KR100521368B1 - Chemical mechanical polishing apparatus for manufacturing semiconductor devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 제조에 사용되는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 플레이튼, 상기 플레이튼 상에 부착되는 연마 패드, 그리고 상기 연마 패드 상부로 수직 이동하면서 푸싱 및 회전을 하며, 반도체 대상물을 흡착 고정하여 연마하는 폴리싱 헤드를 구비하며, 상기 플레이튼과 상기 연마 패드의 중심부에는 공정진행 중 발생된 슬러리가 배출되는 홀이 형성된다. 또한, 상기 연마 패드를 향해 고압의 유체를 분사하는 노즐이 상기 홀을 통해 삽입되며, 상기 노즐은 상기 홀보다 작은 직경을 가진다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a chemical mechanical polishing apparatus for use in the manufacture of semiconductor devices, wherein the apparatus is pushed and rotated while moving vertically over a platen, a polishing pad attached to the platen, and the polishing pad, And a polishing head for adsorbing and fixing the polishing head, and a hole through which the slurry generated during the process is discharged is formed in the center of the platen and the polishing pad. In addition, a nozzle for injecting a high pressure fluid toward the polishing pad is inserted through the hole, the nozzle having a diameter smaller than the hole.
상술한 구조를 가진 본 발명인 CMP장치에 의하면 상기 연마 패드의 중심부로 흐르는 공정에 사용된 슬러리를 용이하게 배출할 수 있을 뿐 아니라, 상기 연마 패드 상에 잔류하는 슬러리를 상기 연마 패드 밖으로 밀어낼 수 있어, 잔류하는 슬러리에 의해 웨이퍼에 미세긁힘이 발생되는 것을 방지할 수 있다.According to the CMP apparatus of the present invention having the structure described above, the slurry used in the process flowing to the center of the polishing pad can be easily discharged, and the slurry remaining on the polishing pad can be pushed out of the polishing pad. It is possible to prevent fine scratches from occurring on the wafer due to the remaining slurry.
Description
본 발명은 반도체 웨이퍼를 제조하는 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적, 기계적으로 연마하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor wafer, and more particularly to an apparatus for chemically and mechanically polishing a surface of a semiconductor wafer.
최근, 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마 공정이 필수적으로 포함된다. 이러한 연마공정을 수행하기 위한 다양한 연마 방법들이 제시되고 있으며, 이들 중 웨이퍼를 화학적, 그리고 기계적인 연마를 동시에 실시하는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP)장치가 널리 사용된다.In recent years, the structure of semiconductor devices has been multilayered with high integration. Accordingly, a polishing process for planarizing each layer of the semiconductor wafer is essentially included in the manufacturing process of the semiconductor device. Various polishing methods for performing such a polishing process have been proposed, and among them, a chemical mechanical polishing (CMP) apparatus for chemically and mechanically polishing a wafer is widely used.
기계적 연마는 회전하는 연마 패드 위에 웨이퍼를 위치시킨 상태에서 웨이퍼에 소정의 하중을 가하며 웨이퍼를 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제인 슬러리(slurry)에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다. Mechanical polishing is the polishing of the wafer surface by friction between the polishing pad and the wafer surface by rotating the wafer while applying the predetermined load to the wafer while the wafer is placed on the rotating polishing pad. The surface of the wafer is polished by a slurry, which is a chemical abrasive supplied between the wafers.
