KR100638289B1 - 구조화된 웨이퍼의 표면 변형 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 제1 상 및 제1 상보다 덜 딱딱한 제2 상을 갖는 상 분리 중합체(44)를 포함하는 연마재(40)의 작업 표면(47)과 변형할 표면을 접촉시키는 단계; 및 (b) 변형할 표면과 고정된 연마재를 상대적으로 이동시켜 연마 슬러리의 부재하에 변형할 표면으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하는 표면 변형 방법에 관한 것이다.
웨이퍼, 표면 변형, 연마재, 마멸, 평탄화

Description

구조화된 웨이퍼의 표면 변형 방법 {Method of Modifying a Surface of a Structured Wafer}
본 발명은 구조화된 반도체 웨이퍼 등의 표면과 같은 표면을 연마하거나 마멸하는 방법에 관한 것이다.
집적회로 제조중에, 반도체 제작에 사용되는 반도체 웨이퍼는 전형적으로 침착, 패턴화 및 식각을 포함한 다수의 가공 단계를 겪는다. 반도체 웨이퍼의 이러한 제조 단계의 상세한 내용은 톤쇼프(Tonshoff) 등의 문헌["Abrasive Machining of Silicon", Annals of the International Institution for Production Engineering Research, (Volume 39/2/1990), pp. 621-635]에 보고되어 있다. 각각의 제조 단계에서, 웨이퍼의 노출된 표면을 변형하거나 다듬어 후속 제작 또는 제조 단계를 위해 준비시키는 것이 종종 필요하거나 바람직하다.
종래의 반도체 장치 제작 계획에서, 편평한 기본 규소 웨이퍼를 둘 이상의 별개 물질의 균일한 층을 침착시켜 다층 구조의 단일층을 형성하는 일련의 가공 단계에 적용시킨다. 이 공정에서, 당업계에서 일반적으로 사용되는 임의의 수단에 의해 제1 물질의 균일한 층을 웨이퍼 자체 또는 중간 구조물의 기존 층에 적용시켜 그 층 안으로 또는 그 층을 통해 피트(pit)를 식각한 다음, 피트를 제2 물질로 충 전하는 것이 일반적이다. 또 다르게는, 제1 물질을 포함하는 거의 균일한 두께의 특징을, 일반적으로는 마스크를 통해, 웨이퍼 또는 웨이퍼의 이미 제작된 층에 침착시킨 다음, 이들 특징에 인접한 영역을 제2 물질로 충전하여 층을 완성할 수 있다. 침착 단계 후, 웨이퍼 표면위의 침착된 물질 또는 층은 일반적으로 추가의 침착 또는 후속 가공이 일어나기 전에 추가의 가공을 요한다. 완성되면, 외부 표면은 실질적으로 전체적으로 평면이고 기본 규소 웨이퍼 표면에 평행하다. 이러한 공정의 구체적인 예는 금속 데머신(Demascene) 공정이다.
데머신 공정에서, 패턴은 유전성 산화물(예컨대, 이산화규소) 층에 식각된다. 식각 후, 임의의 부착/차단층이 전체 표면에 걸쳐 침착된다. 전형적인 차단층은, 예를 들어 탄탈룸, 질화 탄탈룸, 티탄 또는 질화 티탄을 포함할 수 있다. 다음으로, 금속(예컨대, 구리)은 유전성 및 임의의 부착/차단층에 침착될 수 있다. 그 다음, 침착된 금속층은 유전성 표면으로부터 침착된 금속 및 임의로 부착/차단층의 일부를 제거함으로써 변형되거나 다듬어지거나 마무리된다. 전형적으로, 웨이퍼의 노출된 외부 표면이 금속 및 유전성 산화물 물질을 둘다 포함할 정도의 표면 금속이 제거된다. 노출된 웨이퍼 표면의 상면도는 식각된 패턴에 상응하는 금속 및 금속에 인접한 유전성 물질을 갖는 평탄한 표면을 나타낼 것이다. 웨이퍼의 변형된 표면에 위치된 금속(들) 및 유전성 산화물 물질(들)은 본질적으로 상이한 물리적 특징, 예를 들어 상이한 경도 값을 갖는다. 데머신 공정에 의해 생성된 웨이퍼를 변형하는데 사용되는 연마 처리는 어느 물질의 표면의 긁힘도 없이 금속 및 유전성 물질을 동시에 변형시키도록 계획되어야 한다. 연마 처리는 금속의 노출된 구역 및 유전성 물질의 노출된 구역을 갖는 웨이퍼에 평탄한 외부 노출된 표면을 생성하여야 한다.
침착된 금속 층을 변형시켜 유전성 물질을 노출시키는 공정은 웨이퍼 표면에 위치된 금속 특징의 초미세한 치수때문에 오차가 일어날 여지가 거의 없다. 침착된 금속의 제거 속도는 제조 비용을 최소화하기 위하여 비교적 높아야 하고, 금속은 식각되지 않은 구역으로부터 완전히 제거되어야 한다. 식각된 구역에 남아 있는 금속은 별개의 구역 또는 대역에 한정되어야 하며, 적당한 전도성을 확보하기 위하여 이들 구역 또는 대역내에서 연속적이다. 간단히 말하자면, 금속 변형 공정은 균일하고, 제어적이고, 초미세한 규모로 재현가능해야 한다.
구조화된 웨이퍼의 노출된 표면을 변형시키거나 다듬는 하나의 종래의 방법은 웨이퍼 표면을 액체에 분산된 다수의 유리된 연마 입자를 함유하는 슬러리로 처리하는 것이다. 전형적으로 이 슬러리를 마멸 패드에 적용하고, 웨이퍼 표면을 패드에 대하여 갈거나 이동시켜 웨이퍼 표면으로부터 물질을 제거한다. 일반적으로, 슬러리는 또한 웨이퍼 표면과 반응하여 제거 속도를 변경하는 화학제제 또는 가공액을 함유할 수 있다. 전술한 공정은 일반적으로 화학-기계적 평탄화(chemical-machanical planarization, CMP) 공정이라고 불린다. 통상의 CMP 공정의 임의의 단점이 알려져 있다. 예를 들어, 사용된 슬러리를 환경적으로 안전한 방식으로 폐기하는 것은 비용이 많이 든다. 또한, 잔여 연마 입자는 마멸 공정 후 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 제거하기가 어려울 수 있다. 이들 잔여 입자는 제거되지 않으면, 완성된 반도체 장치의 전기적 및 기계적 파손의 원인이 될 수 있다.
