KR101018942B1 - 화학 기계적 평탄화 적용을 위한 패드 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고정형 연마층과 서브패드를 포함하는 연마 용품에 관한 것이다. 상기 고정형 연마 요소는 서브패드와 동일한 외연을 갖는다. 상기 서브패드는 탄성 요소를 포함한다. 상기 탄성요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 60이하의 쇼어 A 경도를 갖는다.
고정형 연마층, 탄성 요소, 서브패드, 쇼어 A 경도, 강성 요소

Description

화학 기계적 평탄화 적용을 위한 패드 구조물 {PAD CONSTRUCTIONS FOR CHEMICAL MECHANICAL PLANARIZATION APPLICATIONS}
본 발명은 연마 용품 및 상기 용품의 사용 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는 반도체 베이스를 구비한다. 상기 반도체 베이스는 단결정 실리콘, 갈륨 비화물, 및 다른 공지된 반도체 재료와 같은 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 반도체 베이스의 표면 위에는 유전층(dielectric layer)이 존재한다. 이 유전층은 통상 이산화 규소를 포함하지만, 당업계에서는 다른 적절한 유전층 또한 고려된다.
유전층의 앞면 위에는 다수의 개별 금속 상호접속부(interconnects)(예를 들면, 금속 전도체 블록)가 존재한다. 각각의 금속 상호접속부는 예를 들어, 알루미늄, 구리, 알루미늄 구리 합금, 텅스텐 등으로 제조될 수 있다. 이들 금속 상호접속부는 통상적으로, 유전층 상에 우선 연속적인 금속층을 적층함으로써 제조된다. 상기 금속층은 이후 에칭되며, 잉여 금속은 소정 패턴의 금속 상호접속부를 형성하도록 제거된다. 이후, 각각의 금속 상호접속부의 상부 위에, 금속 상호접속부들 사이에, 그리고 유전층의 표면 위에 절연층이 도포된다. 상기 절연층은 통상적으로, 이산화 규소, BPSG(borophosphosilicate glass), PSG(phosphosilicate glass), 또는 그 조합과 같은 금속 산화물이다. 그 결과적인 절연층은 필요에 따라 "평탄" 및/또는 "균일"하지 않을 수 있는 앞면을 종종 갖는다.
포토리소그래피 공정을 통해서 임의의 추가적인 회로 층이 적용될 수 있기 전에, 절연층의 앞면을 소정 정도의 "평탄성" 및/또는 "균일성"이 달성되도록 처리하는 것이 바람직하며, 특정한 정도는, 개별 웨이퍼와, 그 의도된 용도, 및 웨이퍼가 받을 수 있는 임의의 후속 처리 단계들의 속성을 포함하는 여러가지 요인에 따라 달라질 것이다. 간명함을 위하여, 본원의 나머지 부분에서, 이 공정은 "평탄화(planarization)"로 지칭될 것이다. 평탄화의 결과로서, 절연층의 앞면은, 새로운 회로 설계를 생성하기 위해 연속 포토리소그래피 공정이 사용될 때 중요한 치수 특징이 결정될 수 있도록 충분히 평탄해야 한다. 이들 중요한 치수 특징은 회로 설계를 형성한다.
다른 층도 웨이퍼 제조 공정 도중에 평탄할 수 있다. 실제로, 금속 상호접속부 위에 각각의 절연 재료 추가 층이 도포된 후, 평탄화가 필요할 수 있다. 블랭크 웨이퍼 역시 평탄해질 필요가 있을 수 있다. 또한, 웨이퍼는 역시 평탄화가 필요한 구리와 같은 전도층을 구비할 수 있다. 그러한 공정의 특정 예는 금속 다마신(metal Damascene) 공정이다. 평탄화는 임의의 층이 적층되는 것과 동시에 수행될 수 있다.
다마신 공정에서는, 산화물 유전체(예를 들면, 이산화 규소)층에 패턴이 에칭된다. 다른 적합한 유전층에는, 탄소 함유(carbon doped) 산화물, 다공성 탄소 함유 산화물, 다공성 스핀온 유전체(spin on dielectrics) 및 폴리머 필름, 일반적 으로 1.0 내지 3.5 범위, 예를 들면 1.5 내지 3.5 범위의 유전율을 갖는 다른 재료와 같은 저유전율(K) 층이 포함될 수 있다. 이후 유전층 상에는 절연 캡이 선택적으로 적층될 수 있다. 캡층의 예는 탄화규소 및 질화규소를 포함한다. 전체 표면 위에는 선택적인 접착/차단층이 적층된다. 통상적인 차단(barrier)층은 예를 들어 탄탈륨, 질화탄탈륨, 티타늄 또는 질화티타늄을 포함할 수 있다. 다음으로, 절연층과 임의의 접착/차단층 위에는 금속(예를 들면, 구리)이 적층된다. 적층된 금속층은 이후, 유전체의 표면으로부터 적층된 금속을 제거하고 선택적으로 접착/차단층의 부분을 제거함으로써 변형, 개량 또는 완성된다. 통상적으로, 웨이퍼의 외측의 노출된 변형 표면이 양 금속, 및 차단층, 캡층 또는 유전재료 산화물 또는 그 조합을 포함하도록 충분한 표면 금속이 제거된다. 노출된 웨이퍼 표면의 평면도시에 의하면 에칭된 패턴에 대응하는 금속이 갖는 평탄면과 상기 금속 부근의 유전 재료가 도시된다. 웨이퍼의 변형 표면 상에 배치되는 재료는 본질적으로, 상이한 경도값(hardness value)과 같은 상이한 물리적 특성을 갖는다. 상기 다마신 공정에 의해 제조된 웨이퍼를 변형시키는데 사용되는 연마 처리는 일반적으로, 금속 및/또는 접착/차단층 및/또는 캡층 및/또는 유전 재료를 동시에 변형시키도록 설계된다.
