KR100543195B1

KR100543195B1 - 화학적 기계적 연마 장치

Info

Publication number: KR100543195B1
Application number: KR1019980061097A
Authority: KR
Inventors: 박형순; 이상익; 김창일
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2006-04-06
Also published as: KR20000044598A

Abstract

본 발명은 본 발명은 화학적 기계적 연마 공정에서 보다 정확하게 연마 종말점을 검출할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 분광법 또는 질량 분석법으로 연마된 물질을 분석하여 연마 종료층 물질의 양이 증가하다가 일정해지는 변곡점을 종말점으로 인식하여 연마 종말점을 검출하는데 그 특징이 있다.

Description

화학적 기계적 연마 장치

본 발명은 반도체 소자 제조 방법에 관한 것으로, 특히 화학적 기계적 연마 공정에서 연마가 중단되어야 하는 종말점을 검출하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.

반도체 소자 제조 공정에서 소자가 다양해지고 소자의 집적도가 증가함에 따라 층간의 단차가 심해지는데, 이러한 단차를 제거하여 공정 마진을 확보하고자 하는 노력의 일환으로 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 CMP라 함) 공정이 채택되고 있다.

CMP 공정에서는 원하는 부분까지의 연마 즉, 종말점을 검출하는 방법이 중요한 기술적 요소로 대두되고 있다. 종래의 종말점 검출 방법으로는 크게 모터 전류 검사(motor current detection) 방법과 광학적 검출 방법이 있다.

모터 전류 검사 방법은 웨이퍼(wafer)를 잡는 캐리어(carrier)를 회전시키는 구동 모터의 전류 변화를 측정함으로써 종말점을 검출하는 방법으로, 연마층이 달라질 때 패드(pad)와 웨이퍼 표면과의 마찰계수가 변하여 동일한 스핀들(spindle) 속도를 맞추기 위해서 스핀들 구동 모터의 전류가 변하게 되는 것을 이용하여 전류 변화점을 종말점으로 간주한다. 이러한 모터 전류 검사 방법은 마찰계수가 확연하게 차이나는 물질에서만 적용이 가능하여 폴리층간산화막(inter poly oxide, IPO)의 평탄화를 위한 연마와 같이 동일한 물질을 연마하는 경우에는 적용이 곤란하다.

한편, 광학적 검출 방법은 웨이퍼의 후면(backside)에 빛을 입사시켜 박막 두께에 따른 간섭 현상의 차이를 이용하여 종말점을 검출하는 방법으로, 이 방법은 웨이퍼 상에 다층 구조로 많은 층이 적층되었을 때 적용할 수 없다는 단점이 있다.

전술한 바와 같이 종래의 연마 종말점 검출 장치로는 종말점을 정확하게 검출하지 못함으로 인하여 연마가 완전하게 이루어지지 않을 경우는 연마공정을 다시 실시하여 공정 시간을 지연시키거나, 연마가 과도하게 이루어질 경우는 하부층을 손상시키는 문제점 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 화학적 기계적 연마 공정에서 보다 정확하게 연마 종말점을 검출할 수 있는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연마 테이블; 상기 연마 테이블을 지지하는 연마테이블 지지대; 그 일단이 웨이퍼의 후면에 연결되고 전력공급장치에 의해 구동되어 웨이퍼를 회전시키기 위한 웨이퍼 지지대; 상기 연마 테이블 상의 연마 물질을 흡입하기 위한 제1진공펌프; 상기 제1진공펌프를 통하여 흡입된 연마 물질을 포집하는 포집기; 상기 포집기로 공급되는 연마 물질을 분석하는 분석기; 상기 분석기의 분석결과를 표시하는 표시수단; 상기 분석기에 잔류하는 상기 연마 물질을 흡입하기 위한 제2진공펌프; 상기 웨이퍼 지지대를 회전시키기 위한 전력공급수단; 및 상기 분석기에 그 입력단이 연결되고 상기 전력공급수단에 그 출력단이 연결되어 연마 종말점에서 상기 연마장치를 자동적으로 정지시키기 위한 피드백 시스템을 포함하는 화학적 기계적 연마장치를 제공한다.

본 발명은 화학적 기계적 연마공정에서 연마된 물질을 화학적으로 분석하여 연마 종말점을 검출하는 방법으로, 분광법 또는 질량 분석법으로 연마된 물질을 분석하여 연마 종료층 물질의 양이 증가하다가 일정해지는 변곡점을 종말점으로 인식하여 연마 종말점을 검출하는데 그 특징이 있다. 즉, 층을 구성하는 물질의 화학적 결합 상태, 서로 다른 층간 물질 및 결합력의 차이를 근거로 적외선 또는 자외선 광원을 이용한 분광법(spectroscopy) 또는 질량분석 방법 등의 화학적 분석 방법을 이용하여 종말점을 인시튜(in situ)로 검출함으로써 비교적 간단한 장치 구성으로 화학적 기계적 연마 공정의 종말점을 검출한다.

