KR100742452B1 - 화학기계적 연마패드의 세정방법 및 시스템 - Google Patents

화학기계적 연마패드의 세정방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMP 패드의 세정방법 및 시스템을 제공한다. 본 방법은 CMP 패드 표면에 화학약품을 도포하는 것으로 개시된다. 화학약품은 이후 잔류물과 반응하여 패드 위에 부산물을 생성하게 된다. 그 다음, 부산물을 실질적으로 제거하기 위해 패드표면을 린스한다. 그 다음 기계적 컨디셔닝 작업이 패드 표면에서 실행된다. 한 예로서, 웨이퍼 표면은 구리와 같은 금속일 수 있다. 웨이퍼 표면이 구리일 때, 화학약품으로는 HCl이 가장 바람직하며, 용액은 HCl과 탈이온수를 포함한다. 웨이퍼 표면이 산화물일 때, 화학약품으로는 NH4OH가 가장 바람직하며 용액은 NH4OH와 탈이온수를 포함한다. 일반적으로, CMP 패드는 선형벨트의 형태, 둥근 디스크 형태 또는 어느 기타의 기계적 또는 물리적 형태일 수 있다.

Description

화학기계적 연마패드의 세정방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CLEANING A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD}
본 발명은 화학기계적 연마(CMP) 기술 및 관련된 웨이퍼 세정에 관한 것이며, 더욱 특별하게는 개량된 CMP 공정에 관한 것이다.
반도체 장비의 제조에 있어서, 화학기계적 연마(CMP)공정 및 웨이퍼 세정의 실행이 요구된다. 통상적으로, 집적회로 장비는 다층구조 형태이다. 기질층에는 확산영역을 갖는 트란지스터 장비가 형성된다. 그 다음 층에는 상호연결 금속화 라인들이 패턴화되고 전기적으로 트란지스터 장비에 연결되어 원하는 기능적 장비를 특징지운다. 잘 알려진 바와 같이, 패턴화된 구조층들은 이산화규소와 같은 전열재료들에 의해 다른 구조층들로부터 격리된다. 금속화층 및 결합된 전열층이 더 많이 형성될수록 절연재료의 성장을 평탄화하는 것이 요구된다. 평탄화하지 않으면, 표면 위상의 많은 편차로 인해 실질적으로 추가의 금속화 제작이 더욱 어려워진다. 다른 적용에 있어서, 금속화 라인 패턴은 절연재료에 형성되며, 그 후 과잉의 금속화를 제거하기 위한 금속 CMP 작업이 실시된다. 이와 같은 어느 CMP 작업 후, 평탄화된 웨이퍼는 입자들 및 오염물을 제거하기 위해 세정된다.
도 1은 화학기계적 연마시스템(14), 웨이퍼 세정시스템(16), 및 후-CMP 작업(18)의 개략도를 나타낸다. 반도체 웨이퍼(12)는 CMP 시스템(14)에서 CMP 처리된 후, 웨이퍼 세정시스템(16)에서 세정된다. 그 후, 반도체 웨이퍼(12)는 후-CMP 작업(18)으로 진행하며, 여기서 웨이퍼는 층들의 추가 증착, 스퍼터링, 무기광합성, 및 관련 에칭을 포함하는 몇몇 다양한 제작 작업중 하나를 겪는다.
통상적으로 CMP 시스템(14)는 웨이퍼(12) 표면을 다루고 연마하는 시스템 성분들을 포함한다. 예를 들면, 이와 같은 성분들은 궤도 연마패드 또는 선형벨트 연마패드일 수 있다. 패드 자체는 통상적으로 폴리우레탄 재료로 제조된다. 작동중, 벨트 패드가 시동된 후 슬러리 재료가 벨트 패드 표면에 걸쳐 도포되고 펼쳐진다. 일단 그 위에 슬러리를 갖는 벨트 패드가 원하는 속도로 이동하면, 웨이퍼가 벨트 패드의 표면 위로 내려진다. 이 방법으로, 평탄화가 필요한 웨이퍼 표면은, 샌드페이퍼를 사용하여 나무를 사포질 한 것과 매우 유사하게 실제적으로 부드러워진다. 그 다음, 웨이퍼는 세정되기 위해 웨이퍼 세정시스템(16)로 보내진다.
CMP 작업 후 반도체 웨이퍼(12) 표면에는 입자, 미립자 및 기타 잔류물들이 남기 때문에, 반도체 웨이퍼가 화학기계적 연마(CMP) 시스템에서 CMP 작업을 겪은 후, 반도체 칩을 세정하는 것은 매우 중요하다. 이들 잔류물들은 추가의 후-CMP 작업에서 반도체 웨이퍼(12)에 손상을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 잔류물들이 웨이퍼 표면을 긁거나 또는 전도 특성간의 부적당한 상호작용을 야기할 수 있다. 더우기, 하나의 반도체 웨이퍼(12)로부터 몇몇 동일한 반도체 칩 다이들이 생성된다. 후-CMP 작업 동안 웨이퍼 표면 위의 불필요한 하나의 잔류 입자가 실질적으로 웨이퍼 표면 전체를 긁을 수 있으며, 그것에 의해 그 반도체 웨이퍼(12)에서 제조되는 다이들을 손상시킬 수 있다. 세정 작업에서의 이러한 불행으로 매우 많은 비용이 들 것이다.
