KR100721196B1 - 연마패드 및 이를 이용한 화학적기계적연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연마패드 및 이를 이용한 화학적기계적연마장치는, 반도체 기판을 화학적 기계적 연마하기 위한 연마패드로서, 연마패드의 표면에 동심원 형태로 형성되어 있는 제1 그루브 패턴; 상기 제1 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 바깥쪽을 향해 연결되는 나선형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제2 그루브 패턴;을 포함하여 형성되며, 상기 제1 그루브 패턴 및 제2 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 사방을 향해 뻗는 방사형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제3 그루브 패턴을 더 포함하여 형성될 수 있다.

연마패드, 그루브 패턴, 경도

Description

연마패드 및 이를 이용한 화학적기계적연마장치{Polishing pad and using chemical mechanical polishing apparatus}

도 1a는 종래 기술의 화학적기계적연마장치의 연마패드를 나타내보인 도면이다.

도 1b는 도 1a의 X-X'의 방향으로 잘라낸 연마패드의 단면을 확대하여 나타내보인 도면이다.

도 2는 종래 기술에 따라 동심원 형태의 그루브 패턴으로 화학적기계적연마 공정을 수행할 경우 발생하는 문제점을 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 나타내보인 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 나타내보인 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드의 그루브 패턴을 나타내보인 도면이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 슬 러리의 분산도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 9는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드와 종래 기술에 따른 연마패드의 연마율을 나타내보인 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 중심축을 기준으로 그루브 패턴의 단면의 경도에 따른 연마율을 나타내보인 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 경도에 따른 연마압력과 슬러리 유량 및 연마속도를 나타내보인 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

400 : 제1 그루브 패턴 410 : 제2 그루브 패턴

420 : 제3 그루브 패턴

본 발명은 반도체 소자의 제조과정에서 사용되는 연마패드 및 이를 이용한 화학적 기계적 연마장치에 관한 것이다.

화학적 기계적 연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)공정은 슬러리 형태로 공급되는 연마액의 화학 반응과 연마패드에 의한 기계적 가공이 동시에 이루어지는 반도체 소자 제조 공정 중의 평탄화 공정이다. 이러한 화학적 기계적 연마 공정은 표면 평탄화를 위해 종래에 이용되어져 왔던 리플로우(reflow) 또는 에치백(etch back) 공정등과 비교해서 글로벌 평탄화를 얻을 수 있고, 저온에서 수행될 수 있다는 이점이 있다.

특히 화학적 기계적 연마 공정은 평탄화 공정으로 제안된 것이지만, 최근 자기정렬컨택(SAC)공정에서의 비트라인 컨택패드 및 스토리지노드 컨택패드 형성을 위한 도전막의 식각 공정에도 이용되는 등 그 적용 분야가 점차 확대되고 있는 추세이다. 여기서 화학적 기계적 연마 공정에서 이용되는 장치를 살펴보면, 표면에 연마패드를 구비한 플래튼(platen), 웨이퍼 연마가 이루어질 때 연마패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급장치, 연마패드를 포함한 플래튼 상에 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드, 및 연마패드 면을 재생하기 위한 연마패드 컨디셔너로 구성된다. 이와 같은 화학적 기계적 연마장치에 의하면, 웨이퍼가 연마헤드에 의해 눌려진 상태로 플래튼 상에 배치된 후, 슬러리 공급 장치로부터 연마패드에 슬러리가 공급되며, 이 상태에서 연마헤드의 회전에 따라 웨이퍼가 회전됨과 동시에 플래튼이 회전되면서 상기 웨이퍼에 대한 연마가 행해진다.

한편, 화학적 기계적 연마에서는 특정부위의 제거 속도를 조절함으로써 웨이퍼를 평탄화할 수 있다. 이 때문에, 플래튼에 부착된 연마패드에는 슬러리의 유동을 용이하게 하기 위해 소정의 폭과 깊이 및 형상을 가진 그루브(groove) 패턴이 형성되어 있으며, 이들 그루브 패턴은 연마 작업 과정에서 계속적으로 공급되는 슬러리의 유동과 분포 관계 및 웨이퍼의 연마 정도를 결정짓는 중요요인이다.

도 1a는 종래 기술의 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 나타내보인 도면이다. 그리고 도 1b는 도 1a의 X-X'의 방향으로 잘라낸 연마패드의 단면을 확대하여 나타내보인 도면이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일반적으로 사용되고 있는 연마패드(100)는 상부면 전체에 걸쳐 동심원(circular) 형태의 그루브 패턴(110)이 형성되어 있다. 또한, 상기 연마패드(100)를 X-X'방향으로 잘라내어 보면 수직형태(vertical type), 즉, 연마패드의 중심축과 0°의 각을 이루는 그루브 패턴이 형성되어 있다.

