KR100532553B1 - 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그장치 - Google Patents

반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 방법은, 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하여 반사된 분광간섭신호를 측정하는 단계와, 기 설정된 기준분광신호와 반사된 분광간섭신호 간의 광량을 비교연산 처리하여 조정된 분광간섭신호를 추출하는 단계와, 상기 분광간섭신호를 중앙처리장치부의 논리회로에 의해 로직연산 처리하여 잡음을 제거한 분광간섭신호를 추출하는 단계와, 상기 분광간섭신호의 특정기준점에 대한 파장 값을 추출하는 단계와, 막층 두께 계산식에 의해 상기 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 두께 변화 값을 연산 처리하는 단계와, 산출된 두께 변화 값이 상기 분광간섭신호 파형의 특정 추적 시작점의 두께에 도달하였는가를 비교하는 단계와, 상기 두께 변화 값이 설정 두께 값에 도달한 경우에 상기 분광간섭신호의 파장값을 검출하는 단계와, 기 설정된 추적 종료점의 파장 값과 검출된 파장값이 상기 설정 파장 값에 도달하였는가를 비교하는 단계와, 상기 검출된 파장값이 상기 설정 파장 값에 도달한 경우에 엔드포인트를 감지하고 웨이퍼 연마공정을 종료하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치{Method and apparatus for detecting polishing end point of semiconductor wafer}
본 발명은 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 웨이퍼 표면의 막층을 소정 두께로 연마할 때 그 연마공정의 종료시점을 광학적인 방식에 의해 검출함에 있어서 종전의 경우에서와 같이 빛의 반사강도에 의존하지 않고 빛의 간섭현상 자체를 이용하여 웨이퍼의 막 두께 변화를 감지함으로써 연마공정중의 정확한 엔드포인트를 검출할 수 있게 한 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조공정 중에는, 반도체 디바이스의 고밀도화를 실현하기 위하여 웨이퍼 표면에 유전체나 도체로 작용할 수 있는 배선층을 다수 적층 형성하기 위한 화학기상증착(CVD ; Chemical Vaporization Deposition) 공정과, 기계적 연마 및 화학적 반응작용을 통해 웨이퍼 표면의 다수 배선층간 단차를 제거하기 위한 기계-화학적 연마(CMP ; Chemical Mechanical Polishing) 공정이 포함된다.
상기 CMP 공정은 이러한 반도체 디바이스의 고밀도화, 미세화 및 배선구조의 다층화에 따라 웨이퍼 표면상에 증가된 표면 단차를 제거하기 위한 고정밀성을 요하는 평탄화 방법 중의 하나로서, 근자에 개발된 보편화된 미세 가공기술이며, 현재에도 이에 관한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
CMP 기술의 원리는 웨이퍼를 연마패드(탄성 연마포) 표면 위에 접촉되도록 한 상태에서 연마액(Slurry)을 공급하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 상기 연마패드가 부착된 플래튼(연마테이블)(Platen, Polishing Table)과 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼캐리어(연마헤드)(Wafer Carrier, Polishing Head)를 상대 운동시켜 물리적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하는 것이다. 즉, 상기 플래튼이 단순 회전운동을 하고, 웨이퍼캐리어가 동시에 회전 및 요동운동을 하면서 일정한 압력으로 가압됨에 따라 상기 웨이퍼가 그 연마패드와 슬러리에 의해서 연마되는 것이며, 본 연마공정을 진행함에 있어서는 연마속도(Removal Rate)와 평탄화도(Nonuniformity Rate)가 중요하게 작용하며, 이것들은 장비의 공정조건, 슬러리 종류 및 패드 종류 등에 의해 결정된다.
도 1은 일반적인 반도체 웨이퍼 표면연마장비(CMP 장비)중 연마장치부(10)의 개략적인 구조를 보여주고 있다.
상기 도면을 참조하여 그 구조를 간단히 설명하면, 상기 CMP 연마장치부(10)는, 상면에 연마패드(12)가 부착된 회전 가능한 플래튼(11)과, 상기 연마패드(12)와 웨이퍼(1) 표면이 상호 접촉될 수 있도록 웨이퍼(1)를 파지한 상태로 하향 가압 및 회전되는 웨이퍼캐리어(13)와, 상기 연마패드(12) 상에 슬러리(2)를 공급하기 위한 슬러리 공급노즐(14)과, 상기 연마패드(12)의 연마능력을 지속적으로 유지할 수 있도록 연마패드(12) 표면이 변형되거나 오염되지 않게 드레싱해주는 컨디셔너(16a)를 파지하여 회전시켜주는 컨디셔너캐리어(16) 등으로 구성되어 있다. 상기 도면중 13a는 진공흡착에 의하여 웨이퍼(1)를 수용하는 연마헤드, 13b는 웨이퍼(1)를 파지하기 위한 리테이너링을 나타낸 것이며, 웨이퍼(1)는 상기 연마헤드(13a)의 저면 상에 표면장력 또는 진공 흡착되는 방식으로 고정된다.
이러한 구조에 의해, 상기 웨이퍼캐리어(13)의 자체 하중 및 부하되는 가압력에 의해 웨이퍼(1) 표면과 상기 연마패드(12)가 상호 접촉되고, 이 접촉면간의 미세한 틈(연마패드(12)의 기공부분) 사이로 슬러리(2)가 유동하여 상기 슬러리(2) 내에 포함된 연마입자와 상기 연마패드(12)의 표면돌기 들에 의해 기계적인 제거작용이 이루어짐과 아울러, 상기 슬러리(2) 내의 화학성분에 의해 화학적인 제거작용이 동시에 이루어짐으로써 웨이퍼(1)가 표면 연마된다.
한편, 도 2는 상기의 CMP 연마장치부(10)를 포함하는 일반적인 반도체 웨이퍼 CMP 장비의 전체구성 및 그 구성에 따른 연마처리공정을 개념적으로 나타내고 있다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 CMP 장비는, 기계 및 화학적 연마공정을 실질적으로 수행하는 상기 연마장치부(10)와, 상기 연마장치부(10) 내에 투입되어 연마되는 웨이퍼(1)의 표면제거 상태를 감지하기 위한 엔드포인트 검출부(150)와, 상기 연마장치부(10)에서의 연마공정을 통해 연마 완료된 웨이퍼(1)를 수용하여 그 표면에 잔존하는 슬러리(2) 및 연마찌꺼기 등을 세척해내기 위한 웨이퍼 세척부(100)와, 연마공정 중에 사용된 슬러리(2) 및 연마 완료된 웨이퍼(1)의 세척시 사용된 세척액(3)을 모아 재생 및 분리 처리하여 상기 연마장치부(10) 및 웨이퍼 세척부(100)에 각각 슬러리(2) 및 세척액(3)을 순환 공급하는 폐액 재생처리부(110)를 포함한다.
