KR100621754B1 - 웨이퍼 캐리어 및 이를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 소자의 제조에 사용되는 화학적 기계적 연마 장치를 개시한다. 본 연마 장치에 사용되는 웨이퍼 캐리어는, 웨이퍼가 고정되는 웨이퍼 캐리어 해드와, 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되어 웨이퍼 캐리어 해드의 회전 운동시 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링과, 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되되 리테이너 링의 외측에 배치되는 가드 링을 포함한다. 따라서, 화학적 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 변형으로 인해 웨이퍼의 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

웨이퍼 캐리어 및 이를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치{Wafer Carrier and Chemical Mechanical Polisher Including the Same}

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 종래의 화학적 기계적 연마 장치에 사용되는 웨이퍼 캐리어로서, 웨이퍼 및 캐리어 링이 부착된 웨이퍼 캐리어의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어로서, 리테이너 링 및 가드 링이 부착된 웨이퍼 캐리어의 단면도이다.

본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중 화학적 기계적 연마 공정에 사용되는 연마 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 연마 패드의 변형으로 인해 웨이퍼 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 방지하는 웨이퍼 캐리어 및 이를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.

반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면의 평탄화 공정은 반도체 소자의 고집적화, 초소형화에 매우 중요한 역할을 하는 공정이다. 반도체 웨이퍼는 다층 배선 구조로 형성되는데, 각 층간 평탄도가 나쁘면 배선간 접촉에 악영향을 주게 된다. 또한, 회로 선폭의 미세화에 따라 반도체 웨이퍼의 광역 평탄화 기술이 필요하다. 이러한 필요에 의하여 개발된 것이 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 기술이다. 화학적 기계적 연마 기술은 화학적인 작용과 기계적인 작용이 동시에 이루어지면서 웨이퍼의 표면을 연마하는 방식이다.

도 1은 화학적 기계적 연마 장치(10)의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(10)는 연마 패드(12)에 의한 기계적 작용과, 연마액(15)에 의한 화학적 작용을 이용하여 웨이퍼를 연마한다. 연마 패드(Polishing Pad; 12)는 연마 테이블(Polishing Table; 11) 위에 부착되며, 연마액(Slurry; 15)은 연마액 공급기(14)로부터 공급된다. 웨이퍼는 웨이퍼 캐리어 해드(Wafer Carrier; 13)에 장착된다.

여기서, 연마 테이블(11)은 단순히 회전 운동을 하고, 웨이퍼 캐리어 해드(13)는 웨이퍼 거치암(13a)에 의해 연직 방향으로 가압되면서 동시에 회전 운동을 한다. 웨이퍼는 일반적으로 세라믹 재질의 캐리어 링(20)에 의해 웨이퍼 캐리어 해드(13)에 고정된다. 웨이퍼는 캐리어 해드(13) 자체의 하중과 웨이퍼 거치암(13a)에 의해 인가되는 가압력에 의해 연마 패드(12)와 접촉하게 된다. 웨이퍼와 연마 패드(12)의 접촉면 사이로 연마액(15)이 유입되면서, 연마액(15)에 함유된 연마 입자와 연마 패드(12)의 표면 돌기들에 의해 기계적인 제거 작용이 일어나고, 연마액(15) 내의 화학 성분에 의해 화학적인 제거 작용이 동시에 일어나게 된다.

이러한 화학적 기계적 연마 장치에서는 가공하고자 하는 웨이퍼 표면을 연마 패드(12) 상에 밀착시켜 가공하게 되므로, 연마 패드(12)와 웨이퍼 사이의 압력 분 포에 따라 연마 상태가 달라지게 된다. 특히, 웨이퍼 캐리어 해드(13)에 웨이퍼를 고정하는 캐리어 링(20)이 웨이퍼 거치암(13a)에 의해 인가되는 가압력에 의해 연마 패드(12)를 가압하게 되는데, 이때 캐리어 링(20)으로 인해 연마 패드(12)에 패드 바운딩 효과(Pad Bounding Effect)가 나타나게 된다.

