KR100903446B1 - 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속패턴 형성방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼에 화학기계적 연마(CMP) 공정 시, 발생하는 폐수에 알데히드를 적용함으로써 구리의 유무를 확인하는 데 있다.
이를 위해 본 발명은 웨이퍼를 화학기계적 연마장치로 평탄화하는 화학기계적 연마단계와, 화학기계적 연마장치에서 발생되는 폐수를 수거하는 폐수 수거단계와, 수거된 폐수에 산화제를 드롭하는 산화제 드롭단계와, 산화제가 드롭된 폐수에 알데히드를 드롭하는 알데히드 드롭단계와, 산화제와 알데히드를 드롭한 폐수의 색 변화를 확인하는 폐수 색변화 확인단계를 포함하는 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 개시한다.
화학기계적 연마, 폐수, 산화제, 알데히드, 구리, 검출

Description

화학기계적 연마장치의 구리 검출방법{COPPER DETECTING METHOD OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING DEVICE}
본 발명은 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼에 화학기계적 연마(CMP) 공정 시, 발생하는 폐수에 알데히드를 적용함으로써 구리의 유무를 확인할 수 있는 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정에 있어서, 금속 박막 내지는 산화막을 제거하는 한 분야인 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하,CMP라 칭함) 공정을 진행하게 된다. 일반적으로 반도체 소자의 화학 기계적 연마 공정은 반도체 소자의 크기 감소 및 집적도 증가에 따라 전체적인 평탄화 요구에 대응하기 위해 필수적으로 도입되는 반도체 공정의 하나이다.
그 중, 구리(Cu) 화학기계적 연마는 구리(Cu)를 배선 재료로 사용하는 제조 공정에서 사용된다. 이러한, 화학기계적 연마 공정은 웨이퍼를 연마하는 폴리싱 공정 및 세정 공정으로 구성된다. 폴리싱 공정은 폴리싱 패드를 이용하여 폴리싱 테이블에 안착된 웨이퍼를 정해진 두께만큼 갈아낸 다음에 세정공정으로 넘겨 주게 된다. 세정공정은 폴리싱 공정에 의해 연마된 웨이퍼를 세정하게 된다.
한편, 상기 화학기계적 연마 공정 후에는 웨이퍼 위에 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 등이 발생하기 쉽다. 따라서, 구리 화학기계적 연마 공정 시, 구리 배선이 외부로 오픈(open) 되면서, 상기의 슬러리 파티클이나 구리 잔류물에 인해 구리 배선 기판에 오염(contamination)이 발생할 수 있다. 더불어, 구리 배선 기판의 오염으로 인해 화학기계적 연마 공정에 이용되는 장비가 생산에 큰 차질을 일으키는 문제점이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 화학기계적 연마 공정 후에는 상기 구리 잔류물을 검출하기 위한 검사 공정이 진행되는데, 종래에는 EDX, XPS, TXRE의 장비를 이용하여 검사하고 있다. 장비 중, TXRE(Total reflection X-ray Fluorescence)의 원리는 일반 EDX(Energy Dispersive X-ray) 장비와 동일하다. 또한, TXRE는 상기 EDX와 달리 입사광 근원을 X-ray로 사용하며, 표면의 강도를 높이기 위해 X-ray의 입사각을 0.1˚ 이하로 사용한다.
따라서, TXRE는 표면에 있는 화학 종(種)을 알아내는데 유리하며, 표면의 오염물을 검출하는데 사용되지만, 상기 표본의 표면이 매우 플렛(Plat)해야하는 문제점이 있다.