이러한 CMP 장비에 의한 전 연마공정은, 먼저, 상기 CMP 연마장치부(10)에서는 웨이퍼 카셋트의 장착 및 탈착기구(Loading & Unloading Station)와 웨이퍼 이동기구에 의해 웨이퍼(1)가 연마헤드(13a) 저면에 흡착 고정된 상태에서 기계-화학적 연마공정을 계속적으로 수행하게 되고, 연마공정중 상기 엔드포인트 검출부(150)에 의해 검출된 엔드포인트 신호가 CMP 연마장치부(10)로 송출되어 웨이퍼 연마작업을 자동 종료시키게 되면 연마 완료된 웨이퍼(1)가 상기 웨이퍼 세척부(100)로 이송되며, 상기 웨이퍼 세척부(100) 내에 투입된 웨이퍼(1)의 표면에는 세척액(3)이 분사되어 연마공정중의 오염물질들을 깨끗이 세척해낸 후 외부로 취출되고, 세척된 웨이퍼(1)에 대하여 건조하는 공정이 각각 순차적으로 이루어짐으로써 완료된다.
여기서, 상기 엔드포인트 검출부(EPD; End Point Detector)(150)는 웨이퍼(1)를 연마하는 동안 연마제거상태(Polishing removal state)를 확인하기 위한 장치로서, 플래튼(11) 상에 탑재된 웨이퍼(1)의 표면연마작업을 어느 시점에서 종료하여야 하는지를 가늠케 해주는 사전감지수단이라 할 수 있다. 통상적으로, 표면연마공정의 공정완료시점을 연마종점 또는 엔드포인트(End Point)라 하며, 이하 '엔드포인트'로 통칭하기로 한다.
이상에서 설명한 반도체 웨이퍼 표면연마공정에 있어서, 공정상의 오류 및 웨이퍼 불량을 최소화하기 위해 우선적으로 고려하여야 할 사항으로는, 상기한 바와 같은 연마공정의 엔드포인트를 검출하는 것이다.
이러한 공정의 엔드포인트를 검출하기 위한 종래의 방법 및 장치로는 여러 가지 방식들이 제안되어 왔으나, 이중에서 광학식 엔드포인트 검출방식이 높은 정밀성을 기대할 수 있으므로 현재에는 가장 많이 사용하는 기술로서 인정되고 있다.
따라서, 본 발명에서는 현재까지 제안되어 사용되고 있는 종래의 광학식 엔드포인트 검출방식에 한정하여 그 방법 및 장치를 살펴보고, 이에 대한 문제점을 개선하고자 한다.
상기의 광학식 엔드포인트 검출방식에는, 먼저, 연마패드에 뚫은 슬릿을 통하여 웨이퍼 표면 막층에 레이저광을 조사하여 시간경과에 따른 반사광 강도의 변화를 추적하는 광학적인 간섭을 이용하는 것으로서, 시간경과에 따른 반사광의 강도변화에 의해 층간 절연막의 잔류막 두께를 측정하여 특정 값에 도달하는 시점을 엔드포인트로 검출하는 방법이 있다.
그러나, 상기의 레이저광 조사에 의한 엔드포인트 검출방법은, 웨이퍼의 칩 소자 형상에 의한 적층된 배선층간 두께 차이, 측정위치의 오차 및 슬러리 등의 작용에 의한 광신호 왜곡현상으로 인하여 반사광의 강도신호를 교란시키게 되므로 그 엔드포인트를 명확히 판정하기 곤란하다는 문제점이 있다.
또한, 상기의 엔드포인트 검출방식과는 다른 방법으로서, 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하여 반사된 분광간섭신호를 얻고 이 분광간섭신호를 여러 가지 분석방법을 통해 웨이퍼 표면 막층이 특정 두께가 되었을 때를 엔드포인트로 검출하는 방법이 있다.
이러한 상기 백색광 조사에 의한 엔드포인트 검출방법을 적용한 종래 장치의 일례로는, 플래튼 및 연마패드를 관통하여 백색광이 웨이퍼의 표면 막층으로 조사 및 반사될 수 있도록 상기 연마패드에 투광창을 형성하고, 상기 투광창으로부터 연직방향으로 복수의 렌즈, 빔 스플리터, 백색광원, 수광부 및 신호처리부(컴퓨터) 등으로 이루어지는 엔드포인트 검출장치부가 구비된 구성을 들 수 있다.
상기의 엔드포인트 검출장치는, 백색광원으로부터 방출된 백색광이 렌즈, 빔 스플리터, 렌즈 및 연마패드 투광창을 순차적으로 통과하여 웨이퍼 표면 막층에 조사되고, 웨이퍼 표면 막층으로부터 반사된 신호광이 상기 렌즈를 투과하여 빔 스플리터에 의해 굴절된 후 별도의 렌즈를 통해 수광부로 수광되며, 상기 수광부에서는 그 입수된 신호광에 대응하는 광학신호로 변환하여 신호처리부로 송출함으로써 상기 신호처리부에 의해 특징량을 추출 및 로직연산 처리하는 각각의 단계를 통해 원하는 엔드포인트를 검출하게 된다.
그러나, 이러한 백색광 조사에 의한 종래의 엔드포인트 검출방식도 역시 웨이퍼의 칩 소자 형상에 의한 적층된 배선층간 두께 차이로 인하여 그 분광간섭신호가 크게 왜곡되어 나타날 수 있으므로 정확한 엔드포인트를 검출하는데는 한계가 있는 것이다.
더욱이, 이상에서 설명한 종래의 광학식 엔드포인트 검출방법들은 반사광의 강도(Intensity) 변화를 추적하는 방식이므로 반사광의 강도가 CMP 공정회수에 따라 변하거나 잡음이 발생하는 경우에는 웨이퍼의 막 두께 변화를 정확히 검출해낼 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 웨이퍼 표면의 막층을 소정 두께로 연마할 때 그 연마공정의 종료시점을 광학적인 방식에 의해 검출함에 있어서 종전의 경우에서와 같이 빛의 반사강도에 의존하지 않고 빛의 간섭현상 자체를 이용하여 웨이퍼의 막 두께 변화를 감지함으로써 연마공정중의 정확한 엔드포인트를 검출할 수 있도록 된 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 반사된 분광간섭신호가 환경적 요인 등에 의해 방해되거나 웨이퍼 표면에 형성된 다수 연마층간의 변화가 명확하지 않은 경우에도 정확한 엔드포인트를 실시간으로 검출할 수 있도록 된 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법은, 웨이퍼 표면의 막층에 백색광을 조사하여 그 반사된 하나 이상의 분광파장을 검출하고, 이와 같이 검출하여 얻어진 각 파장간의 분광간섭신호로부터 추출된 물리량의 변화로써, 공정이 완료되는 엔드포인트를 감지해내는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법에 있어서, 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하여 반사된 연속적인 분광간섭신호를 발생시켜 이를 측정하는 단계(S1)와, 이론적으로 산출되는 기준분광신호 데이터를 입력해두고, 이 기준분광신호 파형과 상기의 반사된 분광간섭신호 파형 간의 광량을 비교연산 처리하여 조정된 광량보정 분광간섭신호를 추출하는 단계(S2)와, 상기 광량보정 분광간섭신호 파형을 중앙처리장치부에 구비된 논리회로에 의하여 로직연산 처리하여 잡음을 제거한 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하는 단계(S3)와, 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 추출하는 단계(S4)와, 소정의 막 두께를 기준하여 이론적으로 산출되는 두께 상수 값을 기 입력 설정해두고, 상기 막층의 두께 계산식에 의해 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 두께 변화 값을 연산 처리하는 단계(S5)와, 두께 계산식에 의해 산출된 상기 두께 변화 값이 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 추적 시작점의 두께에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 시작점에서의 두께 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계로 피드백 되는 1차 분기단계(S6)와, 상기 두께 변화 값이 상기 추적 시작점에서의 두께 값에 도달한 경우에 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 검출하는 단계(S7)와, 상기의 특정기준점에 대한 추적 종료점의 파장 값을 기 입력 설정해두고, 선행단계에서 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점의 파장 값에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 종료점에서의 파장 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계료 피드백 되는 2차 분기단계(S8)와, 상기 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점에서의 파장 값에 도달한 경우에 엔드포인트를 감지하고 웨이퍼 연마공정을 종료하는 단계(S9)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 S1 단계에서는, 반도체 칩 소자간의 형상적 상이함에 따른 각각의 두께차이(단차)를 평균적으로 상쇄하여 일정한 분광간섭신호 데이터를 얻을 수 있도록 상기 백색광을 펄스(Pulse)의 형태로 순간 및 주기적으로 수회 조사하거나 또는 연속 조사함이 바람직하다.