도 2는 종래 기술에 따라 동심원 형태의 그루브 패턴으로 화학적기계적연마 공정을 수행할 경우 발생하는 문제점을 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.

도 2를 참조하면, 연마패드(200)에서 그루브 패턴의 역할은 화학적기계적연마공정에 필요한 연마제와 화합물 등의 공급을 원활하게 하고 연마과정에 공급되는 슬러리 및 연마 부산물을 효율적으로 제거하는 것이다. 그런데, 동심원 형태의 그루브 패턴(210)은 슬러리가 공급되는 노즐의 위치 및 회전 방향에 따라 연마패드(200) 위로 공급되는 새로운 슬러리의 분산 균일도와 반응 부산물의 분포 균일도가 연마 패드의 각 영역별로 차이를 가진다. 또한, 슬러리의 분산(220)이 연마패드의 회전방향(230)과 동일한 방향으로 이루어져 연마패드의 각 영역별로 새로운 연마제의 분포와 연마 부산물의 분포가 균일하지 않게 된다. 이에 따라 연마 균일도의 저하와 연마속도의 저하를 유발시키는 문제가 발생한다.

또한, 이러한 연마패드의 그루브 형태를 나선형으로만 형성하기도 하는데, 이것 또한 연마제와 연마부산물이 균일하지 않아 연마 균일도의 저하와 연마속도의 저하를 유발시킨다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연마패드의 그루브 패턴의 변화를 통하여 연마 균일도를 향상시키며, 화학적 기계적 연마 공정의 특성을 개선시키는 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 연마패드는, 반도체 기판을 화학적 기계적 연마하기 위한 연마패드로서, 연마패드의 표면에 동심원 형태로 형성되어 있는 제1 그루브 패턴; 상기 제1 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 바깥쪽을 향해 연결되는 나선형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제2 그루브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 그루브 패턴 및 제2 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 사방을 향해 뻗는 방사형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제3 그루브 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 내지 제3 그루브 패턴은 연마패드의 중심축을 기준으로 양(positive)의 경도를 갖는 것이 바람직하다.

상기 양의 경도는 15-25°인 것이 바람직하다.

상기 제1 그루브 패턴의 깊이는 0.014-0.016 인치이고, 상기 제1 그루브 패턴의 폭은 0.009-0.011 인치이며, 제1 그루브 패턴의 피치는 0.05-0.07 인치인 것이 바람직하다.

제2 및 제3 그루브 패턴은 제1 그루브 패턴의 2배 이상의 폭과 깊이로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

제2 및 제3 그루브 패턴의 진행방향은 상기 플래튼의 회전방향과 반대방향일 수 있다.

본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치는 회전 가능한 플래튼과; 상기 플래튼 상에 놓여지는 본 발명에 의해 고안된 연마패드와; 상기 연마패드를 포함한 플래튼 상에 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드와; 상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기구를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 화학적 기계적 연마장치는 회전축(305) 상에 장착되며 그 위에 연마패드(310)를 붙인 플래튼(platen)(300)과, 상기 플래튼(300)과 마주하는 위치에 다른 회전축(315)에 부착되어 연마 처리될 웨이퍼(325)를 지지하는 연마헤드(320)와, 상기 연마패드(310)의 표면에 연마제를 포함하는 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기(330)를 포함하여 구성한다. 여기서 상기 플래튼(300)은 회전 가능하며, 플래튼(300) 위에 놓여진 연마패드(310)는 연마시 웨이퍼(325)와 접함으로서 웨이퍼(325)의 표면을 기계적으로 연마한다. 상기 연마헤드(320)는 회전이 가능하면서 연마를 진행할 때 상기 연마패드(310)를 포함한 플래튼(300) 상에 웨이퍼(325)를 눌러 지지한다. 그리고 슬러리 공급기(330)는 플래튼(300)의 중심부 쪽에 위치하여 웨이퍼(325) 연마시 연마패드(310)에 화학적 반응을 통해 웨이퍼(325)의 표면을 연마하는 슬러리를 공급한다.

이하 이와 같은 화학적 기계적 연마장치를 이용한 평탄화 방법을 설명하면 다음과 같다.