일반적인 CMP장치를 보여주는 도 1을 참조하면, CMP 장치(1)는 연마 패드(20)와 웨이퍼의 연마면이 상기 연마 패드를 향하도록 웨이퍼를 장착하는 폴리싱 헤드(30)를 구비한다. 상기 폴리싱 헤드(30)는 상기 연마 패드(20)에 대향해 웨이퍼의 후면을 가압하며, 이와 동시에 도 2a에서 보는 바와 같이 상기 폴리싱 헤드(30)가 자신의 회전축을 가지고 회전하고 상기 연마 패드(20)가 장착된 플레이튼(10)이 회전되거나, 도 2b에서 보는 바와 같이 상기 플레이튼(10)은 고정되고 상기 폴리싱 헤드(30)가 상기 플레이튼(10)의 중심축을 기준으로 상기 연마 패드(20) 상에서 회전하게 된다. Referring to FIG. 1 showing a typical CMP apparatus, the CMP apparatus 1 includes a polishing pad 20 and a polishing head 30 for mounting a wafer so that the polishing surface of the wafer faces the polishing pad. The polishing head 30 presses the back surface of the wafer against the polishing pad 20, and at the same time the polishing head 30 rotates with its own rotation axis as shown in FIG. 2A and the polishing pad 20 ) Or the platen 10 mounted thereon is rotated, or as shown in FIG. 2B, the platen 10 is fixed and the polishing head 30 is rotated with respect to the center axis of the platen 10. 20).
상술한 일반적인 CMP 장치(1)를 사용하면, 공정진행 중 슬러리가 상기 연마 패드(20)상에 형성된 홈(22)에 고인 상태에서 외부로 용이하게 빠져나가지 못하게 되는 경우가 많다. 또한, 도 2b와 같이 상기 연마 패드(20)가 회전되지 않는 경우에는 상기 연마 패드(20) 중심부로 이동된 슬러리가 외부로 배출되지 않고 누적되고, 결과적으로 굳어지게 된다. 상기 연마 패드(20) 상부에 잔존하는 슬러리들은 웨이퍼에 미세긁힘(micro scratch)을 발생시키고, 이로 인해 수율이 낮아지게 된다.When the general CMP apparatus 1 described above is used, the slurry is often prevented from easily escaping to the outside while the slurry is stuck in the groove 22 formed on the polishing pad 20 during the process. In addition, when the polishing pad 20 is not rotated as shown in FIG. 2B, the slurry moved to the center of the polishing pad 20 accumulates without being discharged to the outside, and consequently becomes solidified. Slurries remaining on the polishing pad 20 generate micro scratches on the wafer, thereby lowering the yield.
본 발명은 패드 상에 잔존하는 슬러리들을 패드로부터 용이하게 제거할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a chemical mechanical polishing apparatus capable of easily removing slurry remaining on a pad from a pad.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 화학적 기계적 연마 장치(이하, "CMP 장치")는 플레이튼, 상기 플레이튼 상에 부착되는 연마 패드, 그리고 상기 연마 패드 상부로 수직 이동하면서 푸싱 및 회전을 하며, 반도체 대상물을 흡착 고정하여 연마하는 폴리싱 헤드를 구비하며, 상기 플레이튼과 상기 연마 패드의 중심부에는 공정진행 중 발생된 슬러리가 배출되는 홀이 형성된다.In order to achieve the above object, the chemical mechanical polishing apparatus (hereinafter referred to as "CMP apparatus") of the present invention is pushed and rotated while moving vertically over the platen, the polishing pad attached to the platen, and the polishing pad. And a polishing head for adsorption-fixing and polishing the semiconductor object, and a hole through which the slurry generated during the process is discharged is formed in the center of the platen and the polishing pad.
또한, 상기 연마 패드를 향해 고압의 유체를 분사하는 노즐이 상기 홀을 통해 삽입되며, 상기 노즐은 상기 홀보다 작은 직경을 가진다.In addition, a nozzle for injecting a high pressure fluid toward the polishing pad is inserted through the hole, the nozzle having a diameter smaller than the hole.
상기 노즐은 상기 연마 패드로부터 노출된 측면에는 복수의 분사홀들을 가지며, 상기 복수의 분사홀들은 사방으로 상기 유체가 분사되도록 상기 노즐 측면에 균일하게 형성되고, 상기 노즐로부터 근거리인 부분부터 원거리인 부분까지 상기 연마 패드 상에 상기 유체를 분사하기 위해 복수의 층을 이루도록 형성된다.The nozzle has a plurality of injection holes on the side surface exposed from the polishing pad, the plurality of injection holes are uniformly formed on the side of the nozzle so that the fluid is injected in all directions, the portion that is far from the near portion from the nozzle Is formed to form a plurality of layers to inject the fluid onto the polishing pad until.