또한, 상기 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점은, 그 파형에 나타나는 각 마루(Ridge)의 정점들 및 각 골(Furrow)의 최저점들 중 어느 하나로 선택하고, 특히, 그 파형에 나타나는 최우측 골의 최저점으로 설정함이 바람직하다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치는, 웨이퍼 표면의 막층에 백색광을 조사하여 그 반사된 하나 이상의 분광파장을 검출하고, 이와 같이 검출하여 얻어진 각 파장간의 분광간섭신호로부터 추출된 물리량의 변화로써, 공정이 완료되는 엔드포인트를 감지해내는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치에 있어서, 넓은 스펙트럼 영역을 갖는 백색광원과, 상기 백색광원으로부터 조사되는 백색광을 연마패드의 투광창 쪽으로 발산시킬 수 있도록 상기 백색광원으로부터 인출된 광섬유케이블 및 그 단부에 형성되어 상기 투광창에 인접 배치된 탐침과, 상기 백색광원과 연마장치부의 웨이퍼 스핀들 간에 전기적으로 연결되어 상기 연마장치부 내에 투입된 웨이퍼가 연마공정중 탐침의 위치에 도달하였을 때 상기 백색광원을 동작시켜 백색광이 조사되도록 함과 아울러 그 반사광이 수광되도록 해주는 동기신호처리기와, 별도의 광섬유케이블에 의해 상기 탐침과 연결되어 웨이퍼 표면으로부터 반사되는 반사광을 허용 광량 이상 부하되지 않도록 적정 광량으로 저감시켜 상기 반사광을 전달하는 광 감쇠기와, 상기 반사광을 전기신호로 변환하여 소정의 광신호를 추출해내는 분광강도데이터 검출장치부와, 상기 광신호를 비교연산 처리하여 엔드포인트를 검출함과 아울러 그 검출 데이터에 따라 상기 연마장치부의 작동여부를 제어하는 중앙처리장치부와, 연마공정의 초기조건과 기 설정 데이터 등을 상기 중앙처리장치부에 입력하기 위한 입력장치부와, 상기 중앙처리장치부로부터 검출된 데이터 및 신호처리 프로그램 등을 저장할 수 있는 외부기억장치부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분광강도데이터 검출장치부는, 상기 탐침을 통해 유입되고 광 감쇠기에 의해 저감된 반사광을 수집하여 전기적인 광신호로 변환시켜주는 분광기와, 상기 분광기로부터 전달되는 아날로그 광신호를 디지털 광신호로 변환시켜주는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기로부터 전달되는 디지털 광신호에 대하여 백색광의 파장별 광량차이를 제거하여 광량을 보정시켜주는 간섭신호조정기와, 상기 간섭신호조정기로부터 전달되는 광량보정 분광간섭신호에 대하여 잡음을 제거하여 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하기 위한 잡음신호제거기를 포함하도록 구성함이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 연마공정의 엔드포인트를 검출하기 위하여 웨이퍼 표면에 형성된 막층에 대한 광학적인 측정을 수행한다. 특히, 본 발명에서는 매우 정확한 막층 두께를 측정할 수 있도록 백색광의 조사에 의한 분광간섭 현상을 이용하여 웨이퍼의 막 두께 변화를 감지하는 방식의 검출방법 및 장치에 해당하는 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 엔드포인트 검출방식은 이에 사용되는 빛의 파장대를 단일 파장으로 하느냐 또는 다수 파장으로 하느냐에 따라 모노크로미터(Monochrometer)에 의한 검출방법과 스펙트로미터(Spectrometer)에 의한 검출방법으로 구분될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
원칙적으로, 웨이퍼 표면의 막층에 대한 정밀한 두께 측정을 위해서는 웨이퍼 칩 소자 중 패턴이 형성되지 않은 칩 소자에 대하여 백색광을 조사하여 반사 분광신호를 얻는 것이 바람직하나, 웨이퍼가 연마되고 있는 실시간 과정 중에는 웨이퍼와 플래튼 간에 상대운동을 하게 되므로 패턴이 형성되지 않은 칩 소자를 선택하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 본 발명에서는 연속파장 성분을 갖는 백색광원을 사용하고, 그 백색광원을 수회 또는 연속 조사하여 칩 소자간의 형상적 상이함에 기인한 두께차이를 평균적으로 상쇄시킴으로써 일정한 값을 추출하는 보정 단계가 포함된다.
상기의 사항들을 수용하는 본 발명에 따른 엔드포인트 검출공정은, 스펙트로미터(Spectrometer)를 통하여 빛의 반사강도를 측정하는 단계와, 각 파장별 반사강도를 측정하여 데이터화하고 그 데이터를 전체 파장영역에 대해서 분석하여 막 두께를 계산한 후 반사된 분광간섭신호 파형의 마루(Ridge) 또는 골(Furrow)과 같은 특정기준점에 해당하는 파장 값을 측정하는 각각의 과정을 거쳐 반사강도 신호를 처리하는 단계와, 상기 특정기준점의 파장 값이 원하는 값에 도달할 때 엔드포인트를 감지하는 단계 등으로 대별해볼 수 있다.
이러한 본 발명의 거시적인 엔드포인트 검출방법을 전제로 하여 본 발명을 나타내는 도면들과 함께 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 16은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트를 검출하는 단계별 접근방식과, 이를 실현할 수 있는 검출장치를 설명하기 위하여 도시된 도면들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치가 구비된 연마장치부(10)의 구조를 개략적으로 도시하고 있으며, 상기 도면에 의하면, 백색광의 조사 및 그 반사광의 수광을 위한 터미널부재를 제외하고는 종래의 구조와 다르지 않음을 확인할 수 있다. 여기서, 도면부호 15는 앞서 설명한 웨이퍼캐리어(13) 및 컨디셔너캐리어(16)를 회전시켜주는 구동기구인 스핀들(회전자)이다.