웨이퍼가 웨이퍼 세정시스템에 완전히 도달하기 전에, CMP 시스템에서 사용되는 공정을 개선시킴으로써, 웨이퍼 세정 시스템(16)에서 더 나은 웨이퍼 세정을 얻을 수 있다. CMP 시스템은 벨트 패드 표면을 컨디셔닝함에 의해, 다음 웨이퍼에 대해 개선될 수 있다. 패드 컨디셔닝은 일반적으로 막힌 벨트 패드에서 축적된 과잉 슬러리 및 잔류물을 제거하기 위해 실시된다. 더 많은 웨이퍼들이 연마될수록, 벨트 패드에는 효과적인 CMP 작업을 어렵게 하는 축적 잔류물이 더 많이 모일 것이다. 벨트 패드를 컨디셔닝하는 잘 알려진 방법 중 하나는 벨트 패드를 컨디셔닝 디스크로 문지르는 것이다. 통상적으로 컨디셔닝 디스크는 니켈-도금된 다이아몬드 그리드 또는 그 표면 위에 걸친 나일론 브러쉬를 갖는다. 다이아몬드 그리드는 통상적으로 단단한 표면을 갖는 벨트 패드를 컨디셔닝하는데 사용된다. 반대로, 나일론 브러쉬는 부드러운 표면을 갖는 벨트 패드를 컨디셔닝하는데 사용된다. 벨트 패드의 컨디셔닝은 그 자리에서, 즉 벨트 패드가 웨이퍼를 연마하는 동안 벨트 패드가 컨디셔닝이 실행되거나, 또는 다른 곳에서, 즉 밸트 패드가 웨이퍼를 연마하지 않을 때 벨트 패드가 컨디셔닝된다.
컨디셔닝 디스크들은 슬러리와 잔류물을 제거하는 동안, 불가피하게 어느 정도 벨트 패드 표면을 제거한다. 물론, 밸트 패드 표면의 제거는 벨트 표면의 새로운 층을 노출시키고, 따라서 CMP 동안 연마율을 증가시킨다. 불행히도, 종래의 컨디셔닝 방법을 사용한 벨트 패드 표면의 제거는 벨트 패드를 빠르게 마모시키며, 그것에 의해 CMP 시스템(14)의 운전비용의 상승을 야기한다. 다른 한편, 벨트 패드가 덜 컨디셔닝되면, 벨트 패드가 덜 제거되므로 밸트 패드 수명이 연장된다. 그러나, 과잉의 막힘 재료들이 밸트 표면 위에 남을 것이다. 그러므로, 벨트 패드는 일반적으로 유효 속도로 연마되지 않고 CMP 자체도 매우 우수한 품질이 아닐 것이다.
상기 이유로 인해, 밸트 패드를 컨디셔닝하는 기술은 반도체 칩 제조작업의 중요한 부분이다. 그러므로 개선된 밸트 패드 컨디셔닝 방법이 요구된다.
대체로, 본 발명은 화학기계적 연마(CMP) 패드의 개선된 컨디셔닝 방법 및 그 방법을 수행하는 시스템을 제공하는 것이다. 본 방법은 CMP 패드의 화학적 처리 및 기계적 스크래핑(scraping)를 포함한다. 본 발명은, 작업, 장치, 시스템, 장비 및 방법을 포함하는, 여러가지 방법으로 수행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 여러 발명의 구현예를 이하에 기재하였다.
한 구현예에서, 웨이퍼 표면에서 CMP 공정을 실행하는데 이미 사용되었던 CMP 패드를 컨디셔닝하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 CMP 패드의 표면 위에 화학품을 도포하는 것으로 시작된다. 그 다음, 화학약품은 잔류물과 반응하여 부산물을 생성한다. 그 후, 부산물을 실질적으로 제거하기 위해 패드 표면을 린스한다. 그 다음, 패드 표면에 기계적 컨디셔닝 작용을 실시한다. 본 구현예의 한 면에서, 웨이퍼 표면의 일부는 구리와 같은 금속일 수 있다. 웨이퍼 표면이 구리인 경우, 화학약품은 HCl이 가장 바람직하며, 용액은 HCl과 탈이온수이다. 금속표면이 일차 적으로 산화물이라면, 화학약품은 NH4OH이고, 용액은 NH4OH와 탈이온수이다.
다른 구현예에서는, CMP 패드가 표면에 잔류물을 갖는 경우 CMP 패드를 컨디셔닝하는 방법이 설명된다. 방법은 CMP 패드 표면에 화학약품을 도포하는 것으로 시작된다. 그 다음, 패드 표면은 도포된 화학약품과 잔류물을 실질적으로 제거하기 위해 린스된다. 본 구현예의 한 면에서, 화학약품은 일반적으로 부산물을 생성하기 위한 시간동안 잔류물과 반응하도록 허용되며, 부산물은 린스된다. 일단 린스되면, 본 구현예에는 CMP 작업 동안, 다음 웨이퍼가 놓이기 전에 패드 표면에 기계적 컨디셔닝 작업을 실시하는 것이 또한 포함될 수 있다.
또 다른 구현예에서는 그 위에 잔류물이 있는 CMP 패드 표면을 갖는 CMP 시스템이 설명되어 있다. CMP 시스템에는 CMP 패드를 수용하기 위한 유지 표면이 포함된다. 또한, CMP 패드 표면에 웨이퍼를 유지하고 적용하기 위한 연마 헤드가 포함된다. 패드 컨디셔닝 화학약품을 CMP 패드 표면에 도포하기 위한 화학약품 용기가 또한 시스템에 포함된다. 패드 컨디셔닝 화학약품은 CMP 패드 표면에서 잔류물을 실질적으로 제거하기 위해 바람직하게 배열된다. 본 구현예의 한 면에서, CMP 패드는 선형벨트의 형태, 궤도 디스크 형태 또는 어느 기타의 기계적 또는 물리적 형태일 수 있다.
유리하게는, 본 발명의 구현예들 중 어느 하나에 따라 CMP 패드를 컨디셔닝함에 의해, CMP 패드는 웨이퍼 표면(예를 들면 금속 및 산화물 표면)에 더 효과적이고 깨끗한 연마공정을 제공할 수 있을 것이다. 더우기, 잘 컨디셔닝된 패드를 사 용한 CMP 공정을 통해 배치된 웨이퍼들은 더 깨끗하므로, 이후의 웨이퍼 세정작업 역시 향상된 세정 파라미터를 가져올 것이다. 향상된 CMP 및 세정 작업의 결과로서, 웨이퍼들 및 생성된 집적회로 장비들은 더 우수한 품질을 가질 것이므로, 더욱 믿을 수 있다. 본 발명의 다른 관점 및 이점들은 첨부된 도면과 관련하여 본 발명의 원리를 실시예의 방법으로 설명함에 의해, 이하의 상세한 설명에서 드러날 것이다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 이하의 상세한 설명에 의해 쉽게 이해될 것이다. 용이한 설명을 위해, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 화학기계적 연마(CMP)시스템, 웨이퍼 세정시스템, 및 후-CMP 작업의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 CMP와 세정 유니트의 평면도이다.