구성된 웨이퍼의 노출된 표면을 변형 또는 개량하는 한가지 종래의 방법에 의하면, 웨이퍼 표면이, 액체에 분산된 다수의 느슨한 연마 입자를 포함하는 슬러리로 처리된다. 통상적으로 이 슬러리는 연마 패드에 도포되며, 이후 웨이퍼 표면으로부터 재료가 제거되도록 웨이퍼 표면은 패드에 대해 연삭되거나 이동된다. 상 기 슬러리는 또한, 제거 속도를 변화시키기 위해 웨이퍼 표면과 반응하는 화학약품 또는 가공액을 포함할 수 있다. 상기 공정은 통상 화학-기계적 평탄화(CMP: chemical-mechanical planarization) 공정으로 지칭된다.
CMP 슬러리 방법에 대한 대안적 방법은 반도체 표면을 변형 또는 개량하기 위해 연마 용품을 사용하므로, 전술한 슬러리가 필요치 않다. 연마 용품은 일반적으로 서브패드(subpad) 구조를 갖는다. 그러한 연마 용품의 예는, 참조로 원용되는 미국 특허 제5,958,794호, 제6,194,317호, 제6,234,875호, 제5,692,950호, 제6,007,407호에서 찾아볼 수 있다. 연마 용품은 일반적으로, 결합제 중에 분산되어 있는 연마 입자를 구비하는 꺼칠꺼칠한 연마면을 갖는다. 사용시에, 연마 용품은 종종 가공액의 존재 하에 반도체 웨이퍼 표면과 접촉하며, 웨이퍼 상의 단일 재료층을 변형시켜 평탄하고 균일한 웨이퍼 표면을 제공하는 작용을 한다. 상기 가공액은, 연마 용품의 작용 하에 웨이퍼의 표면으로부터 재료를 변형하거나 아니면 재료의 제거를 용이하게 하기 위해 웨이퍼의 표면에 도포된다.
웨이퍼 평탄화에 있어서 서브패드를 갖는 고정형 연마 용품의 사용은 몇 가지 바람직하지 않은 효과를 초래한다. 예를 들면, 일부 웨이퍼가 층 경계면에서 박리(delamination)가 일어날 수 있다. 본 발명은 신규한 서브패드 및 이 서브패드의 이용 방법에 관한 것이다. 이 신규 패드 및 서브패드의 이용 방법에 의하면, 상기 바람직하지 않은 효과가 없는, 보다 양호한 평탄화가 달성된다.
본 발명은 고정형 연마층 및 서브패드를 포함하는 연마 용품에 관한 것이다. 고정형 연마 요소는 서브패드와 동일한 외연을 갖는다(co-extensive:同延的). 상기 서브패드는 탄성 요소를 포함한다. 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 60이하의 쇼어 A 경도(Shore A hardness)를 갖는다.
본원에 걸쳐서, 하기의 정의가 적용된다:
"표면 변형(surface modification)"이란, 연마 및 평탄화와 같은 웨이퍼 표면 처리 공정을 지칭한다.
"고정형 연마 요소(fixed abrasive element)"란, 피가공물의 표면의 변형(예를 들면, 평탄화)중에 발생할 수 있는 것을 제외하고는 비부착(unattached) 연마 입자가 거의 없는 연마 용품을 지칭한다. 그러한 고정형 연마 요소는 개별 연마 입자들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
"3차원" 고정형 연마 요소란, 평탄화 중에 표면에서 일부 입자가 제거되면 평탄화 기능을 수행할 수 있는 다른 연마 입자들이 노출되도록 그 두께의 적어도 일 부분에 걸쳐서 연장되는 수많은 연마 입자를 갖는 고정형 연마 요소, 특히 고정형 연마 용품을 지칭한다.
"꺼칠꺼칠한(textured)" 고정형 연마 요소란, 요철을 갖는 고정형 연마 요소, 특히 고정형 연마 용품을 지칭한다.
"연마 복합체(abrasive composite)"란, 연마 입자와 결합제를 포함하는 꺼칠꺼칠한 3차원 연마 요소를 집합적으로 제공하는 다수의 성형체(shaped body)중 하나를 지칭한다.
"정확하게 성형된(accurately shaped) 연마 복합체"란, 복합체가 몰드로부터 제거된 후에 유지되는 몰드 공동의 반대인 성형 형상을 갖는 연마 복합체를 지칭하며, 상기 복합체는 미국 특허 제5,152,917호(Pieper 등)에 개시된 바와 같이, 연마 용품이 사용되기 전에 형상의 노출 표면을 지나서 돌출하는 연마 입자가 거의 없는 것이 바람직하다.
도1은 3차원의 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 요소에 부착된 본 발명의 서브패드의 일 실시예의 일부의 단면도이다.
도2는 3차원의 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 요소에 부착된 본 발명의 서브패드의 제2 실시예의 일부의 단면도이다.
도3은 3차원의 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 요소에 부착된 본 발명의 서브패드의 제3 실시예의 일부의 단면도이다.
도4a 내지 도4f는 본 발명의 여러 실시예의 단면도이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼와 같은 피가공물의 노출된 표면을 변형시키기 위한 연마 용품을 제공한다. 상기 연마 용품은 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 요소, 및 탄성 요소를 포함하는 서브패드를 구비한다. 이들 요소는 상호 거의 동일한 외연을 갖는다. 상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마 용품인 것이 바람직하다. 다수의 연마 입자와 소정 패턴 형태의 결합제를 구비하는 연마층이 그 위에 배치되는 지지층을 통상 포함하는 적절한 3차원의 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 용품, 및 반도체 웨이퍼 처리에 있어서 상기 연마 용품을 사용하기 위한 방법이, 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 제5,958,794호에 개시되어 있다.