상기 터미널부재는 탐침(Probe)(31)과, 광섬유케이블(Optical fiber cable)(32)로 구성된다. 상기 탐침(31)은 플래튼(11)을 관통하여 연마패드(12)에 근접 설치되는 것으로, 상기 연마패드(12)에 형성된 반투명재질의 투광창(12a)을 통해 웨이퍼(1) 표면 쪽으로 백색광이 조사되거나 또는 웨이퍼(1) 표면으로부터 반사되는 빛이 수광되어 후술의 분광강도데이터 검출장치부(50)로 전달하는 기능을 수행한다. 여기서, 상기 투광창(12a)의 재질로는 폴리염화비닐 또는 우레탄 등이 선택된다.
도 5는 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치의 각부 구성을 블록도로서 간단히 도시한 것이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치는, 넓은 스펙트럼 영역을 갖는 백색광원(30)과, 상기 백색광원(30)으로부터 조사되는 백색광을 연마패드(12)의 투광창(12a) 쪽으로 발산시킬 수 있도록 상기 백색광원(30)으로부터 인출된 광섬유케이블(32) 및 그 단부에 형성되어 상기 투광창(12a)에 인접 배치된 탐침(31)과, 상기 백색광원(30)과 연마장치부(10)의 웨이퍼 스핀들(15) 간에 전기적으로 연결되어 상기 연마장치부(10) 내에 투입된 웨이퍼(1)가 연마공정중 탐침(31)의 위치에 도달하였을 때 상기 백색광원(30)을 동작시켜 백색광이 조사되도록 함과 아울러 그 반사광이 수광되도록 해주는 동기신호처리기(20)와, 별도의 광섬유케이블(32)에 의해 상기 탐침(31)과 연결되어 웨이퍼(1) 표면으로부터 반사되는 반사광을 허용 광량 이상 부하되지 않도록 적정 광량으로 저감시켜 상기 반사광을 전달하는 광 감쇠기(40)와, 상기 반사광을 전기신호로 변환하여 소정의 광신호를 추출해내는 분광강도데이터 검출장치부(50)와, 상기 광신호를 비교연산 처리하여 엔드포인트를 검출함과 아울러 그 검출 데이터에 따라 상기 연마장치부(10)의 작동여부를 제어하는 중앙처리장치부(60)와, 연마공정의 초기조건과 기 설정 데이터 등을 상기 중앙처리장치부(50)에 입력하기 위한 입력장치부(70)와, 상기 중앙처리장치부(60)로부터 검출된 데이터 및 신호처리 프로그램 등을 저장할 수 있는 외부기억장치부(80)로 이루어져 있다.
상기 분광강도데이터 검출장치부(50)는, 상기 탐침(31)을 통해 유입되고 광 감쇠기(40)에 의해 저감된 반사광을 수집하여 전기적인 광신호로 변환시켜주는 분광기(51)와, 상기 분광기(51)로부터 전달되는 아날로그 광신호를 디지털 광신호로 변환시켜주는 A/D 변환기(52)와, 상기 A/D 변환기(52)로부터 전달되는 디지털 광신호에 대하여 백색광의 파장별 광량차이를 제거하여 광량을 보정시켜주는 간섭신호조정기(53)와, 상기 간섭신호조정기(53)로부터 전달되는 광량보정 분광간섭신호에 대하여 잡음을 제거하여 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하기 위한 잡음신호제거기(54)를 포함하는 구성을 이룬다.
상기 백색광원(30)으로는, 제논램프, 할로겐램프 및 텅스텐램프 중 어느 하나가 선택적으로 사용되는데, 본 발명의 실시예에서는 제논램프를 사용하였다. 그리고, 상기 광섬유케이블(32)은 직경이 100∼1,000μm인 광섬유가 내장된 케이블을 사용하며, 상기 분광기(51)에는 2,048개의 전하결합소자(CCD; Charge Coupled Device)가 내장되어 2,048개의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환할 수 있도록 되어 있다.
상기 입력장치부(70)는 키보드나 마우스 등으로 구성되고, 상기 외부기억장치부(80)는 하드디스크 드라이브, 플로피디스크 드라이브 및 씨디롬 드라이브 등으로 구성된다.
이러한 본 발명의 구성에 의하여, 연마장치부(10)의 스핀들(15)이 회전 작동되어 그 연마헤드(13a)에 파지된 웨이퍼(1)가 연마패드(12)의 투광창(12a) 상에 놓이게 되면 동기신호처리기(20)가 작동되어 백색광원(30)을 발광시켜 백색광을 발하게 되고, 상기 백색광원(30)으로부터 발산되는 백색광은 광섬유케이블(32) 및 탐침(31)을 따라 조사되어 연마패드(12)의 투광창(12a)을 통해 웨이퍼(1) 표면의 막층에 부딪힌 후 상기 탐침(31) 쪽으로 반사된다. 반사된 간섭신호광은 상기 탐침(31)과 연결된 반사광 수광용의 광섬유케이블(32)을 따라 광 감쇠기(40)로 전달되어 적정 광량으로 저감된 후 분광기(51)로 유입되고, 이 분광기(51)를 통해 분광된 간섭신호광은 전기적 분광간섭신호로 변환된 후 A/D 변환기(52)를 거치면서 디지털 형태의 분광간섭신호로 변환된다. 상기 분광간섭신호는 간섭신호조정기(53)와 잡음신호제거기(54)를 거치면서 광량보정 잡음소거 분광간섭신호로 전환된 후 그 분광간섭신호가 중앙처리장치부(50)로 송출되어 상기 분광간섭신호 파형의 특정기준점 위치에 대한 파장 값을 추출해낸다. 여기서 얻어지는 파장 값이 기 설정된 파장 값에 이르면 엔드포인트를 검출하여 상기 연마장치부(10)의 기동을 제어함으로써 연마공정이 완료된다.
이상에서 설명한 본 발명 장치에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법은 다음과 같다.
