KR100607167B1 - 화학 기계적 연마 설비의 앤드 포인트 디텍터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CMP 설비의 EPD 장치에 관한 것으로, 연마 패드에 설치되어 연마 패드의 외부로 빛을 통과시키는 윈도우에 슬러리가 유입될 수 있는 그루브 또는 슬릿을 형성한다.

그러면, 연마 패드에 의해 연마되는 막의 균일성이 향상되고, EPD 장치의 오동작을 방지할 수 있어 제품의 신뢰성이 향상된다.

또한, 패드 커디셔닝 공정에서 윈도우가 설치된 부분과 나머지 부분의 균형이 깨지는 것이 방지됨으로써, 연마패드의 수명이 연장된다.

연마패드, EPD 장치, 윈도우, 슬러리 유입 그루브

Description

화학 기계적 연마 설비의 앤드 포인트 디텍터 장치{End point detector apparatus for using chemical mechanical polishing equpiment}

도 1은 종래의 CMP 설비를 이용하여 웨이퍼를 연마했을 때 웨이퍼 중앙 부분과 웨이퍼 가장자리 부분의 연마 불균일 상태를 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명에 의한 CMP 설비를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 윈도우가 설치된 연마패드를 나타낸 사시도.

도 4는 도 3의 A부분을 확대한 요부 확대도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 윈도우를 타나낸 부분 절개 사시도.

본 발명은 화학 기계적 연마 설비의 앤드 포인트 디텍터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연마 패드의 소정부분에 설치되는 윈도우에 슬러리가 유입될 수 있도록 윈도우 구조를 개선하여 막의 균일성 및 제품의 신뢰성을 향상시키는 화학 기계적 연마 설비의 앤드 포인트 디텍터 장치에 관한 것이다.

최근, 반도체 소자의 고집적화 및 대용량화 추세에 따라 메모리셀의 각 소자 의 사이즈는 축소시키면서 기억용량은 최대 크기로 증대시키기 위한 노력이 증대되었고 이로 인해 제한된 면적에 다층 구조를 형성하는 고집적화 기술이 개발되었다. 그러나, 다층 구조가 반도체 소자에 도입됨에 따라 각 층간의 단차는 증가하게 되었고 이를 극복하기 위해서 평탄화 공정이 요구되었다. 최근에는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 "CMP"라 한다.) 기술을 이용하여 소정의 막을 평탄화시킴으로써 각 층간의 단차를 줄이고 있다.

예를 들어, 금속 배선들의 상부에 형성되어 금속배선들이 형성된 부분은 높이 솟아 산을 형성하고 금속배선들 사이의 갭부분에서는 함몰되어 골짜기를 형성하는 층간 절연막을 CMP 방법으로 평탄화시키는 과정에 대해서 개략적으로 언급하면 다음과 같다.

가공대상 웨이퍼 표면를 웨이퍼 캐리어에 고정시키고, 웨이퍼 캐리어를 연마 패드 쪽으로 하강시켜 연마 패드 위에 웨이퍼를 밀착시킨다. 이후에 연마 패드 상에 순수와 함께 슬러리를 공급하고 연마 패드가 설치된 연마 정반과 웨이퍼 캐리어를 동일한 방향으로 회전시킨다. 그러면, 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리가 유입되어 골짜기 보다 높게 형성된 층간 절연막을 화학적, 기계적으로 연마함으로써 층간 절연막을 평탄화시킨다. 이때, 층간 절연막의 두께를 제어하여 층간 절연막의 연마를 멈춰야하는 식각 종말점(end point)을 검출하는 것이 매우 중요하다.

CMP 공정에서 식각 종말점을 검출하기 위해서 앤드 포인드 디텍트(End Point Detect) 방법이 사용되는데, 사용원리에 따라 온도검출 방법과 모터 전류 검출 방법 및 광 검출 방법으로 분류된다.

온도 검출 방법은 웨이퍼와 연마패드의 마찰력으로 인해 상승되는 연마 패드의 온도를 검출하여 식각 종말점을 결정하는 방법이고, 모터 전류 검출 방법은 연마정반과 웨이퍼 캐리어를 회전시켜주는 모터에 인가되는 전류를 검출하여 식각 종말점을 결정하는 방법이며, 광 검출 방법은 막의 경계면에서 반사되어 되돌아온 빛의 파장에 의해 식각 종말점을 검출하는 것이다.

