KR100577009B1 - 화학 물리적 연마의 연마종료점 측정장치 및 연마종료점 측정방법 - Google Patents

Abstract

각각의 반도체 기판 상태에 따른 연마종료점을 정확히 측정할 수 있는 연마종료점 측정장치 및 그 측정방법에 대해 개시한다. 본 발명에 의한 연마종료점 측정장치는, 연마패드에 연마되는 반도체 기판을 흡착하여 회전시키는 캐리어에 연마음을 감지하는 연마음 감지수단이 장착되어 있다. 이에 따라, 연마음을 분석 및 판별하여 연마종료점을 제어한다. 따라서, 본 발명에 의한 연마종료점 측정장치 및 그 측정방법을 반도체 공정에서 사용할 경우, 소정의 공정이 수행된 각각의 반도체 기판의 상태에 대응하여 연마종료점을 결정함으로써 모든 반도체 기판에 대해 균일도가 뛰어난 연마를 수행할 수 있다. 또한, 연마종료점을 측정하기 위한 별도의 모니터링장비가 필요 없으므로 장비설치 비용을 절감할 수 있다.

Description

화학 물리적 연마의 연마종료점 측정장치 및 연마종료점 측정방법.

본 발명은 반도체 기판의 평탄화 장치에 관한 것으로, 특히 연마음을 분석함으로써 연마종료점을 각각의 반도체 기판의 박막 상태에 대응하여 정확히 제어할 수 있는 연마종료점 측정장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 반도체 기판의 평탄화 방법에 관한 것으로, 특히 연마음을 분석하여 연마종료점을 정확히 제어하는 연마종료점 측정방법에 관한 것이다.

종래에는, 반도체 장비에 있어서 평탄화는 BPSG(BoroPhospho-Silicate Glass) 리플로우와 같은 기술에 의해 실현되어져 왔다. BPSG 리플로우 기술은 BPSG를 증착한 다음 800℃ 이상의 온도의 열을 가해 상기 BPSG를 유동성 있게 만든 다음, 리플로우시켜 표면을 평탄화시키는 방법이다. 그러나, 반도체 기판에 배선층으로 알루미늄이 증착되어 있는 경우 상기 리플로우를 위한 온도는 너무 높으며, 반도체 기판 전면을 평탄화하기에는 부적합하다.

상기 BPSG 리플로우 기술 이외에 레지스트 에치백 기술 등이 알려져 있으나 이는 층간절연층의 두께 증가, 추가 공정의 필요, 및 층간절연층과 레지스트의 에치비가 작아서 컨트롤이 어려운 문제점이 있다.

최근, 평탄화 기술의 하나로 화학 물리적 연마(Chemical-Mechanical Polishing, 이하 CMP라 함.)방법이 제안되어 있다. CMP는 반도체 기판과 연마 패드 사이에 슬러리(slurry)를 투입하여 반도체 기판을 연마하는 방법이다. 통상 슬러리에는 기계적인 연마에 사용되는 연마제, 예를들면 알루미나(Alumina) 또는 실리카(Silica) 등과 화학적 연마에 사용되는 DI(De-Ionized water, 순수) 및 pH 조절용액, 예컨대 KOH 또는 NaOH등이 섞여 있다. 이 방법은 기계적인 연마와 화학적인 식각이 동시에 진행된다.

그런데, 상기 CMP의 연마종료점을 결정하는데 있어서, 일반적으로 연마종료점의 결정은 연마를 진행함에 따라 캐리어에서 발생하는 구동전류의 변화를 측정하여 연마종료점을 결정하였다. 상기 구동전류의 변화를 통한 연마종료점의 결정은 구동전류의 양의 변화가 작아 연마 막, 패턴 밀도, 연마시 사용하는 소모품, 슬러리의 양 등에 따라 변화가 심하여 정확한 종료점을 결정하는데 문제점이 있었다.

또한, 누적된 기존의 기준값을 바탕으로 모든 반도체 기판에 일괄적으로 연마종료점을 적용함으로써 각 반도체 기판에 증착된 막의 상태, 즉 막두께 차이에 따른 연마종료점의 변화에 대응하지 못한다는 문제점이 있다. 결국, 반도체 기판별 공정 변화를 일으키고, 후 공정으로 진행 될수록 변화가 크게 되고, 심지어 과도한 연마에 의한 침식을 발생시켜 수율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 각각의 반도체 기판 상태에 따라 연마종료점을 다르게 적용하여 공정균일도를 향상시킬 수 있는 연마종료점 측정장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는, 각각의 반도체 기판 상태에 따라 연마종료점을 다르게 적용하여 공정균일도를 향상시킬 수 있는 연마종료점 측정방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연마종료점 측정장치는: 연마패드와 반도체 기판이 부착된 캐리어의 상호 회전에 의해 상기 반도체 기판의 연마중에 상기 연마의 종료점을 측정하는 장치에 적용된다.