도 16은 반도체 웨이퍼 표면연마공정에 있어서의 본 발명에 따른 엔드포인트 검출과정을 순차적 흐름을 도시한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 엔드포인트 검출방법은, 웨이퍼(1) 표면의 막층에 백색광을 조사하여 그 반사된 하나 이상의 분광파장을 검출하고, 이와 같이 검출하여 얻어진 각 파장간의 분광간섭신호로부터 추출된 물리량의 변화로써, 공정이 완료되는 엔드포인트를 감지해내는 방식에 있어서, 웨이퍼(1) 표면 막층에 백색광을 조사하여 반사된 연속적인 분광간섭신호를 발생시켜 이를 측정하는 단계(S1)와, 이론적으로 산출되는 기준분광신호 데이터를 입력해두고, 이 기준분광신호 파형과 상기의 반사된 분광간섭신호 파형 간의 광량을 비교연산 처리하여 조정된 광량보정 분광간섭신호를 추출하는 단계(S2)와, 상기 광량보정 분광간섭신호 파형을 중앙처리장치부에 구비된 논리회로에 의하여 로직연산 처리하여 잡음을 제거한 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하는 단계(S3)와, 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 추출하는 단계(S4)와, 소정의 막 두께를 기준하여 이론적으로 산출되는 두께 상수 값(k)을 기 입력 설정해두고, 상기 막층의 두께(T) 계산식에 의해 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 두께 변화 값을 연산 처리하는 단계(S5)와, 두께 계산식에 의해 산출된 상기 두께 변화 값이 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 추적 시작점(Ts)의 두께에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 시작점(Ts)에서의 두께 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼(1) 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계로 피드백 되는 1차 분기단계(S6)와, 상기 두께 변화 값이 상기 추적 시작점(Ts)에서의 두께 값에 도달한 경우에 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 검출하는 단계(S7)와, 상기의 특정기준점에 대한 추적 종료점(Te)의 파장 값을 기 입력 설정해두고, 선행단계에서 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점(Te)의 파장 값에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 종료점(Te)에서의 파장 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼(1) 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계료 피드백 되는 2차 분기단계(S8)와, 상기 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점(Te)에서의 파장 값에 도달한 경우에 엔드포인트를 감지하고 웨이퍼 연마공정을 종료하는 단계(S9)를 포함한다.
도 6은 광 간섭이 발생하지 않는 경우에 있어서, 분광간섭신호 검출장치로부터 검출된 백색광원(30)의 분광신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 백색광원(30)은 백색광의 각 파장별로 광량 차이를 보인다. 이러한 분광신호 파형은 간섭현상이 발생하지 않은 완전한 반사분광 파형으로서, 분광간섭신호 파형에서 백색광의 파장별 광량 차이를 제거할 때의 기준 파형이 된다.
도 7은 웨이퍼(1) 표면에 10,000Å 두께의 막(SiO2층)이 형성된 경우에 있어서, 상기 막층의 표면에 백색광을 조사하여 반사된 광을 분광간섭신호 검출장치로부터 검출하였을 때, 그 반사분광의 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 분광간섭신호 파형은 도 6의 기준 파형과 비교할 때 파형상 미미한 차이가 나타난다. 그러나, 상기 분광간섭신호 파형은 분광강도데이터 검출장치부 및 중앙처리장치부에서 신호 처리할 수 있는 파형의 형태는 아니므로 그 파형에 대한 가공이 이루어져야 한다.
도 8은 상기 도 7에 나타난 분광간섭신호 파형에 대하여 그 파형별 광량 차이를 제거한 광량보정 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
상기의 광량보정 분광간섭신호 파형은 도 6의 기준 파형과 도 7의 분광간섭신호 파형을 다음의 식(Ⅰ)에 의해 조정한 것이다.
R(j):AVG = Input(j):T(j)
---------------------------------- (Ⅰ)
여기서, T(j)는 출력될 광량보정 분광간섭신호 파형(도 8 참조)의 j번째 픽셀에 대한 광량, Input(j)는 입력된 분광간섭신호 파형(도 7 참조)의 j번째 픽셀에 대한 광량, AVG는 기준 파형(도 6 참조)의 모든 픽셀에 대한 평균 광량, R(j)는 기준 파형(도 6 참조)의 j번째 픽셀에 대한 광량을 각각 나타낸다.
그러나, 상기 도 8의 광량보정 분광간섭신호 파형에는 수많은 잡음이 포함되어 있다. 이러한 잡음은 기준 파형의 미세한 특성, 분광기(51) 내부에 구비된 전하결합소자의 전기적 특성 또는 A/D 변환시 생성되는 잡음 등과 같은 여러 가지 원인들에 의해 발생한다.
도 9는 상기 도 8에 나타난 광량보정 분광간섭신호 파형을 중앙처리장치부(60)의 로직연산처리에 의해 평활화(Smoothing) 처리하여 잡음 제거한 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다. 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 'ASSID(Adjusted Smoothed Spectral Intensity Data)'라고 하는 바, 그 의미로서 '조정 및 평활화된 분광강도데이터' 정도의 개념으로 추정해볼 수 있을 것이다.
상기 ASSID 파형은 기본적으로 사인파(Sine Signal)의 형태를 띄며, 광 파장에 따라 마루와 골의 형상이 반복 교대로 나타난다. 본 발명의 엔드포인트 검출방법에서는 상기 ASSID를 실시간으로 검출해내는 방식으로서, 시간이 경과함에 따라 두께 계산을 하고, 특정기준점, 즉, 파형의 특정 마루 정점 또는 특정 골의 최저점 위치에 대한 광 파장 값을 추적(Trace)하여, 기 설정된 광 파장 값에 도달하였을 때 엔드포인트를 검출하는 것이다.
도 10a 내지 도 10c 및 도 11은, 웨이퍼(1) 표면에 형성된 10,000Å 두께의 SiO2 막층이 점차 연마되어 특정 두께에 이르렀을 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 변화와, 상기 도 10a 내지 도 10c의 각 분광간섭신호 파형을 중첩시켜 각각 나타낸 것으로, 도 10a는 상기 막층의 두께가 7,300Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형, 도 10b는 상기 막층의 두께가 6,800Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형, 도 10c는 상기 막층의 두께가 6,370Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 각각 도시한 파장-광량 그래프이고, 도 11은 상기 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점, 즉, 최 우측 골의 최저점(F)에 대한 광량 및 파장 값의 변화를 도시한 그래프이다.
상기 도면들은, 특정기준점을 파형의 최 우측 골(RMF; Right Most Furrow)의 최저점(F)으로 설정하였을 경우에 대하여, 시간이 경과함에 따라 웨이퍼(1) 표면 막층의 두께가 점차 감소할 때의 일련의 ASSID 파형 변화에 따른 광량 및 파장 값의 추적 과정(F → F'→ F")을 예시하고 있다.
이 경우, 상기 RMF가 510nm가 되었을 때 연마공정을 중단하게 되며, 이때의 웨이퍼(1) 막층 두께를 정밀계측장치로 측정한 결과 그 두께가 6,370Å이라는 의미이다. 예컨대, 엔드포인트로서의 RMF를 510nm 이하로 설정하게 되면 최종적인 웨이퍼(1) 막층 두께는 6,370Å보다 작아지고, 상기 RMF를 510nm 이상으로 설정하게 되면 최종적인 웨이퍼(1) 막층 두께는 6,370Å보다 커지게 된다. 따라서, 사전에 설정된 RMF 값에 따라 웨이퍼(1) 표면의 막층 두께를 조절할 수 있다.
상기 RMF 값의 설정범위는 ASSID가 나타나는 광 파장 범위 내에서만 유효하며, 본 실시예에서는 약 400∼700nm 사이의 값이 된다. 그러나, RMF 설정 값이 상기 RMF의 처음 검출시 파장 값보다 크게 되면 엔드포인트를 검출할 수 없으므로 주의하여야 한다.