CMP 슬러리 방법에 대한 최근의 대안은 연마재를 사용하여 반도체 표면을 변형하거나 다듦음으로써 전술한 슬러리에 대한 필요를 없앤다. 이러한 또 다른 CMP 공정은, 예를 들어 국제 특허출원 공개공보 WO 97/11484호(1997년 3월 27일 공개)에 보고되어 있다. 보고된 연마재는 결합제에 분산된 연마 입자를 포함하는 텍스쳐화된 연마면을 갖는다. 사용시, 종종 가공액의 존재하에, 웨이퍼위의 물질의 단일층을 변형하고 평탄한 균일한 웨이퍼 표면을 제공하도록 적합화된 동작으로, 연마재를 반도체 웨이퍼 표면과 접촉시킨다. 가공액을 웨이퍼의 표면에 적용시켜 연마재의 작용하에 웨이퍼의 표면으로부터의 물질의 제거를 화학적으로 개질시키거나 달리 촉진한다.
전술한 가공액은 물, 또는 더 전형적으로는 착화제, 산화제, 부동태화제, 계면활성제, 습윤제, 완충제, 방청제, 윤활제, 비누, 이들 첨가제의 혼합물 등의 수용액과 같은 임의의 다양한 액체를 포함할 수 있다. 첨가제는 또한 제2 물질, 예컨대 웨이퍼 표면위의 금속 또는 금속 합금 전도체와 반응성인 제제, 예를 들어 산화제, 환원제, 부동태화제 또는 착화제를 포함할 수 있다.
CMP 공정을 개선시키는 것이 바람직하다. 종래의 슬러리 기반 공정으로 생성된 것보다 큰 정도의 선택적 평탄화를 나타내는 연마재를 사용함으로써 CMP 공정을 개선시키는 것이 특히 바람직하다. 통상의 연마 입자를 함유하지 않으면서 전술한 슬러리를 요하지 않고 CMP 공정에 여전히 유효한 연마재를 사용하는 공정을 제공하는 것이 또한 바람직하다.
발명의 요약
본 발명은 (a) 상이한 경도를 갖는 둘 이상의 상을 갖는 상 분리 중합체를 포함하는 연마재의 표면과 반도체 웨이퍼의 노출된 표면을 접촉시키는 단계; 및 (b) 웨이퍼와 고정된 연마재를 상대적으로 이동시켜 연마 슬러리의 부재하에 웨이퍼의 표면으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼의 노출된 표면을 변형하는 방법을 제공한다.
상 분리 중합체는 임의의 다양한 상 분리 중합체중에서 선택될 수 있으며, 이때 상 분리 중합체의 파손에 필요한 일(work to failure)은 웨이퍼의 표면으로부터 제거된 물질의 파손에 필요한 일보다 크다. 이와 관련하여, "파손에 필요한 일"이란 특정 물질의 응력/변형률 파손 곡선 아래의 적분 면적을 뜻한다. 이러한 곡선 아래의 면적은 일의 단위를 갖는다. 일반적으로, 상 분리 중합체는 A-B 이블록 공중합체, A-B-A 삼블록 공중합체, A-B-A-B 사블록 공중합체 및 A-B 다블록, 및 별형 블록 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 블록 공중합체이다. 바람직한 실시양태에서, 상 분리 중합체는 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체 또는 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체이다. 이들 공중합체 시스템에서, 스티렌은 약 50옹스트롬 내지 약 1000옹스트롬의 평균 직경을 갖는 경질 단편 도메인을 형성하기에 충분한 양으로 상 분리 중합체내에 존재한다. 경우에 따라, 블록 중합체를 별개의 도메인의 조성에 상응하는 단독중합체와 배합함으로써 더 큰 별개의 도메인이 종종 생성될 수 있다.
본 발명의 양상에 관하여, 특정 용어들은 하기의 의미를 갖는 것으로 이해될 것이다.
"연마 복합물"이란 집합적으로 연마면을 제공할 수 있는 다수의 형상체중 하나를 뜻한다. 이와 관련하여, "3차원 연마면"은 기복있는 연마 부분의 파상 표면 지형을 갖는 연마면이다.
연마 복합물에 관하여 "정밀 형상화된"이란 사람의 눈에 의해 쉽게 식별가능하고, 제공 공정동안 쉽게 재현되어(예컨대, 주조성형에 의해) 정밀 형상화된 연마 복합물의 전체 연마면을 제공할 수 있는 형상을 뜻한다.
당업자라면 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구의 범위를 포함하는 나머지 개시내용을 고려한 후 본 발명의 상기 및 다른 양상들을 이해할 것이다.
도 1은 표면 변형전의 구조화된 웨이퍼의 일부의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 표면 변형후의 구조화된 웨이퍼의 일부의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 반도체 제작에 사용되는 웨이퍼의 표면을 변형하기 위한 한 기계의 개략적인 부분 측면도이다.
도 4는 본 발명의 방법에 유용한 연마재의 일부의 횡단면도이다.
본 발명을 그의 바람직한 실시양태를 참조하여 기술하겠다. 상세한 설명에서, 여러 도면이 언급될 것이며, 도면에서 임의의 특징은 도면 부호에 의해 식별되고, 같은 부호는 같은 특징을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 패턴화된 웨이퍼(10)의 대표도이다. 명료성을 위하여, 도핑된 영역, 활성 장치, 에피텍셜(epitaxial) 층, 캐리어 및 필드 산화물 층과 같은 공지의 특징은 생략되었다. 웨이퍼(10)는 전형적으로 단결정 규소, 비소화 갈륨 및 당업계에 공지된 다른 물질과 같은 임의의 적당한 물질로 만들어진 기판(11)을 갖는다. 차단층 또는 부착층(13), 전형적으로 질화 티탄, 티탄, 탄탈룸, 질화 탄탈룸 또는 질화 규소는 기판층(11) 및 기본 특징을 덮는다.