본 발명의 연마 용품은 서브패드에 적어도 하나의 탄성 요소를 구비한다. 본 발명에서, 상기 탄성 요소는 대략 60이하의 쇼어 A 경도(ASTM-D2240)를 갖는다. 다른 실시예에서, 쇼어 A 경도는 대략 30이하이며, 예를 들면 대략 20이하이다. 일부 실시예에서, 탄성 요소의 쇼어 A 경도는 대략 10이하이며, 특정 실시예에서 탄성 요소는 대략 4이하의 쇼어 A 경도를 갖는다. 일부 실시예에서, 탄성 요소의 쇼어 A 경도는 대략 1을 초과하며, 특정 실시예에서, 탄성 요소는 대략 2를 초과하는 쇼어 A 경도를 갖는다.
도1은 서브패드(10) 및 고정형 연마 요소(16)를 구비하는, 본 공정에서 사용되는 일 실시예의 고정형 연마 용품(6)의 일예의 단면도이다. 도1의 실시예에 도시하듯이, 서브패드(10)는 적어도 하나의 강성 요소(12)와 적어도 하나의 탄성 요소(14)를 구비하며, 이는 상기 고정형 연마 요소(16)에 부착된다. 그러나, 특정 실시예에서, 서브패드는 탄성 요소(14)만을 갖는다. 또한, 특정 실시예에서, 서브패드는 하나 이상의 탄성 요소, 하나 이상의 강성 요소, 또는 탄성 요소와 강성 요소의 임의의 조합을 갖는다. 도1에 도시된 실시예에서, 강성 요소(12)는 탄성 요소(14)와 고정형 연마 요소(16) 사이에 개재된다. 상기 고정형 연마 요소(16)는 피가공물과 접촉하는 표면(17)을 갖는다. 따라서, 본 발명에 사용되는 연마 구조물에서, 강성 요소(12)와 탄성 요소(14)는 일반적으로 고정형 연마 요소(16)와 연속적이고 평행하며, 따라서 세 가지 요소가 거의 동일한 외연을 갖는다. 도1에는 도시되어 있지 않지만, 탄성 요소(14)의 표면(18)은 통상 반도체 웨이퍼 변형 기계 의 압반에 부착되며, 고정형 연마 요소(16)의 표면(17)은 반도체 웨이퍼에 접촉한다.
도1에 도시하듯이, 본 실시예의 고정형 연마 요소(16)는 고정형 연마층(24)이 접합되는 표면을 갖는 지지층(22)을 구비하며, 상기 지지층은 결합제(30) 중에 분산되는 연마 입자(28)를 포함하는 다수의 정확하게 성형된 연마 복합체(26)의 소정 패턴을 갖는다. 그러나, 전술했듯이, 고정형 연마 요소, 및 그로 인한 연마층에는 개별 연마 입자가 없을 수 있다. 다른 실시예에서, 고정형 연마 요소는 무작위적(random)인 바, 예를 들면 (Newark, DE에 소재하는 Rodel, Inc.로부터 구입가능한) 상표명 IC-1000 및 IC-1010으로 판매되는 것과 같은 꺼칠꺼칠한 고정형 연마 요소, 및 다른 조건의 고정형 연마 요소에 있어서 그러하다. 연마층(24)은 지지층 상에서 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, 고정형 연마 용품은 지지층을 필요로 하지 않는다. 일부 실시예에서, 고정형 연마층은 대략 300 ㎫ 미만, 예를 들면 75 ㎫ 미만, 추가적인 예에서는 대략 35 ㎫ 미만의 영률(Young's modulus)을 갖는다.
도1은 정확하게 성형된 연마 복합체를 갖는 꺼칠꺼칠한 3차원 고정형 연마 요소를 도시하지만, 본 발명의 연마제 조성은 정확히 성형된 복합체에 한정되지 않는다. 즉, 본원에 참조로 원용되는 미국 특허 제5,958,794호 및 미국 출원 공개 제US 2002/0151253호에 개시된 것과 같은 다른 꺼칠꺼칠한 3차원의 고정형 연마 요소가 가능하다.
연마 구조물의 다양한 성분들 사이에는 접착제 또는 다른 부착 수단의 층이 개재될 수 있다. 예를 들면, 도1의 실시예에 도시하듯이, 강성 요소(12)와 고정형 연마 요소(16)의 지지층(22) 사이에는 접착층(20)이 개재된다. 도1에는 도시되어 있지 않지만, 강성 요소(12)와 탄성 요소(14)의 사이, 및 탄성 요소(14)의 표면(18)에도 접착층이 개재될 수 있다.
사용 중에, 고정형 연마 용품(16)의 표면(17)은, 예를 들어 반도체 웨이퍼와 같은 피가공물의 표면을 변형시킴으로써 처리 이전의 표면에 비해 보다 평탄하고 및/또는 보다 균일하며 및/또는 덜 거친 표면을 달성하기 위해 피가공물과 접촉한다. 서브패드의 강성 요소 및 탄성 요소의 기본적인 조합은, 표면 변형 중에 피가공물의 표면의 국소적 지형(topography)에는 거의 합치되지 않지만 피가공물의 표면의 전체 지형(예를 들면, 반도체 웨이퍼의 전체 표면)에는 거의 합치되는 연마 구조물을 제공한다. 그 결과, 본 발명의 연마 구조물은 소정 레벨의 평탄성, 균일성, 및/또는 조도(roughness)를 달성하기 위해 피가공물의 표면을 변형할 것이다. 바람직한 특정 정도의 평탄성, 균일성, 및/또는 조도는, 개별 웨이퍼와, 그 의도된 용도, 및 웨이퍼가 받을 수 있는 임의의 후속 처리 단계들의 속성에 따라 달라질 것이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예의 연마 용품(206)을 도시한다. 고정형 연마 요소(216)와 탄성 요소(214)는 감압(pressure sensitive) 접착층(220)에 의해 결합된다. 도3은 본 발명의 또 다른 실시예의 연마 용품(306)을 도시하며, 여기에서는 고정형 연마층(324)이 탄성 요소(314)와 직접 접촉한다.
