KR101165114B1 - 향상된 화학 기계적 평탄화 작업용 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서에서는 연마 패드로서, 일 측면상에 다공성 슬러리 배출층이 부착되고 반대 측면상에 압축성 하부층이 부착되어 있는 안내 플레이트; 및 서로와 관련하여 그리고 안내 플레이트와 관련하여 평면 배향으로 유지되기 위하여, 슬러리 배출층 및 안내 플레이트를 통하여 서로 맞물린 복수의 연마 요소를 포함하며, 상기 연마 요소 각각은 상기 압축성 하부층에 부착되며 상기 슬러리 배출층이 인접하는 안내 플레이트의 상부로 돌출하는, 연마 패드가 개시된다. 선택적으로 안내 플레이트와 슬러리 배출층 사이에 맴브레인이 배치될 수 있다. 연마 패드는 또한 패드 마모 및 수명의 측정을 보조하기 위한 마모 센서를 포함할 수 있다.
연마 패드, 마모, CMP 프로세스

Description

향상된 화학 기계적 평탄화 작업용 장치 및 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVED CHEMICAL MECHANICAL PLANARIZATION}
본원발명은 2004년 10월 6일에 가출원된 미국 가출원 US 60/616,944 호 및 2004년 12월 27일에 가출원된 미국 가출원 US 60/639,257호를 우선권으로 하며, 상기 두 개의 출원의 내용은 본원명세서에 참조된다.
본원발명은 화학 기계적 평탄화(CMP) 분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 CMP 프로세스에 사용되는 CMP 연마 패드의 구조적 물질적 특징에 관한 것이다.
근래의 집적 회로(IC) 제조에 있어서, 반도체 웨이퍼 상에 미리 형성된 내장 구조에 재료층이 도포된다. 화학 기계적 평탄화(CMP) 공정은 원하는 구조를 얻기 위하여 웨이퍼의 표면을 평평하게 연마하고 이러한 층을 제거하도록 사용되는 연마 공정이다. CMP는 산화물 및 금속 모두에 대해 실행될 수 있으며, 대체로 웨이퍼에 대하여 이동하는 연마 패드(예를 들어 연마 패드는 웨이퍼에 대하여 순환식으로 회전한다)를 통해 적용되는 화학적 슬러리(chemical slurries)의 사용을 수반한다. 이에 따른 부드럽고 평평한 표면은 후속 단계에 대한 사진 석판술의 초점 깊이(photolithographic depth of focus)를 유지하고 금속 연결부가 윤곽 단계(contour step)에 걸쳐 변형되지 않도록 하기 위하여 필요하다. 다마신 공 정(damascene processing)은 연결 구조를 형성하도록 절연체의 상부 표면으로부터 텅스텐이나 구리와 같은 금속을 제거하기 위하여 CMP 공정을 요구한다.
패드/슬러리 조합의 평탄화/연마 성능은 연마 패드의 기계적 특성과 슬러리의 화학적 특성 및 분포에 의해 영향을 받는다. 때때로 연마 패드는 다공성일 수 있으며/있거나 슬러리를 배출시키기 위한 홈을 포함한다. 그러나 이는 연마 패드의 전체 강도를 감소시켜서 더욱 유연하게 만들고, 이로써 그 평탄화 특성을 감소시키게 된다. 예를 들어, 도 1A는 웨이퍼(100)에 유연한 연마 패드를 적용시킨 결과에 따른 "디싱(dishing)" 을 보여주고 있다. 유연한 연마 패드는 부드러운 표면을 제공하기는 하나, 기판(102)의 표면상에 있는, 구리층(104)과 같은 부드러운 요소를 과연마(over polishing)함으로써 디싱(106)을 형성하게 된다. 디싱은 바람직하지 않은 금속 두께의 감소를 초래하여 장치의 성능이 나빠지게 되는 결과를 가져온다.
디싱은 보다 큰 평탄화를 제공할 수 있는 단단한(stiffer) 연마 패드를 사용함으로써 감소 또는 제거될 수 있다. 패드는 패드 내의 홈 및/또는 기공의 개수를 감소시킴으로써 단단하게 제조될 수 있으나, 이는 상이한 결과, 예를 들면 불충분한 슬러리 배출과 같은 결과를 초래할 수 있다. 궁극적인 효과로서, 상대적으로 단단한 연마 패드를 웨이퍼(100)에 적용시킴으로써 초래되는 표면 결함(108)을 도시하는 도 1B 에 도시된 바와 같이, (예를 들어 표면/층을 움푹 파이게 하고/하거나 긁음으로써) 구리층(104) 및/또는 기판(102) 상의 표면 결함(108)의 개수가 증가하게 된다.