금속 전도체층(14)은 차단층(13)의 전면 및 기본 특징을 덮는다. 다양한 금속 또는 금속 합금, 예를 들어 티탄, 알루미늄, 구리, 알루미늄 구리 합금, 텅스텐 또는 은이 사용될 수 있다. 금속층은 전형적으로 차단층(13)위에 금속의 연속층을 침착시킴으로써 적용된다. 그 다음, 과량의 금속을 제거하여, 도 2에 설명된 것과 같은 바람직한 패턴의 금속 연결부(15)를 형성한다. 금속의 제거는 바람직하게는 완성된 반도체 장치의 조작성을 방해할 수 있는 긁힘 또는 다른 결함이 없는 평탄한 표면을 제공하는 별개의 금속 연결 표면(15) 및 별개의 특징 표면(16)을 제공한다.
도 3은 웨이퍼를 변형하고 CMP 공정에 유용한 기계를 개략적으로 설명한다. 이 기계의 변형 및(또는) 다수의 다른 기계가 본 발명에 유용할 수 있다. 이러한 유형의 기계는 마멸 패드 및 유리된 연마 슬러리와 함께 사용되는 것으로 당업계에 공지되어 있다. 적합한, 시중에서 입수가능한 CMP 공정용 기계의 예는 미국 애리조나주 피닉스 소재의 아이펙/웨스테크(IPEC/WESTECH)로부터 입수가능하다. CMP 공정을 위한 또 다른 기계는 스트라스바우(STRASBAUGH) 또는 스피드팜(SPEEDFAM)으로부터 입수가능하다. 웹 또는 마멸 테이프를 수용하도록 적합화된 또 다른 기계 는, 예를 들어 룬드(Lund)에게 허여된 미국 특허 제5,643,044호 및 제5,791,969호에 기술되어 있다. 기계(30)는 모터(도시되지 않음)에 연결된 헤드 장치(31)를 포함한다. 척(chuck)(32)이 헤드 장치(31)로부터 연장된다. 이러한 척의 예는 짐벌(gimbal) 척이다. 척(32)의 디자인은 바람직하게는 상이한 힘과 피봇(pivot)을 조절하여, 연마재가 웨이퍼에 바람직한 표면 마무리 및 편평도를 제공한다. 그러나, 척은 평탄화동안 웨이퍼를 회전시키거나 회전시키지 않을 수 있다.
척(31)의 끝에는 헤드 장치(31)에 웨이퍼(34)를 고정하고 가공하는 동안 웨이퍼가 이동하는 것을 방지하는 웨이퍼 홀더(holder)(33)가 있다. 웨이퍼 홀더는 웨이퍼를 수용하도록 디자인되며, 예를 들어 원형, 타원형, 직사각형, 사각형, 팔각형, 육각형 또는 오각형일 수 있다. 일부 경우에서, 웨이퍼 홀더는 2개의 부분, 즉 임의의 보유 고리 및 웨이퍼 지지 패드를 포함한다. 보유 고리는 반도체 웨이퍼의 둘레 주위에 정합되는 전체적으로 원형인 장치일 수 있다. 웨이퍼 지지 패드는 하나 이상의 요소, 예컨대 폴리우레탄 발포체로부터 제작될 수 있다. 웨이퍼 홀더(33)는 고리 부분(35)에서 반도체 웨이퍼(34)와 나란히 연장된다. 임의의 고리 부분은 별개의 조각일 수 있거나 홀더(33)와 일체일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 홀더(33)는 고리 부분(35)이 웨이퍼(34)의 표면(36) 너머로 연장되지 않도록 구성될 수 있다. 이 형태에서, 웨이퍼 홀더(33)는 연마재의 작업 표면(41)에 닿거나 접촉되지 않을 것이다. 다른 경우에, 웨이퍼 홀더(33)의 고리 부분(35)은 웨이퍼(34)의 표면(36) 너머로 연장될 수 있다. 이러한 부품의 배열에서, 고리 부분(35)은 연마면(41)과 접촉됨으로써, 예를 들어 가공중에 표면의 최외각 부분을 제거함으로써 연마면을 "콘디쇼닝(conditioning)"하기에 적합한 구조를 가진 웨이퍼 홀더(33)를 제공하여 연마 복합물의 특징에 영향을 줄 것이다. 웨이퍼 홀더 또는 보유 고리는 연마재가 웨이퍼에 바람직한 정도의 변형을 부여할 임의의 디자인 또는 물질을 가질 수 있다. 적합한 물질의 예로는 중합체성 물질이 있다.
웨이퍼 홀더(33)가 회전하는 속도는 특정 기계, 가공 조건, 연마재 및 바람직한 웨이퍼 변형 기준에 따라 좌우될 것이다. 그러나, 일반적으로 웨이퍼 홀더(33)는 약 2 내지 약 1,000rpm, 전형적으로는 약 5 내지 약 500rpm, 바람직하게는 약 10 내지 약 300rpm 및 더 바람직하게는 약 20 내지 약 100rpm으로 회전한다. 웨이퍼 홀더가 너무 느리게 또는 너무 빠르게 회전하면, 바람직한 제거 속도가 얻어지지 않을 수 있다. 웨이퍼 홀더(33) 및(또는) 기판(42)은 원형 방식, 나선형 방식, 불균일 방식, 타원형 방식으로(예: 8자 모양) 또는 불규칙 동작으로 회전할 수 있다. 웨이퍼 홀더는 자주 연마재의 반경을 따라 옮긴다. 웨이퍼 홀더 또는 기판은 또한, 예를 들어 홀더 또는 기판을 통해 초음파 진동을 전달함으로써 발진하거나 진동할 수 있다.