여기서, 광 검출 방법에 의해 식각 종말점을 결정하는 EPD 설비는 연마정반 내부에 설치되어 빛을 발산하는 발광소자, 발광소자에서 발산된 빛이 웨이퍼로 입사될 수 있도록 빛을 굴절시키는 굴절 미러, 연마 패드에서 굴절 미러와 대응되는 부분에 설치되어 빛을 통과시키는 윈도우 및 웨이퍼에서 반사된 빛을 검출하여 식각 종말점을 제어하는 디텍터로 구성된다.

그러나, 이러한 EPD 장치에서 연마 패드에 설치되는 윈도우에 의해 몇가지 문제점이 발생된다. 이는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 슬러리 및 순수를 유입시켜 연마 효율을 향상시키는 슬러리 유입 그루브(groove)가 연마패드 중에서 윈도우가 설치된 부분에만 형성되어 있지 않기 때문이다.

윈도우에 슬러리 유입 그루브가 형성되어 있지 않으면 층간 절연막의 균일성이 저하된다. 이는 연마 패드의 회전으로 윈도우가 설치된 부분이 웨이퍼에 닿을 때 웨이퍼와 윈도우 사이에 슬러리 및 순수가 유입되지 못하므로 도 1의 그래프에 나타난 바와 같이 윈도우와 접촉되는 웨이퍼의 중앙부분의 연마율이 윈도우와 접촉되지 않는 웨이퍼의 가장자리 부분의 연마율 보다 저하되기 때문이다.

그리고, 윈도우에 그루브가 형성되지 않으면 각각의 웨이퍼를 연마한 후에 연마패드를 연삭시키고 연마 패드의 그루브에 낀 슬러리를 제거하기 위해서 진행되는 패드 컨디셔닝 공정에서 윈도우가 형성된 부분과 윈도우 주변의 균형이 깨져 연마 패드의 수명이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 윈도우에 그루브가 형성되지 않으면, 윈도우 상에 공급된 슬러리 및 순수가 윈도우의 외부로 배출되지 않기 때문에 연마 패드와 윈도우의 사이의 경계면에 발생된 틈으로 슬러리 및 순수가 유입되어 빛의 굴절률을 변화시키므로 EPD 오동작을 유발시켜 제품의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 윈도우의 구조를 개선하여 윈도우와 국부적으로 접촉되는 웨이퍼의 중앙부분과 윈도우가 접촉되지 않는 가장자리 부분의 연마율을 동일하게 맞추어 연마되는 막의 균일성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 패드 컨디셔닝 공정에서 윈도우가 형성된 부분과 그 나머지 부분의 균형이 깨지는 것을 방지하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 윈도우에 공급된 슬러리 및 순수를 윈도우의 외부로 원활하게 배출시켜 막의 식각 종말점을 정확하게 제어함으로써 제품의 신뢰성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명확해 질 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 소정의 막 두께를 검출하기 위 해 광을 조사하는 발광소자와, 발광소자에서 발산된 광을 연마 패드 쪽으로 반사시키는 굴절용 미러와, 연마 패드 중에서 굴절용 미러와 대응되는 부분에 연마 패드의 광을 통과시키는 윈도우와, 웨이퍼에서 반사되어 입사된 광을 검출하여 식각 종말점을 검출하는 검출부를 포함하는 CMP 설비의 EPD 장치에서, 윈도우에 연마 공정이 진행될 때 윈도우와 웨이퍼 사이에 슬러리를 유입시키는 슬러리 유입 통로를 형성한다.

일예로, 슬러리 유입 통로는 윈도우의 가로방향과 세로방향에 소정 깊이로 형성되는 그루브이다.

다른 예로 슬러리 유입 통로는 윈도우의 가로방향과 세로방향에 윈도우를 관통하여 형성된 슬릿이다.