도 12는 웨이퍼 표면의 막층 두께가 10,000Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형으로부터 웨이퍼 막층의 두께 계산식을 유도해내는 과정을 설명하기 위한 도해로서, 위에서 설명한 RMF를 검출하기 전 웨이퍼(1) 표면 막층의 두께를 검출하는 방법을 나타내고 있다. 상기 도면에 있어서, R1, R2, R3는 파형그래프 상에 나타나는 각 마루의 정점을 순차적으로 표현한 것이고, F1, F2, F3, F4는 상기 파형그래프 상에 나타나는 각 골의 최저점을 순차적으로 표현한 것이다.
초기 두께의 변화가 큰 경우 가장 작은 초기 두께의 막층이 될 때까지 대략적인 막층 두께의 계산이 필요하다. 다음은 웨이퍼 표면 막층의 두께(T)를 이론적 계산에 의해 산출하기 위한 식(Ⅱ)을 나타내고 있으며, 이것에 의해 전체 스펙트럼 상에서의 반사강도를 분석할 수 있다.
---------------------------------- (Ⅱ)
여기서, 두께상수 k는 약 1.7608, λ1은 골지점의 파장 값, λ2는 인접한 마루지점의 파장 값을 나타낸다.
상기의 두께 계산식(Ⅱ)은 ASSID에서 마루와 골 사이의 위상차가 기본적으로 'π' 값을 갖는다. 상기의 두께상수 k 값은 웨이퍼(1) 표면 막층의 두께를 다른 정밀계측장치로 측정한 후 비교 보정한 실험적인 수치이다. 특히, k≒1.7608은 웨이퍼(1) 표면 막층이 산화실리콘(SiO2)으로 되어있을 경우의 값이며, 만일 막질이 다른 물질로 이루어진 경우에는 실험을 통해 별도의 값을 구하여야 한다.
그리고, 상기 ASSID에서 유효하게 검출할 수 있는 마루와 골의 수는 상기 도면에서 나타낸 바와 같이 각각 다수 개가 존재하며, 아울러 두께 계산도 여러 가지 값으로 나타날 수 있다. 도 12에서 유효한 마루와 골은 각각 3개와 4개이고, ASSID로서 계산할 수 있는 웨이퍼(1) 표면 막층의 두께는 총 6가지가 된다.
일반적으로, 두께 계산은 이 6가지를 모두 사용하는 것이 아니라 이중에서 2∼3개를 사용하게 된다. 그 이유는 ASSID가 여러 가지 오류신호를 포함하고 있기 때문에, 가장 오류가 적은 광 파장 영역대를 설정하여 그 영역대의 마루와 골을 선택한 후 이에 대한 두께를 계산한다. 이 경우에 있어서, 계산 가능한 모든 두께 값을 각각 산출한 후 실측치에 가장 근사한 값이 산출되는 부분을 광 파장 영역대로 선택하면 된다.
다시 말해, 앞서 설명한 도 12의 두께(T)는 대략적으로 구한 값이므로 이것만으로는 정확한 엔드포인트를 검출하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 상기 분광간섭신호 파형에서 마루 또는 골을 추적함으로써 정밀한 엔드포인트를 감지할 수 있는 것이다. 즉, 두께(T)가 감소함에 따라 여러 번의 골(또는 마루)이 나타나고, 어떤 시점에서 상기 골에 대한 추적을 시작할 것인가가 매우 중요하다. 결국, 두께(T)는 대략적으로 계산하고 특정 두께 이후부터 골을 추적함으로써 정밀한 엔드포인트를 추출하게 된다.
도 13은 웨이퍼 표면의 막층 두께가 10,000Å에서 6,370Å으로 감소할 때 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대해 추적한 시간-두께 값 변화 그래프이다.
여기서, V1은 두께 계산식에 의해 산출된 막 두께 값 변화곡선, V2는 특정기준점에 대한 파장 값 변화곡선, B는 특정기준점에 대한 파장 값 추적영역, TS는 특정기준점에 대한 파장 값 추적 시작점, Te는 특정기준점에 대한 파장 값 추적 종료점, E는 엔드포인트를 각각 나타낸다.
상기 도 13는, 도 10a 내지 도 10c에 의해 설명한 바와 같은 ASSID를 상기 두께 계산식(Ⅱ)으로 검출하는 방법을 사용한 두께 값의 결과 그래프이다. 상기 계산식(Ⅱ)은 그 자체로 정밀한 값을 산출해낼 수는 없으나, RMF의 시작점을 결정하기 위해서 필요한 두께로서는 충분하다.
도 14a 내지 도 14c 및 도 15는 웨이퍼 표면의 막층 두께가 3,500Å에서 2,500Å으로 감소할 때 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 전 분광 반사강도의 추적(Tracing) 개념 및 상기 도 14a 내지 도 14c의 각 반사강도 파형을 중첩시켜 각각 나타낸 것으로, 도 14a는 상기 막층의 두께가 3,500Å일 때의 전 분광 반사강도 파형, 도 14b는 상기 막층의 두께가 3,000Å일 때의 전 분광 반사강도 파형, 도 14c는 상기 막층의 두께가 2,500Å일 때의 전 분광 반사강도 파형을 각각 도시한 파장-광량 그래프이고, 도 15는 상기 각 반사강도 파형의 특정기준점(최 우측 골의 최저점)(F)에 대한 파장 값의 변화를 도시한 그래프이다.
상기 도면들은 RMF를 추적하는 과정을 보여주고 있으며, 상기 도면들에 사용된 ASSID는 실제의 신호 파형이 아니라 이론적인 예측치를 표시한 것으로서, 실제의 ASSID에 대한 RMF 추적은 도 10a 내지 도 10c에 근거하여야 한다.
또한, 상기 도면들은 여러 파장 영역대의 빛이 동시에 간섭현상을 일으킬 때 각 파장별로 반사된 빛의 강도를 나타낸 것으로서, 이상적인 조건, 즉, 매질의 굴절률을 무시하고 모든 파장에서 빛의 반사율이 일정하다는 조건하에서, 연마공정이 진행됨에 따라 두께가 3,500Å, 3,000Å, 2,500Å으로 변화할 때의 빛의 강도변화를 보여주는 것이다. 여기서, 짧은 파장 대에서는 파장의 증감에 따라 반사강도의 강약변화가 자주 발생하고, 긴 파장 대에서는 그 강약변화가 둔화됨(길어짐)을 알 수 있다.
이를 체계화하여, 임의 파장에서의 반사강도 변화를 살펴보면 다음과 같다.
빛이 반사되는 매질의 두께가 시간경과에 따라 일정하게 변하게 되면 각 파장에서의 반사강도 곡선도 변한다는 것이다. 즉, 반사강도 변화 곡선이 왜곡되어 변하더라도 항상 특정 두께 지점에서 반사강도의 최저점과 최고점이 형성되므로, 이러한 반사강도의 최저·최고점이 일정하게 유지되는 원리를 이용하여 대부분 반사강도 변화의 최저·최고점을 감지하고, 그 시점을 엔드포인트로 설정하게 되는 것이다.
또한, 2개 파장에서의 반사강도 차이의 변화를 살펴보면 다음과 같다.