또한, TXRE장비는 알루미늄(Al)과 구리(Cu)의 혼용 CMP 장비에서 패드의 구리 오염 유무를 검사하기 위해 사용된다. 이러한 TXRE 장비는 혼용 웨이퍼의 산화물 화학기계적 연마 이후, 모니터링 웨이퍼를 이용하여 패드에 남아있는 화학 종을 베어 웨이퍼(bare wafer)에 전사시키고, 이 베어 웨이퍼를 이용하여 분석한다. 그 러나, 이러한 장비를 이용함으로써, 공정이 매우 복잡해지며, 장비 자체에 대한 많은 비용이 소비될 수 있다. 또한, 실시간의 검출이 불가능하기 때문에, 시간 측면에서도 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼에 화학기계적 연마(CMP) 공정 시, 발생하는 폐수에 알데히드를 적용함으로써 구리의 유무를 확인할 수 있는 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법은 웨이퍼를 화학기계적 연마장치로 평탄화하는 화학기계적 연마단계와, 상기 화학기계적 연마장치에서 발생되는 폐수를 수거하는 폐수 수거단계와, 상기 수거된 폐수에 산화제를 드롭하는 산화제 드롭단계와, 상기 산화제가 드롭된 폐수에 알데히드를 드롭하는 알데히드 드롭단계와, 상기 산화제와 상기 알데히드를 드롭한 폐수의 색 변화를 확인하는 폐수 색변화 확인단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 폐수 색변화 확인단계는 상기 폐수의 변화된 색이 붉은 색일 경우, 상기 폐수에서 구리가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 반면, 상기 폐수 색변화 확인단계는 상기 폐수의 변화된 색이 붉은 색이 아닐 경우, 상기 폐수에서 구리가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
여기서 상기 알데히드 드롭 단계에서, 상기 알데히드와 산화 구리가 반응하는 반응식은
Figure 112007076491996-pat00001
로 이루어질 수 있다.
상기 폐수 수거단계는 상기 화학기계적 연마장치를 감싸도록 이루어진 수거함과, 상기 수거함의 하부 일측으로 배출관이 더 구비되며, 상기 수거함 및 상기 배출관을 통해 상기 폐수가 배출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법은 웨이퍼의 화학기계적 연마 공정 시, 발생하는 폐수에 화학적인 지시방법으로 저렴한 알데히드를 이용하여 구리의 유무를 확인함으로써, 생산 비용을 감소시키는 효과가 있다. 또한, 화학적 지시방법으로 공정 방법이 단순화됨으로써, 실시간 검출이 가능하며, 공정 시간의 단축에 따른 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리를 검출하기 위해 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법은 화학기계적 연마단계(S1)와, 폐수 수거단계(S2)와, 산화제 드롭단계(S3)와, 알데히드 드롭단계(S4)와, 폐수 색변화 확인단계(S5)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리를 검출하기 위해 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 개략적으로 나타낸 공정 단면도이다.도 1에 도시된 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 도 2의 공정 단면도를 이용하여 자세히 설명하고자 한다.
도 2를 참조하면, 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법은 보다 상세히 웨이퍼(10)를 화학기계적 연마장치(100)로 평탄화하는 화학기계적 연마단계(S1)와, 상기 화학기계적 연마장치(100)로부터 상기 화학기계적 연마장치(100)를 감싸도록 구비된 수거함(110)으로 흘러나오는 폐수를 수거하는 폐수 수거단계(S2)와, 상기 수거된 폐수에 산화제(H2O2)를 드롭하는 산화제 드롭단계(S3)와, 상기 산화제(H2O2)가 드롭된 폐수에 알데히드(Aldehyde)를 드롭하는 알데히드 드롭단계(S4)와, 상기 산화제(H2O2)와 상기 알데히드(Aldehyde)를 드롭한 폐수의 색 변화를 확인하는 폐수 색변화 확인단계(S5)를 포함한다.
먼저, 상기 화학기계적 연마단계(S1)는 연마 대상이 되는 상기 웨이퍼(10) 표면을 연마패드(polishing pad)(20) 상에 밀착시킨 상태에서 슬러리(slurry) 분사 노즐(30)을 통해 슬러리를 분사하면서, 상기 웨이퍼(10)와 연마 패드(20)를 상대 운동시켜 상기 웨이퍼(10)의 표면을 폴리싱한다.
이후, 해당 폴리싱 공정의 종료에 따라 웨이퍼(10) 상에 잔존하게 되는 각종 오염물질을 제거하기 위해 후세정(post cleaning)공정을 실시하게 되며, 후세정 공정에서는 각종 케미컬(chemical)(초순수 포함)분사 및 기타 여러 처리를 통해 상기 웨이퍼(10)를 세정한 후 최종적으로 해당 웨이퍼를 고속 회전시켜 건조시키게 된다.