이하, 본 발명에 의한 CMP 설비의 구조를 첨부된 도면 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 CMP 설비(100)는 평탄한 상부면을 가지며 모터(도시 안됨)에 의해서 소정방향으로 회전하는 원형의 연마 정반(110), 연마 정반(110)의 상부면에 설치되고 슬러리(185)를 개재하여 웨이퍼(140)의 층간 절연막(도시 안됨)을 연마하여 평탄화시키는 연마 패드(120), 연마 패드(120)와 소정간격 이격되어 연마 패드(120)의 상부에 설치되고 연마 패드(120)와 마주보는 하부면에 지지링(도시 안됨)이 설치되어 연마대상인 웨이퍼(120)를 고정시키며 연마 정반(110)과 동일한 방향으로 회전하는 웨이퍼 캐리어(130), 연마정반(110)과 연마 패드(120)에 설치되어 연마되는 층간 절연막의 두께를 제어하여 식각 종말점을 결 정하는 EPD 장치(150) 및 연마패드(120) 위에 슬러리(185)와 순수를 공급하는 슬러리 공급관(180)으로 구성된다. 미설명 부호 115와 135는 연마정반(110) 또는 웨이퍼 캐리어(130)를 회전시키는 회전축이다.

여기서, 본 발명과 관련이 있는 연마패드(120)와 EPD 장치(150)에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이 연마패드(120)는 원형 형상으로, 연마패드(120)의 중심에서부터 연마패드(120)의 가장자리 소정부분까지 슬러리(185)가 유입되는 슬러리 유입 그루브(123)가 연마패드와 동심원을 이루도록 복수개 형성되고, 연마패드(120)의 소정부분에는 연마패드(120)에 형성된 각각의 슬러리 유입 그루브들(123)를 서로 연결시키는 연결 그루브(125)가 형성된다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 복수개의 슬러리 유입 그루브들(123) 중에서 어느 하나의 슬러리 유입 그루브(123)에는 슬러리 유입 그루브들(123)에 채워진 슬러리 및 순수를 연마정반(110)의 외부로 배출시키기 위한 배출관(190)이 형성되며, 배출관(190)의 소정부분에는 연마 공정이 진행되는 동안에는 배출관(190)을 폐쇄시키고 연마공정이 완료된 후에는 배출관(190)을 개방시켜 슬러리(185) 및 순수를 외부로 배출시키는 개폐밸브(195)가 설치된다.

한편, 층간 절연막의 두께를 제어하여 시각 종말점을 검출하는 EPD 장치(150)는 도 2에 도시된 바와 같이 막의 두께를 검출하기 위해 레이저 빔을 조사하는 발광소자(151), 발광소자(151)에서 발산된 레이버 빔이 웨이퍼(140)로 입사될 수 있도록 레이저 빔을 연마패드(120) 쪽으로 굴절시키는 굴절용 미러(153), 굴 절용 미러(153)와 대응되는 연마패드(120)의 소정부분에 설치되어 굴절용 미러(153)에서 반사된 레이저 빔을 연마패드(120)의 외부로 통과시키는 윈도우(160) 및 웨이퍼(140)에서 반사된 레이저 빔을 검출하여 식각 종말점을 검출하는 검출부(170 내지 179)로 구성된다.

상술한 EPD 장치에서 윈도우(160)는 직사각형 형상으로 형성되며 광투과성 재질로 되어 소정의 접착방식에 의해 연마패드(120)에 설치된다.

그리고, 본 발명의 제 1 실시예에 의하면 도 4에 도시된 바와 같이 웨이퍼(140)와 마주보는 윈도우(160)의 상부면에는 슬러리 유입 그루브들(165)이 소정깊이로 형성되어 있어 연마패드(120) 상에 공급된 슬러리(185)를 윈도우(160)와 웨이퍼(140) 사이로 유입시킴과 아울러 종말점을 검출하는데 오류를 일으키지 않도록 윈도우(160)에 유입된 슬러리(185)를 외부로 원활하게 배출시킨다.

슬러리 유입 그루브(165)는 서로 소정간격 이격되어 윈도우(160)의 폭방향에 복수개 형성되는 그루브(163)와, 윈도우(160)의 길이방향을 따라 형성되어 윈도우(160)의 폭방향에 형성된 그루브들(163)을 서로 연결시키는 그루브(164)로 구성된다. 여기서, 윈도우(160)의 폭방향에 형성된 그루브들(163) 중에서 연마패드(120)에 형성된 슬러리 유입 그루브(123)와 동일선상에 위치하는 그루브(163)는 도 4에 도시된 바와 같이 윈도우(160)의 폭방향을 완전히 가로지르도록 형성되어 윈도우(160)에 유입된 슬러리(185)를 연마패드(120) 쪽으로 배출시킨다.