예를 들어, 도1과 같은 텅스텐 플러그(plug) 형성 공정에서, 전체 구조상에 텅스텐막(14)을 형성하여 콘택홀(12) 내에만 텅스텐막(14)을 매립하기 위하여 실시되는 화학적 기계적 연마공정에서는 연마대상막(15)인 텅스텐막(14)과 TiN/Ti 확산방지막(13)을 연마하여 그 하부의 산화막(11)을 노출시켜야 한다. 이때, 확산방지막(13)과 산화막(12)은 화학적 구성과 결합 상태가 다르기 때문에 확산방지막(13)이 연마된 후 산화막(12)이 연마될 때 연마 물질을 인시튜로 분석하면 Si-O, 또는 Si, O 원소에 해당하는 피크(peak)가 검출된다. 따라서, Si-O, 또는 Si, O 원소에 해당하는 피크(peak)가 일정시간 유지되면 산화막(12)이 완전히 노출된 상태이므로 이 때를 종말점으로 인식하여 연마를 중단하면 된다. 도1에서 미설명 도면부호 '10' 은 반도체 기판을 나타낸다.

또 다른 예로서, 도2에 도시한 바와 같은 STI(shallow trench isolation) 공정에서는 실리콘 기판(10) 상에 패드산화막(11) 및 Si₃N₄막(12)으로 소자분리영역을 정의하는 산화방지패턴을 형성하여 실리콘 기판(10)을 노출시키고. 노출된 실리콘 기판(10)을 식각하여 트렌치를 형성한 후, 식각에 의한 손상을 보상하기 위하여 트렌치 측벽에 희생산화막(13)을 형성하고, 전체 구조 상에 고밀도 플라즈마(high density plasma)로 SiO₂ 계열의 산화막(14)을 형성하여 트렌치에 매립한 다음, Si₃N₄막(12)이 노출될 때까지 산화막(14)을 연마한다. 이 경우 연마종말점에 해당하는 Si₃N₄막(12)과 SiO₂ 계열의 산화막(14)의 화학적 구성과 결합 상태가 다르다. 따라서, 연마되는 물질을 인시튜로 분석하면 Si-N 또는 N 원소에 해당하는 피크가 검출되는데, 연마가 진행됨에 따라 Si-N 또는 N 원소에 해당하는 피크가 일정시간 유지되면 Si₃N₄막이 나타난 것이므로 이 때를 종말점으로 인식하여 연마를 중단한다.

본 발명의 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 도3에 도시한 바와 같이 연마 테이블(22), 연마 테이블(22)을 지지하는 연마 테이블 지지대(21), 그 일단이 웨이퍼(10)의 후면에 연결되고 모터(80)에 의해 구동되어 웨이퍼를 회전시키기 위한 웨이퍼 지지대(23), 연마 테이블(22) 패드(도시하지 않음) 상의 연마된 물질을 흡입하기 위한 제1 진공펌프(31), 제1 진공펌프(31)를 통하여 흡입된 물질을 포집하는 포집기(40), 상기 포집기(40)로 공급되는 연마된 물질을 분석하는 분석기(50), 분석기(50)의 분석결과를 표시하는 모니터(60), 분석 후 분석기(50)에 잔류하는 연마된 물질을 흡입하기 위한 제2 진공펌프(32), 분석기(50)의 분석결과를 입력받아 모터(80)의 동작을 제어하기 위한 피드백 시스템(feedback system)(70), 피드백 시스템(70)으로부터 인가된 신호에 의해 전력을 인가받아 상기 웨이퍼 지지대(23)를 회전시키는 모터(80)를 포함한다. 도3에서 도면부호 '24' 는 슬러리(slurry)를 나타낸다.

상기 연마 테이블(22)의 패드에는 제1 진공펌프(31)와 연결되는 얇은 관(도시하지 않음)이 형성되어, 상기 연마 테이블(22)의 패드와 제1 진공펌프(31) 사이에서 연마물질 이동통로서 역할을 한다. 또한, 상기 분석기(50)와 모니터(60) 사이에는 분석결과를 증폭시키기 위한 증폭기(도시하지 않음)가 연결된다.

도4에 도시한 바와 같이 분석기(50)는 포집기(40)에 연결된 입구(52)와 제2 진공펌프(32)에 연결되는 출구(53)를 통하여 연마된 물질(t)을 이동시키는 투명관(51), 투명관(51) 내의 연마된 물질에 빛을 조사하기 위한 광원(S), 광원(S)으로부터 조사되는 빛을 집광하기 위한 광학렌즈(54), 광학렌즈(54)와 동일축상에 배치되며 그 결과를 모니터(60)와 피드백 시스템(70)에 전달하는 검출기(55)로 이루어진다.

