 있다. 또한 제2 바인더(80)는 물 또는 염기 용액에 대한 용해 속도 및 용해도가 작은 레진이 사용되며, 특히 용해도를 제어하기 위한 아크릴산 또는 PEG 아크릴레이트와 기계적 특성을 제어하기 위한 우레탄 아크릴레이트 올리고머 또는 다기능 모노머의 조합인 것이 바람직하며 용해도 제어 레진과 기계적 특성 제어 레진의 비율은 3:7 내지 7:4인 것이 바람직하다.
도 3a 및 도 3b는 균일 혼합 용액을 하드 레이어 상부에 도포하는 방법 중 스크린 프린팅 방법을 도시한 평면도들이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 스크린 프린팅 공정은 입자 함침 패드의 중심으로부터의 거리에 따라 상기 연마 입자의 크기 및 상기 도포되는 균일 혼합 용액의 농도를 조절할 수 있도록 1개 이상의 마스크를 이용한다. 즉, 먼저 마스크(120)를 이용하여 영역(100, 110)에 입자 함침 레이어를 형성하고, 마스크(130)를 이용하여 영역(140)에 입자 함침 레이어를 형성한다. 예를 들면, 영역(100, 110)에는 입자 크기가 작고 농도가 낮아 연마 속도가 느린 입자 함침 레이어를 형성하고, 영역(140)에는 입자 크기가 크고 농도가 커서 연마 속도가 빠른 입자 함침 레이어를 형성하면 연마 공정시 연마 속도를 조절할 수 있다. 또한 원형뿐만이 아니라 다양한 모양(예를 들면 사각형) 및 크기의 마스크를 이용하여 입자 함침 레이어의 크기 및 모양을 조절할 수 있다.
다음에는, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드를 이용하여 연마 공정을 수행하는 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 입자 함침 패드는 특히 반도체 소자의 소자 분리막 제조 공정에서 갭-필 산화막과 패드 질화막 연마 공정에 이용하는 것이 바람직하다. 먼저 트렌치를 매립하는 갭-필 산화막과 본 발명에 따른 입자 함침 패드의 입자 함침 레이어가 접촉하도록 위치시키고 제1 바인더를 용해시키는 화합물을 첨가하면서 갭-필 산화막을 연마한다. 산화막만 연마하는 공정에서는 제1 바인더를 용해시키는 화합물인 DI수(De-ionized Water) 또는 KOH와 같은 염기를 첨가한다. 제1 바인더가 용해되면 연마 입자들이 공급되게 되고 이러한 연마 입자와 산화막과의 마찰력에 의한 스웰링 현상에 의해 제2 바인더가 용해되며, 제2 바인더가 용해되면 복수개의 바인딩된 연마 입자의 층으로 이루어진 입자 함침 레이어의 하부층의 제1 바인더가 용해되어 연마 입자가 공급되는 프로세스가 반복된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드 및 그 제조 방법은 연마 입자를 연마 패드에 함침시켜 연마 공정 중에 연마 입자가 지속적으로 공급되도록 함으로써 연마 공중시에 별도로 슬러리를 공급할 필요가 없어 다성분계 슬러리 공급 장치를 사용할 필요가 없으며, 첨가 화합물에 의하여 슬러리의 수명을 단축되는 것을 방지할 수 있으며, 필요한 소요량 이외에 소요되는 불필요한 슬러리의 사용을 방지하여 비용을 절감하고 페슬러리의 양을 감소시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 반도체 소자용 입자 함침 패드를 이용한 연마 공정은 다중 단계로 이루어진 연마 공정을 하나의 장비에서 연속적으로 수행할 수 있으며, 입자 함침 패드 형성시 스크린 프린팅 방식을 이용하여 임자 함침 패드 상에 연마 입자의 크기, 농도 및 배치를 자유롭게 할 수 있어 연마 공정시 웨이퍼의 중심으로부터의 거리에 따른 연마 속도 차이를 조절할 수 있어 웨이퍼 가장자리 부분의 과도한 연마를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드의 입자 함침 레이어를 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 균일 혼합 용액을 하드 레이어 상부에 도포하는 방법 중 스크린 프린팅 방법을 도시한 평면도들.