유연하건 유연하지 않건 간에, 연마 패드는 통상적으로 극미-다공성 부재(micro-porous element)가 채워진 주형 형태(cast form)로 또는 폴리우레탄이 코팅된 비-직조 펠트(non-woven felt)로부터, 우레탄으로 제조된다. 연마과정 동안에 패드 표면은 연마력으로 인하여 변형을 하게 된다. 따라서 연마 표면은 컨디셔닝(conditioning) 과정을 통해 "재생(regenerate)"되어야 한다. 컨디셔닝 과정은, 패드가 연마과정 동안에와 마찬가지로 회전하고 있는 동안, 다이아몬드가 코팅된 미세한 디스크를 패드 표면에 대해 압착하는 과정을 수반한다. 컨디셔닝 디스크의 다이아몬드는 연마 패드의 상부 층을 잘라서 제거하여, 그 하부에 있는 새로운 연마 패드 표면을 노출시킨다.
이러한 개념이 도 2A 내지 도 2C에 도시되어 있다. 특히, 도 2A 는 종래의 사용 전의 연마 패드(110)의 측단면도를 도시한다. 연마 패드(110)는 Rhom & Haas, Inc. 의 IC1000 과 같은 시판되는 연마 패드에서와 마찬가지로 미세부재(microelement)114), 및 홈(116)을 포함한다. 도 2B 는 연마과정 이후의 연마 패드(110)의 표면(112)을 도시한다. 특히 벌크 우레탄 소재의 점성 또는 소성 유동으로 인해 에지가 손상되는 미세부재(114)의 주변에서, 패드의 상부 표면에는 손상부(118)가 나타난다. 도 2C는 컨디셔닝 과정이 완료된 이후의 연마 패드의 표면(112)을 도시한다. 컨디셔닝 과정 동안 소재가 제거됨으로 인하여 홈(116)의 깊이는 도 2A에 도시된 사용 전의 패드에서보다 낮아졌음을 알 수 있다.
연마와 컨디셔닝의 다수 사이클을 통해서, 패드의 전체 두께는 패드를 교체해야 할 정도로 마모되는 것이 일반적이다. 패드의 마모율은 패드에 따라 다르고 각각의 패드 묶음(batch)에 따라서도 다를 수 있다는 것이 본 기술분야의 숙련자들에게 명백하다. 현재로서는 패드 마모, 따라서 패드의 수명을 결정하기 위한 정량적인 방법이 없다. 대신, 통상적으로 패드의 수명은 잔존하는 홈 깊이를 검사하는 패드의 시각 검사(visual inspection)에 기초한다. 홈이 없는 패드의 경우에, 패드 수명의 결정은 패드가 처음으로 사용된 이후 소요된 시간이나 연마된 웨이퍼의 개수에 기초한다. 이러한 측정 방법은 특별히 정확하지 못하므로, "패드의 수명"을 결정하기 위한 안정되고 정량적인 수단이 실행되는 것이 바람직하다. 즉, 패드 표면의 유한한 마모에 기초한 방법이 패드 교체를 위한 안정된 기초를 확립하는 데 있어 유용할 것이다.
본원발명의 실시예에 따라 형성된 연마 패드는 일측면 상에 슬러리 배출 층 및 다른 측면 상에 압축성 하부층이 부착된 안내 플레이트를 포함한다. 안내 플레이트 및 서로에 대해 평면 배향으로 유지되도록, 안내 플레이트 및 슬러리 배출 층을 통해 서로 맞물려 있는 다수의 연마 요소가 슬러리 배출 층이 인접하는 안내 플레이트의 표면 위로 각각의 연마 요소가 돌출하여 압축성 하부층에 부착된다. 선택적으로, 안내 플레이트와 슬러리 배출 층 사이에 위치하는 맴브레인이 포함될 수 있다. 이러한 맴브레인은 전도성이거나 비전도성 맴브레인일 수 있으며, 접착제에 의하여 안내 플레이트에 결합될 수 있다. 몇몇 경우에는 상기 맴브레인이 이온 교환 맴브레인일 수 있다.
연마 패드의 안내 플레이트는 비 전도성 소재로 제조되며 각각의 연마 부재가 수용되는 구멍을 포함할 수 있다. 연마 부재 중 일부는 원형 횡단면을 가질 수 있는 반면, 다른 것들은 삼각형 횡단면이나 다른 형상을 가질 수 있다. 어떠한 경우에도, 연마 부재는 열 전도성 소재, 전기 전도성 소재, 또는 비 전도성 소재 중 하나 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 연마 부재는 전도성 폴리머 폴리아닐린(polyaniline), 탄소, 그래파이트, 또는 금속-충진된(metal-filled) 폴리머로 제조될 수 있다. 연마 부재 중 하나 또는 다수는 웨이퍼 표면과 활주 접촉을 이루도록 형성될 수 있는 반면, 다른 것들은 (예를 들어, 중합체, 산화 금속, 또는 전기 전도 소재로 제조된 롤링 팁(rolling tip)을 구비하여) 웨이퍼 표면과 구름 접촉(rolling contact)을 이루도록 형성될 수 있다.