그 구성은: 상기 캐리어에 설치되며, 연마음을 감지하는 감지수단과; 상기 연마음 감지신호를 처리함과 동시에 막의 종류를 판별하는 연마음 처리 및 판별수단과; 상기 판별결과에 따른 제어신호에 의해 연마의 계속수행여부를 제어하는 연마제어수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 감지수단은, 연마음을 받아들이는 통공을 형성시킨 방음부재 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 감지수단은 방사상으로 다수 구비되는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 상기 방음부재에 형성된 통공은, 반도체 기판의 중심에서 반경의 절반인 위치에 방사상으로 형성되며, 그 직경의 크기는 0.1~1.5㎜ 범위내에서 설정된 것이 좋다.

한편, 본 발명에 의한 연마종료점 측정방법은 연마패드와 반도체 기판이 부착된 캐리어의 상호 회전에 의해 상기 반도체 기판을 연마하는 반도체 장비에 적용된다.

그 방법은: 소정의 공정이 수행된 반도체 기판을 캐리어에 위치시키는 단계와; 상기 연마패드와 캐리어의 상호 회전에 의해 반도체 기판상에 형성된 막을 연마하는 단계와; 상기 연마중에 연마음을 감지하는 단계와; 상기 감지된 신호를 분석 및 판별하는 단계와; 상기 판별결과, 미리 설정된 횟수만큼 연마음의 변화가 발생하지 않으면 연마를 계속진행하고, 미리 설정된 횟수만큼 연마음의 변화가 발생하면 연마를 종료하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 연마음의 분석 및 판별단계는: 상기 연마음을 디지털화하는 단계와; 상기 디지털화된 신호를 미분연산자에 입력하는 단계와; 상기 미분연산자에 의해 계산된 연마음의 변화횟수와 미리 설정된 값을 비교하는 단계로 이루어진 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 화학 물리적 평탄화 장비의 개략 사시도이다. 도 1을 참조하면, 하부에는 연마패드(10)가 회전할 수 있도록 연마패드 회전축에 축설되어 있으며, 상부에는 반도체 기판을 흡착시키는 캐리어(20)가 회전할 수 있도록 캐리어 회전축에 축설되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마종료점 측정장치를 개략적으로 나타낸 측단면도이다. 도 2를 참조하면, 캐리어(20) 내부의 상단 아래에 마이크(30)가 설치되어 있다. 이 마이크(30)는 반도체 기판(40)의 중심에서 반경(D)의 절반 위치(2/D)에 방사상으로 설치되어 있다. 또한, 이 마이크(30)는 캐리어필름(50)에 접촉되어 있으며, 이 캐리어필름에는 통공(51)이 형성되어 있다. 이 캐리어필름(50)과 반도체 기판(40)은 캐리어링(60)으로 둘러싸여 있으며, 반도체 기판(40)의 하단과 캐리어필름(50)이 흡착되어 있다.

도 3은 캐리어필름의 저면도이다. 도 3을 참조하면, 캐리어필름(50)에 형성된 통공(51)이 방사상으로 대칭되게 형성되어 있으며, 반도체 기판의 중심에서 반경(D)의 절반되는 위치(2/D)에 형성되어 있다.

도 4는 도 2의 A를 확대한 도면이다. 도 4를 참조하면, 마이크(30)는 그 외부를 방음벽(70)으로 둘려싸여 있으며, 또한, 이 방음벽(70)은 캐리어필름(50)과 접촉하는 부분에 통공(71)을 형성시키고 있다. 이 통공(71)은 캐리어필름(50)의 통공(51)과 연통되어 있다.

상기와 같이 구성된 연마종료점 측정장치를 이용하여 연마종료점을 측정하는 방법에 대해서 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마종료점 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 본 실시예에서는 W-플러그나 STI를 형성시키는 CMP에 대해 설명한다. 여기서, 산화막 상에는 글루레이어, 텅스텐이 순차적으로 막을 형성하고 있으며, 상기 산화막의 표면에서 연마를 종료한다고 가정한다.

상기와 같이 소정의 공정이 수행된 반도체 기판을 캐리어에 위치시킨 다음(S1), 상기 연마패드와 캐리어의 상호 회전에 의해 먼저 텅스텐층을 연마한다. 이에 따라, 연마음이 발생하고 이를 마이크를 통해 감지한다(S2). 상기 감지된 신호는 마이크로컴퓨터에 입력되고, 연마음의 변화에 따라 카운팅값을 1 증가시킨다(S3, S4).