상부에 연마패드(310)가 설치된 플래튼(300)을 회전시키고, 플래튼(300)과 마주하는 위치에 다른 회전축(315)에 장착되어 연마처리될 웨이퍼(325)를 지지하는 연마헤드(320)를 플래튼(300)과 같은 방향으로 회전시킨다. 이때, 연마헤드(320)에 일정한 하중을 가하여 연마헤드(320)에 부착된 웨이퍼(325)를 플래튼(300)에 부착된 연마패드(310)에 밀착시킨다. 동시에 슬러리 공급기구(330)를 통해 회전하는 웨이퍼(325)와 연마패드(310) 사이에 액상의 슬러리를 공급한다. 이 과정에서 웨이퍼(325)와 연마패드(310)에 의한 기계적인 연마와 슬러리에 의한 화학적인 연마에 의해 웨이퍼(325)가 평탄화된다. 이때, 슬러리의 분산이 잘 이루어져 모든 연마패드(310)에 슬러리가 균일하게 분포되는 정도에 따라 화학적 기계적 연마공정의 연마 특성도 영향을 받게 된다. 그리고 이러한 슬러리의 분산도는 연마패드(310)에 형성된 그루브 패턴의 평면 모양과 단면 모양에 따라 영향을 받게 된다. 이에 따라 본 발명에서 제안하는 연마패드는 다음과 같다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 나타내보인 도면들이다. 그리고 도 6은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마 패드에서 그루브 패턴을 나타내보인 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연마패드는 연마패드의 표면에 동심원 형태로 형성되어 있는 제1 그루브 패턴(400)과, 상기 제1 그루브 패턴(400)과 중첩되도록 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 상기 연마패드의 바깥쪽을 향해 연결되는 나선형(spiral type)으로 상기 연마패드의 표면에 형성되어 있는 제2 그루브 패턴(410)을 포함하여 구성한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연마패드는 연마패드의 표면에 동심원 형태로 형성되어 있는 제1 그루브 패턴(400)과, 상기 제1 그루브 패턴(400)과 중첩되도록 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 상기 연마패드의 바깥쪽을 향해 연결되는 나선형(spiral type)으로 상기 연마패드의 표면에 형성되어 있는 제2 그루브 패턴(410) 및 상기 제1 그루브 패턴(400) 및 제2 그루브 패턴(410)과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 사방을 향해 뻗는 방사형(radial type)으로 상기 연마패드 상에 형성되어 있는 제3 그루브 패턴(420)을 포함하여 구성한다.

그리고 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 제1 내지 제3 그루브 패턴은 연마패드의 중심축(C)을 기준으로 양(positive)의 경도를 갖도록 형성한다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 15-25°의 경도를 갖도록 형성하였다. 여기서 양의 경도라 함은 연마패드의 중심축(C)을 기준으로 좌우로 0° 내지 ± 90°의 각도를 가질 경우를 의미하고, 음(negative)의 경도라 함은 상기 연마패드의 중심축(C)을 기준으로 90° 보다 큰 절대값의 경도를 가질 경우를 의미한다. 연마패드의 그루브 패턴이 양의 경도를 갖는 경우, 원심력에 의해 연마에 사용된 슬러리 및 연마부산물의 제거 효율이 증가한다.

또한, 제1 그루브 패턴의 깊이(D)는 0.014-0.016인치로 형성하고, 제1 그루브 패턴의 폭(W)은 0.009-0.011 인치로 형성한다. 또한, 제1 그루브 패턴의 피치(P)는 0.05-0.07인치로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고 제2 및 제3 그루브 패턴은 제1 그루브 패턴의 2배 이상으로 폭과 깊이를 갖도록 형성하여 새로운 슬러리의 공급 및 연마 부산물의 제거 효율을 높이도록 한다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 슬러리의 분산도를 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

회전을 하고 있는 플래튼 상에 슬러리를 공급할 경우, 슬러리가 연마패드에 떨어지는 순간 슬러리에 가해지는 반작용 힘은 플래튼의 회전방향과 반대방향으로 가해지게 된다. 이 경우, 도 7을 참조하면, 나선형의 제2 그루브 패턴(410) 및 방사형의 제3 그루브 패턴(420)이 동심원 형태의 제1 그루브 패턴(도시하지 않음) 과 중첩하게 형성되어 있는 연마패드에서 상기 제2 및 제3 그루브 패턴(410,420)의 회전방향(610)이 플래튼의 회전방향(600)과 같은 방향을 가진 연마패드의 경우에는, 공급되는 슬러리가 연마패드의 중심부 쪽으로 모이면서 슬러리의 분산이 넓게 이루어지지 않는다.

한편 도 8을 참조하면, 연마패드의 표면에 형성되어 있는 제2 및 제3 그루브 패턴(410,420)의 회전방향(710)이 플래튼의 회전방향(720)과 반대 방향을 가지는 경우, 슬러리에 가해지는 반작용 힘에 의해 연마패드 전체에 거의 동일한 슬러리의 분포를 가지도록 분산이 이루어지게 되고, 이에 따라 연마속도가 더 커진다. 즉, 나선형의 제2 그루브 패턴(410)과 방사형의 제3 그루브 패턴(420)의 회전방향이 플래튼의 회전방향과 반대 방향인 경우가 가장 분산도가 크고, 큰 연마속도를 가질 수 있다. 도 7 및 도 8에서 미설명된 부분은 슬러리 공급기(620)이다.