즉, 도 2에서 보듯이, 캐리어 링(20)이 연마 패드(12)를 가압함에 따라, 연마 패드(12)의 소정 영역(12a)이 돌출되는 패드 바운딩 효과가 나타나게 된다. 캐리어 링(20)은 일반적으로 세라믹 재질인데 반해 연마 패드(102)는 통상 탄성 재질로 제조되므로, 캐리어 링(20)이 연마 패드(12)를 가압하게 되면 캐리어 링(20) 주위에서 연마 패드(12)가 변형되어 소정 영역(12a)이 돌출되는 것이다. 따라서, 웨이퍼의 가장자리는 상기 영역(12a)에 의해 그 중앙부에 비하여 훨씬 큰 압력이 걸리게 되므로, 연마에 의해 제거되는 비율이 상대적으로 커지게 된다. 그러므로, 웨이퍼의 표면은 전체적으로 불균일하게 연마되어 반도체 소자의 수율 저하의 가장 큰 원인이 된다.

본 발명은 화학적 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 변형으로 인해 웨이퍼의 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 방지할 수 있는 웨이퍼 캐리어 및 이를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어는, 웨이퍼가 고정되는 웨이퍼 캐리어 해드와, 상기 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되어 상기 웨이퍼 캐리어 해드의 회전 운동시 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링과, 상기 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되되 상기 리테이너 링의 외측에 배치되는 가드 링을 포함한다. 여기서, 가드 링의 폭을 상기 리테이너 링의 폭보다 크게 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 가드 링의 돌출 높이를 상기 리테이너 링의 돌출 높이와 실질적으로 동일하게 하거나, 가드 링의 돌출 높이를 상기 리테이너 링의 돌출 높이보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예를 도시한 것으로서, 리테이너 링(22) 및 가드 링(24)이 구비된 웨이퍼 캐리어의 단면도이다. 웨이퍼 캐리어 해드(13)는 연마 공정 중에 웨이퍼 거치암(13a)에 의해 연직 방향으로 가압되면서 회전하게 된다. 웨이퍼 캐리어 해드(13)의 바닥면에는 웨이퍼(W)가 배치된다.

본 발명에 따른 캐리어 링은 리테이너 링(22) 및 가드 링(24)을 포함한다. 여기서, 리테이너 링(22)은 웨이퍼(W)를 웨이퍼 캐리어(13)에 고정하기 위한 것으로서, 웨이퍼 캐리어 해드(13)의 하면에 부착되어 웨이퍼 캐리어 해드(13)의 회전 운동에 따라 웨이퍼(W)가 이탈되지 않도록 한다. 또한, 가드 링(24)은 웨이퍼 캐리어 해드(13)의 하면에 부착되되, 리테이너 링(22)의 외측에 배치된다. 즉, 가드 링(24)의 내경은 리테이너 링(22)의 외경 보다 크다.

본 발명에서는 캐리어 링으로서 웨이퍼(W)를 고정하는 리테이너 링(22) 뿐만 아니라 가드 링(24)을 더 포함하는데, 이를 통해 연마 패드(12)의 변형으로 인해 웨이퍼(W)의 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 방지한다. 즉, 연마 패드(12)의 변형은 가드 링(24)의 주위에 발생하게 되므로, 가드 링(24)의 내측에 배치된 리테이너 링(22) 및 웨이퍼(W)의 가장자리에는 연마 패드의 변형이 상대적으로 감소하게 된다.

보다 자세히 설명하면, 도 3에서 보듯이, 웨이퍼 거치암(13a)의 가압력에 의해 캐리어 해드(13)가 연직 방향으로 가압되면, 가드 링(24)이 일차적으로 연마 패드(12)를 가압하게 되므로 패드 바운딩 현상으로 인해 돌출되는 영역(12a)은 주로 가드 링(24)의 주변에 집중적으로 발생하게 된다. 그러므로, 리테이너 링(22) 및 웨이퍼(W)의 주변에는 패드 바운딩 현상이 현저히 감소하게 된다. 따라서, 웨이퍼(W) 및 연마 패드(12) 사이에 작용하는 압력은 웨이퍼(W)의 가장자리 및 중심부에서 균일하게 된다. 이를 통해, 화학적 기계적 연마 작용에 의한 연마율이 웨이퍼(W) 전면에 걸쳐 균일하게 유지될 수 있다.