도4a 내지 도4f는 본 발명의 연마 용품의 특정 실시예의 예를 도시한다. 도 4a는 고정형 연마층(401), 지지층(402), 제1 감압 접착층(403), 강성 요소(404), 제2 감압 접착층(405), 탄성 요소(406), 및 제3 감압 접착층(407)을 구비한다. 도4b는 고정형 연마층(408), 지지층(409), 제1 감압 접착층(410), 탄성 요소(411), 및 제2 감압 접착층(412)을 구비한다. 도4c는 고정형 연마층(413), 지지층(414), 제1 감압 접착층(415), 탄성 요소(416), 제2 감압 접착층(417), 강성 요소(418), 및 제3 감압 접착층(419)을 구비한다. 도4d는 고정형 연마층(420), 탄성 요소(421), 및 제1 감압 접착층(422)을 구비한다. 도4e는 고정형 연마층(423), 탄성 요소(424), 제1 감압 접착층(425), 강성 요소(426), 및 제2 감압 접착층(427)을 구비한다. 도4f는 고정형 연마층(428), 지지층(429), 제1 감압 접착층(430), 제1 강성 요소(431), 제2 감압 접착층(432), 탄성 요소(433), 제3 감압 접착층(434), 제2 강성 요소(435), 및 제4 감압 접착층(436)을 구비한다.
본 발명의 연마 구조물은 가공된 반도체 웨이퍼(즉, 그 위에 회로가 구비된 패터닝된 반도체 웨이퍼, 또는 전면적으로 패터닝되지 않은 웨이퍼)와 함께 사용하기에 특히 적합하지만, 가공되지 않은 웨이퍼 또는 블랭크 (예를 들면, 실리콘) 웨이퍼와도 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 연마 구조물은 반도체 웨이퍼를 연마 또는 평탄화하는데 사용될 수 있다.
탄성 요소에 대한 재료의 선택은, 피가공물 표면 및 고정형 연마 요소의 조성, 피가공물 표면의 형상 및 초기 평탄성, 표면을 변형(예를 들면, 표면을 평탄화)하는데 사용되는 장치의 형태, 변형 공정에 사용되는 압력 등에 따라 달라질 것이다. 본 발명의 연마 구조물은 다양한 반도체 웨이퍼 변형 용도에 사용될 수 있 다.
서브패드에 사용하기에 적합한 재료는 예를 들어 ASTM에 의해 제안된 표준 시험 방법을 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다. 임의의 주어진 재료는 예를 들면, 밀도, 인장 강도, 쇼어 경도, 및 탄성율과 같은 고유한 특성을 가질 것이다. 강성 재료의 평면에서의 영률(때로는 탄성율로도 지칭됨)을 측정하기 위해 강성 재료의 정적 인장 시험이 사용될 수 있다. 금속의 영률을 측정하기 위해, ASTM E345-93(금속 포일의 인장 시험의 표준 시험 방법)이 사용될 수 있다. 유기 폴리머(예를 들면, 플라스틱 또는 강화 플라스틱)의 영률을 측정하기 위해, ASTM D638-84(플라스틱의 인장 특성에 대한 표준 시험 방법) 및 ASTM D882-88(얇은 플라스틱 시트의 표준 인장 특성)이 사용될 수 있다. 다수의 재료층을 구비하는 적층된 요소에 있어서, 전체 요소의 영률(즉, 적층체 영률)은 최고 영률의 재료에 대한 시험을 사용하여 측정될 수 있다.
탄성 재료의 두께 방향으로의 영률(때로는 저장 탄성율 또는 탄성율로도 지칭됨)을 측정하기 위해 탄성 재료의 동적 압축 시험이 사용될 수 있다. 본원에서, 탄성 재료에 대해서는, 탄성 요소가 단일층이거나 또는 다수의 재료층을 구비하는 적층 요소이거나에 관계없이 ASTM D5024-94(압축되는 플라스틱의 동적 기계적 특성을 측정하기 위한 표준 시험 방법)가 사용될 수 있다. 탄성 재료(또는 전체 탄성 요소 자체)는 대략 100㎫ 미만, 예를 들면 대략 50㎫ 미만의 영률 값을 갖는 것이 바람직하다. 본원에서, 탄성 요소의 영률은, 34.5kPa의 예비하중과 더불어 20℃ 및 0.1 Hz에서 재료의 두께 방향으로 ASTM D5024-94에 의해 결정된다.
적절한 탄성 재료 또한 그 응력 완화를 추가로 평가함으로써 선택될 수 있다. 응력 완화는, 변형을 유지하는데 필요한 힘 또는 응력이 측정되는 동안 재료를 변형시키고 이 재료를 변형된 상태로 유지함으로써 평가된다. 적절한 탄성 재료(또는 전체 탄성 요소)는 초기에 가해진 응력의 적어도 대략 60%를 120초 후에 보유하는 것이 바람직하다(대략 70%가 보다 바람직). 청구범위를 포함하는 본원에서 이는 "잔류 응력"으로 지칭되며, 실온(20 내지 25℃)에서 83kPa의 초기 응력이 달성될 때까지 0.5mm이상 두께의 재료 샘플을 먼저 25.4mm/min의 속도로 압축하고 2분 후에 잔류 응력을 측정함으로써 결정된다.
연마 구조물에 사용하기 위한 탄성 재료는 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 통상적으로, 탄성 재료는, 열가소성 또는 열경화성일 수 있으며 본질적으로 탄성중합성이거나 그렇지 않을 수 있는 유기 폴리머이다. 일반적으로 유용한 탄성 재료로 알려진 재료는, 통상 발포체로 지칭되는 다공성 유기 구조체를 제조하기 위해 포밍 또는 블로잉되는(foamed or blown) 유기 폴리머이다. 그러한 발포체는 천연 고무나 합성 고무 또는 예를 들어 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 및 그 공중합체와 같은 다른 열가소성 탄성중합체로 준비될 수 있다. 적합한 합성 열가소성 탄성중합체는 클로로프렌 고무, 에틸렌/프로필렌 고무, 부틸 고무, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, EPDM 폴리머, 염화폴리비닐, 폴리클로로프렌, 또는 스티렌/부타디엔 공중합체를 포함하지만, 이것에 한정되지는 않는다. 유용한 탄성 재료의 특정 예는 발포체 형태의 폴리에틸렌과 에틸렌 비닐 아세테이트의 공중합체이다.