본 발명의 방법은 전술한 바와 같이, 구조화된 반도체 웨이퍼의 층과 같은 제조 공정에 있는 제품의 표면을 연마하기에 적합한 작업 표면을 갖는 연마재를 사용한다. 본 발명의 방법은 연마 슬러리의 사용을 요하지 않는다. 연마재의 작업 표면은 구조화된 웨이퍼 표면을 한쪽만 또는 적합한 화학 환경의 존재하에 연마시키거나 마멸하기 위해, 바람직하게는 다수의 상승 영역을 포함하는 텍스쳐화된 작업 표면을 포함한다. 각각의 상승된 접촉 영역은 전형적으로 존재하는 각각의 중 합체 상의 다수의 도메인을 함유한다.
도 4에 있어서, 본 발명의 방법에 유용한 연마재에 바람직한 구조가 도시되어 있는데, 이를 이제부터 기술하겠다. 연마재(40)는 일반적으로 도면 부호 (41)로 나타낸 연마면을 포함한다. 연마면(41)은 기판(42)의 한쪽 주표면에 고정되고, 바람직하게는 기판(42)에 고정된 다수의 연마 복합물(44)을 포함한다. 복합물(44)은 기판에 일체 성형되거나 접착제 등에 의해 기판에 고정될 수 있다. 바람직하게는, 연마면은 연마재(40)가 CMP 공정에 사용될 때, 복합물(44) 사이에서 연장되어 전체 표면(41)을 따라 가공액의 순환을 촉진하는, 일반적으로 (46)으로 나타낸, 개방된 채널을 포함한다. 가공액은 공지되어 있으며, 예를 들어 반도체 웨이퍼와 연마면(41)의 사이의 계면을 냉각시키거나, 적당한 화학물질을 계면에 옮기거나, 마멸 공정에 의해 방출된 찌꺼기를 제거하거나 또는 상기 및 다른 기능을 함께 나타내기 위하여 사용될 수 있다. 채널(46) 및 복합물(44)의 상대적 체적은 특정 마멸 공정의 요구에 따라 달라질 수 있음을 알 것이다. 그러나, 채널(46)은 전형적으로 작업 표면(48)과 복합물의 기판 면 사이의 체적의 5 내지 95%, 바람직하게는 50 내지 80%를 차지할 것이다.
유용한 연마재는 또한 복합물(44) 반대쪽의 기판(42)의 표면에 고정된 배킹(backing)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 공지의 코팅된 연마 배킹은 연마재에 사용하기에 적합하다. 배킹은 가요성일 수 있거나, 또 다르게는 배킹은 더 단단할 수 있다. 전형적인 가요성 연마 배킹의 예로는 중합체성 필름, 하도된 중합체성 필름, 금속 호일, 천, 종이, 가황 섬유, 부직물 및 그의 처리된 변형물, 및 이들의 혼합물이 있다. 배킹은 또한 그의 물성을 개질시키는 처리를 함유할 수 있다. 배킹의 다른 예는 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제5,417,726호에 기술되어 있다. 더 단단한 배킹의 예로는 금속판, 세라믹판, 처리된 부직 기재, 처리된 천 등이 있다. 배킹은 또한 함께 적층된 둘 이상의 배킹으로 이루어질 수 있다. 배킹은 또한 국제 특허출원 공개공보 WO 93/12911호에 개시된 바와 같이 중합체 물질에 감싸인 강화 섬유로 이루어질 수 있다.
반도체 웨이퍼 평탄화에 바람직한 배킹은 그 두께가 매우 균일하다. 배킹이 균일한 두께를 가지지 않는다면, 평탄화 후 중간 반도체 웨이퍼 편평도 사이에 변이가 더 커질 수 있다. 하나의 바람직한 유형의 배킹은 중합체성 필름이고, 이러한 필름의 예로는 폴리에스테르 필름, 폴리에스테르 및 코폴리에스테르 필름, 미소공극의 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 폴리아미드 필름, 폴리비닐 알콜 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름 등이 있다. 중합체성 필름 배킹과 연마재 또는 코팅물 사이의 부착이 우수해야 한다. 많은 경우에, 중합체성 필름 배킹은 하도된다. 하도제는 표면 변화 또는 화학물질형 하도제일 수 있다. 표면 변화의 예로는 코로나 처리, 자외선 처리, 전자 빔 처리, 화염 처리 및 표면적을 증가시키기 위한 문지름이 있다. 화학물질형 하도제의 예로는 미국 특허 제3,188,265호에 개시된 에틸렌 아크릴산 공중합체, 미국 특허 제4,906,523호에 교시된 콜로이드상 분산액, 미국 특허 제4,749,617호에 개시된 아지리딘형 물질 및 미국 특허 제4,563,388호 및 제4,933,234호에 교시된 방사 그라프트된 하도제가 있다. 중합체성 필름 배킹의 두께는 일반적으로 약 20 내지 1000미크로미터, 바람직하게는 50 내지 500미크로미터, 더 바람직하게는 60 내지 200미크로미터이다.
연마 복합물(44)은 바람직하게는 제1 또는 "경질" 상 및 제2 또는 "연질" 상을 갖는 상 분리 중합체 시스템을 포함하며, 이때 경질 상은 중합체의 경질 단편을 포함하고, 연질 상은 중합체의 연질 단편을 포함한다. 상 분리 중합체의 경질 상은 연질 상보다 딱딱하며, 경질 상은 CMP 공정에 사용되는 동안 바람직하게는 제품의 작업 표면의 온도보다 높은 유리전이온도(Tg)를 특징으로 한다. 전형적으로, 경질 단편의 Tg는 약 49℃보다 높고, 일반적으로 약 10℃ 내지 약 100℃일 것이다. 상 분리 중합체의 연질 상은 CMP 공정에 사용되는 동안 바람직하게는 제품의 작업 표면의 온도보다 낮은 유리전이온도를 특징으로 할 수 있다. 이러한 상 분리 중합체 시스템에서, 중합체의 경질 상은 CMP 공정동안 연마 그릿(grit)에 유사한 방식으로 작용할 것이며, 중합체의 연질 상은 마멸되는 구조화된 웨이퍼의 표면에 대한 패드의 국소 순응성을 촉진할 것이다. 연질 상은 바람직하게는 표면의 울퉁불퉁함이 활성 그릿의 면 너머로 돌출되고 그릿 통로로서 잘려져 나가게 하기에 충분한 탄성을 가질 것이다. 당업자라면 경질 상의 형태는 경질 및 연질 상의 상대적인 몰 체적을 변화시킴으로써 변화될 수 있음을 알 것이다.