상술한 구조를 가진 본 발명인 CMP장치에 의하면 상기 연마 패드의 중심부로 흐르는 공정에 사용된 슬러리를 용이하게 배출할 수 있을 뿐 아니라, 상기 연마 패드 상에 잔류하는 슬러리를 상기 연마 패드 밖으로 밀어낼 수 있어, 잔류하는 슬러리에 의해 웨이퍼에 미세긁힘이 발생되는 것을 방지할 수 있다.According to the CMP apparatus of the present invention having the structure described above, the slurry used in the process flowing to the center of the polishing pad can be easily discharged, and the slurry remaining on the polishing pad can be pushed out of the polishing pad. It is possible to prevent fine scratches from occurring on the wafer due to the remaining slurry.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 3 내지 도 4를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 3 to 4. In the drawings, the same reference numerals are given to components that perform the same function.
본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.The embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Therefore, the shape of the elements in the drawings are exaggerated to emphasize a clearer description.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 CMP장치의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 선 A-A를 따라 절단한 단면도이며, 도 3c는 연마 패드의 평면도이다.Figure 3a is a perspective view of a CMP apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 3b is a cross-sectional view taken along the line A-A of Figure 3a, Figure 3c is a plan view of the polishing pad.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명인 CMP 장치는 플레이튼(PLATEN)(10), 연마 패드(POLISHING PAD)(20), 폴리싱 헤드(POLISHING HEAD)(30), 슬러리 공급부(SLURRY SUPPLY PART)(40), 그리고 배출부(DISCHARGE PART)(50)를 구비한다.3A and 3B, the present inventors CMP apparatus is a platen 10, a polishing pad 20, a polishing head 30, a slurry supply part SLURRY SUPPLY PART 40, and a discharge part (DISCHARGE PART) 50.
상기 플레이튼(10)은 평탄한 상부면을 가지는 원통의 형상을 가진다. 상기 플레이튼(10)의 상부에는 상기 연마 패드(20)가 부착된다. 상기 연마 패드(20)는 상기 플레이튼(10)과 동일한 크기의 표면을 가진다. 상기 연마 패드(20)의 상부표면에는 동심원의 형상으로 홈이 형성된다. 상기 폴리싱 헤드(30)는 웨이퍼(도시되지 않음)의 연마면이 상기 연마 패드(20)를 향하도록 상기 웨이퍼를 흡착 고정하기 위한 것으로, 상기 웨이퍼를 상기 연마 패드(20)에 가압한다. 가압과 함께, 상기 폴리싱 헤드(30)는 상기 연마 패드(20)의 중심축을 중심으로 회전된다. 상기 슬러리 공급부(40)는 상기 웨이퍼의 연마면이 슬러리와의 화학적 작용에 의해 연마가 되도록 슬러리를 공급하기 위한 부분으로, 상기 연마 패드(20)상에 복수의 홀(22)로서 형성된다. 그러나 이와 달리 연마패드와 소정거리 이격되도록 상기 연마 패드(20) 상부에 슬러리 공급관을 설치할 수 있다. The platen 10 has a cylindrical shape having a flat top surface. The polishing pad 20 is attached to the upper portion of the platen 10. The polishing pad 20 has a surface the same size as the platen 10. Grooves are formed in the shape of concentric circles on the upper surface of the polishing pad 20. The polishing head 30 is for fixing the wafer so that the polishing surface of the wafer (not shown) faces the polishing pad 20, and presses the wafer against the polishing pad 20. With pressing, the polishing head 30 is rotated about the central axis of the polishing pad 20. The slurry supply part 40 is a part for supplying a slurry such that the polishing surface of the wafer is polished by chemical action with the slurry, and is formed as a plurality of holes 22 on the polishing pad 20. However, unlike this, a slurry supply pipe may be installed on the polishing pad 20 so as to be spaced apart from the polishing pad by a predetermined distance.