적절한 기계적 특성(예를 들면, 압축 상태에서의 잔류 응력 및 영률)이 얻어진다면 탄성 재료는 또한 다른 구조일 수 있다. 종래의 연마 패드에 사용되는 것과 같은 폴리우레탄 함침 펠트-기초(felt-based) 재료가 예를 들어 사용될 수 있다. 탄성 재료는 또한 예를 들면, 수지(예를 들면, 폴리우레탄)에 의해 함침된, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 또는 폴리아미드 섬유의 부직 또는 직조(nonwoven or woven) 섬유 매트일 수 있다. 섬유 매트에 있어서 이들 섬유는 유한한 길이이거나(단섬유:staple) 또는 거의 연속적일 수 있다 .
본 발명의 연마 구조물에 유용한 특정 탄성 재료에는, Lawrence, MA소재의 Sekisui America Corp.의 방계회사인 Voltek으로부터 구입할 수 있는 상표명 VOLTEC VOLARA 타입의 EO 독립 기포 발포체(closed cell foams)로 판매되는 것이 포함되지만, 이것에 한정되지는 않는다.
본 발명의 연마 구조물은 추가로, 다양한 성분 사이를 부착하는 수단을 구비할 수 있다. 예를 들면, 도1에 도시된 구조는 강성 재료의 시트를 탄성 재료의 시트에 적층함으로써 준비된다. 이들 두 요소의 적층은 핫멜트 접착제, 감압성 접착제, 아교, 타이 레이어(tie layers), 접합제, 기계적 체결 장치, 초음파 용접, 써멀 본딩, 마이크로파 활성 본딩 등과 같은 다양한 공지의 접합 방법중 임의의 것에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 서브패드의 강성 부분과 탄성 부분은 공압출에 의해 접합될 수 있다.
통상적으로, 요소들의 적층은 감압형 또는 핫멜트형 접착제를 사용함으로써 쉽게 이루어진다. 적합한 감압성 접착제는, 천연 고무, (메트)아크릴레이트 폴리 머 및 코폴리머, (Houston, Tex.에 소재하는 Shell Chemical Co.로부터) 상표명 KRATON으로 구입할 수 있는 스티렌/부타디엔 또는 스티렌/이소프렌 블록 코폴리머와 같은 열가소성 고무의 AB 또는 ABA 블록 코폴리머, 또는 폴리올레핀에 기초한 것을 포함하지만 이것에 한정되지는 않는, 다양한 일반적으로 사용되는 감압성 접착제일 수 있다. 적합한 핫멜트 접착제는, 폴리에스테르, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리아미드, 에폭시 등에 기초한 것과 같은 다양한 핫멜트 접착제를 포함하지만, 이것에 한정되지는 않는다. 접착제의 주 요건은, 서브패드 요소가 사용 중에 적소에 유지되도록 충분한 결합력과 박리 강도를 갖는 것과, 사용 조건 하에서 전단을 견디는 것과, 사용 조건 하에서 화학적 분해를 견디는 것이다.
고정형 연마 요소는 방금 전술한 접착제, 공압출, 써멀 본딩, 기계적 체결 장치 등에 의해 구조물의 서브패드 부분에 부착될 수 있다. 그러나, 고정형 연마 요소는 서브패드에 부착될 필요는 없지만, 그 바로 인접한 위치에 유지되고 그와 동일한 외연을 가질 수 있다. 이 경우 고정형 연마제를 사용 중에 적소에 유지하기 위한 설치 핀, 유지 링, 장력, 진공 등과 같은 기계적 수단이 요구될 것이다.
본원에 기술된 연마 용품은 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 표면을 변형시키는데 사용하기 위한 기계 압반 상에 배치된다. 이는 설치 핀, 유지 링, 진공 등과 같은 기계적 수단 또는 접착제에 의해 부착될 수 있다.
본 발명의 연마 구조물은, 연마 패드 및 가루형 연마제 슬러리와 함께 사용하기 위한 당업계에 공지된, 반도체 웨이퍼를 평탄화하기 위한 여러 형태의 기계에 사용될 수 있다. 적절한 기계의 예에는 (Santa Clara, CA 소재의 Applied Materials로부터) 상표명 MIRRA 및 REFLEXION WEB POLISHER으로 판매되는 것이 포함된다.
통상적으로, 그러한 기계는, 반도체 웨이퍼를 홀딩하기 위해 유지 링 및 웨이퍼 지지체로 구성될 수 있는 웨이퍼 홀더를 갖는 헤드 유닛을 구비한다. 통상적으로, 반도체 웨이퍼 및 연마 용품은 서로에 대해 이동한다. 웨이퍼 홀더는 원형 형태, 나선형 형태, 타원형 형태, 불균일한 형태, 또는 랜덤 운동 형태로 회전한다. 연마 용품은 회전하거나, 웨이퍼 표면에 대해 직선 이동하거나, 고정 유지될 수 있다. 웨이퍼 홀더가 회전하는 속도는 특정 장치, 평탄화 조건, 연마 용품, 및 소정의 평탄화 기준에 따라 달라질 것이다. 그러나, 일반적으로 웨이퍼 홀더는 대략 2 내지 1000 rpm의 속도로 회전한다.
본 발명의 연마 구조물은 통상 원형이고, 대략 10 내지 200cm, 바람직하게는 대략 20 내지 150cm, 보다 바람직하게는 대략 25 내지 100cm의 직경을 가질 것이다. 이는 또한 통상 대략 5 내지 10,000rpm의 속도, 바람직하게는 대략 10 내지 1000rpm의 속도, 보다 바람직하게는 대략 10 내지 250rpm의 속도로 회전할 수 있다. 연마 구조물은 또한 연속 벨트 또는 웨브 형태일 수 있다. 이들 예에서, 연마 용품은 예를 들면 0.038 내지 75m/sec의 특징 선속도로 이동할 수 있다. 본 발명의 연마 구조물을 사용하는 표면 변형 과정은 통상적으로 대략 6.9 내지 138kPa의 압력을 포함한다.