도 3a는 본 발명의 한 구현예에 따른 CMP 시스템의 전개도이다.
도 3b는 본 발명의 한 구현예에 따라 컨디셔닝 디스크를 선형벨트 연마패드를 스크래핑하는데 사용하기 전에, 선형벨트 연마패드를 화학적으로 처리함에 의해 어떻게 세정 작업이 상당히 향상되는가를 나타낸다.
도 4a는 웨이퍼 표면 최상부에 증착된 구리층을 갖는 반도체 웨이퍼의 횡단면도이다.
도 4b는 연마된 웨이퍼 표면을 형성하기 위해 반도체 웨이퍼의 최상부 표면이 CMP 작업중 연마된 후의 반도체 웨이퍼의 횡단면도이다.
도 4c는 도 4b의 CMP 작업도중 또는 작업 후의 연마패드의 확대된 횡단면도이다.
도 5a는 본 발명의 한 구현예에 따라 웨이퍼의 금속화 재료 위에 CMP 작업을 실행한 후, 선형벨트 연마패드를 컨디셔닝하는 방법의 흐름도이다.
도 5b는 본 발명의 한 구현예에 따라 선형 연마패드 표면을 화학적으로 처리하고 그 다음 기계적 컨디셔닝 전에 탈이온수로 린스한 다음, 산화구리 부산물과 같은 잔류물을 실질적으로 제거하기 위해 기계적으로 컨디셔닝한 후의 선형벨트 연마패드를 나타낸다.
도 6a는 웨이퍼의 최상부 표면에 걸쳐 절연 재료가 증착된 반도체 웨이퍼의 횡단면도이다.
도 6b는 연마된 웨이퍼 표면을 형성하기 위해 최상부 표면을 CMP 작업중 연마한 후의 반도체 웨이퍼의 횡단면도이다.
도 6c는 도 6b의 CMP 작업 후 선형벨트 연마패드의 확대된 횡단면도이다.
도 7a는 본 발명의 한 구현예에 따라, 절연재료에 CMP 작업이 실시된 후, 선형벨트 연마패드를 컨디셔닝하는 방법의 흐름도이다.
도 7b는 본 발명의 한 구현예에 따라, 패드 표면을 화학적으로 처리한 다음 산화물인 부산물을 실질적으로 제거하기 위해 탈이온수로 린스한 후의 선형벨트 연마패드를 나타낸다.
CMP 패드를 컨디셔닝하는 방법 및 시스템에 관한 발명을 설명하였다. 이하의 설명에서, 많은 특정한 상세한 기술은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위한 것이다. 그러나 당업자들은, 본 발명이 이들 특정의 상세한 기술 중 몇몇 또는 모두가 아니더라도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 작업은 본 발명을 불필요하게 애매하게 만들지 않도록 상세히 설명하지 않았다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 CMP 및 세정 유니트(100)의 평면도이다. 사용자는 CMP와 세정 유니트(100)의 파라미터와 모니터 작동을, 말하자면 그래픽 사용자 인터페이스(130)을 갖는 조절 컴퓨터 시스템으로 맞출 수 있다.
바람직하게 적어도 하나의 반도체 웨이퍼(101)를 갖는 웨이퍼 카세트(102)가 CMP 및 세정 유니트(100)에 제공된다. 그 후, 건식 로봇(104)은 웨이퍼(101)를 예비정렬기(106)로 전달하고, 여기서 웨이퍼(101)는 순차처리될 수 있도록 배열된다. 그 다음, 습식 로봇(108)은 웨이퍼(101)를 장전/하전하기 위해 예비정렬기 (106)에서 계기판(116)으로 전달한다. 연마헤드(도시안함)는 웨이퍼가 CMP 시스템의 연마패드 위에 놓여졌을 때 웨이퍼(101)를 유지하기 위해 사용된다. 계기판 (116)은 이후의 CMP 및 세정 장소로 웨이퍼(101)를 회전시키는데 사용된다. 예를 들면, 계기판(116)은 웨이퍼를 제 1 CMP 시스템(114a)으로 회전시키는데 사용되며, 여기서 웨이퍼(101)는 연마헤드 위에 장착된다. 연마 헤드는 제 1 CMP 시스템(114a)의 일부인 선형벨트 연마패드 위까지 낮아진 곳에 웨이퍼(101)를 고정한다. 하기와 같이, 도 3a는 CMP 시스템(114)의 상세도를 제공한다. 그러므로, 웨이퍼(101)는 제 1 CMP 시스템(114a)에서 웨이퍼(101) 표면에서 원하는 양의 재료를 제거하기 위해 CMP 작업을 겪는다. 비록 선형벨트 연마시스템(114)이 설명되었으나, 원형운동으로 회전 하는 궤도 연마패드 역시 선택적으로 사용될 수 있다는 것이 당업자들 간에 이해될 것이다.
웨이퍼가 제 1 CMP 시스템(114a)에서 CMP 작업을 겪은 후, 웨이퍼(101)는 계기판(116)에 의해 제 2 CMP시스템(114b)에 있는 앞의 연마패드(118)로 전달되며, 여기서 웨이퍼는 추가의 CMP 작업을 겪는다. 그 후, 웨이퍼(101)는 진행 회전모듈 (120)로 전달되고, 여기서 웨이퍼(101)는 예비-세정작업을 겪는다. 이 예에서, 진행 회전모듈(120)은 연성 궤도 패드 표면을 공급한다. 다음, 웨이퍼 세정시스템 (122)은 일반적으로 CMP 시스템(114) 중의 CMP 작업으로부터 남은 불필요한 슬러리 잔류물을 제거하기 위해 사용된다. 불필요한 잔류물은 브러쉬 상자(126)의 작동에 의해 털어 없어질 것이다.