상기 폴리싱 헤드(30)는 상기 연마 패드(20)의 가장자리부를 따라 회전되며, 대략 직경 20mm 정도의 중심부에는 접촉되지 않는다. 따라서, 사용후 상기 연마 패드(20)의 중심부로 이동된 슬러리는 상기 연마 패드(20)의 외부로 배출되지 못하고, 시간이 지남에 따라 계속 누적되어 굳어지게 된다. The polishing head 30 is rotated along the edge of the polishing pad 20 and is not in contact with a central portion having a diameter of about 20 mm. Therefore, after use, the slurry moved to the center of the polishing pad 20 is not discharged to the outside of the polishing pad 20, and continues to accumulate and harden over time.
본 발명인 CMP장치(1)는 상술한 상기 연마 패드(20)의 중심부로 이동된 슬러리를 배출하기 위한 배출부(50)를 가진다. 상기 배출부(50)는 상기 연마 패드(20)와 상기 플레이튼(10)의 중심부에 형성된 배출홀(52)과 상기 배출홀(52)과 연결된 배관(54)으로 이루어진다. The CMP apparatus 1 according to the present invention has a discharge portion 50 for discharging the slurry moved to the center of the polishing pad 20 described above. The discharge part 50 includes a discharge hole 52 formed in the center of the polishing pad 20 and the platen 10 and a pipe 54 connected to the discharge hole 52.
공정에 사용된 슬러리 중 일부는 상기 연마 패드(20)로부터 흘러 나가지 않고 상기 연마 패드(20) 상에 잔존하게 된다. 본 발명인 CMP장치(1)는 상기 연마 패드(20)에 부착된 슬러리를 상기 연마패드 밖으로 밀어내기 위해 상기 연마 패드(10) 상으로 고압의 탈이온수를 분사하는 노즐(NOZZLE)(60)을 가진다. 도 4a는 상기 노즐이 설치된 본 발명인 CMP장치의 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 플레이튼과 노즐의 단면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 노즐(60)은 상기 배출홀(52)보다 작은 직경을 가지며, 상기 배출홀(52)을 통해 삽입된다. 상기 노즐(60)이 상기 배출홀(52)보다 작은 것은, 상기 배출홀(52)이 상술한 상기 연마 패드(10)의 중심부로 이동되는 슬러리를 배출하는 배출부로서 기능하기 위한 것이다.Some of the slurry used in the process remains on the polishing pad 20 without flowing out of the polishing pad 20. The CMP apparatus 1 of the present invention has a nozzle (NOZZLE) 60 for injecting high-pressure deionized water onto the polishing pad 10 to push the slurry attached to the polishing pad 20 out of the polishing pad. . Fig. 4A is a perspective view of the CMP apparatus of the present invention provided with the nozzle, and Fig. 4B is a sectional view of the platen and nozzle of Fig. 4A. 4A and 4B, the nozzle 60 has a smaller diameter than the discharge hole 52 and is inserted through the discharge hole 52. The nozzle 60 is smaller than the discharge hole 52 to serve as a discharge part for discharging the slurry that the discharge hole 52 is moved to the center of the polishing pad 10 described above.
상기 노즐(60)의 측면중 상기 배출홀(52)을 통해 상기 연마 패드(20)의 상부표면 위로 노출된 부분에는 복수의 분사홀들(62)이 형성된다. 상기 분사홀(62)은 상기 노즐(60) 측면에 복수의 층을 이루면서 균일한 간격으로 형성된다. 따라서 탈이온수는 연마 패드(20)의 모든 방향으로 균일하게 분사될 뿐 아니라, 상기 노즐로부터 원거리 뿐 아니라 근거리에도 균일하게 분사한다. A plurality of injection holes 62 are formed in a portion of the side surface of the nozzle 60 exposed to the upper surface of the polishing pad 20 through the discharge hole 52. The injection holes 62 are formed at uniform intervals while forming a plurality of layers on the side of the nozzle 60. Therefore, deionized water is not only uniformly sprayed in all directions of the polishing pad 20, but is uniformly sprayed not only from a distance but also from the nozzle.