한편, 연마 패드(12)의 탄성 정도에 따라 가드 링(24) 및 리테이너 링(22) 사이의 간격(G)을 조절하여, 패드 바운딩 현상이 웨이퍼(W)에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 만약, 탄성 정도가 큰 연마 패드를 사용한다면 패드 바운딩 현상이 일어나는 면적이 넓을 수 있으며, 이 경우 간격(G)을 보다 넓게 하여 패드 바운딩이 웨이퍼(W)에 미치지 않도록 한다. 또한, 가드 링(24)의 폭(W1)을 리테이너 링(22)의 폭(W2)보다 크게 형성하면 가드 링(24)의 내측에서의 패드의 변형양을 최소화할 수 있다.

또한, 패드 바운딩 현상이 가드 링(24)에만 집중될 수 있도록 가드 링의 돌 출 높이(H)를 리테이너 링(22)의 돌출 높이(h)와 같거나 크게 형성할 수 있다. 만약, 가드 링(24)의 돌출 높이(H)가 리테이너 링(22)의 돌출 높이(h)보다 작다면 패드 바운딩 현상이 리테이너 링(22)에도 발생할 수 있기 때문이다. 반대로, 가드 링(24)의 돌출 높이(H)가 리테이너 링(22)의 돌출 높이(h)보다 너무 크다면, 웨이퍼(W)가 연마 패드(12)에 밀착되지 못하여 연마가 수행되지 않는다. 따라서, 가드 링(24)의 돌출 높이(H) 및 리테이너 링(22)의 돌출 높이(h)를 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 여기서, 가드 링(24) 및 리테이너 링(22)의 돌출 높이(H 및 h)는, 가드 링(24) 및 리테이너 링(22)의 실질적인 높이를 의미하는 것이 아니고, 웨이퍼(W)의 일면을 기준으로 한 높이를 의미한다.

본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치에서는, 웨이퍼 캐리어에 부착되는 캐리어 링으로서 웨이퍼를 고정하는 리테이너 링 뿐만 아니라 가드 링을 추가로 배치하여, 패드 바운딩 현상으로 인한 연마 패드의 변형이 가드 링 주변에 집중되게 한다. 즉, 패드 바운딩 현상이 웨이퍼 주변에 발생하는 것을 방지하여, 연마 패드의 압력이 웨이퍼 전면에 균일하게 가해지도록 한다. 따라서, 본 발명의 웨이퍼 캐리어 및 이를 포함하는 연마 장치를 사용하면 웨이퍼 가장자리가 과도하게 연마되는 것을 방지할 수 있으므로, 하나의 캐리어 링을 사용하는 종래의 화학적 기계적 연마 장치에 비하여 연마율이 웨이퍼 전면에 걸쳐 균일하게 유지된다. 그 결과, 반도체 소자의 제조 수율 및 신뢰성을 현저히 향상시킬 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하 는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 웨이퍼가 고정되는 웨이퍼 캐리어 해드;

   상기 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되어 상기 웨이퍼 캐리어 해드의 회전 운동시 웨이퍼의 이탈을 방지하는 리테이너 링; 및

   상기 웨이퍼 캐리어 해드의 하면에 부착되되 상기 리테이너 링의 외측에 소정의 간격으로 이격되어 배치되는 가드 링;을 포함하고,

   상기 가드 링의 돌출 높이와 상기 리테이너 링의 돌출 높이는 실질적으로 동일하게 형성되고, 상기 가드 링 및 상기 리테이너 링은 연마 공정 중에 연마 패드에 연접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 캐리어.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가드 링의 폭은 상기 리테이너 링의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 웨이퍼 캐리어.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 따른 웨이퍼 캐리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.

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