KR100611470B1 - 연마 종말점 검출이 가능한 화학기계적 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마 종말점 검출이 가능한 화학기계적 연마장치에 관한 것으로서, 연마패드가 상부면에 제공되어 있는 회전판과, 상기 회전판의 상부에 제공되고 평탄화시키고자 하는 웨이퍼를 지지하는 연마헤드와, 상기 연마패드에 슬러리를 공급하는 공급부와, 상기 연마패드로부터 낙하하는 폐슬러리의 pH를 측정하는 pH 측정기를 포함하여, 상기 공급부로부터 슬러리가 상기 연마패드에 공급되는 동안 상기 웨이퍼에 대한 평탄화 공정을 수행할 때 상기 pH 측정기에 의해서 측정되는 상기 폐슬러리의 pH 측정치로부터 상기 웨이퍼의 연마 종말점을 검출한다. 따라서, 화학기계적 연마에 의해서 웨이퍼에 대한 평탄화 공정을 수행할 때 발생되는 폐슬러리의 pH를 측정하여 pH가 급격하게 변하는 시점을 검출하여 연마 종말점을 판단함으로써 평탄화 공정에 의해서 불필요한 막질이 제거되는 것을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

폐슬러리, 연마패드, 평탄화 공정

Description

연마 종말점 검출이 가능한 화학기계적 연마장치{Chemical mechanical polisher being capable of detecting an end point in the polishing process}

도 1은 본 발명에 따른 화학기계적 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 화학기계적 장치의 평면도이다.

도 3은 일반적인 반도체 소자의 단면도이다.

도 4는 텅스텐 산화물과 pH의 관계를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 회전판

13 : 연마패드

21: 연마헤드

22 : 웨이퍼

31 : pH 측정기

본 발명은 반도체 소자의 화학기계적 연마(CMP)시 연마 종말점(end point)을 검출할 수 있는 장치에 관한 것이고, 더 상세하게 다층구조를 갖는 반도체 소자에서 층간 단차를 감소시키기 위하여 화학기계적 연마에 의해서 평탄화 공정을 실시할 때 발생되는 폐슬러리의 pH가 변하는 시점을 측정하여 연마 종말점을 검출할 수 있는 화학기계적 연마장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조공정은 증착 공정, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정 등에 의해서 기판 상에 전기적으로 구동가능한 구동소자를 형성하는 공정이다. 최근 반도체 소자의 고집적화 및 대용량화 추세에 따라 제한된 면적에 다층구조를 형성하는 고집적화 기술이 개발되었으며, 이에 부응하여 각 층간의 단차가 증가하므로 이를 감소시키기 위하여 평탄화 공정이 요구된다. 상기 평탄화 공정에는 주로 CMP 장치가 사용된다.

평탄화 공정에는 대체적으로 화학기계적 연마(CMP)가 적용된다. 이러한 화학기계적 연마는 웨이퍼 표면에 형성된 도전막이나 산화막 등을 기계적 마찰작용과 화학적 연마제의 연마작용에 의해서 평탄화시킨다. 상기 평탄화 공정에서, 기계적 연마작용은 회전하는 폴리싱 패드 위에 웨이퍼를 장착한 상태에서 웨이퍼에 소정의 하중을 가하는 동안 폴리싱 패드를 회전시킬 때 폴리싱 패드와 웨이퍼 표면 사이에 형성되는 마찰에 의해서 이루어지고, 화학적 연마작용은 상기 폴리싱 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(slurry)라는 화학적 연마제에 의해서 이루어진다.

이때, 반도체 소자에 대한 과잉연마를 방지하기 위하여, 평탄화 공정이 종료되는 시점, 즉 연마 종말점을 검출(end point detection; EPD)하는 것이 중요하다. 이는 종말점이 정확하게 검출되지 못하면 원하지 않는 막질이 제거되기 때문이다.

종래에는, 평탄화 공정시 종말점을 검출하기 위하여, 연마패드가 장착되어 있는 연마헤드의 토크변화 또는 광학적 반사도 차이를 이용하였다. 예를 들어, 도전막과 절연막의 연마패드에 대한 마찰력 차이때문에 평탄화 공정시, 절연막 상에 증착되어 있는 도전막에 대한 연마가 종료되면 상기 연마패드를 회전시키는 모터의 전류값이 변함에 따라 토크가 변하게 된다. 이러한 변화를 감지하여 연마 종말점을 검출하게 된다.

또한, 연마패드의 표면에 투명창을 형성한 후, 상기 투명창에 빔을 조사하였을 때, 도전막과 절연막의 반사도는 차이를 갖는다. 즉, 상기 도전막으로부터 반사되는 빔의 세기 또는 파장과 상기 절연막으로부터 반사되는 빔의 세기 또는 파장이 상이하므로, 이러한 상이점을 감지하여 연마 종말점을 검출하였다.