우선 1개의 파장에서 반사강도의 변화를 추적하다 보면 실제 공정상의 여러 가지 불안요소들로 인하여 전체 분광데이터의 반사강도는 항상 일정하게 유지되지 않을 수 있다. 예를 들어 웨이퍼(1)의 표면은 여러 가지 패턴이 형성되어 있으며 각 위치에 따라 첫 번째 막질의 두께는 일정하지 않다. 막질의 두께가 웨이퍼(1)의 각 지점에 따라 다르므로 반사강도 또한 달라진다. 또는, CMP 연마공정에서는 웨이퍼(1)와 탐침(31) 사이에 개재되는 물이나 슬러리(2) 양의 많고 적음에 따라 반사강도가 달라진다. 즉, 평균적인 반사강도는 공정이 진행됨에 따라 계속 변할 수 있다. 따라서, 한 파장에서의 반사강도만으로 그 변화를 추적하게 되면 상당히 불규칙적인 반사강도 변화가 나오게 된다. 이 문제를 어느 정도 해결하기 위하여 소정 간격만큼 떨어진 2개 파장의 반사강도 차이를 추적하는 방법을 사용한다. 만약 어느 시점에서 평균적인 전체 반사강도가 이전보다 많이 올라갔다면 1개 파장에서 반사강도 추적시에는 그 파장의 반사강도도 함께 상승하게 되는데, 다른 파장에서의 반사강도도 상승하므로, 1개만의 반사강도는 상당한 변화가 나타나지만 2개 파장의 차이는 거의 같게 된다. 즉, 반사강도의 차이는 두께의 변화와 무관한 주변환경의 변화를 제거한 상태에서 두께의 변화에 따른 반사강도의 변화만을 나타내는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명의 엔드포인트 검출방법에 의하면, 웨이퍼 상에 다수의 막층이 적층 형성되어 있는 경우에 그 최상층의 막 두께를 지속적으로 감지하게 되므로 표면연마과정에서 최상층과 인접한 막층이 노출되기 전까지의 막 두께 변화만으로도 엔드포인트를 감지할 수 있게 된다.
참고적으로, 본 발명에 따른 엔드포인트 검출방법 및 장치는 이상에서 설명한 바와 같이 막층 제거를 위한 CMP 공정 이외에도, 이온에칭 등의 제거공정이나, 금속전극 또는 절연층 등의 막층 형성을 위한 화학기상증착(CVD) 공정, 또는 스퍼터링공정 등과 같은 막 형성공정에서의 엔드포인트를 검출하는데도 폭넓게 적용될 수 있음을 밝혀두고자 한다. 여기서 말하는 엔드포인트는, 예컨대, 기준 표면층 제거공정에서 공정의 완료시점은 물론이고, 제거공정이 다른 막질층으로 이행하는 시점 등의 중간단계의 의미로서 엔드포인트도 포함될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 검출방식은 상기 공정 등에 있어서 웨이퍼에 대한 압력이나 슬러리의 양 등을 조절하기 위한 감지수단으로도 적용될 수 있음은 물론이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법 및 그 장치에 의하면, 웨이퍼 표면의 막층을 소정 두께로 연마할 때 그 연마공정의 종료시점을 광학적인 방식에 의해 검출함에 있어서 종전의 경우에서와 같이 빛의 반사강도에 의존하지 않고 빛의 간섭현상 자체를 이용하여 웨이퍼의 막 두께 변화를 감지함으로써 연마공정중의 정확한 엔드포인트를 검출할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방법 및 장치에 의하면, 반사된 분광간섭신호가 환경적 요인 등에 의해 방해되거나 웨이퍼 표면에 형성된 다수 연마층간의 변화가 명확하지 않은 경우에도 정확한 엔드포인트를 실시간으로 검출할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 함은 극히 당연한 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 반도체 웨이퍼 표면연마장비(CMP 장비)의 연마장치부 구조를 도시한 개략도이다.
도 2는 일반적인 CMP 장비 및 그 연마처리공정을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치가 구비된 연마장치부의 구조를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치의 탐침 장착구조를 도시한 연마장치부의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 엔드포인트 검출장치의 각부 구성을 도시한 블럭도이다.
도 6은 광 간섭이 발생하지 않는 경우에 있어서, 분광간섭신호 검출장치로부터 검출된 백색광원의 분광신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 7은 웨이퍼 표면에 10,000Å 두께의 막(SiO2층)이 형성된 경우에 있어서, 상기 막층의 표면에 백색광을 조사하여 반사된 광을 분광간섭신호 검출장치로부터 검출하였을 때, 그 반사분광의 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 8은 상기 도 7에 나타난 분광간섭신호 파형에 대하여 그 파형별 광량 차이를 제거한 광량보정 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 9는 상기 도 8에 나타난 광량보정 분광간섭신호 파형을 중앙처리장치부(CPU)의 로직연산처리에 의해 잡음 제거한 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 웨이퍼 표면에 형성된 10,000Å 두께의 SiO2 막층이 점차 연마되어 특정 두께에 이르렀을 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 변화를 각각 나타낸 것으로,
도 10a는 상기 막층의 두께가 7,300Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프,
도 10b는 상기 막층의 두께가 6,800Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프,
도 10c는 상기 막층의 두께가 6,370Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 11은 상기 도 10a 내지 도 10c의 각 분광간섭신호 파형을 중첩시켜 나타낸 것으로, 상기 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점(최 우측 골의 최저점)에 대한 광량 및 파장 값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 12는 웨이퍼 표면의 막층 두께가 10,000Å일 때의 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형으로부터 웨이퍼 막층의 두께 계산식을 유도해내는 과정을 설명하기 위한 도해이다.
도 13은 웨이퍼 표면의 막층 두께가 10,000Å에서 6,370Å으로 감소할 때 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대해 추적한 시간-두께 값 변화 그래프이다.
도 14a 내지 도 14c는 웨이퍼 표면의 막층 두께가 3,500Å에서 2,500Å으로 감소할 때 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 전 분광 반사강도의 추적(Tracing) 개념을 설명하기 위한 것으로,
도 14a는 상기 막층의 두께가 3,500Å일 때의 전 분광 반사강도 파형을 도시한 파장-광량 그래프,
도 14b는 상기 막층의 두께가 3,000Å일 때의 전 분광 반사강도 파형을 도시한 파장-광량 그래프,
도 14c는 상기 막층의 두께가 2,500Å일 때의 전 분광 반사강도 파형을 도시한 파장-광량 그래프이다.