각각의 브러쉬 상자는 매우 부드럽고 다공성인 PVA 브러쉬 세트를 포함한다. 그러므로, 브러쉬들은 예민한 표면을 손상시키지 않고 웨이퍼를 문질러 세정할 수 있다. 브러쉬들이 다공성이므로, 세정중 웨이퍼 표면에 도포될 수 있는 유체의 도관으로 작용할 수 있다. 통상적으로 이 세정 작업에서 탈이온수 뿐만 아니라 화학약품이 보충된다. 스핀 스테이션(128)은 웨이퍼(101)의 세정작업을 마무리하는데 사용될 수 있다. 그 다음, 웨이퍼(101)는 습식큐(110)로 전달되고, 여기서 웨이퍼 (101)는 후-CMP 처리시스템로 전달되기 위해 대기한다.
도 3a는 본 발명의 한 구현예에 따른 CMP 시스템(114)의 확대도이다. 연마헤드(150)는 웨이퍼(101)를 작업 중 그 위치에 고정시키고 유지하기 위해 사용된다. 선형벨트 연마패드(156)는 바람직하게 분당 약 400 feet의 속도로 화살표 방향으로 회전한다. 벨트가 회전함에 따라 연마 슬러리(154)가 공급되어 선형벨트 연마패드 (156)의 표면(156a) 위에 슬러리가 도포될 것이다. 그 후, 연마헤드(150)를 사용하여 회전 선형벨트 연마패드(156)의 표면(156a) 위로 웨이퍼를 낮춘다. 이 방법에서, 평탄화되어질 웨이퍼(101)의 표면이 실질적으로 부드러워진다.
몇몇 경우, CMP 공정은 산화물과 같은 재료를 평탄화하는데 사용되며, 다른 경우에는 금속화층을 제거하는데 사용된다. 평탄화율은 연마압(152)을 조절함에 의해 변화된다. 연마율은 일반적으로 연마패드 안정제(158)에 대해 선형벨트 연마패드(156)에 적용되는 연마압(152)의 양에 비례한다. 웨이퍼(101) 표면으로부터 원하는 양의 재료를 제거한 후, 연마 헤드(150)를 사용하여 웨이퍼(101)를 선형벨트 연마패드(156)로부터 분리하여 위로 올린다. 그 다음 웨이퍼는 앞의 연마 헤드(118)로 또는 웨이퍼 세정시스템(122)으로 진행하도록 준비된다.
웨이퍼가 세정시스템에 도달하기 전, CMP 시스템(114)에서 사용되는 공정을 개량함으로써, 웨이퍼 세정 시스템(122)에서 더 나은 웨이퍼 세정을 달성할 수 있다. CMP(114) 시스템은 선형벨트 연마패드(156)의 표면을 컨디셔닝함에 의해 다음 웨이퍼에 대해 개선될 수 있다. 패드의 컨디셔닝은 막힌 벨트 패드로부터 쌓여진 과잉의 슬러리 및 잔류물을 제거함에 의해 실행된다. 더 많은 웨이퍼들이 평탄화됨에 따라, 벨트패드에는 효율적인 CMP 작업을 어렵게 만들 수 있는 잔류물들이 더 많이 모일 것이다. 벨트패드를 컨디셔닝하는 한 방법은 연마패드 컨디셔닝 시스템 (166)을 사용하는 것이다. 컨디셔닝 헤드(170)는 컨디셔닝 트랙(168)이 컨디셔닝 헤드(170)를 유지하는 것과 같이 컨디셔닝 디스크(172)를 유지(및 몇몇 구현예에서 는 회전)하는데 사용된다. 컨디셔닝 트랙(168)은 컨디셔닝 디스크(172)가 바람직하게는 니켈-도금 컨디셔닝 디스크로 선형벨트 연마패드(156)를 스크래핑 함에 따라, 컨디셔닝 헤드(170)를 전후로 이동시킨다.
컨디셔닝 디스크(172)는 바람직하게 그 표면 위에 니켈-도금 다이아몬드 그리드 또는 나일론 브러쉬를 갖는다. 다이아몬드 그리드는 바람직하게 단단한 표면을 갖는 벨트 표면을 컨디셔닝하는데 사용된다. 나일론 브러쉬는 바람직하게 부드러운 표면을 갖는 벨트 표면을 컨디셔닝하는데 사용된다. 벨트 표면의 컨디셔닝은 그 자리에서, 여기서 벨트 패드는 벨트패드가 웨이퍼를 연마하는 동안 컨디셔닝되고, 또는 다른 자리에서, 여기서 벨트패드는 벨트패드가 웨이퍼를 연마하지 않을 때 컨디셔닝되며, 행해질 것이다. 불행히도, 비록 벨트 스크래핑으로 슬러리와 잔류물이 제거되지만, 이것은 필수 불가결하게 각 컨디셔닝 작업중 벨트로부터 약 200 Å의 벨트패드 재료를 제거함으로써 벨트패드 자체를 마모시킨다.
도 3b는 본 발명의 한 구현예에 따라, 컨디셔닝 디스크(172)가 선형벨트 연마패드(156)를 스크래핑하기 전, 선형벨트 연마패드(156)를 화학적으로 처리함으로써 세정 작업이 얼마나 상당히 향상될 수 있는가를 나타낸다. 웨이퍼에 CMP 작업을 실행한 후 및 선형벨트 연마패드(156)가 컨디셔닝 디스크(172)로 스크래핑되기 전, 화학 디스펜서 (174)를 사용하여 벨트가 회전함에 따라 선형벨트 연마패드(156)에 화학약품을 도포하는 것이 바람직하다.