이때, 폴리싱 공정 시, 이용하게 되는 슬러리는 소정의 화학액에 연마 입자가 분산되어 있는 것으로, 함유되어 있는 화학액이 웨이퍼(10) 표면을 화학적으로 반응시키게 되고, 또한 분산되어 있는 연마 입자가 웨이퍼(10) 표면을 제거하게 됨으로써, 폴리싱 공정이 이루어진다.
다음, 폐수를 수거하는 폐수 수거단계(S2)는 상기 화학기계적 연마 공정 시에 슬러리를 이용한 폴리싱으로 인해 금속 배선이 노출되기 때문에, 상기 웨이퍼(10) 상에 연마되는 물질로부터 기인하는 각종 금속이온 잔류물 및 일부 슬러리 잔류물등이 오염 물질로서 잔류할 수 있다.
이러한 오염물질은 금속 배선을 오염시키는 등의 상기 웨이퍼(10)의 결함(defect)을 야기시킬 수 있다. 따라서, 각종 금속 잔류물 및 일부 슬러리 잔류물 등의 폐수를 수거함(110)에 수거한다. 여기서, 수거함(110)은 상기 화학기계적 연마장치(100)로부터 흘러나오는 폐수를 수가하기 위해, 상기 화학기계적 연마장치(100)의 상부를 제외한 하부 및 둘레를 감싸도록 형성된다. 또한, 상기 수거함(110) 하부 일측으로 폐수를 배출시키기 위한 배출관(112)이 더 형성된다. 이후, 외부로 배출된 폐수는 비커를 이용하여, 소정 량을 수거한다.
다음, 상기 산화제 드롭단계(S3)는 상기 비커에 수거된 폐수에 산화제(H2O2)를 스포이드를 이용하여, 한 방울씩 떨어뜨린다. 이러한, 산화제(H2O2)는 다수의 금속이온 잔류물이 포함된 상기 폐수와 반응하게 된다. 이때, 상기 폐수에 구리가 존재하고 있다면, 산화제(H2O2)와 구리(Cu)의 반응식은 H 2 O 2 + 2 Cu → 2 CuO + H 2 로 성립될 수 있다.
여기서, 상기 산화제는 산화를 일으키는 물질로 산소의 공여, 수소 또는 전자 빼앗기, 산화수 증가의 작용을 일으키는 물질이다. 또한, 과산화물, 산소산, 고산화수 화함물, 할로겐 및 그 등가물로 이루어질 수 있지만, 본 발명에서 한정하는 것은 아니다. 따라서, 상기 폐수에 산화제(H2O2)를 드롭하면, 금속 잔류물이 포함된 폐수가 산화 반응을 일으키게 될 수 있다.
다음 알데히드 드롭단계(S4)는 상기 산화제(H2O2)가 드롭된 폐수에 알데히드(Aldehyde)를 스포이드를 이용하여, 한 방울씩 떨어뜨린다. 여기서, 상기 알데히드는 -CHO를 가진 화합물의 총칭으로, 1차 알코올을 산화하는 방법, 아세탈이나 CHCl2 와 같은 할로겐 기(其)를 가진 화합물을 가수분해 시키는 방법, 그리고 산염화물을 환원하는 방법 등으로 제조된다. 또한, 알데히드는 산화되어 카르복시산(-COOH)으로 되기 쉽고, 공기 중의 산소에 의해 산화되며, 그 검출은 펠링(Fehling) 용액 및 은거울 반응 등을 이용할 수 있다. 이러한 알데히드는 반도체 소자에 구리(Cu)의 적용으로, 구리 오염이 되는 것을 방지하기 위한 구리 검출방법에서 화학 적 지시약으로 이용될 수 있다.
마지막으로, 상기 폐수 색변화 확인단계(S5)는 상기 산화제가 드롭된 폐수에 알데히드를 드롭하였을 때, 폐수의 색변화를 확인할 수 있다.