복합물(44)의 배합에서, A-B 블록 공중합체가 사용될 수 있는데, 이때 하나의 성분은 전술한 경질 단편을 형성하고, 다른 성분은 연질 단편을 형성한다. 중합체 시스템은 또한 A-B-A형 블록 공중합체 또는 소위 별형 블록 형태를 제공하는 중합체일 수 있다. 또한, 일부 CMP 마멸 용도에 미소상 분리된 우레탄(예컨대, 에스탄스(Estanes))이 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 본 발명의 가장 광범위한 양상에서, 중합체성 물질은 파손까지의 응력 대 변형률 곡선 아래의 적분 면적(파손에 필요한 일)이 제거될 물질의 상응하는 파손에 필요한 일보다 크면, 복합물의 형성에서 유용하다고 간주된다. 물질 제거의 선택성을 촉진하기 위하여, 중합체의 물질의 파손에 필요한 일이 제거될 물질의 상응하는 파손에 필요한 일보다 크지만, 제거된 물질 아래의 유전층 및(또는) 임의의 부착/차단층의 파손에 필요한 일보다는 작은 것이 바람직할 수 있다.
연마 복합물(44)에 사용하기에 바람직한 하나의 중합체성 시스템은 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체 시스템이다. 일반적으로, SBS 시스템은 별로 비싸지 않고, 열성형 또는 용매 캐스팅(casting)에 의해 제작하기에 용이하고, 상이한 마멸 용도에 적합화되도록 구조적으로 쉽게 변형될 수 있다. 이 시스템에서, 스티렌 상은 CMP 공정동안 구리를 연마시킬 수 있고, 특히 예를 들어, 이중 데마센 공정동안 구조화된 웨이퍼에 침착된 구리 금속에 대한 가공액(예컨대, 과산화수소 용액)의 적용의 결과로 인한 산화 환경에 구리 표면에 노출될 때 형성되는 구리 화합물을 연마시킬 수 있다. CMP 공정에 유용한 가공액은 당업자에게 공지되어 있으며 본원에서 추가로 기술하지 않는다. 이러한 가공액의 예는 1998년 6월 24일자로 출원된 계류중인 미국 특허출원 제09/091,932호에 및 1999년 3월 10일자로 출원된 미국 특허출원 제09/266,208호에서 찾을 수 있다.
SBS 시스템 및 비교적 낮은 중량 분율의 스티렌에서, 스티렌 상은 연마 그릿으로서 작용할 것이며, 부타디엔 매트릭스에 균일하게 분산된 구의 형태를 취하는 경향이 있다. 스티렌 상은 남아 있는 중합체성 매트릭스에 공유 결합되며, 따라서 마멸 공정동안 매트릭스로부터 분리될 가능성이 없다. 스티렌 함량이 SBS 배합물에서 증가됨에 따라, 스티렌의 도메인은 성장하고, SBS 중합체성 시스템내에서 원통형 형태 등을 취할 수 있다. SBS내의 스티렌 함량이 더 증가하면, SBS 시스템은 결국 복연속성(bicontinuous)으로 되고, 스티렌의 층이 부타디엔의 층과 교대되는 라멜라(lamella) 구조를 취할 것이다. 스티렌 함량이 더 증가하면 제2 복연속성 도메인 배열을 통과하여, 스티렌이 연속상이고, 시스템의 부타디엔 부분이 원통 및 구의 잘 분산된 집단을 형성하는 구조를 발생시킬 것이다. 상 분리 중합체 시스템 형태의 추가의 상세한 내용은 문헌[Encyclopedia of Polymer Science and Technology, vol. 9, pp 760-788, John Wiley & Sons(1987)]에서 찾을 수 있다.
SBS 중합체 시스템이 연마재에 사용되어 복합물을 형성할 때, SBS 시스템내의 스티렌 함량은 전형적으로 약 10중량% 내지 약 90중량%일 것이다. 가장 바람직하게는 약 15중량% 내지 약 40중량%이다. 종래의 미네랄 연마제에 비하여, 제조 공정에 있는 제품에 전달된 임의의 중합체성 잔사는 웨이퍼 제작 공정의 일부로서 침착된 중합체성 마스크를 제거하는데 사용된 동일한 가공 조건에 의해 쉽게 제거될 수 있다. 바람직하게는, SBS 중합체내의 스티렌 상은 평균 직경 약 50옹스트롬(Å) 내지 약 1,000Å의 연마 입자와 유사하거나 상동인 작은 영역을 형성한다. 전술한 연마재에 사용하기에 적합한 시중에서 입수가능한 블록 공중합체로는 미국 텍사스주 휴스톤 소재의 셸 케미칼 캄파니(Shell Chemical Company)로부터 입수가능한, 스티렌:부타디엔 중량비 31:69의 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체인 상표명 크레이톤(KRATON) D1101으로 공지된 것이 있다. 다른 적합한 중합체는 셸 케미칼 캄파니로부터 상표명 크레이톤 G1650으로 입수가능한, 스티렌:고무 중량비 29:71의 선형 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체이다.
경우에 따라 또는 필요하다면, 예를 들어 연마면의 습윤을 증진시키기 위해 작용성 측기가 중합체 시스템에 첨가될 수 있다. SBS 중합체 시스템의 하나의 바람직한 변형은, CMP 공정에 일반적으로 사용되는 수성 화학물질의 능력을 증진시켜 사용시 연마재를 균일하게 습윤시킬 뿐만 아니라 금속 또는 금속 이온이 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 제거될 때 마찰을 감소시키고(감소시키거나) 금속 또는 금속 이온의 격리를 돕기 위하여 블록 중합체의 스티렌 기의 단편을 술폰화함으로써 이루어질 수 있다.