한편, 본 발명의 제 2 실시예에 의하면 도 5에 도시된 바와 같이 윈도우(160)의 폭방향과 길이방향으로 슬러리 유입 슬릿(165a)이 형성되는데, 슬러리 유입 슬릿(165a)은 윈도우(160)의 상부면에서부터 하부면까지 형성되어 윈도우(160)를 관통 형성된다.

바람직하게는 도 5에서 슬러리 유입 슬릿(165a)이 형성된 부분은 폐쇄시켜 리브를 형성하고, 도 5에서 슬러리 유입 슬릿(165a)의 주변에 폐쇄된 부분은 개구시켜 슬러리 유입될 수 있는 통로를 형성하여도 무방하다.

검출부(170 내지 179)는 웨이퍼(140)에서 반사된 레이저 빔이 입사되는 수광소자(170)와, 수광소자(170)에서 전송된 레이저 빔에서 특정파장을 필터링하는 간섭필터(173)와, 간섭필터(173)에서 전송된 특정파장의 레이저 빔을 전기적인 신호로 변환시키는 광전자 증배부(175)와, 광전자 증배부(175)의 출력신호에 의해 식각 종말점을 검출하는 종말점 검출부(177) 및 종말점 검출부(177)의 출력신호에 의해 CMP 설비(100)를 제어하는 제어부(179)로 구성된다.

이와 같이 구성된 CMP 설비를 이용하여 층간 절연막을 평탄화시키는 과정에 대해서 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 가공대상 웨이퍼(140)를 웨이퍼 캐리어(130)에 고정시키고, 웨이퍼 캐리어(130)를 연마패드(120) 쪽으로 하강시켜 연마 패드(120)와 층간 절연막이 형성된 웨이퍼(140)의 표면을 밀착시킨다.

이후, 연마패드(120) 상에 순수와 함께 슬러리(185)를 공급하고 연마패드(120)가 설치된 연마정반(110)과 웨이퍼 캐리어(130)를 동일한 방향으로 회전시켜 웨이퍼의 층간 절연막을 연마함으로써 평탄화시킨다. 연마 공정이 진행되 는 동안 연마패드(120) 상에 공급된 슬러리(185) 및 순수는 슬러리 유입 그루브들(123)를 통해 웨이퍼(140)와 연마패드(120) 사이로 유입되어 층간 절연막이 화학적, 기계적으로 연마될 수 있도록 한다.

한편, 연마패드(120)의 소정부분에 설치된 윈도우(160)에도 슬러리 유입 그루브(165)가 형성되어 있기 때문에 연마정반(110)의 회전으로 윈도우(160)가 웨이퍼(140)에 접촉되면, 윈도우(160)에 형성된 슬러리 유입 그루브(165)를 통해 윈도우(160)와 웨이퍼(140) 사이에 슬러리(185)가 유입되기 때문에 윈도우(160)와 접촉되는 웨이퍼(140)의 중앙 부분과 윈도우(160)가 접촉되지 않는 웨이퍼(140)의 가장자리 부분의 연마율이 동일하다.

그리고, 웨이퍼 연마 공정이 진행되고 있는 동안 층간 절연막의 두께를 제어하기 위해서 EPD 장치(150)는 계속적으로 레이저 빔을 웨이퍼(140)에 조사한다.

이를 좀더 상세히 설명하면, 발광소자(151)에서 레이저 빔을 조사하면 조사된 레이저 빔의 일부가 굴절용 미러(153)에 부딪혀 연마패드(120) 쪽으로 반사되며, 반사된 레이저 빔은 어 윈도우(160)를 투과한다.

여기서, 윈도우(160)가 웨이퍼(140)와 접촉하는 경우에 윈도우(160)로 투과된 레이저 빔은 층간 절연막과 금속배선층의 경계면에서 굴절되어 윈도우(160)을 통해 윈도우(160)의 하부에 설치된 수광소자(170)에 입사된다.

이후, 수광소자(170)는 입사된 레이저 빔을 간섭필터(173)로 출력시키고, 간섭필터(173)는 수광소자(170)에서 출력된 레이저 빔에서 특정한 파장을 갖는 레이저 빔만을 필터링하여 광전자 증배부(175)로 전송하게 된다.

