KR100687425B1 - 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

장치 구성을 단순화할 수 있으며 공정 속도의 향상이 가능한 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 연마/세정장치는, 연마 패드가 설치되는 플래튼; 반도체 웨이퍼를 진공 흡착하여 상기 연마 패드와 접촉시키는 연마 헤드; 상기 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 슬러리를 연마 패드에 공급하는 슬러리 공급부; 및 상기 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 이온 표면 처리제를 상기 연마 패드에 공급하는 이온 표면 처리제 공급부를 포함하며, 반도체 웨이퍼를 연마 헤드에 흡착한 상태로 연마 패드 위에서 세정 공정을 진행한다.
연마, 세정, DIW, 이온 표면 처리제, 설팩턴트, 케미컬 폴리싱,

Description

반도체 웨이퍼의 연마/세정장치 및 방법{POLISHER/CLEANING APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR WAFER}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연마/세정장치의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 연마/세정장치를 이용한 연마/세정 방법을 나타내는 공정 블록도이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마 공정 후에 세정을 실시하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층의 평탄화를 위한 연마 공정이 필수적으로 포함된다. 이러한 연마 공정으로는 주로 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing :이하, 'CMP'라 한다) 공정이 적용되고 있다.
상기한 CMP 공정은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 공정을 말한다.
여기에서, 기계적 연마는 연마 헤드에 고정된 웨이퍼를 회전하는 연마 패드에 가압시킨 상태에서 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제로서의 슬러리에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.
이 공정에 의하면, 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도(planarity)를 얻을 수 있으므로, 상기한 CMP 공정은 웨이퍼가 대구경화되어 가는 추세에 특히 적합하다.
그런데, 상기한 CMP 공정의 공정 특성은 장비뿐만 아니라 패드(pad) 및 슬러리(slurry)와 같은 소비성 재료에 의해 결정된다.
이 중에서 연마율(removal rate)을 결정짓는 슬러리는 특정의 화학액에 연마 입자가 분산되어 있는 상태이다. 여기에서, 상기한 연마 입자로는 일반적으로 실리카(SiO2), 세리아(CEO2), 알루미나(Al2O3)가 사용된다.
이러한 구성의 슬러리는 상기 화학액이 웨이퍼 표면 물질을 화학적으로 반응시키고, 분산되어 있는 연마 입자가 웨이퍼 표면의 반응 물질을 결함 없이 제거하여 평탄화를 수행한다.
그런데, 소자의 신뢰성을 확보하기 위해서는 연마 후 상기 슬러리를 완전히 제거해야만 한다.
이에 따라, 현재의 연마 공정에서는 슬러리 제거를 위하여 연마 후 세정 공정을 수행하고 있다.
종래에 사용되는 대표적인 연마 후 세정 공정으로는 초순수(DIW: Deionized Water) 또는 특정 화학액을 반도체 웨이퍼의 양쪽 면에 분사하면서 웨이퍼 표면에 메가소닉(mega sonic)을 인가하여 웨이퍼 표면에 흡착되어 있는 연마 입자를 제거하는 방식과, 초순수 또는 특정 화학액을 반도체 웨이퍼의 양쪽 면에 분사하면서 피브이에이(PVA) 브러쉬를 이용하여 웨이퍼 표면의 연마 입자를 마찰력으로 제거하는 방식, 및 상기한 두 방식을 병행하여 사용하는 방식이 있다.
그러나, 상기한 방식들의 연마 후 세정 공정은 별도의 세정부를 필요로 하게 된다.
이에 따라, 종래에는 연마 공정과 세정 공정을 진행할 수 있는 연마/세정장치가 개발되고 있다.
연마/세정장치는 연마 공정을 진행하는 연마부, 세정 공정을 진행하는 세정부, 반도체 웨이퍼 또는 이 웨이퍼가 저장된 웨이퍼 캐리어를 단위 공정을 수행하기 위한 반도체 장비에 로딩하거나 언로딩하는데 이용되는 스미프(SMIF: Standard Mechanical Interface)부, 및 웨이퍼 핸들링(wafer handling)부를 포함한다.