화학약품(180)은 CMP 및 세정유니트(100)의 내부에 위치하거나 또는 외부에 위치하는 화학품 공급원(176)으로부터 공급되는 것이 바람직하다. 화학약품 공급원 (176)에서 화학 디스펜서(174)로 돌출된 도관(178)은 바람직하게 화학약품이 화학약품 디스펜서(174)에 도달하는 경로를 제공하는데 사용된다. 한 구현예에서, 화학약품과 CMP 작업 후 표면(156a)에 남은 재료와의 원하는 상호작용에 따라, 화학약품은 특정의 유리한 결과의 달성을 돕는다. 예를 들면, 화학약품은 웨이퍼(101)로부터 제거된 재료의 잔류물 및 CMP 작용에 사용된 슬러리와 반응할 수 있고 실질적으로 녹일 수 있다. 상기와 같이, CMP 작업은 웨이퍼(101)의 재료를 연마하고, 그것에 의해 선형벨트 연마패드(156)의 표면(156a)에 웨이퍼 재료 잔류물을 남긴다. 화학약품과 잔류물이 반응한 후, 표면(156a) 위의 모든 생성 필름은 실질적으로 린스액으로 린스될 수 있으며, 린스액으로는 탈이온수가 바람직하다. 그 결과 선형벨트 연마패드(156)는 컨디셔닝되기 전에 화학적으로 처리되어, 다음 웨이퍼에 대한 또 다른 CMP 작업이 준비된다.
선형벨트 연마패드(156)를 화학적으로 처리하는 추가의 공정은 기존의 세정방법에 비해 여러가지 장점을 제공한다. 추가의 화학적 처리공정은, 연마패드가 더 깨끗해지고 그것에 의해 더 효과적이므로, 압력의 양과 이후 CMP 작업중 연마패드에 웨이퍼를 적용하는데 필요한 시간의 양을 실질적으로 감소시킨다. 더 깨끗한 연마패드를 사용하여, 필요한 압력은 통상적으로 약 3 ~ 4 psi(pounds per square inch)이며, 웨이퍼를 연마하는데 필요한 시간은 통상적으로 약 60 초이다. 비교를 위해, 패드 표면에 화학처리를 하지 않았을 때, 순차적으로 적용되는 웨이퍼를 연마하기 위한 시간은 실질적으로 약 2 분 이상이다.
또한, 추가의 화학처리 공정은 상당한 양의 패드 재료를 불필요하게 긁혀 없 어지는 것으로부터 보호한다. 상기와 같이, 통상적인 컨디셔닝기술은 주로 컨디셔닝이 실행되는 각 시간에 약 200 Å의 연마패드 재료가 긁혀 없어지는 것에 의지한다. 예들 들면, 화학처리가 실시되지 않는 통상적인 컨디셔닝 기술에서, 단단한 연마패드는 약 300 ~ 500 CMP 작업에 사용할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 화학처리를 보충함으로써, 통상적인 단단한 연마패드는 최대 약 800 ~ 1000 CMP 작업에 대해 사용할 수 있다. 이와 같은 패드 수명의 증가는 주로 이후의 스크래핑 작업이 그렇게 강해질 필요가 없다는 사실 때문이다. 패드 수명의 연장으로 유지 및 보수를 위한 작업중단시간이 덜 필요하게 된다. 작업중단 시간의 감소는 유지비용을 상당히 감소시킨다.
또한, 본 발명의 화학처리는 몇몇 과하거나 또는 부족한 컨디셔닝의 결과로부터 제조시스템을 보호할 것이다. 연마패드가 과컨디셔닝되면, 패드는 기대만큼 실행되지 않을 것이며, 컨디셔닝 디스크 표면의 재료는 서둘러 감성된다. 컨디셔닝 디스크 표면을 덮은 재료는 다이아몬드 그리드를 포함할 수 있고, 이것은 교환하는데 매우 비싸다. 또한, 그 마모단계를 통해, 다이아몬드 그리드의 조각들이 패드 표면과 웨이퍼의 표면에 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 불필요한 쉐딩은 웨이퍼 전체를 버리게 만든다.
다른 한편, 연마패드가 덜 컨디셔닝되면, 불필요한 잔류물이 연마패드에 남게된다. 이들 슬러리 잔류물들로 인해 CMP 작업 후 웨이퍼를 충분히 세정하는 것이 매우 중요함은 본 분야에 잘 알려져 있으며, 이들은 후-CMP 작업에서 또는 장비의 작동에서 웨이퍼에 손상을 일으킬 수 있다. 예를 들면, 잔류물들은 웨이퍼 표면 긁 힘을 일으키거나 또는 전도 특징들 간의 부적당한 상호작용을 일으킬 수 있다. 더우기, 많은 동일한 반도체 칩 다이들이 하나의 반도체 웨이퍼로부터 생성된다. 후-CMP 공정 중, 웨이퍼 표면의 하나의 원하지 않는 잔류 입자가 실질적으로 모든 웨이퍼 표면을 긁을 수 있고, 그것에 의해 그 반도체 웨이퍼에서 생성된 다이들이 파괴될 수 있다. 세정 작업에서의 이와 같은 불행으로 많은 비용이 들 수 있다. 따라서, 화학처리 공정은 CMP 작업을 위해 더 나은 상태의 연마패드를 제공하며, 그것에 의해 안정한 제거율을 제공하고 또한 이후의 제조작업에서 웨이퍼에 남은 불필요한 입자와 잔류물을 갖는 위험을 감소시킨다. 불필요한 잔류물과 입자들이 적을수록 결함있는 웨이퍼들이 줄어들며, 따라서 생산율이 증가한다.
표면(156a)에 도포될 바람직한 화학약품들은 CMP 공정중 사용되는 슬러리 타입과 CMP 공정중 웨이퍼(101)에서 제거되는 재료의 타입에 의존한다. 이하의 논의는 제조공정의 다양한 타입들과 연마패드 컨디셔닝에 비교적 바람직한 화학약품들을 기재한다.
도 4a는 웨이퍼(200)의 표면 최상부에 도포된 구리층(208)을 갖는 웨이퍼 (200)의 횡단면도이다. 산화물층(204)이 반도체 기질(202)에 도포되어 있다. 공지의 사진석판술 및 에칭술이 산화물층(204)에 패턴화된 특징을 형성하기 위해 사용될 것이다. 그 다음, 웨이퍼의 표면 최상부는 Ta/TaN 층(206)으로 코팅된다. 다음, 웨이퍼 표면의 최상부는 구리층(208)으로 코팅되고 그것에 의해 패턴화된 특징들이 구리재료(210)로 채워진다.