그러나, 토크의 변화량이 상대적으로 미세하므로 그 검출이 용이하지 않아서 연마 종말점을 정확하게 검출하지 못하게 된다. 또한, 평탄화 공정이 수행되는 동안 발생되는 이물질 등에 의해서 검출되는 빔의 세기나 파장의 정확한 값을 감지하지 못하게 된다.

한편, 플러그 CMP(플러그에 대한 화학기계적 연마)의 경우, 금속 패턴의 밀도가 작아 상술된 연마 종말점 검출기술을 적용하는 데 수월하지만, 다마신 구조의 금속패턴은 밀도가 매우 커서 연마 종말점 검출기술를 적용하는 데 어려움이 있다. 즉, 금속의 밀도가 높은 경우에 상술된 기술은 마찰력 및 반사도의 관점에서 정확한 종말점 측정이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 금속막과 절연막이 순차적으로 적층되어 있는 다층구조를 갖는 반도체 기판을 화학기계적으로 연마할 때 슬러리 용액에 의해서 금속막에 대한 산화과정이 발생하고, 이러한 산화과정에서 생성되는 수소이온에 의해서 화학기계적 연마에 사용되었던 폐슬러리의 pH가 변하는 시점을 측정하여 연마 종말점을 측정할 수 있는 화학기계적 연마장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연마 종말점 검출이 가능한 화학기계적 연마장치는 연마패드가 상부면에 제공되어 있는 회전판과, 상기 회전판의 상부에 제공되고 평탄화시키고자 하는 웨이퍼를 지지하는 연마헤드와, 상기 연마패드에 슬러리를 공급하는 공급부와, 상기 연마패드로부터 낙하하는 폐슬러리의 pH를 측정하는 pH 측정기를 포함하여, 상기 공급부로부터 슬러리가 상기 연마패드에 공급되는 동안 상기 웨이퍼에 대한 평탄화 공정을 수행할 때 상기 pH 측정기에 의해서 측정되는 상기 폐슬러리의 pH 측정치로부터 상기 웨이퍼의 연마 종말점을 검출한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

상술된 바와 같이, 최근 반도체 소자의 고집적화 및 대용량화 추세에 따라 다층구조를 형성하는 고집적화 기술이 개발되면서 화학기계적 연마에 의해서 각 층간의 단차를 감소시킨다.

본 발명에 따른 화학기계적 연마장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모터(미도시)의 구동에 의해서 제1회전축(A1)을 중심으로 소정 방향으로 회전하고 상부면에 연마패드(13)가 설치되어 있는 회전판(11)을 갖는다. 회전판(11)의 상부에는 슬러리(S)를 공급하는 배관(15)이 설치된다. 이때, 연마패드(13)의 상부면에는 배관(15)을 통해서 공급되는 슬러리(S)가 유입되는 유입홈(미도시)이 가공된다. 또한, 회전판(11)의 상부에는 연마하고자 하는 웨이퍼(22)를 흡착하여 고정하는 연마헤드(21)가 제공된다. 연마헤드(21)는 제2회전축(A2)을 중심으로 소정 방향, 예를 들어 회전판(11)과 동일 방향으로 회전한다.

도 3을 참조하면, 웨이퍼(22)는 실리콘 기판(22a) 상에 증착 공정, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정 등에 의해서 순차적으로 형성되어 있는 소정 패턴의 절연막(22b), 베리어막(22c) 및 도전막(22d)을 갖는다.

도 1을 다시 참조하면, 평탄화 공정을 수행하기 위하여, 웨이퍼(22)는 도전막(22d)의 상부면이 연마패드(13)를 향하고 있는 상태로 연마헤드(21)에 흡착되어 고정된다. 이 후에, 회전판(11)이 제1회전축(A1)을 중심으로 하여 회전하는 동안 제2회전축(A2)을 중심으로 하여 회전하고 있는 연마헤드(21)는 도전막(22d)의 상부면이 연마패드(13)에 접촉할 때까지 하강한다. 이때, 슬러리(S)는 배관(15)을 통해서 연마패드(22)의 상부면에 공급된다.

따라서, 웨이퍼(22)의 도전막(22d)은 연마패드(13)와의 기계적 마찰작용과 슬러리(S)와의 화학반응에 의해서 연마되어 평탄화된다. 이때, 도전막(22d)을 구성하고 있는 금속(M)은 하기 반응식 1에 의해서 산화되고, 이러한 산화반응의 결과 금속 산화막과 수소이온이 발생된다. 상기 산화막은 도전막(22d)의 산화 방지막의 역할을 수행한다.