일반적으로, 공정은 가공액의 존재하에 실시될 것이다. 그러한 가공액은 연마 입자를 포함할 수 있거나, 또는 연마 입자가 없을 수 있다. 적합한 가공액은, 그 내용이 본원에 참조로 원용되는 미국 특허 제6,194,317호 및 미국 출원 공개 제US 2002/0151253호에 개시되어 있다.
본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 다양한 변형예 및 변경예가 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본원에 개시된 예시적 실시예에 한정되지 않는 것임을 알아야 한다.
예
시험 과정
영률
본 발명에 사용되는 고정형 연마 복합 재료의 영률은 ASTM D638-84(플라스틱의 인장 특성에 대한 표준 시험 방법) 및 ASTM D-882-88(얇은 플라스틱 시트의 표준 인장 특성)에 개시된 것과 유사한 정적 인장 시험을 사용하여 결정되었다. 본 시험에 관한 시험 과정에 대한 변형예에는, 12.7mm의 게이지 길이, 3.2mm의 폭, 및 0.43 내지 0.71mm 범위의 두께를 갖는, 고정형 연마제의 성형 플라그(molded plaques)로부터 절단된, 소형 덤벨의 사용이 포함된다. 또한, 시험 도중의 연신율은 0.0212mm/s이다.
웨이퍼 박리(delamination)
웨이퍼 박리는 시각적으로 관찰되었다. 박리 정도가 1 내지 5의 상대 척도로 측정되도록 등급(rating) 시스템이 개발되었다. 1등급은 웨이퍼 표면의 1% 미만의 박리를 나타낸다. 5등급은 웨이퍼 표면의 대략 10%를 초과하는 박리를 나타낸다.
재료
고정형 연마제
본 연구에 사용된 코팅된 필름 형태의 고정형 연마제중 하나는 3M Company(St. Paul, MN 소재)로부터 구입할 수 있는 Cu CMP 디스크 M6100(MWR66) 20인치(50.8cm) O.D.(제품 번호 60-0700-0523-0)였다. 수용된 고정형 연마제는 3mil(0.0762mm) 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET) 지지층 상에 코팅되었으며, 이 지지층은 이후 특정 서브패드 상에 적층되었다. MWR73로 지칭되는 조성과 유사한 제2 제품 또한 20인치 직경의 코팅된 필름 구조에서 시험되었다. 영률이 보다 낮게 측정된 것을 제외하고는 M6100 고정형 연마제와 거의 동일하다.
MWR66 연마 복합체 영률 = 72.4 ㎫
MWR73 연마 복합체 영률 = 33.1 ㎫
서브패드
강성 성분
본 발명에서 사용되는 강성 성분은, GE Polymershapes(Mount Vernon, IN)로부터의 폴리카보네이트, 8010MC Lexan Polycarbonate (PC) 시트였다. 사용된 시트 두께는 0.508mm(20mil)였다. 하나의 두께가 사용되었지만, PC 시팅의 두께는 0.0508mm 내지 2.5mm의 범위에서 변할 수 있다. 이 요소에 대해서는 다른 폴리머 및 재료 또한 사용될 수 있다.
탄성 성분
이하의 예에서 사용되는 모든 탄성 성분은 Sekisui America Corp.(Lawrence, MA)의 방계회사인 Voltek으로부터 구입할 수 있는 독립 기포 발포체였다.
VOLTEC VOLARA 타입 EO 발포체 2pcf(pounds per cubic foot 폼 밀도), 3.175mm 두께(125mil).
VOLTEC VOLARA 타입 EO 발포체 4pcf, 2.38mm-3.175mm 두께(90-125mil).
VOLTEC VOLARA 타입 EO 발포체 6pcf, 2.38mm-3.175mm 두께(90-125mil).
VOLTEC VOLARA 타입 EO 발포체 12pcf, 2.38mm-3.175mm 두께(90-125mil).
이들 발포체의 대표적인 특성이 공급자에 의해 제공되며, 하기 표1에 나타나 있다.
Figure 112005036925071-pct00001
*는 특성(y축)대 발포체 밀도(x-축)의 선형 외삽으로부터 추정되는 데이터를 나타냄.
달리 언급되지 않는 한, 사용된 발포체의 두께는 2.38mm였다. 2.38mm 두께의 발포체가 사용되었지만, 패드 구조에서의 발포체 두께는 0.127mm 내지 5mm의 범위에서 변화할 수 있다. 이 요소에 대해서는 다른 발포체가 사용될 수 있다. 또한, 탄성 요소는 서로에 대해 주로 동일한 외연을 갖는 둘 이상의 탄성 요소로 구성될 수 있다.
감압 접착제(PSA:Pressure Sensitive Adhesives)
도4a 내지 도4f에 개시하듯이 감압 접착제에 대해서는 3M 442 DL(양면 PSA), 3M 9471 FL, 및 3M 9671 PSA(모두 St. Paul, MN에 소재하는 3M Company로부터 구입가능)가 사용되었다. 패드 구조물에 사용되는 특정 PSA는 특정 예의 설명에서 자세해진다. 다양한 패드 구조물의 PSA층에는 다른 PSA 및 접착제가 사용될 수 있다.
서브패드 및 패드 적층
모든 서브패드 및 패드는 층 사이에 공기나 보푸라기가 포착되지 않도록 상당한 주의를 기울여가며 적층된다. 또한, 적층 공정 중에 연마 요소, 강성 요소, 및 탄성 요소의 주름발생을 방지하기 위해 상당한 주의를 기울일 필요가 있다.
CMP
연마액
연구를 위해 Cu CMP 용액 CPS-11(제품 #60-4100-0563-5) 및 Cu CMP 용액 CPS-12(제품 # 60-4100-0575-9)가 사용되었다. 이들 용액은 3M Company(St. Paul, MN 소재)로부터 구입하였다. 연마 이전에 용액에 적절한 양의 30%(중량%) 과산화수소를 첨가하였다. CPS-11/30%H2O2 중량비는 945/55이다. CPS-12/30%H2O2 중량비는 918/82이다.