도 4b는 연마된 웨이퍼 표면(212)을 형성하기 위해 CMP 공정 중 최상부 표면을 연마한 후의 반도체 웨이퍼(200)의 횡단면도이다. 연마가 실질적으로 일어나는 동안, 연마 슬러리(154)가 선형벨트 연마패드(156)의 표면 최상부(156a)에 놓인다. 나타낸 바와 같이, CMP 작업이 구리층(208)과 같은 금속층에 실시되어지는 경우, 바람직한 연마 슬러리는 Al2O3 연마제 및 기타 화학성분들을 갖는다. 그러나, 당업자들은 구리와 같은 금속으로 작업한 연마 슬러리(154)의 여러가지 다른 화학 조성물들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그 다음, 웨이퍼(200)는 선형벨트 연마패드(156)위로 낮아지고, 하부 산화물층(204)이 최종적으로 노출될 때까지 웨이퍼 표면의 필요한 양이 평탄화된다.
도 4c는 도 4 b의 CMP 작업 후의 선형벨트 연마패드(156)의 확대 횡단면도이다. 나타낸 바와 같이, 구리 재료(210)의 잔류 필름(214)과 미립자들을 갖는 슬러리(216)는 선형벨트 연마패드(210)의 표면(156a)를 막는다. 일반적으로, 웨이퍼(200)의 구리재료(210)는 산화구리(CuOx) 형태인 잔류 필름(214)과 미립자들 (216)을 형성하기 위해 연마 슬러리와 결합한다. 연마 슬러리(154)가 Al2O3인 경우, 미립자들은 주로 알루미나이다. 박혀있는 미립자(216)들을 갖는 산화구리를 표면 (156a)에서 실질적으로 제거하는 것이 필요하다.
도 5a는 본 발명의 한 구현예에서, CMP 작업이 구리와 같은 금속화 재료에서 실행된 후, 선형벨트 연마패드(156)를 컨디셔닝하는 방법의 흐름도이다. 본 방법은 이미 금속화 재료의 연마에 사용된 연마패드를 갖는 CMP 시스템을 제공함에 의해 개시된다.
그 다음, 본 방법은 패드 표면 위에 화학약품의 고른 코팅을 분포시키는 공정(412)으로 이동한다. 일반적으로, 선형벨트 연마패드(156)가 이동하는 것이 바람직하다. 한 예에서, 선형벨트 연마패드(156)는 약 100 피트/분의 속도로 이동할 것이다. 화학약품이 분포된 후, 화학약품은 패드 표면의 잔류 필름(214)과 반응하여 수용성 부산물을 형성한다. 화학약품은 가장 바람직하게 탈이온수 및 염산(HCl)을 함유하는 용액 형태일 것이다. 용액 중 HCl의 농도는 바람직하게는 약 0.05 ~ 1.0 중량%의 범위이며, 더욱 바람직하게는 약 0.2 ~ 0.8 중량% 범위이며, 가장 바람직하게는 약 0.5 중량%이다. 이 용액이 잔류물과 반응하도록 기다리는 시간은 약 30초 ~ 약 3분 사이이며, 더욱 바람직하게는 약 60초 ~ 약 2분 사이, 가장 바람직하게는 약 90초이다. 여기서 일어나는 화학반응은 CuOx + HCl →CuCl2 + H2O 일 것이며, 여기서 부산물 CuCl2 + H2O는 수용성 재료이다.
또 다른 바람직한 화학약품 용액은 탈이온수, NH4Cl, CuCl2 및 HCl을 함유한다. NH4Cl의 농도는 약 0.5 ~ 2.4 몰/리터가 바람직하다. CuCl2의 농도는 약 0.5 ~ 2.5몰/리터가 바람직하다. HCl의 농도는 약 0.02 ~ 0.06몰/리터가 바람직하다. 용액의 나머지는 바람직하게는 탈이온수이다.
또 다른 바람직한 화학약품 용액은 탈이온수, 과황산암모늄((NH4)2S2O 8), 황산(H2SO4)을 함유한다. ((NH4)2S2O8)의 농도는 약 0.5 ~ 1.0 몰이 바람직하다. H2SO4의 농도는 약 0.25 ~ 0.05 몰이 바람직하다. 용액의 나머지는 바람직하게는 탈이온 수이다. 이 용액이 잔류물과 반응하는데 걸리는 시간은 바람직하게 약 30 ~ 180 초이며, 가장 바람직하게는 약 60 초이다.
또 다른 바람직한 화학약품 용액은 탈이온수, 염화구리(CuCl2), 염화암모늄 (NH4Cl), 및 수산화암모늄(NH4OH)을 함유한다. CuCl2의 농도는 약 2 ~ 5 g/l가 바람직하다. NH4Cl의 농도는 약 5 ~ 10 g/l가 바람직하다. NH4OH의 농도는 약 0.2 ~ 0.5 중량%가 바람직하다. 용액의 나머지는 바람직하게는 탈이온수이다. 이 용액이 잔류물과 반응하는데 걸리는 시간은 바람직하게 약 30 ~ 180 초이며, 가장 바람직하게는 약 60 초이다.
이어서, 공정(414)중 수용성 부산물을 실제적으로 제거하기 위해 패드 표면을 탈이온수로 린스한다. 그 다음 기계적 컨디셔닝공정(416)을 패드에 실시한다. 컨디셔닝 디스크(172)를 바람직하게 약 1 ~ 2 psi의 압력으로 연마패드의 표면에 적용한다. 이 지점에서, 패드는 컨디셔닝되고, 다음 웨이퍼를 연마하기 위해 준비되며, 공정은 웨이퍼가 연마되는 공정으로 이동한다. 연마된 웨이퍼는 후-CMP 세정공정(420)으로 순차적으로 이동한다. 이제 본 방법은 다음 웨이퍼가 CMP 공정을 겪을 것인가를 결정하는 결정공정(422)으로 이동한다. 다음 웨이퍼가 없다면, 본 방법은 완료된다. 그러나, 다음 웨이퍼가 있다면, 본 방법은 공정(412)으로 돌아가서 공정을 계속한다. 상기의 순환이 결정공정(422)에서 다음 웨이퍼가 없을 때까지 계속된다.