이 때, 마이크로컴퓨터는 미리 설정된 연마음 변화횟수에 이르렀는가를 판별한다(S5). 상기 판별결과, 연마음 변화횟수가 설정된 값에 이르지 않았다고 판별되면(아니오), 연마를 계속하는 다음 단계로 진행한다(S2).

이후, 텅스텐층의 연마가 마무리되고 글루레이어를 연마하게 되면, 막의 성질에 따라 연마음이 변하게 되고, 이 변화된 연마음은 마이크로컴퓨터에 입력되어 카운팅값을 1 증가시킨다. 이하, 상기한 과정을 되풀이하게 된다.

한편, 글루레이어의 연마가 마무리되어 산화막을 연마하는 순간, 변화된 연마음이 마이크에 감지되고, 이 감지신호는 마이크로컴퓨터에 입력되어 카운팅값을 1 증가시킨다.

이 때, 마이크로컴퓨터는 미리 설정된 연마음 변화횟수에 이르렀는가를 판별한다(S5). 상기 판별결과, 연마음 변화횟수가 설정된 값에 이르렀다고 판별되면(예), 연마를 종료한다(S6).

이 때, 연마음의 분석 및 판별단계에서는 먼저, 연마음이 아날로그 신호이므로 이를 디지털 신호로 변환한다. 상기 디지털화된 신호는 미분연산자에서 1 증가되어 설정값에 이를 때까지 계속해서 카운팅값을 증가시킨다.

이상, 본 실시예에서는 3번째 층인 산화막층에서 연마를 정지했으나, 상기 마이크로컴퓨터에 연마막의 개수에 따라 설정값을 변화시켜 입력함으로써 모든 연마공정에 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연마종료점 측정장치 및 그 측정방법은, 각각의 반도체 기판 상에 증착된 박막의 상태에 따라 연마를 수행함으로써 반도체 기판간의 균일도를 향상시킬 수 있으며, 별도의 모니터링이 필요 없으므로 장비설치 비용을 줄이도록 하는 매유 유용하고 효과적인 발명이다.

도 1은 화학 물리적 평탄화 장비의 개략 사시도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마종료점 측정장치를 개략적으로 나타낸 측단면도,

도 3은 캐리어필름의 저면도,

도 4는 도 2의 A를 확대한 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마종료점 측정방법을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연마패드 20 : 캐리어

30 : 마이크 40 : 반도체 기판

50 : 캐리어필름 70 : 방음벽

Claims (6)

1. 연마패드와 반도체 기판이 부착된 캐리어의 상호 회전에 의해 상기 반도체 기판의 연마중에 상기 연마의 종료점을 측정하는 장치에 있어서,

   상기 캐리어에 설치되며, 연마음을 감지하는 감지수단과;

   상기 연마음 감지수단으로 부터 출력되는 감지신호를 처리함과 동시에 막의 종류를 판별하는 연마음 처리 및 판별수단과;

   상기 판별결과에 따른 제어신호에 의해 연마의 계속 수행여부를 제어하는 연마제어수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 감지수단은, 연마음을 받아들이는 통공을 형성시킨 방음부재 내부에 설치하는 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 감지수단은 방사상으로 다수 구비되는 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정장치.
4. 상기 방음부재에 형성된 통공은, 반도체 기판의 중심에서 반경의 절반인 위치에 방사상으로 형성되며, 그 직경의 크기는 0.1~1.5㎜ 범위내에서 설정된 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정장치.
5. 연마패드와 반도체 기판이 부착된 캐리어의 상호 회전에 의해 상기 반도체 기판을 연마할 경우에 상기 연마의 종료점을 측정하는 방법에 있어서,

   소정의 공정이 수행된 반도체 기판을 캐리어에 위치시키는 단계와;

   상기 연마패드와 캐리어의 상호 회전에 의해 반도체 기판상에 형성된 막을 연마하는 단계와;

   상기 연마중에 연마음을 감지하는 단계와;

   상기 감지된 신호를 분석 및 판별하는 단계와;

   상기 판별결과, 미리 설정된 횟수만큼 연마음의 변화가 발생하지 않으면 연마를 계속진행하고, 미리 설정된 횟수만큼 연마음의 변화가 발생하면 연마를 종료하는 단계;

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 연마음의 분석 및 판별단계는,

   상기 연마음을 디지털화하는 단계와;

   상기 디지털화된 신호를 미분연산자에 입력하는 단계와;

   상기 미분연산자에 의해 계산된 연마음의 변화횟수와 미리 설정된 값을 비교하는 단계;

   로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마종료점 측정방법.