웨이퍼
International Sematech(Austin, TX 소재)로부터 금속 레벨2(M2) 웨이퍼를 얻었다. 초저K 기판은 (Sunnyvale, CA 소재의 JSR microelectronics로부터 구입가능한) JSR LKD-5109였다. JSR LKD-5109 및 ISMT 800AZ 이중 다마신 레티클 세트(Dual Damascene Reticle set)를 사용하여 웨이퍼를 가공하였다.
일반적인 연마 공정
PSA의 저층을 통해서 MIRRA 연마 공구의 압반에 연마 패드를 적층하였다. 상기 연마 패드는 탈이온수로 10초간 고압 헹굼처리되었다. 상기 패드는, 8인치(20.32cm) 직경의 구리(Cu) 디스크를 101rpm의 압반 속도와 99rpm의 캐리어 속도로 6분간 연마하고, 연마액, CPS-11 w/과산화수소를 120㎖/min의 유량으로 패드 중심 근처로 송출함으로써, MIRRA 3400 화학-기계적 연마 시스템(Santa Clara, CA소재의 Applied Materials, Inc.)을 사용하여 상태 조절된다. 이 연마 도중에, TITAN 캐리어 내부 튜브, 유지 링, 및 멤브레인에 가해지는 압력은 각각 4.5psi(31kPa), 5.0psi(34.5kPa), 4.5psi(31kPa)였다. 패드를 상태 조절한 후, M2 패턴 웨이퍼의 연마를 위해 2단계 Cu 연마 시퀀스가 채용되었다. 제1 단계는 패드의 중심 근처로 송출되는 180㎖/min 유량의 과산화수소를 포함하는 CPS-11 연마액을 사용하였다. TITAN 캐리어의 캐리어 내부 튜브, 유지 링, 및 멤브레인에 가해지는 압력은 각각 1.0psi/1.5psi/1.0psi(6.9kPa/10.3kPa/6.9kPa)였다. 압반 속도 및 캐리어 속도는 각각 31rpm 및 29rpm이었다. 연마는 이들 조건에서 45초간 실시되었다. 이 연마 후, 기판 표면에는 주로 Cu가 존재하며, 다이 영역의 아래에 놓이는 ILD/캡/배리어층의 어느 것도 노출되지 않는다. 웨이퍼를 제거하여 박리에 대해 시각적으로 검사되었다. 패드의 10초 고압 헹굼 이후, 제2 연마는 패드의 중심 근처로 송출되는 180㎖/min 유량의 과산화수소를 포함하는 CPS-12 연마액을 사용하였다. TITAN 캐리어의 캐리어 내부 튜브, 유지 링, 및 멤브레인에 가해지는 압력은 각각 1.0psi/1.5psi/1.0psi(6.9kPa/10.3kPa/6.9kPa)였다. 압반 속도 및 캐리어 속도는 각각 31rpm 및 29rpm이었다. 연마 시간은 가변적이며, 웨이퍼를 클리어하는데 통상 170 내지 190초가 소요되고, 이어서 동일한 공정 조건을 사용하여 20초 이상 추가 연마가 실시되었다. 연마 이후, 웨이퍼는 시각적으로 박리에 대해 검사되었다.
탈척 ( dechuck ) 조건
MIRRA 소프트웨어의 웨이퍼 제거 섹션에서, 다양한 탈척 조건이 세팅될 수 있다. 예1A-1D와 예2A-2D 사이의 탈척 조건 변화가 아래에 도시되어 있다. 예3은 예2A-2D의 것과 동일한 탈척 조건을 사용하였다.
예1A-1D에서의 탈척 조건(표준 탈척 조건)
6-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 내부 튜브 압력. 3.0psi(20.7kPa)
7-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 유지 링 압력. 2.0psi(13.8kPa)
8-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 멤브레인 압력. 1.0psi(6.9kPa)
9-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 상기 압력 유지 시간. 2500msec
10-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 적용 시간. 3000msec
11-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 후의 내부 튜브 압력. 1.0psi(6.9kPa)
12-TITAN 캐리어 탈척: 제2 내부 튜브가 정착하기 위한 대기 시간. 2500msec
13-TITAN 캐리어 탈척: 헤드가 웨이퍼를 패드로부터 잡아당기기 위한 대기 시간. 3000msec
예2A-2C 및 예3에서의 탈척 조건(유연한 탈척 조건)
6-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 내부 튜브 압력. 0.8psi(5.5kPa)
7-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 유지 링 압력. 0.5psi(3.45kPa)
8-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 멤브레인 압력. -1.0psi(-6.9kPa)
9-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 전의 상기 압력 유지 시간. 250msec
10-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 적용 시간. 750msec
11-TITAN 캐리어 탈척: 멤브레인 진공 후의 내부 튜브 압력. 0.8psi(5.5kPa)
12-TITAN 캐리어 탈척: 제2 내부 튜브가 정착하기 위한 대기 시간. 250msec
13-TITAN 캐리어 탈척: 헤드가 웨이퍼를 패드로부터 견인 분리하기 위한 대기 시간. 750msec
예1A 내지 1D
전술한 일반적인 연마 과정에 이어서, 두 개의 패드 구조물을 두 개의 상이한 고정형 연마제 형태를 사용하여 검사하였다. 패드 구조물 1은 도4a에 도시하듯이, 고정형 연마층(401), 지지층(402), 제1 감압 접착층(403), 강성 요소(404), 제2 감압 접착층(405), 탄성 요소(406), 및 제3 감압 접착층(407)을 구비한다. 상기 감압 접착층(407)은 3M 442 DL이었으며, 감압 접착층(403)은 3M 9471 FL이었고, 감압 접착층(405)은 3M 9671이었다(이들 감압 접착층은 모두 St. Paul, MN 소재의 3M Company로부터 구입가능). 패드 구조물 3은 도4c에 도시하듯이, 고정형 연마층(413), 지지층(414), 제1 감압 접착층(415), 탄성 요소(416), 제2 감압 접착층(417), 강성 요소(418), 및 제3 감압 접착층(419)을 구비한다. 상기 제3 감압 접착층(419)은 3M 9471 FL이었으며, 제1 감압 접착층(415)은 3M 442 DL이었고, 제2 감압 접착층(417)은 3M 9671이었다(St. Paul, MN 소재의 3M Company로부터 구입가능). 패드 구조물, 고정형 연마제 형태를, 제2 Cu 단계 연마 공정 이후의 결과와 함께 표2(하기)에 도시하였다. 제1 단계, CPS-11, Cu 연마 이후 어떠한 웨이퍼에서도 박리가 전혀 관측되지 않았다.