도 5b는 본 발명의 한 구현예에 따라, 패드 표면이 공정(412)에서 화학적으 로 처리되고, 공정(414)에서 탈이온수로 린스하고, 및 실질적으로 잔류물을 제거하기 위해 공정(416)에서 기계적으로 컨디셔닝된 후의 선형벨트 연마패드(156)를 나타낸다.
상기 논의는 CMP 공정이 금속화 재료에 대해 실시된 경우, 연마패드에서 불필요한 재료를 제거하는 기술을 설명한 것이다. 아래의 논의는 CMP 공정이 절연 재료 또는 실질적으로 산화물-기재인 재료에 대해 실시된 경우, 연마패드를 세정하고 컨디셔닝하는 기술을 설명한다.
도 6a는 웨이퍼(600)의 표면 최상부 위에 절연재료가 증착된 웨이퍼(600)의 횡단면도이다. 공지의 사진석판술 및 에칭술이 기질(602) 위에 패턴화된 금속 특성(606)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 웨이퍼의 표면 최상부는 일반적으로 절연재료(604)로 코팅되고 패턴화된 특성(606)은 완전히 덮인다.
도 6b는 연마된 웨이퍼 표면(612)을 얻기 위해 CMP 공정에서 표면 최상부가 연마된 반도체 웨이퍼(600)의 횡단면도이다. 실제 연마중, 연마 슬러리(154)가 선형벨트 연마패드(156)의 표면 최상부(156a)에 도포된다. 도면에 나타낸 바와 같이, CMP 공정이 SiO2와 같은 절연재료(604)에서 실시될 때, 바람직한 연마 슬러리(154)는 연마 성분으로서 SiO2 및 기타 화학 성분들을 갖는다. 그러나, 절연재료(604)와 같은 재료에서 작업하는 연마 슬러리(154)의 다양한 다른 화학 성분들이 사용될 수 있다는 것이 당업자들중 한명에 의해 이해되어야 한다. 그 다음, 웨이퍼(600)는 연마된 웨이퍼 표면(612)을 얻기 위해, 웨이퍼 표면이 원하는 양만큼 평탄화 되도록 선형벨트 연마패드(156)위로 낮춰진다.
도 6c는 도 6b의 CMP 공정 후 선형벨트 연마패드(156)의 확대된 횡단면도이다. 나타낸 바와 같이, 절연 재료(604)의 잔류 필름(310) 및 미립자들(312)을 함유하는 마모 슬러리는 선형벨트 연마패드(156)의 표면(156a)을 막는다. 일반적으로, 웨이퍼(600)의 절연재료(604)는 연마 슬러리(156)와 결합하여, 무정형 이산화규소(SiO2) 및 미립자 형태인 잔류물 필름(310)을 형성한다. 또한, 연마 슬러리(154)가 이산화규소 기재인 경우, 미립자들은 주로 마모된 이산화규소이다. 효율적인 CMP 공정을 위해, 그 안에 미립자들(212)이 박혀있는 이산화규소를 표면(156a)에서 실질적으로 제거해야 한다.
도 7a는 본 발명의 한 구현예에 따라, 이산화규소와 같은 절연재료에 CMP 공정을 실시한 후, 선형벨트 연마패드(156)를 컨디셔닝하는 방법의 흐름도이다. 본 방법은 앞서 절연 재료를 연마하는데 사용되었던 연마패드를 갖는 CMP 시스템을 제공함에 의해 개시된다.
그 다음, 본 방법은 패드 표면 위에 화학약품이 고르게 도포되는 공정(512)으로 이동한다. 화학약품이 도포된 후, 화학약품들은 패드 표면 위의 잔류물(31)과 반응하여 가용성 부산물을 생성하며, 그 안에 SiO2 입자들이 박혀 있는 패드 표면을 변형시킨다. 화학약품은 가장 바람직하게는 탈이온수 및 수산화암모늄(NH4OH)을 함유하는 용액의 형태이다. 용액 중 NH4OH의 농도는 바람직하게는 약 0.5 ~ 약 2.5 중량%이고, 더욱 바람직하게는 약 0.7 ~ 약 1.5 중량%이며, 가장 바람직하게는 약 1.0 중량%이다. 나머지 용액은 바람직하게 탈이온수이다. 이 용액이 잔류물과 반응하도록 허용되는 시간은 바람직하게는 약 45초 ~ 약 3분이고, 더욱 바람직하게는 약 50초 ~ 약 2분이며, 가장 바람직하게는 약 60초이다. 이 용액은 바람직하게 21 ℃의 실온에서 반응하도록 허용된다. 본 방법을 실온에서 실시함에 의해, 적용 용액의 온도 변화를 위한 추가의 기계적, 전기적 및 컨디셔닝 장비가 필요없는 이점이 있다.
또 다른 바람직한 화학약품 용액은 탈이온수, 수산화암모늄(NH4OH), 과산화수소(H2O2) 및 탈이온수를 함유한다. NH4OH의 농도는 바람직하게 약 1 중량%이다. NH4OH : H2O2 : 탈이온수의 부피비는 바람직하게 1: 4: 20 이며, 가장 바람직하게는 1:1:5 이다. 이 용액이 잔류물과 반응하도록 허용되는 시간은 바람직하게는 약 30초 ~ 약 180 초 이고, 가장 바람직하게는 약 60 초 이다. 이 용액은 바람직하게 40 ℃ ~ 80 ℃, 가장 바람직하게는 60 ℃의 고온에서 연마패드에 적용될 수 있다.
공정 (512) 다음은 공정 (514)이며, 여기서 패드 표면은 미립자들 및 산화물 부산물을 실질적으로 제거하기 위해 탈이온수로 린스된다. 일반적으로, 잔류물은 실질적으로 용해되고 실질적으로 제거될 것이다. 그 다음, 기계적 컨디셔닝 공정(516)이 패드에 실시된다. 이 시점에서, 패드가 컨디셔닝되며 웨이퍼를 연마하기 위해 준비되며, 공정은 웨이퍼 연마공정(518)으로 이동한다. 그 다음, 본 방법은 다음 웨이퍼에 대해 CMP 공정을 실시할 것인가를 결정하는 결정공정으로 이동한다. 다음 웨이퍼가 없다면, 본 방법은 완료된다. 그러나, 다음 웨이퍼가 있다면, 본 방법은 공정 (512)으로 돌아가서 작업을 계속한다. 상기 순환은 결정공정(522)에서 다음 웨이퍼가 없을 때까지 계속된다.