이하 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드를 적용한 실험치를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드와 종래 기술에 따른 연마패드의 연마율을 나타내보인 도면이다.

도 9를 참조하면, 같은 연마압력에서 동심원 형태의 제1 그루브 패턴만은 형성하고 있는 연마패드(800)에 비해 상기 제1 그루브 패턴과 중첩되어 나선형의 제2 그루브 패턴 및 방사형의 제3 그루브 패턴을 형성하고 있는 연마패드(810,820)의 연마속도가 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 제2 그루브 패턴(410, 도 8참조)과 제3 그루브 패턴(420, 도 8참조)의 회전방향이 플래튼의 회전방향(700, 도 8참조)과 반대 방향을 가진 연마패드(820)의 연마속도가 가장 높다는 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 중심축을 기준으로 그루브 패턴의 단면의 경도에 따른 연마율을 나타내보인 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드에서 경도에 따른 연마압력과 슬러리 유량 및 연마속도를 나타내보인 도면이다.

도 10를 참조하면, 연마패드에 형성된 그루브 패턴의 단면이 연마패드의 중 심축을 기준으로 양의 경도를 가지고, 연마 압력이 커질수록 연마율이 증가하는 것을 알 수 있다(900). 이때, 본 발명의 실시예에 따른 연마패드에 형성되는 그루브 패턴은 바람직하게는 15-25°의 양의 경도를 갖도록 형성한다. 또한 도면의 미설명된 부분(910,920)은 연마 압력을 30g/㎠, 120g/㎠ 으로 주어졌을 경우의 연마율을 나타낸 것이다. 그리고 도 11을 참조하면, 이러한 그루브 패턴의 경도에 따른 연마율이 증가하는 효과는 연마 압력이 커질수록 더 증가하며, 또한 공급되는 슬러리의 양이 증가되어 공급대사가 원활할수록 효과가 커짐을 알 수 있다(930). 도면의 미설명된 부분(940, 950)은 연마패드에 형성된 그루브 패턴의 경도에 따른 연마율을 나타낸 것이다. 또한, 종래의 수직 형태의 그루브 패턴(도 1b참조) 대신에 양의 경도를 가지는 그루브 패턴(도 5참조)을 형성함으로써 연마 공정에 공급이 완료된 슬러리 및 연마공정에서 발생하는 부산물들을 신속하게 제거하여 항상 새로운 슬러리의 공급이 원활하게 이루어질 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 연마패드는, 연마패드 상에 형성하는 그루브 패턴을 개선함으로써 슬러리의 분산도를 균일하게 하여 연마 속도 및 연마 균일도를 향상할 수 있다.

Claims (10)

1. 반도체 기판을 화학적 기계적 연마하기 위한 연마패드로서,

   연마패드의 표면에 동심원 형태로 형성되어 있는 제1 그루브 패턴; 및

   상기 제1 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 바깥쪽을 향해 연결되는 나선형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제2 그루브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 그루브 패턴 및 제2 그루브 패턴과 중첩되도록, 상기 동심원 형태의 중앙부로부터 사방을 향해 뻗는 방사형으로 상기 연마패드 표면에 형성되어 있는 제3 그루브 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마패드.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 내지 제3 그루브 패턴은 연마패드의 중심축을 기준으로 양(positive)의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 연마패드.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양의 경도는 15-25°인 것을 특징으로 하는 연마패드.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 그루브 패턴의 깊이는 0.014-0.016 인치인 것을 특징으로 하는 연마패드.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1 그루브 패턴의 폭은 0.009-0.011 인치인 것을 특징으로 하는 연마패드.
7. 제1항에 있어서,

   제1 그루브 패턴의 피치는 0.05-0.07 인치인 것을 특징으로 하는 연마패드.
8. 제1항 및 제2항에 있어서,

   제2 및 제3 그루브 패턴은 제1 그루브 패턴의 2배 이상의 폭과 깊이로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마패드.
9. 회전 가능한 플래튼과;

   상기 플래튼 상에 놓여지는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 의한 연마패드와;

   상기 연마패드를 포함한 플래튼 상에 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드와;

   상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급기구를 포함하는 화학적 기계적 연마장치.
10. 제9항에 있어서,

    제2 및 제3 그루브 패턴의 진행방향은 상기 플래튼의 회전방향과 반대방향인 것을 특징으로 하는 연마패드.

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