M + H₂O = MO + 2H⁺ ‥‥‥‥ (1)

그리고, 도전막(22d)에 대한 연마에 사용된 폐슬러리(S1)는 연마패드(13)로부터 낙하한다.

이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 회전판(11)의 하부에는 낙하하는 폐슬러리(S1)의 pH를 검출하는 pH 측정기(31; pH meter)가 제공된다. pH 측정기(31)에 의해서 검출된 폐슬러리(S1)의 pH는 상기 산화반응의 결과 발생되는 수소이온의 발생량에 따라서 달라진다.

본 발명에 따라서 연마 종말점을 측정하기 위해서는 먼저 평탄화시키고자 하는 도전막(22d)을 구성하는 금속의 산화에 의해서 발생되는 폐슬러리(S1)의 pH 기준값 설정한다. 그리고, 화학기계적 연마장치에 의한 평탄화 공정을 수행하는 동안 연마패드(13)로부터 낙하하는 폐슬러리(S1)의 pH는 pH 측정기(31)에 의해서 지속적으로 측정된다.

이때, 폐슬러리(S1)의 pH 측정치는 평탄화 공정의 초기에는 높게 나타나다가 평탄화 공정이 수행됨에 따라 상기 pH 기준값까지 낮아진다. 이 후에, 평탄화 공 정이 계속 수행되면 pH 측정치는 다시 상승하게 된다. 이와 같이, pH 측정치가 상기 pH 기준값보다 높아진다는 것은 도전막(22d)을 구성하는 금속에 대한 슬러리(S)의 산화반응결과 발생되는 수소이온의 발생량이 감소한다는 것을 의미한다. 특히, 절연막(22b) 상의 도전막(22d)이 모두 연마되고 나면, 이 후에 슬러리(S)의 산화반응은 급격하게 감소하게 되며 결과적으로 폐슬러리(S1)의 pH는 급격하게 상승하게 된다.

따라서, pH 측정기에 의해서 측정되는 pH 측정값이 급격하게 상승하는 시점이 도전막(22d)의 연마 종말점에 해당하므로 웨이퍼(22)의 도전막(22d)에 대한 평탄화 공정을 종료한다.

예를 들어, 도전막(22d)을 구성하는 금속이 텅스텐인 경우에, 상기 텅스텐에 대한 산화과정에서 하기 반응식 2에 나타난 바와 같이 텅스텐 산화물(WO₃)과 수소이온(6H⁺)이 발생한다.

W + 6Fe(CN)₆ ^3- + 3H₂O →WO₃ + 6Fe(CN)₆ ^4- + 6H⁺ ‥‥‥‥ (2)

그리고, 도 4를 참조하면, 상기 텅스텐 산화물(WO₃)의 pH는 약 2 정도로서 강산성을 나타낸다. 따라서, 도전막(22d)이 텅스텐으로 구성되어 있는 경우에 먼저 pH 기준값을 2로 설정한 다음, pH 측정기(31)는 평탄화 공정을 수행하는 동안 발생되는 폐슬러리의 pH를 지속적으로 측정한다. 그리고, 폐슬러리의 pH가 급격하게 상승하게 되면 도전막(22d)에 대한 연마가 완료되었음을 인식하여 화학기계적 장치의 가동을 중지시킨다.

본 발명에 따르면, 화학기계적 연마에 의해서 웨이퍼에 대한 평탄화 공정을 수행할 때 발생되는 폐슬러리의 pH를 측정하여 pH가 급격하게 변하는 시점을 검출하여 연마 종말점을 판단함으로써 평탄화 공정에 의해서 불필요한 막질이 제거되는 것을 방지하여 반도체 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

Claims (5)

1. 연마패드가 상부면에 제공되어 있는 회전판과;

   상기 회전판의 상부에 제공되고, 절연막 상에 적층되어 있는 도전막을 갖는 웨이퍼를 지지하는 연마헤드와;

   상기 연마패드에 슬러리를 공급하는 공급부와;

   상기 연마패드로부터 낙하하는 폐슬러리의 pH를 측정하는 pH 측정기를 포함하여,

   상기 공급부로부터 슬러리가 상기 연마패드에 공급되는 동안 상기 웨이퍼에 대한 평탄화 공정을 수행할 때 상기 pH 측정기에 의해서 측정되는 상기 폐슬러리의 pH 측정치가 급격하게 상승하는 시점을 상기 웨이퍼의 연마 종말점으로 검출하는 연마 종말점 검출이 가능한 화학기계적 연마장치.
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