먼저, 상기 산화제가 드롭된 폐수에 알데히드(Aldeehyde)를 드롭하였을 경우, 상기 폐수에 산화구리(2CuO)가 포함되어 있다면, 상기 폐수는 붉은색으로 변화할 수 있다. 즉, 구리(Cu)를 포함하는 폐수에 산화제(H2O2)가 반응하면, 산화구리(2CuO)로 형성된다. 이후, 상기 산화구리(2CuO)가 알데히드(Aldehyde)와 반응하면, 카르복시기산(-COOH)과 붉은색 침전물(Cu2O)이 생성된다. 이때, 상기 알데히드(Aldehyde)와 산화구리(2CuO)의 반응식은 하기와 같이 성립될 수 있다.
Figure 112007076491996-pat00002
따라서, 산화구리(2CuO)가 붉은색 침전물(Cu2O)로 생성됨으로써, 상기 산화구리(2CuO)가 존재하는 폐수가 붉은색으로 변한다. 반면에, 상기 폐수에 산화구리(2CuO)가 존재하지 않는다면, 붉은색 침전물(Cu2O)이 생성될 수 없으므로, 색변화가 일어나지 않는다.
이와 같이, 상기 알데히드(Aldehyde)와 산화구리(2CuO)는 반응을 하여, 카르복시기산(-COOH)과 붉은색 침전물(Cu2O)로 분류되어, 상기 알데히드(Aldehyde)의 존재 유무 또한 알아내는 펠링 용액으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 펠링 용액 의 작용제로 형성된 산화구리(2CuO)를 이용함으로써, 상기 알데히드(Aldehyde)가 반응하여 구리 침전물(Cu2O)을 생성한다. 이러한, 구리 침전물(Cu2O)의 생성 유무에 따라, 구리(Cu) 존재 유무를 확인할 수 있다.
따라서, 화학기계적 연마(CMP) 공정 후, 구리(Cu)를 검출하기 위한 공정 방법으로 저렴한 알데히드(Aldehyde)를 이용하여, 생산 비용을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 공정이 보다 단순해지기 때문에 실시간 검출이 가능함과 동시에 공정 시간의 단축에 따른 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리를 검출하기 위해 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 구리를 검출하기 위해 화학기계적 연마장치의 구리 검출방법을 개략적으로 나타낸 공정 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 웨이퍼 20 : 연마 패드
30 : 분사 노즐 100 : 화학기계적 연마장치
110 : 수거함 112 : 배출관

Claims (5)

  1. 웨이퍼를 화학기계적 연마장치로 평탄화하는 화학기계적 연마단계;
    상기 화학기계적 연마장치에서 발생되는 폐수를 수거하는 폐수 수거단계;
    상기 수거된 폐수에 산화제를 드롭하는 산화제 드롭단계;
    상기 산화제가 드롭된 폐수에 알데히드를 드롭하는 알데히드 드롭단계; 및
    상기 산화제와 상기 알데히드를 드롭한 폐수의 색 변화를 확인하는 폐수 색변화 확인단계를 포함하며,
    상기 알데히드 드롭 단계에서, 상기 폐수에 구리가 존재할 경우에는 상기 구리가 상기 산화제와 반응하여 산화 구리가 되며, 상기 산화 구리와 상기 알데히드가 반응하는 반응식은
    Figure 112008090233571-pat00006
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 구리 검출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폐수 색변화 확인단계는
    상기 폐수의 변화된 색이 붉은 색일 경우, 상기 폐수에서 구리가 존재하는 것으로 판단함을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 구리 검출 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 폐수 색변화 확인단계는
    상기 폐수의 변화된 색이 붉은 색이 아닐 경우, 상기 폐수에서 구리가 존재하지 않는 것으로 판단함을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 구리 검출 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 폐수 수거단계는
    상기 화학기계적 연마장치를 감싸도록 이루어진 수거함과, 상기 수거함의 하부 일측으로 배출관이 더 구비되며, 상기 수거함 및 상기 배출관을 통해 상기 폐수가 배출되는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치의 구리 검출 방법.
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