도 7b는 본 발명의 한 구현예에 따라, 산화물 부산물을 실질적으로 제거하기 위해 패드를 탈이온수로 린스한 후의 선형밸트 연마패드(156)를 나타낸다. 탈이온수로 린스 후, 실질적으로 소량의 불필요한 슬러리 입자들(312)이 선형벨트 연마패드(156)의 표면(156a)에 남아 있을 수 있다. 불필요한 입자들(312)은 실질적으로 기계적 컨디셔닝 공정(516)에 의해 제거될 수 있다. 상기와 같이, 컨디셔닝 디스크(172)가 컨디셔닝을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
비록 설명이 벨트-타입 CMP 기계에 대해 특정하여 이루어졌으나, 본 발명의 컨디셔닝 방법은, 원형 패드를 갖는 회전기계를 충족시키는 것과 마찬가지로 다른 타입의 CMP 기계에도 적용될 수 있다. 그러므로, 이들 패드 컨디셔닝 방법을 보충함에 의해, CMP 및 세정작업은 고품질의 평탄화 및 세정된 금속 및 산화물 표면을 생성할 것이다.
본 발명이 여러가지 바람직한 구현예로써 기재되었으나, 당업자들은 상기 명세서를 읽고 도면을 연구한 후, 본 발명의 여러가지 변경, 첨가, 교환 및 대응물을 깨달을 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 의도 및 범위 안에서 이와 같은 변경, 첨가, 교환 및 대응물을 포함할 수 있다.

Claims (58)

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  51. 웨이퍼 표면의 화학기계적 연마 (CMP) 작업(공정)을 실시하기 위해 이미 사용된, CMP 패드 표면에 잔류물을 갖는 CMP 패드를 세정하는 방법으로, 상기 방법은:
    웨이퍼 표면이 산화물보다 구리를 더 포함하는 경우, 화학약품은 (a) HCl, (b) NH4Cl + CuCl2 + HCl, (c) (NH4)2S2O8 + H2SO4 , 및 (d) CuCl2 + NH4Cl + NH4OH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나이고; 웨이퍼 표면이 구리보다 더 산화물인 경우, 화학약품은 (e) NH4OH, 및 (f) NH4OH + H2O2 + 탈이온수 (DIW)로 이루어진 군으로부터 하나를 선택하여, CMP 패드 표면에 화학약품을 도포하는 단계;
    화학약품이 잔류물과 반응하여 부산물을 생성하도록 허용하는 단계;
    부산물을 제거하기 위해 패드 표면을 린스하는 단계; 및
    패드 표면에 기계적 컨디셔닝 작업을 실시하는 단계를 포함하는 세정방법.
  52. CMP 벨트 패드의 표면에 잔류물을 갖는 CMP 벨트 패드를 세정하는 방법으로,
    웨이퍼 표면이 산화물보다 구리를 더 포함하는 경우, 화학약품은 (a) HCl, (b) NH4Cl + CuCl2 + HCl, (c) (NH4)2S2O8 + H2SO4 , 및 (d) CuCl2 + NH4Cl + NH4OH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나이고; 웨이퍼 표면이 구리보다 더 산화물인 경우, 화학약품은 (e) NH4OH, 및 (f) NH4OH + H2O2 + 탈이온수로 이루어진 군으로부터 하나를 선택하여, CMP 벨트 패드의 전체 폭에 걸쳐 화학약품이 도포되도록, CMP 벨트 패드 표면에 화학약품을 고르게 분포되도록 도포하는 단계;
    화학약품이 잔류물과 반응하여 부산물을 생성하도록 허용하는 단계;
    부산물을 제거하기 위해 패드 표면을 린스하는 단계; 및
    패드 표면에 기계적 컨디셔닝 작업을 실시하는 단계를 포함하고,
    여기서 웨이퍼 표면은 구리를 포함하는 경우, 잔류물은 슬러리 재료와 구리 산화물 모두를 함유하며, 생성된 부산물은 린스하는 동안에 제거되는 수용성 필름의 형태인 것인 세정방법.
  53. 제 51항에 있어서, 웨이퍼 표면이 구리이고 화학약품이 HCl인 경우, 잔류물은 슬러리 재료 및 구리 산화물 모두를 함유하며, 생성된 부산물은 린스하는 동안 제거되는 수용성 필름의 형태인 것인 세정방법.
  54. 제 53항에 있어서, 잔류물의 슬러리 재료와 구리 산화물이, 수용성 필름인 부산물을 형성하기 위해 HCl과 반응하는 산화구리(CuOx)로 한정되는 세정방법.
  55. 제 51항에 있어서, 웨이퍼 표면이 산화물이고 화학약품이 NH4OH인 경우, 잔류물은 슬러리 재료와 이산화규소 재료를 모두 함유하며, 생성된 부산물은 부분적으로 용해될 수 있고 린스하는 동안에 제거되는 것인 세정방법.
  56. 제 55항에 있어서, 잔류물의 슬러리 재료 및 이산화규소 재료가 NH4OH와 반응하는 산화물 입자 잔류물로 한정되는 것인 세정방법.
  57. 제 53항에 있어서, HCl과 잔류물의 반응을 허용하는 것은 추가로 30 초 ~ 180 초 동안 기다리는 것을 포함하는 것인 세정방법.
  58. 제 51항에 있어서, 기계적 컨디셔닝 작업의 실시는 추가로 니켈 도금 다이아몬드 그리드 표면을 갖는 컨디셔너 디스크 및 나일론 브러쉬 표면을 갖는 컨디셔너 디스크 중 하나를 사용하는 것을 포함하는 세정방법.
KR1020017014999A 1999-05-28 2000-05-02 화학기계적 연마패드의 세정방법 및 시스템 KR100742452B1 (ko)

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