기술된 실시양태에서, 연마 복합물(44)은 절두 피라미드 형태의 식별가능한 정밀한 모양을 갖는다. 그러나, 복합물은 원통(또는 기둥), 피라미드, 입방체 등과 같은 임의의 다양한 모양으로 제공될 수 있다. 또한, 하나의 연마재는 상이한 형태의 복합물을 그 위에 포함할 수 있다. 복합물은 도 4에서와 같이, 본질적으로 공면상에 있는 작업 표면(48)을 포함하도록 형상화될 수 있다. 또 다르게는, 개개의 작업 표면은 동일한 면내에 있지 않지만 하나보다 많은 면에 있을 수 있는 방식으로 기판(42)에 대하여 기울어질 수 있다. 일부 복합물은 동일한 면내에 있는 표면을 포함할 수 있지만, 동일한 제품내의 다른 복합물은 상이한 면에 있다. 또한, 개개의 복합물은 제품의 기부에 제1 형태 및 복합물의 작업 표면에 제2 형태를 갖는 형태의 조합일 수 있다. 예를 들어, 복합물은 기부에서 6점 별에 상응하는 횡 단면 및 초기 작업 표면에서 원형 횡단면을 가질 수 있다. 임의의 하나의 복합물내에서 하나의 형태로부터 다음 형태로의 전이는 연속 전이일 수 있거나 돌연 또는 불연속 전이일 수 있다.
제조의 용이함을 위하여, 복합물은 주기적 배열로서 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명에 유용한 제품은 불규칙 배열의 복합물로 이루어진 작업 표면을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 연마면(41)의 복합물(44)은 전술한 상 분리 중합체로 이루어질 것이다. 그러나, 개개의 복합물(44)이 상 분리된 공중합체 이외에 다른 물질을 포함할 수 있는 것으로 또한 예상된다. 예를 들어, 복합물은 작업 표면(48)으로부터 한정된 거리로 연장되는 복합물의 하나의 영역에 상 분리 중합체를 포함할 수 있다. 복합물의 나머지는 상 분리 중합체를 지지하기에 적합한 다른 물질을 포함할 수 있다. 제조 공정에 있는 제품의 특징에 따라 상 분리 중합체보다 더 단단하거나 덜 단단할 수 있는 윤곽을 나타낸 제품위의 얇은 코팅물으로서 상 분리 중합체가 제공될 수 있다. 복합물의 작업 표면은 또한 홈 등과 같은 미세 구조를 포함하여 가공액의 국소 공급/배액을 개선시키고 긁힘을 발생시킬 수 있는 파편의 포획을 피하거나 줄일 수 있다.
연마면(41)은 바람직하게는 도 4에 기술된 복합물(44)과 같은 다수의 연마 복합물을 포함할 것이지만, 연마면의 다른 형태도 또한 본 발명의 범주에 포함됨이 이해될 것이고, 당업자라면 본 발명이 연마면의 임의의 특정 형태에 제한되지 않음을 이해할 것이다. 연마재의 작업 표면은 바람직하게는 몇몇 방식으로 텍스쳐화되고, 전술된 설명과 일치하는 중합체 시스템을 포함할 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 텍스쳐화된 연마면은 CMP 공정동안 마멸되는 제품에 본질적으로 균일한 압력이 가해지는 방식으로 형성될 것이다. 일반적으로, 본 발명에 가장 유용한 제품은 전술한 바와 같이, 경질 단편 및 연질 단편을 포함하는 상 분리 중합체를 포함하는 연마면을 특징으로 한다.
본 발명에 유용한 연마재는, 다수의 상이한, 그러나 공지된 제조 방법, 예를 들어 성형 또는 엠보싱(embossing)를 사용하여 제조될 수 있다. 엠보싱 공정은 플래튼(platen) 또는 엠보싱 롤을 사용하여 수행될 수 있고, 엠보싱 단계동안 중합체의 온도는 상 분리 스텝(step) 중합체의 경질 단편의 유리전이온도보다 높아야 한다. 제품의 제조는 실시예에 추가로 설명한다. 본 발명의 방법에 유용한 제품은 임의의 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제품은 패드로서 제공될 수 있는데, 이때 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마면은 본질적으로 원형이다. 또 다르게는, 연마재는 연마재가 권취되고 적합한 CMP 기계에 권취된 형태로 탑재되어 CMP 공정중 어느 때나 새로운 연마면을 제공할 수 있는 웹 또는 시이트 형태로서 제공될 수 있다. 연마재의 다른 형태가 또한 가능할 수 있고, 당업자라면 본 발명이 임의의 특정 형태인 연마재의 사용에 한정되지 않음을 이해할 것이다.
선택된 중합체 시스템내의 경질 단편은, 예를 들어 유전성 물질은 건드리지 않은 채 금속을 제거하도록 선택될 수 있기 때문에, 전술한 연마재로 가공된 반도체 웨이퍼는 종래의 슬러리 기반 가공에 의해 생성된 것보다 높은 정도의 선택적 평탄화를 나타낼 것으로 예상된다. 또한, 웨이퍼 평탄화 공정은 본질적으로 가공액내에 유리된 연마 입자가 없으며, 따라서 가공액은 애써 세정할 필요가 줄어들 것이다. 가공액은 찌꺼기를 제거하기 위해 간단한 여과 또는 다른 공지의 방법을 사용함으로써 쉽게 재순환될 것이다. 유사한 이점이 다른 마멸 공정에서 생길 것이다.
본 발명을 하기의 비제한적인 실시예에서 더 설명한다.
하기의 과정들을 본원에 사용하였다.
과정 I
미국 캘리포니아주 산 호세 소재의 웨이퍼네트(Wafernet) 또는 실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스(Silicon Valley Microelectronics)로부터 구입한, 직경 100㎜ 및 두께 약 0.5㎜의 단결정 규소 기판 단위로부터 구리 코팅된 블랭킷 웨이퍼를 제조하였다. 금속 층을 침착시키기 전에, 두께 약 5,000Å의 이산화규소 층을 규소 웨이퍼상에 성장시켰다. 이산화규소 층에 티탄 부착/차단층을 침착시킨 후 금속을 침착시켰다. Ti의 두께는 전형적으로 200Å이지만, 100 내지 300Å일 수 있다. 그 다음, 물리적 증착법(PVD)을 사용하여 Cu의 균일한 층을 규소 기판위에 침착시켰다. 금속층의 두께는 전형적으로 11,000 내지 12,000Å이었고, 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 텐코어 인스트루먼츠, 프로메트릭스 디비젼(TENCOR Instruments, Prometrix Division)의 옴니맵(Omnimap) NC110 비접촉 금속 모니터링 시스템에 의해 측정되었다.