도 15는 상기 도 14a 내지 도 14c의 각 반사강도 파형을 중첩시켜 나타낸 것으로, 상기 각 반사강도 파형의 특정기준점(최 우측 골의 최저점)에 대한 파장 값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 16은 반도체 웨이퍼 표면연마공정에 있어서의 본 발명에 따른 엔드포인트 검출과정을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 ; 웨이퍼 2 ; 슬러리
10 ; CMP 연마장치부 11 ; 플래튼(연마테이블)
12 ; 연마패드 12a ; 투광창
13 ; 웨이퍼캐리어(웨이퍼홀더) 13a ; 연마헤드
13b ; 리테이너링 14 ; 슬러리 공급노즐
15 ; 스핀들(회전자) 16 ; 컨디셔너캐리어
16a ; 컨디셔너 20 ; 동기신호처리기
30 ; 백색광원 31 ; 탐침(프로브)
32 ; 광섬유케이블 40 ; 광 감쇠기
50 ; 분광강도데이터 검출장치부 51 ; 분광기
52 ; A/D 변환기 53 ; 간섭신호조정기
54 ; 잡음신호제거기 60 ; 중앙처리장치부(CPU)
70 ; 입력장치부 80 ; 외부기억장치부
100 ; 웨이퍼 세척부 110 ; 폐액 재생처리부
150 ; 엔드포인트 검출부

Claims (11)

  1. 웨이퍼 표면의 막층에 백색광을 조사하여 그 반사된 하나 이상의 분광파장을 검출하고, 이와 같이 검출하여 얻어진 각 파장간의 분광간섭신호로부터 추출된 물리량의 변화로써, 공정이 완료되는 엔드포인트를 감지해내는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법에 있어서,
    웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하여 반사된 연속적인 분광간섭신호를 발생시켜 이를 측정하는 단계(S1);
    이론적으로 산출되는 기준분광신호 데이터를 입력해두고, 이 기준분광신호 파형과 상기의 반사된 분광간섭신호 파형 간의 광량을 비교연산 처리하여 조정된 광량보정 분광간섭신호를 추출하는 단계(S2);
    상기 광량보정 분광간섭신호 파형을 중앙처리장치부에 구비된 논리회로에 의하여 로직연산 처리하여 잡음을 제거한 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하는 단계(S3);
    상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 추출하는 단계(S4);
    소정의 막 두께를 기준하여 이론적으로 산출되는 두께 상수 값을 기 입력 설정해두고, 상기 막층의 두께 계산식에 의해 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 두께 변화 값을 연산 처리하는 단계(S5);
    두께 계산식에 의해 산출된 상기 두께 변화 값이 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 추적 시작점의 두께에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 시작점에서의 두께 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계로 피드백 되는 1차 분기단계(S6);
    상기 두께 변화 값이 상기 추적 시작점에서의 두께 값에 도달한 경우에 상기 광량보정 잡음소거 분광간섭신호 파형의 특정기준점에 대한 파장 값을 검출하는 단계(S7);
    상기의 특정기준점에 대한 추적 종료점의 파장 값을 기 입력 설정해두고, 선행단계에서 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점의 파장 값에 도달하였는가를 비교하여, 그 추적 종료점에서의 파장 값에 도달하지 못한 경우에는 웨이퍼 표면 막층에 백색광을 조사하는 초기단계료 피드백 되는 2차 분기단계(S8); 및
    상기 검출된 파장 값이 상기 추적 종료점에서의 파장 값에 도달한 경우에 엔드포인트를 감지하고 웨이퍼 연마공정을 종료하는 단계(S9);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 S1 단계에서는, 반도체 칩 소자간의 형상적 상이함에 따른 각각의 두께차이(단차)를 평균적으로 상쇄하여 일정한 분광간섭신호 데이터를 얻을 수 있도록 상기 백색광을 펄스(Pulse)의 형태로 순간 및 주기적으로 수회 조사함을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 S1 단계에서는, 반도체 칩 소자간의 형상적 상이함에 따른 각각의 두께차이(단차)를 평균적으로 상쇄하여 일정한 분광간섭신호 데이터를 얻을 수 있도록 상기 백색광을 연속 조사함을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 S1 단계에서는, 연마가공을 정지한 경우에 있어서의 정밀한 막 두께 측정이 이루어지도록 웨이퍼의 칩 소자 중 패턴이 형성되지 않은 적어도 2개 이상의 칩 소자에 대하여 백색광을 조사함을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점은, 그 파형에 나타나는 각 마루(Ridge)의 정점들 및 각 골(Furrow)의 최저점들 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 분광간섭신호 파형의 특정기준점은, 그 파형에 나타나는 최우측 골의 최저점인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 S5 단계에서의 웨이퍼 표면 막층의 두께(T)는,
    에 의해 산출되고,
    이때의 k는 두께상수로서 막질이 산화실리콘(SiO2)인 경우에 대하여 1.7608, λ1은 골지점의 파장 값, λ2는 인접한 마루지점의 파장 값인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출방법.
  8. 웨이퍼 표면의 막층에 백색광을 조사하여 그 반사된 하나 이상의 분광파장을 검출하고, 이와 같이 검출하여 얻어진 각 파장간의 분광간섭신호로부터 추출된 물리량의 변화로써, 공정이 완료되는 엔드포인트를 감지해내는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치에 있어서,
    넓은 스펙트럼 영역을 갖는 백색광원;
    상기 백색광원으로부터 조사되는 백색광을 연마패드의 투광창 쪽으로 발산시킬 수 있도록 상기 백색광원으로부터 인출된 광섬유케이블 및 그 단부에 형성되어 상기 투광창에 인접 배치된 탐침;
    상기 백색광원과 연마장치부의 웨이퍼 스핀들 간에 전기적으로 연결되어 상기 연마장치부 내에 투입된 웨이퍼가 연마공정중 탐침의 위치에 도달하였을 때 상기 백색광원을 동작시켜 백색광이 조사되도록 함과 아울러 그 반사광이 수광되도록 해주는 동기신호처리기;
    별도의 광섬유케이블에 의해 상기 탐침과 연결되어 웨이퍼 표면으로부터 반사되는 반사광을 허용 광량 이상 부하되지 않도록 적정 광량으로 저감시켜 상기 반사광을 전달하는 광 감쇠기;
    상기 반사광을 전기신호로 변환하여 소정의 광신호를 추출해내는 분광강도데이터 검출장치부;
    상기 광신호를 비교연산 처리하여 엔드포인트를 검출함과 아울러 그 검출 데이터에 따라 상기 연마장치부의 작동여부를 제어하는 중앙처리장치부;
    연마공정의 초기조건과 기 설정 데이터 등을 상기 중앙처리장치부에 입력하기 위한 입력장치부; 및
    상기 중앙처리장치부로부터 검출된 데이터 및 신호처리 프로그램 등을 저장할 수 있는 외부기억장치부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분광강도데이터 검출장치부는, 상기 탐침을 통해 유입되고 광 감쇠기에 의해 저감된 반사광을 수집하여 전기적인 광신호로 변환시켜주는 분광기와, 상기 분광기로부터 전달되는 아날로그 광신호를 디지털 광신호로 변환시켜주는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기로부터 전달되는 디지털 광신호에 대하여 백색광의 파장별 광량차이를 제거하여 광량을 보정시켜주는 간섭신호조정기와, 상기 간섭신호조정기로부터 전달되는 광량보정 분광간섭신호에 대하여 잡음을 제거하여 광량보정 잡음소거 분광간섭신호를 추출하기 위한 잡음신호제거기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 백색광원으로는, 제논램프, 할로겐램프 및 텅스텐램프 중 어느 하나가 선택적으로 적용된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 투광창은 반투명재질로서, 폴리염화비닐 및 우레탄 중 어느 하나가 선택적으로 적용된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 표면연마공정의 엔드포인트 검출장치.
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