이 중에서, 상기 연마부는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 이하, 'CMP'라 한다) 공정을 수행하며, 상기 세정부는 상기한 메가소닉을 이용한 방식, 피브이에이 브러시를 이용한 방식 또는 상기한 2가지 방식을 병행하는 방식으로 세정을 수행한다.
이에, 상기한 종래의 연마/세정장치를 이용하여 진행하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정 공정에 대해 보다 구체적으로 살펴 보면 다음과 같다.
웨이퍼가 공급되면, 이 웨이퍼는 웨이퍼 핸들링부에 의해 이송되어 연마부로 공급된다.
상기 연마부에서는 슬러리를 이용한 화학적 기계적 연마 공정에 의해 웨이퍼가 연마되고, 연마 공정의 최종 단계에서는 버핑(buffing) 공정이 진행된다.
여기에서, 상기 버핑 공정은 웨이퍼를 일정한 압력(대략 2∼3psi)으로 가압하면서 탈이온수 등의 세정수를 공급하여 연마 패드상의 부산물들을 제거하는 공정을 말한다.
버핑 공정이 완료되면, 상기 반도체 웨이퍼는 웨이퍼 핸들링부에 의해 세정부로 이송된다.
상기 세정부에서는 상기 슬러리를 제거하기 위해 적어도 한 회 이상, 통상적으로는 1차 및 2차의 연마 후 세정 공정이 실시되며, 이후 린스 및 건조 공정이 실시된다.
그리고, 린스 및 건조 공정이 완료되면 후속 공정을 진행하기 위해 반도체 웨이퍼가 연마/세정장치에서 반출된다.
따라서, 상기한 종래의 연마/세정장치 및 이 장치를 이용한 연마/세정 방법에 의하면, 종래의 연마/세정장치는 웨이퍼 세정을 위한 세정부를 별도로 구비해야 하므로 장치 구성이 복잡해지며, 설비비가 증가하게 된다.
그리고, 일반적으로 상기 연마에 소요되는 공정 시간보다 세정에 소요되는 공정 시간이 길어 전체적인 공정 속도가 저하되어 생산성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 장치 구성을 단순화할 수 있으며 공정 속도의 향상이 가능한 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
연마 패드가 설치되는 플래튼(platen);
반도체 웨이퍼를 진공 흡착하여 상기 연마 패드와 접촉시키는 연마 헤드;
상기 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 슬러리를 연마 패드에 공급하는 슬러리 공급부; 및
상기 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 이온 표면 처리제를 상기 연마 패드에 공급하는 이온 표면 처리제 공급부
를 포함하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치를 제공한다.
본 발명을 실시함에 있어서, 상기한 이온 표면 처리제는 슬러리에 포함된 연마 입자를 반도체 웨이퍼와 동일 극성으로 축전(charge)시킴으로써 연마 입자를 웨이퍼로부터 제거한다.
이러한 이온 표면 처리제로는 시트릭산(citric acid), 타르타릭산(tartaric acid), 말레익산(malic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 숙시닉산(succinic acid), 락틱산(lactic acid) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 사용될 수 있다.
그리고, 상기한 연마/세정장치는 연마 공정의 최종 단계에서 연마 패드상의 부산물을 제거하기 위해 상기 연마 패드상에 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 더욱 포함한다.
그리고, 상기한 연마/세정장치를 이용한 연마/세정 방법은,
반도체 웨이퍼를 흡착하여 연마 패드상에 배치하는 단계;
상기 연마 패드상에 슬러리를 공급하면서 연마 공정을 진행하는 단계;
상기 연마 패드상에 초순수를 공급하면서 버핑 공정을 진행하는 단계; 및
상기 연마 패드상에 이온 표면 처리제를 공급하면서 세정 공정을 진행하는 단계
를 포함한다.
상기한 세정 공정을 진행할 때, 상기 이온 표면 처리제로는 시트릭산, 타르타릭산, 말레익산, 옥살릭산, 숙시닉산, 락틱산 중에서 선택한 적어도 어느 하나의 물질을 사용한다.
그리고, 연마 공정, 버핑 공정 및 세정 공정을 진행하는 동안 상기 반도체 웨이퍼 및 연마 패드를 서로 다른 회전 속도로 회전시키며, 세정 공정 후에는 린스 및 건조 공정을 진행한 다음 반도체 웨이퍼를 반출한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연마/세정장치의 개략 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 연마/세정장치를 이용한 연마/세정 방법의 공정 블록도를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 연마/세정장치는 일정한 회전 속도로 회전하는 플래튼(platen: 10)을 구비한다.