따라서, 본 발명인 CMP 장치(1)에 의하면 상기 노즐(60)로부터 분사된 고압의 탈이온수에 의하여 상기 연마 패드(20)상에 잔존하는 슬러리를 외부로 밀어낼 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연마 패드(20)의 중심부로 흐르는 슬러리를 상기 연마 패드(20)의 중앙에 형성된 상기 배출홀(52)을 통해 배출할 수 있어, 상기 연마 패드(20)에 슬러리가 잔존하는 것을 방지할 수 있다.Therefore, according to the CMP apparatus 1 of the present invention, not only the slurry remaining on the polishing pad 20 can be pushed out by the high-pressure deionized water injected from the nozzle 60, but also the polishing pad ( 20, the slurry flowing to the center portion of the polishing pad 20 may be discharged through the discharge hole 52 formed in the center of the polishing pad 20 to prevent the slurry from remaining in the polishing pad 20.
본 실시예에서는 폴리싱 헤드가 연마패드의 중심축을 중심으로 회전하고, 플레이튼은 회전되지 않는 타입의 CMP장치를 예로 들어 설명하였다. 그러나 이것은 일예에 불과하며 본 발명의 기술적 사상은 폴리싱 헤드가 그 자신의 중심축을 기준으로 회전하고 플레이튼이 회전하는 타입과 같은 모든 CMP장치에 사용될 수 있다.In the present embodiment, the polishing head rotates about the central axis of the polishing pad, and the platen is described as an example of the type of CMP apparatus. However, this is merely an example and the technical idea of the present invention can be used in all CMP apparatuses such as a type in which the polishing head rotates about its own central axis and the platen rotates.
본 발명에 의하면, CMP장치는 중심부에 배출홀을 가진 연마 패드 및 플레이튼을 구비하므로, 연마 패드의 중심부로 흐르는 공정에 사용된 슬러리를 용이하게 배출할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since the CMP apparatus has a polishing pad and a platen having a discharge hole at the center thereof, there is an effect of easily discharging the slurry used in the process flowing to the center of the polishing pad.
또한, 본 발명에 의하면, CMP장치는 중심부에 사방으로 고압의 탈이온수를 분사하는 노즐을 구비하므로, 연마 패드 상에 잔류하는 슬러리를 연마 패드 밖으로 밀어낼 수 있어, 잔류하는 슬러리에 의해 웨이퍼에 미세긁힘이 발생되는 것을 방지할 수 있다.In addition, according to the present invention, since the CMP apparatus has a nozzle for injecting high-pressure deionized water in all directions at the center, the slurry remaining on the polishing pad can be pushed out of the polishing pad, and the remaining slurry is fine on the wafer. Scratches can be prevented from occurring.
도 1은 일반적인 화학 기계적 장치를 개략적으로 보여주는 사시도;1 is a perspective view schematically showing a general chemical mechanical device;
도 2a 및 도 2b는 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 동작을 각각 보여주는 도면;2A and 2B show the operation of a typical chemical mechanical polishing apparatus, respectively;
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 사시도;3A is a perspective view of a chemical mechanical polishing apparatus according to one preferred embodiment of the present invention;
도 3b는 도 3a의 선 A-A를 따라 절단한 단면을 보여주는 단면도;3B is a cross sectional view taken along a line A-A of FIG. 3A;
도 3c는 도 3a의 연마 패드의 평면도;3C is a top view of the polishing pad of FIG. 3A;
도 4a는 화학 기계적 연마 장치의 다른 예를 보여주는 사시도;그리고4A is a perspective view showing another example of a chemical mechanical polishing apparatus; and
도 4b는 도 4a의 선 B-B를 따라 절단한 단면도이다.4B is a cross-sectional view taken along the line B-B of FIG. 4A.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of drawing
10 : 플레이튼 20 : 연마 패드10: platen 20: polishing pad
30 : 폴리싱 헤드 40 : 슬러리 공급부30: polishing head 40: slurry supply unit
50 : 배출부 52 : 배출홀50: discharge portion 52: discharge hole
54 : 배관 60 : 노즐54: piping 60: nozzle
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