Figure 112005036925071-pct00002
패드 구조물 3은 패드 구조물 1에 비해 개선된 웨이퍼 박리 거동을 나타냈다. 마찬가지로, MWR73 연마 복합체는 MWR66 연마 복합체에 비해 개선된 웨이퍼 박리 거동을 나타냈다.
예2A 내지 2C
전술한 일반적인 연마 과정에 이어서, 패드 구조물 2(고정형 연마제(408), 지지층(409), 제1 감압 접착층(410), 탄성 요소(411), 및 제2 감압 접착층(412)을 구비하는 도4b 참조)를, 표1의 12pcf, 6pcf, 4pcf Voltek 발포체로부터 준비된 패드와 MWR73 고정형 연마제를 사용하여 검사하였다. 예2A-2C의 패드에 대해서는, 감압 접착층(410, 412)을 위해 3M 442 DL이 사용되었다. 일반적인 연마 과정에 대한 하나의 변형예는 I-튜브 압력을 0.6psi(4.1kPa)로 감소시키는 것을 포함한다. 또한, 두 연마 단계의 연마 시간은 예1A-1D에 기술된 것과 약간 다르다. 이들 예에서, CPS-11 및 CPS-12 연마를 위한 연마 시간은 표3에 나타나 있다. 예2B의 웨이퍼는 표준 연마 조건과 CPS-12 연마액을 사용하여 20초 이상 연마되었다. 제1 단계, CPS-11, Cu 연마 이후 어떠한 웨이퍼에서도 박리가 전혀 관측되지 않았다.
박리 결과가 표3에 나타나 있다. 분명히, 밀도/경도/인장 강도가 낮은 탄성 요소를 포함하는 용품은 박리 거동이 개선됨을 보여준다. 이들 공정 조건(예2B)에서의 오버 연마(over-polishing)는 박리 정도를 증가시키지 않았다. 또한, 예1D를 예2A와 비교하면, 웨이퍼 탈척 조건을 보다 유연하게 변경함으로써 박리가 개선되었다.
Figure 112005036925071-pct00003
예3: 탈척 조건의 비교
패드 구조물 1을 MWR66 고정형 연마제와 12pcf Voltek 발포체를 사용하여 검사하였다. 연마는 보다 유연한 탈척 조건에서 이루어졌다. 연마 공정 조건은, CPS-11 연마를 위한 연마 시간이 65초이고 CPS-12 연마 시간은 100초에 추가로 오버 연마 5초가 더해진 것을 제외하고는, 예1A-1D의 것과 동일하였다.
이 웨이퍼에 대한 웨이퍼 박리 등급은 3.5였다. 예1A의 웨이퍼에 비해, 탈척 조건의 엄밀한 정도를 저하시킴으로써 웨이퍼 박리가 개선되었다.

Claims (16)

  1. 고정형 연마 요소와,
    탄성 요소를 포함하는 서브패드를 포함하고,
    상기 고정형 연마 요소는 상기 서브패드와 동일한 외연을 갖고(co-extensive), 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 60이하의 쇼어 A 경도를 갖고,
    상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층을 포함하고, 상기 고정형 연마층의 영률은 300㎫ 미만인, 연마 용품.
  2. 고정형 연마 요소와,
    탄성 요소를 포함하는 서브패드를 포함하고,
    상기 고정형 연마 요소는 상기 서브패드와 동일한 외연을 갖고, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 30이하의 쇼어 A 경도를 갖는 연마 용품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 20이하의 쇼어 A 경도를 갖는 연마 용품.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 10이하의 쇼어 A 경도를 갖는 연마 용품.
  5. 제2항에 있어서, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 4이하의 쇼어 A 경도를 갖는 연마 용품.
  6. 고정형 연마 요소와,
    탄성 요소를 포함하는 서브패드를 포함하고,
    상기 고정형 연마 요소는 상기 서브패드와 동일한 외연을 갖고, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 1을 초과하는 쇼어 A 경도를 갖고,
    상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층을 포함하고, 상기 고정형 연마층의 영률은 300㎫ 미만인, 연마 용품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탄성 요소는 ASTM-2240을 사용하여 측정했을 때 2를 초과하는 쇼어 A 경도를 갖는 연마 용품.
  8. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서브패드는 고정형 연마 요소와 탄성 요소 사이에 강성 요소를 포함하는 연마 용품.
  9. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층과 지지층을 포함하고, 지지층은 고정형 연마층과 탄성 요소 사이에 있는 연마 용품.
  10. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 요소와 서브패드 사이에 감압 접착층을 더 포함하는 연마 용품.
  11. 제8항에 있어서, 상기 강성 요소와 탄성 요소 사이에 감압 접착층을 더 포함하는 연마 용품.
  12. 제2항에 있어서, 상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층을 포함하고, 상기 고정형 연마층의 영률은 300㎫ 미만인 연마 용품.
  13. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층을 포함하고, 상기 고정형 연마층의 영률은 75㎫ 미만인 연마 용품.
  14. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정형 연마 요소는 고정형 연마층을 포함하고, 상기 고정형 연마층의 영률은 35㎫ 미만인 연마 용품.
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