상기 플래튼(10)의 상부면에는 연마 패드(20)가 설치되고, 연마 패드(20)의 상측에는 연마 패드(20)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 노즐(30)이 설치된다.
상기한 연마 패드(20) 및 슬러리를 이용하여 반도체 웨이퍼(W)를 연마하기 위해, 본 발명의 연마/세정장치는 상기 반도체 웨이퍼(W)를 진공 흡착하는 연마 헤드(40)를 구비하며, 이 연마 헤드(40)는 도시하지 않은 구동부에 의해 구동되어 반도체 웨이퍼(W)를 연마 패드(20)로 로딩/언로딩한다.
그리고, 상기한 연마 헤드(40)는 플래튼(10)과 동일한 방향으로 서로 다른 회전속도에 따라 회전될 수 있다. 통상적으로는 상기 연마 헤드(40)가 플래튼(10)보다 빠른 속도로 회전될 수 있지만, 이는 제한적이지 않다.
그리고, 상기한 슬러리 공급 노즐(30)과 인접된 위치에는 연마 공정의 최종 단계에서 버핑 공정을 수행하기 위해 초순수를 연마 패드(20)에 공급하는 초순수 공급 노즐(50)이 설치된다.
또한, 본 발명의 특징적인 사항으로, 상기 슬러리 공급 노즐(30) 및 초순수 공급 노즐(50)과 인접된 위치에는 이온 표면 처리제(ion surfactant)를 연마 패드(20)에 공급하기 위한 이온 표면 처리제 공급 노즐(60)이 설치된다.
상기한 이온 표면 처리제 공급 노즐(60)은 연마 공정 단계에서 세정 공정을 실시할 수 있도록 하기 위해 설치하는 것으로, 상기 노즐(60)에서 공급되는 이온 표면 처리제는 슬러리에 포함된 연마 입자 및 파티클을 반도체 웨이퍼(W)와 동일 극성으로 축전시키게 된다. 따라서, 연마 입자를 포함하는 파티클이 반도체 웨이 퍼(W)에 부착되는 것이 방지된다.
상기한 이온 표면 처리제로는 시트릭산(citric acid), 타르타릭산(tartaric acid), 말레익산(malic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 숙시닉산(succinic acid), 락틱산(lactic acid) 중에서 선택한 적어도 어느 하나의 물질을 사용할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 세정부를 연마부와 별도로 구성하지 않아도 되므로, 장치를 단순화할 수 있어 장치 크기를 줄일 수 있고, 설비비를 감소시킬 수 있다.
그리고, 도시하지는 않았지만, 상기 연마/세정장치는 연마 패드(20)를 컨디셔닝 하기 위한 컨디셔너를 더욱 구비할 수 있다.
이하, 상기한 구성의 연마/세정장치를 이용한 연마/세정 방법을 설명한다.
먼저 연마 공정을 진행하기 위해, 상기 플래튼(10)은 일정한 회전 속도로 회전되며, 플래튼(10)에 설치된 연마 패드(20)에는 슬러리 공급 노즐(30)로부터 슬러리가 공급된다.
그리고, 연마 헤드(40)는 반도체 웨이퍼(W)를 연마 패드(20)상에 로딩함과 아울러, 상기 웨이퍼(W)를 일정한 압력으로 가압하며, 또한 상기 연마 패드(20)와는 다른 속도로 회전하면서 일정한 패턴으로 오실레이션(oscilation)한다.
따라서, 상기 반도체 웨이퍼(W)는 연마 패드(20)에 의한 기계적 연마와 슬러리에 의한 화학적 연마로 인해 연마된다.
그리고, 연마 공정의 최종 단계에서는 상기 초순수 공급 노즐(50)로부터 연마 패드(20)에 초순수가 공급되며, 이에 따라 버핑 공정이 진행된다.
물론, 상기한 버핑 공정이 진행되는 동안에도 상기 플래튼(10) 및 연마 헤드 (40)는 각각 일정한 속도로 회전된다.