시험 기계는 변형된 스트라스바우 래핑기(Strasbaugh Lapping Machine), 모델 6Y-1이었다. 제조 공정에 있는 웨이퍼 제품을, 미국 델라웨어주 네웍 소재의 로델(Rodel)로부터 "DF200"으로 입수가능한 발포 배킹에 얹어 놓고, 조립체를 스프 링이 설치된 플라스틱 보유 고리에 위치시켰다. 이 실시예의 연마재를, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M으로부터 구한 3M 접착제 442DL 또는 9617LE와 함께, 미국 매사츄세츠주 로렌스 소재의 볼텍, 디비젼 오브 세키스이 어메리카 코포레이션(Voltek, Division of Sekisui America Corp.)으로부터 구한 90밀의 에틸렌 비닐 아세테이트 독립기포 발포체에 적층된, 미국 뉴욕주 쉐넥터디 소재의 제네랄 일렉트릭 스트럭쳐드 플라스틱스, 제너럴 일렉트릭 코포레이션(General Electric Structured Plastics, General Electric Corp.)으로부터 구한 20밀의 "PCF20" 폴리카르보네이트 시이트를 포함하는 지지 패드에 부착되었고, 이 패드는 스트라스바우의 플래튼에 고정되었다.
웨이퍼를 고정하는 캐리어 헤드를 본원의 과정 III에 따라 제조된 연마재와 접촉시켰다. 웨이퍼를 약 40rpm으로 회전시키고, 플래튼을 캐리어 헤드와 같은 속도로 회전시켰다. 웨이퍼와 연마재는 모두 시계방향으로 회전하였다. 회전하는 것 외에, 웨이퍼는 연마재의 가장자리로부터 약 13㎜에서 시작되는 호(약 31㎜, 주기성 9초)를 거쳐 이동하였다. 플래튼의 직경은 12인치이었다. 달리 기술하지 않는한, 연마재 및 캐리어 헤드를 약 350㎪(50파운드)의 하행력으로 서로 접촉시켰다. 가공액을 연마재에 펌핑한 후 웨이퍼와 접촉시켰다. 마멸하는 동안, 가공액을 웨이퍼 및 연마 계면에 약 40㎖/분의 유속으로 펌핑하였다. 연마재를 사용하여 1분(60초) 주기로 블랭킷 웨이퍼를 마멸하였다. 마멸 주기 후, 홀더로부터 각각의 웨이퍼를 수거하고 대체하였다.
금속 제거 속도는 금속 필름 두께의 변화를 결정함으로써 계산하였다. 초기(즉, 마멸 전) 및 최종(즉, 마멸 후) 측정은 NC110의 동일한 위치에서 행하였다. 5개의 값을 평균내어 제거 속도를 옹스트롬/분(Å/min)으로 결정하였다. 차이의 표준 편차를 차이의 평균으로 나눈 것을 %NU 또는 %불균일도로서 보고한다. "불균일도"는 웨이퍼의 표면에 걸쳐 구리의 제거 속도가 얼마나 균일한지의 정도이다. 불균일도는 낮은 값(예컨대, 2 내지 3%)이 일반적으로 바람직하다.
과정 II(가공액):
이하에 기재된 성분들을 사용하여 가공액을 제조하였다. 올린 코포레이션(Olin Corp., 미국 코넥티컷주 노웍 소재)으로부터 반도체 등급 과산화수소를 30% 용액으로서 구하고, 필요에 따라 희석하였다. 인산 수소 암모늄(ACS 시약 등급), 이미노디아세트산, 시트르산 암모늄(킬레이트제) 및 1-H-벤조트리아졸(BHT)은 모두 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 알드리흐 케미칼 캄파니(Aldrich Chemical Comapny)로부터 구하였다. 고체는 따로따로 칭량하고 물에 용해시키고 마지막에 30% 과산화수소 용액을 첨가하여(마멸할 준비가 되었을 때) 적당하게 희석시켰다. 각 용액의 나머지는 탈이온수이었다. 가공액의 전체 중량은 1000g이었고, 약 1리터에 해당하였다. 최종 용액의 pH는 약 7.4이었다.
가공액의 조성:
인산 수소 암모늄 3.0중량%
과산화수소 3.3중량%
시트르산 암모늄 0.5중량%
1-H-벤조트리아졸(BTA) 0.10중량%
물 93.1중량%
과정 III(연마재의 제조)
구리 마멸 공정에 사용하기 위해 블록 중합체 시스템으로부터 연마재를 제작하였다. 제품은 상표명 크레이톤 G1650 및 크레이톤 D1101하에 시중에서 입수가능한 중합체로부터 제조하였다. 샘플은 다음을 차례로 적층하여 압축 성형을 위해 준비하였다: 판지 시이트, 크롬 도금된 놋쇠판, 16인치×16인치(40.6㎝×40.6㎝) 니켈 엠보싱 도구, 중합체 과립 층, 제2 크롬 도금된 놋쇠판 및 제2 판지 시이트. 적층물을 압축 성형기(미국 인디애나주 와바쉬 소재의 와바쉬 MPI(Wabash MPI)로부터 구한 와바쉬 모델 V75H-24-CLX)에 위치시키고 소정의 압력, 시간 및 온도에서 성형하였다. 그 다음, 적층물을 가압하에 바람직한 온도로 냉각시켰다. 적층물을 성형기로부터 꺼내고 해체하여 모놀리식(monolithic) 중합체 샘플을 얻었다.
사각형 배열의 0.00585인치(148.6미크론) 중심 위의 공칭 0.0035인치(88.9미크론) 높이인 절두 피라미드의 배열을 생성하도록 니켈 엠보싱 도구를 형성하였다. 기둥 윗면은 초기에 0.00341인치(86.6미크론) 사각형이고, 옆면은 수직으로부터 10° 기울어져 있다. 기둥은 연마면의 약 47체적%를 차지하고(예컨대, 피라미드의 밑면 및 피라미드의 윗면에 의해 한정되는 면들의 사이), 연마면 체적의 약 53%는 유동 채널이 차지한다.