그러면, 광전자 증배부(175)는 간섭필터(173)에서 출력된 특정 파장의 레이저 빔을 빛의 간섭효과를 이용하여 전기적인 신호로 변환시키고 증폭시켜 종말점 검출부(177)로 출력시킨다.

광전자 증배부(175)로부터 전기적 신호를 전달받은 종말점 검출부(177)는 전기적 신호에 따라 식각 종말점을 검출하여 제어부(179)로 전송하고, 제어부(179)는 종말점 검출부(177)에서 전송된 신호에 의해 CMP 설비(100)를 계속적으로 구동시켜 연마 공정을 계속 진행하거나 CMP 설비(100)의 구동을 정지시켜 연마 공정을 완료시킨다.

여기서, 레이저 빔을 통과시키는 윈도우(160)에 슬러리 유입 그루브(165) 또는 슬러리 유입 슬릿(165a)이 형성되어 있기 때문에 윈도우(160)와 연마패드(120)의 경계면으로 흡습되는 슬러리(185)를 최소화시킬 수 있다. 따라서 EPD 장치(150)의 오동작으로 인해 제품에 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 EPD 장치에서 연마 패드의 외부로 빛을 통과시키는 윈도우에 슬러리가 유입될 수 있도록 그루브 또는 슬릿을 형성함으로써, 연마되는 막의 균일성을 향상시키고 EPD 장치가 오동되는 것을 방지하여 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 패드 컨디셔닝 공정에서 윈도우가 설치된 부분과 나머지 부분의 균형이 깨지는 것이 방지됨으로써, 연마패드의 수명이 연장되어 라이프 타임(life time)이 증가되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 소정방향으로 회전하는 연마정반과, 상기 연마정반의 상부면에 설치되고 상부면에 슬러리가 유입되는 그루브들이 형성되어 웨이퍼에 형성된 소정의 막을 연마하는 연마패드와, 상기 연마패드와 소정간격 이격되어 상기 연마패드의 상부에 설치되고 상기 연마패드와 대향되는 하부면에 상기 웨이퍼가 고정되며 상기 연마정반과 동일한 방향으로 회전하는 웨이퍼 캐리어, 상기 연마정반과 상기 연마패드에 설치되어 상기 소정의 막의 두께를 제어하는 EPD 장치 및 상기 연마패드 상에 상기 슬러리를 공급하는 슬러리 공급관을 포함하며,

   상기 EPD 장치는

   상기 소정의 막 두께를 검출하기 위해 광을 조사하는 발광소자;

   상기 발광소자에서 발산된 광을 상기 연마패드 쪽으로 반사시키는 굴절용 미러;

   상기 연마패드 중에서 상기 굴절용 미러와 대응되는 부분에 형성되어 상기 연마패드의 외부로 광을 통과시키고 상기 웨이퍼 캐리어와 대향되는 상부면에는 상기 슬러리가 유입되는 슬러리 유입 통로가 형성된 윈도우 및

   상기 웨이퍼에서 반사된 광을 검출하여 식각 종말점을 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비의 EPD 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리 유입 통로는 상기 윈도우의 가로방향과 세로 방향에 소정 깊이로 형성되는 그루브인 것을 특징으로 하는 CMP 설비의 EPD 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬러리 유입 통로는 상기 윈도우의 가로방향과 세로방향에 상기 윈도우를 관통하여 형성된 슬릿인 것을 특징으로 하는 CMP 설비의 EPD 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 검출부는

   상기 웨이퍼에서 반사된 광이 입사되는 수광소자;

   상기 수광소자에서 출력된 광에서 특정한 파장을 갖는 광을 필터링하는 간섭필터;

   상기 간섭필터에서 전송된 특정파장의 광을 전기적인 신호로 변환시키는 광전자 증배부;

   상기 광전자 증배부의 출력신호에 의해 상기 소정 막의 식각 종말점을 검출하는 종말점 검출부 및

   상기 종말점 검출부의 출력신호에 의해 상기 연마 정반과 상기 웨이퍼 캐리어를 제어하는 것을 특징으로 하는 CMP 설비의 EPD 장치.

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