그리고, 버핑 공정이 완료되면, 종래에는 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 핸들링부에 의해 세정부(연마부와 별도로 구비된)로 이송되어 상기 세정부에서 1차 및 2차 세정 공정이 진행되었지만, 본 발명의 실시예에서는 상기 반도체 웨이퍼(W)가 연마 헤드(40)에 흡착된 상태로 연마 패드(20) 위에서 세정 공정이 진행된다.
즉, 버핑 공정이 완료되면, 상기 이온 표면 처리제 공급 노즐(60)에서 이온 표면 처리제가 공급되어 세정 공정이 진행되는데, 위에서 설명한 바와 같이 상기 이온 표면 처리제는 연마 입자 및 파티클을 반도체 웨이퍼(W)와 동일 극성으로 축전시키게 된다.
따라서, 반도체 웨이퍼에 부착되어 있던 연마 입자 및 파티클이 웨이퍼의 표면으로부터 제거된다.
물론, 상기한 세정 공정이 진행되는 동안에도 상기 플래튼(10) 및 연마 헤드(40)는 각각 일정한 속도로 회전된다.
이러한 구성의 세정 공정은 연마 입자 및 파티클을 반도체 웨이퍼와 동일한 극성으로 축전시킴으로써, 1회 세정만으로도 충분한 세정 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 상기한 세정 공정을 완료한 후에는 린스 및 건조 공정을 진행한 후, 후속 공정을 진행하기 위해 반도체 웨이퍼를 연마/세정장치로부터 반출한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만 본원 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상기에서 자세히 설명한 바와 같이 본 발명은 연마 후 세정 공정에 이온 표면 처리제를 이용함으로써, 세정 공정을 연마 공정에 도입할 수 있다.
따라서, 장치 단순화가 가능하여 장치의 크기를 줄일 수 있으므로, 설비비를 절감할 수 있다.
또한, 연마 공정에 비해 공정 시간이 길게 소요되는 세정 공정의 공정 시간을 단축시킴으로써, 공정 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 연마 패드가 설치되는 플래튼;
    반도체 웨이퍼를 진공 흡착하여 상기 연마 패드와 접촉시키는 연마 헤드;
    상기 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 슬러리를 연마 패드에 공급하는 슬러리 공급부; 및
    상기 반도체 웨이퍼를 세정하기 위한 이온 표면 처리제를 상기 연마 패드에 공급하는 이온 표면 처리제 공급부를 포함하며,
    상기 이온 표면 처리제는 상기 슬러리에 포함된 연마 입자를 전기적으로 축전시킴으로써 상기 연마 입자를 상기 반도체 웨이퍼로부터 제거하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기한 이온 표면 처리제로는 시트릭산(citric acid), 타르타릭산(tartaric acid), 말레익산(malic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 숙시닉산(succinic acid), 락틱산(lactic acid) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 사용되는 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    연마 공정의 최종 단계에서 연마 패드상의 부산물을 제거하기 위해 상기 연마 패드상에 초순수를 공급하는 초순수 공급부를 더욱 포함하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정장치.
  5. 반도체 웨이퍼를 흡착하여 연마 패드상에 배치하는 단계;
    상기 연마 패드상에 슬러리를 공급하면서 연마 공정을 진행하는 단계;
    상기 연마 패드상에 초순수를 공급하면서 버핑 공정을 진행하는 단계; 및
    상기 연마 패드상에 이온 표면 처리제를 공급하면서 세정 공정을 진행하는 단계를 포함하며,
    상기 이온 표면 처리제는 상기 슬러리에 포함된 연마 입자를 전기적으로 축전시킴으로써 상기 연마 입자를 상기 반도체 웨이퍼로부터 제거하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 이온 표면 처리제로 시트릭산(citric acid), 타르타릭산(tartaric acid), 말레익산(malic acid), 옥살릭산(oxalic acid), 숙시닉산(succinic acid), 락틱산(lactic acid) 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 사용하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기한 연마 공정, 버핑 공정 및 세정 공정을 진행하는 동안 상기 반도체 웨 이퍼 및 연마 패드를 서로 다른 회전 속도로 회전시키는 반도체 웨이퍼의 연마/세정 방법.
  8. 제 5항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세정 공정을 진행한 후에는 린스 및 건조 공정을 진행하는 반도체 웨이퍼의 연마/세정 방법.
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