연마가 진행되는 동안 연마 테이블(22)의 패드 상에 연마된 물질이 슬러리와 함께 남게 되고, 제1 진공펌프(31)를 통하여 포집기(40)에 포집되어 분석기(50)의 투명관 입구(52)로 인입된다. 투명관(51) 내의 연마된 물질(t)에 적외선 또는 자외선을 입사하여 분광법(spectroscopy) 방법으로 연마된 물질의 조성을 분석하고 연마 종료층 물질의 양이 증가하다가 일정해지는 변곡점을 종말점으로 인식한다. 종말점이 인식되면 피드백 시스템(70)에 신호를 주어 연마를 정지시킨다. 연마정지는 피드백 시스템(70) 없이 수동으로 진행될 수도 있다.

전술한 본 발명의 일실시예에서 분석기(50)가 분광기로 이루어지는 것을 예로서 설명하였지만, 상기 분석기(50)는 질량분석기로 이루어질 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 종래의 광학적인 방법 또는 전기적인 방법을 이용하는 종말점 검출 장치와는 달리 화학적 기계적 연마 공정이 진행되는 동안 연마된 물질을 화학적 방법으로 분석하여 연마 종말점을 검출함으로써, 노이즈(noise)가 많이 포함된 신호가 검출되는 문제점을 해결할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 종말점 검출 방법은 서로 다른 물질로 구성된 층간의 화학적 기계적 연마 과정에서 정확한 공정의 제어가 가능하여 과도 연마(over polishing) 또는 과소 연마(under polishing) 없이 한번의 연마로 정확하게 공정을 마칠 수가 있다.

또한, 연마의 중단 없이 인시튜(in-situ)로 종말점을 검출할 수 있으므로, 정확한 종말점을 검출하지 못함으로써 발생하는 웨이퍼의 손실 및 재 연마공정을 실시함에 따른 공정시간의 지연을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연마 후 두께 측정을 위한 공정을 생략할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

도1은 연마대상층의 예를 보이는 반도체 소자의 텅스텐 플러그 형성 공정 단면도.

도2는 연마대상층의 예를 보이는 반도체 소자의 STI 소자분리막 형성 공정 단면도,

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 구성도,

도4는 도3에 도시한 분석기의 구성을 보다 상세히 보이는 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명

10: 웨이퍼 21: 연마 테이블 지지대

22: 연마 테이블 23: 웨이퍼 지지대

31, 32: 진공펌프 40: 포집기

50: 분석기 60: 모니터

70: 피드백 시스템 80: 모터

51: 투명관 54: 광학렌즈

55: 검출기 S: 광원

Claims

화학적 기계적 연마장치에 있어서,

연마 테이블;

상기 연마 테이블의 지지하는 연마테이블 지지대;

그 일단이 웨이퍼의 후면에 연결되고 전력공급장치에 의해 구동되어 웨이퍼를 회전시키기 위한 웨이퍼 지지대;

상기 연마 테이블 상의 연마 물질을 흡입하기 위한 제1진공펌프;

상기 제1진공펌프를 통하여 흡입된 연마 물질을 포집하는 포집기;

상기 포집기로 공급되는 연마 물질을 분석하는 분석기;

상기 분석기의 분석결과를 표시하는 표시수단;

상기 분석기에 잔류하는 상기 연마 물질을 흡입하기 위한 제2진공펌프;

상기 웨이퍼 지지대를 회전시키기 위한 전력공급수단; 및

상기 분석기에 그 입력단이 연결되고 상기 전력공급수단에 그 출력단이 연결되어 연마 종말점에서 상기 연마장치를 자동적으로 정지시키기 위한 피드백 시스템을 포함하는 화학적 기계적 연마장치.
제 1 항에 있어서,

상기 분석기는,

상기 포집기에 연결된 입구와 상기 제2진공펌프에 연결되는 출구를 통하여 상기 연마 물질을 이동시키는 투명관;

상기 투명관 내의 상기 연마 물질에 빛을 조사하기 위한 광원;

상기 광원으로부터 조사되는 빛을 집광하기 위한 광학렌즈; 및

상기 광학렌즈와 동일축상에 배치되며 그 결과를 상기 표시수단과 상기 피드백 시스템에 전달하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치.
제 2 항에 있어서,

상기 광원은 적외선 또는 자외선의 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치.
제 2 항에 있어서,

상기 분석기는,

질량분석기 또는 분광기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치.
제 2 항에 있어서,

상기 연마 테이블과 상기 제1진공펌프 사이에 상기 연마물질의 이동통로서 역할을 하는 관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.