실시예 1
약 900㎖의 크레이톤 D1101 SBS 블록 공중합체 펠렛을 사용하여 과정 III에 따라 연마재를 제조하였다. 연마재를 30톤(30,480㎏)하에 160℃에서 2분동안 성형 하고, 70℃ 미만으로 냉각하고, 적층물로부터 제거하여 약 75밀(1.9㎜) 두께의 제품을 얻었다. 제품을 구리 블랭킷 웨이퍼에서 시험하였다. 블랭킷 웨이퍼 및 시험은 과정 I에 따랐다. 공정 조건은 40rpm의 플래튼 속도, 40rpm의 캐리어 속도 및 40㎖/min의 가공액 유속을 포함하였다. 시험은 하나의 연마재를 사용하여 수행하였고, 매 60초 시험 간격마다 새로운 웨이퍼를 시험에 사용하였다. 시험 결과는 하기 표 1에 기술한다.
웨이퍼 시간(초) 잔여 Cu(Å) 제거 속도(Å/min) %NU
12 60 11800 35.36 134
11 60 10930 255.2 48.3
10 60 10640 1049 35.1
9 60 9000 2826 5.77
8 60 8163 2804 10.0
7 60 8136 2836 8.01
6 60 8122 2812 10.9
5 60 8161 2772 10.9
4 60 8095 2837 6.99
3 60 8055 2863 11.0
실시예 2
약 400㎖의 크레이톤 G1650 SBS 블록 공중합체 펠렛을 사용하여 과정 III에 따라 연마재를 제조하였다. 연마재를 50톤(50,800㎏)하에 190℃에서 2분동안 성형하고, 70℃ 미만으로 냉각하고, 적층물로부터 제거하여 약 25 내지 30밀(0.64 내지 0.76㎜) 두께의 제품을 얻었다. 제품을 구리 블랭킷 웨이퍼에서 시험하였다. 블랭킷 웨이퍼 및 시험은 과정 I에 따랐다. 공정 조건은 40rpm의 플래튼 속도, 40rpm의 캐리어 속도 및 40㎖/min의 가공액 유속을 포함하였다. 시험은 하나의 연마재를 사용하여 수행하였고, 매 60초 시험 간격마다 새로운 웨이퍼를 시험에 사용하였다. 시험 결과는 하기 표 2에 기술한다.
웨이퍼 시간(초) 잔여 Cu(Å) 제거 속도(Å/min) %NU
25 60 10220 2074 8.89
24 60 9922 2422 5.12
23 60 9685 2622 4.50
22 60 9978 2335 4.64
21 60 9894 2412 1.49
20 60 9898 2463 4.34
19 60 9895 2428 2.90
18 60 9831 2516 3.59
17 60 9778 2581 2.36
16 60 9807 2585 2.14
15 60 9692 2687 3.73
14 60 9196 2633 1.77
13 60 9202 2649 4.10
전술한 시험 결과를 근거로 하여, 실시예 2의 제품은 최종 12개의 웨이퍼에 있어서 2527옹스트롬/분의 평균 제거 속도 및 3.39 %NU(불균일도)를 나타내었다. 마멸 시험 후, 패드의 육안 검사 결과, 직경 약 2㎜의 패치 몇 개가 패드의 작업 표면위에 존재하는 것으로 나타났다. 패치는 올바르게 엠보싱되지 않은 중합체의 불완전하게 가열된 부분인 것으로 보인다. 실시예 1의 제품은 최종 7개의 웨이퍼에 있어서 2821옹스트롬/분의 평균 제거 속도 및 9.08 %NU(불균일도)를 나타내었다. 가공액은 실시예 1의 시험시 4번째 시험 간격동안(웨이퍼 9) 투명한 색에서부터 녹색으로 변한 것이 관찰되었는데, 이는 구리 제거의 표시이다. 마멸 이전의 연마재의 콘디쇼닝은 이들 제품에 있어서 즉각적인 구리 제거를 가져오는 것으로 예상된다.
본 발명의 전술한 바람직한 실시양태는 반도체 표면의 화학적, 기계적 평탄화 방법을 기술하였지만, 기술된 방법은 임의의 다양한 표면의 변형에 적용가능함을 이해할 것이다. 특히, 기술된 연마재는 유리, 알루미늄, 유리-세라믹 또는 다 른 적합한 기판에 전형적으로 금속 코팅제가 침착된(예컨대, 스퍼터링에 의해) 컴퓨터 메모리 디스크의 다양한 스퍼터링된 금속 코팅물의 표면 변형에 사용될 수 있다. 기술된 금속 코팅물은 기판으로부터 제거되거나 또는 본 발명에 따라 달리 변형될 수 있다. 일반적으로, 기술된 제품 및 이를 표면의 변형에 사용하기 위한 방법은 임의의 다양한 연마 공정에 적합화될 수 있고, 전술한 경도 기준을 충족시키는 표면의 표면 변형에 특히 적용가능한 것으로 생각된다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시양태를 상세하게 기술하였지만, 당업자라면 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 기술된 실시양태에 대한 변화가 이루어질 수 있음을 알 것이다.

Claims (14)

  1. (a) 제1 상 및 제1 상보다 덜 딱딱한 제2 상을 갖는 상 분리 중합체를 포함하며 통상의 연마 입자를 함유하지 않는 연마재의 작업 표면과 변형할 표면을 접촉시키는 단계; 및 (b) 변형할 표면과 고정된 연마재를 상대적으로 이동시켜 연마 슬러리의 부재하에 변형할 표면으로부터 물질을 제거하는 단계를 포함하는 표면 변형 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상 분리 중합체의 파손에 필요한 일(work to failure)이 웨이퍼의 표면으로부터 제거된 물질의 파손에 필요한 일보다 큰 표면 변형 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 고정된 연마재의 표면이 소정의 패턴으로 배열된 다수의 연마 복합물을 포함하는 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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