Claims (20)

  1. 반도체 소자 제조 공정에 사용되는 입자 함침 패드에 있어서,
    소프트 레이어;
    상기 소프트 레이어 상부에 구비되는 하드 레이어; 및
    상기 하드 레이어 상부에 구비되는 입자 함침 레이어
    를 포함하되,
    상기 입자 함침 레이어는
    연마입자와,
    상기 연마 입자를 바인딩하며 연마 공정시 공급되는 DI수 또는 염기 용액에 의하여 용해되는 제1 바인더 및
    상기 제1 바인더를 바인딩하며 상기 제1 바인더가 용해되어 공급된 상기 연마 입자와 반도체 기판과의 마찰력에 의한 스웰링 현상에 의해 용해되는 제2 바인더를 더 포함하되, 상기 제2 바인더는 용해성을 제어하는 아크릴산 및 PEG 아크릴레이트 중 어느 하나와 기계적 성질을 제어하기 위한 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 다기능 모노머 중 어느 하나의 조합인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 입자는 세리아 계열의 연마제인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 바인더는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 셀룰로오즈 수지, 아크릴 수지, 스티렌 아크릴 수지 및 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 입자 함침 패드.
  4. 삭제
  5. 반도체 소자 제조 공정에 사용되는 입자 함침 패드 제조 방법에 있어서,
    평탄화된 소프트 레이어를 형성하는 단계;
    상기 소프트 레이어 상부에 하드 레이어를 형성하는 단계; 및
    상기 하드 레이어 상부에 입자 함침 레이어를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 입자 함침 레이어를 형성하는 단계는
    제1 바인더와 용매의 혼합 용액에 연마 입자를 분산시키는 단계와,
    스프레이 건조 방식을 이용하여 상기 연마 입자가 분산된 혼합 용액을 건조시켜 바인딩된 연마 입자를 형성하는 단계와,
    상기 바인딩된 연마 입자를 용해성을 제어하는 용해성 제어 레진인 아크릴산 및 PEG 아크릴레이트 중 어느 하나와 기계적 성질을 제어하기 위한 기계적 특성 제어 레진인 우레탄 아크릴레이트 올리고머 및 다기능 모노머 중 어느 하나의 조합으로 이루어진 제2 바인더와 혼합하여 균일 혼합 용액을 형성하는 단계와,
    상기 균일 혼합 용액을 상기 하드 레이어 상부에 도포하는 단계 및
    상기 도포된 균일 혼합 용액을 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연마 입자는 세리아 계열의 연마제인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연마 입자가 분산된 혼합 용액은 상기 세리아 계열 연마제 질량의 5 내지 25%에 해당하는 질량의 상기 제1 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 용매는 알콜계 용매인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합 용액의 용매와 상기 연마 입자의 질량 비율이 2:7 내지 6:6 인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 바인딩된 연마 입자를 형성하는 단계는 연마 입자 질량의 1 내지 10%에 해당하는 질량의 비닐 파이로리돈을 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 바인더는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 셀룰로오즈 수지, 아크릴 수지, 스티렌 아크릴 수지 및 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 용해성 제어 레진과 기계적 특성 제어 레진의 비율은 3:7 내지 7:4인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 균일 혼합 용액을 상기 하드 레이어 상부에 도포하는 단계는 스크린 프린팅 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 스크린 프린팅 공정은 상기 입자 함침 패드의 중심으로부터의 거리에 따라 상기 연마 입자의 크기 및 상기 도포되는 균일 혼합 용액의 농도를 조절할 수 있도록 1개 이상의 마스크를 이용하는 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 도포된 균일 혼합 용액을 경화시키는 단계는 열경화 공정, UV 경화 공정 및 EB 경화 공정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입자 함침 패드 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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