슬러리 배출 부재(slurry distribution material, 예를 들어 배출층의 일 형태일 수 있음)는 다수의 슬러리 유동 저항 요소(예를 들어 기공(pore))를 포함할 수 있으며, 10 내지 90 %의 다공성을 가질 수 있다. 반드시는 아니지만 바람직하게는, 슬러리 배출 부재가 접착제에 의하여 안내 플레이트에 결합된다. 몇몇 경우에 슬러리 배출 부재는 서로 다른 재료의 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 슬러리 배출 부재는 상대적으로 큰 기공을 갖는 표면층과 상대적으로 작은 기공을 갖는 하부층을 포함할 수 있다. 슬러리 배출 부재 및 안내 플레이트의 기능이 단일한 소재에 의해 수행되는 것도 고려해볼 수 있다. 이러한 소재는 표면을 가로지르는 슬러리 유동을 조정하기 위하여 배플(baffle)이나 개방된 기공 폼 표면(open pore foam surface) 또는 홈을 갖는 안내 플레이트일 수 있다.
연마 패드는 또한 패드 마모 및/또는 수명을 지시하도록 형성되는 마모 센서를 포함할 수 있다.
도 1A는 CMP 작업 동안에 상대적으로 유연한 종래의 연마 패드를 사용함으로써 야기되는 디싱의 예를 도시한다.
도 1B는 CMP 작업 동안에 상대적으로 단단한 연마 패드를 사용함에 따른 웨이퍼/층의 움푹 파임이나 긁힘의 예를 도시한다.
도 2A-2C는 종래 연마 패드에 의해 나타나는 패드 마모의 개념을 도시한다.
도 3A는 CMP 과정에 사용하기 위해 본원발명의 실시예에 따라 형성된 원형 연마 패드의 측단면도를 도시한다.
도 3B는 도 2A에 도시된 연마 패드와 유사하지만 본원발명의 다른 실시예에 따라 압축성 하부층을 포함하는 연마 패드를 도시한다.
도 4는 본원발명의 또 다른 실시예에 따라, 슬러리가 관통하여 유동할 수 있는 서로 맞물린 형태의 연마 요소를 갖는 연마 패드의 평면도를 도시한다.
도 5A는 패드(304) 내에 내장된 광학 센서(302)의 측단면 형상 도면을 도시한다.
도 5B-5E는 본원발명의 실시예에 따라 형성된 연마 패드와 함께 사용되는 다양한 광학 센서 구성을 도시한다.
도 6A는 본원발명의 실시예에 따른 새 패드 표면의 하부에 위치하는 전기화학적 센서를 도시한다.
도 6B는 패드의 마모로 인해 노출된, 도 6A의 전기화학적 센서를 도시한다.
도 7A는 본원발명의 또 다른 실시예에 따라 연마 패드의 표면 아래에 내장된 전도성 플레이트의 예를 도시한다.
도 7B는 본원발명의 실시예에 따라 패드 마모를 측정하는 것을 보조하기 위하여 도 7A에 도시된 패드의 상부 표면에 고정된 와전류 센서(eddy current sensor)를 구비하는 구성을 도시한다.
이하에서는 반도체 웨이퍼 및 이러한 웨이퍼 상의 금속 다마신 구조체를 포함하여 그 위에 층을 이룬 구조체를 연마하기 위한 향상된 CMP 연마 패드 및 프로세스에 대해 설명한다. 본원 발명에서는 CMP 프로세스의 품질에 대한 연마 패드의 물리적 특성의 영향을 고려한다. 특히, 슬러리 배출이 감소된 단단한 패드가 더 많은 표면 결함을 발생시키는데 반하여 더 유연한 연마 패드는 디싱을 형성한다는 것이 알려져 있다. 비록 본 명세서에는 (예를 들어, 기하학적 범위, 비율, 및 소재에 대한 구체적인 예와 함께) 다양한 연마 패드 구성 및 연마 프로세스가 예시되어 있기는 하나, 본원발명은 다른 타입의 연마 패드 제조 물질 및 증착물 제거 기술을 포함하도록 동일하게 적용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 달리 말하자면, 이러한 다른 물질 및 기술을 사용하는 것은 본 상세한 설명에 뒤따르는 청구범위에서 기술하는 바와 같은 본원 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.
다양한 연마 패드 구성에 덧붙여, 본원발명은 서브 마이크론(sub-micron) 입자를 포함하는 연마 유체와 함께 가공된 멀티스택(multistack) 폴리머 패드에 대해 웨이퍼를 압착하는 과정 및 압력하에서 연마 패드에 대해 웨이퍼를 이동시킴으로써 상기 이동하는 압력하의 접촉으로 인해 상기 웨이퍼 평면의 평면상의 제거가 이루어지도록 하는 과정을 수반한다. 본원발명의 실시예에 따라 형성된 연마 패드는 다음과 같은 다양한 요소: 연마 유체 배출층, 연마 접촉부 또는 요소, 안내 플레이트, 및 선택적 탄성의 유연한(즉, 압축성의) 하부층을 포함한다. 몇몇 경우에, 다양한 패드 요소가 폴리머로 이루어지며, 연마 요소는 (ORMECOMTM 의 상표로 구입할 수 있는) PaniTM 으로 알려진 전도성 폴리머 폴리아닐린, 탄소, 그래파이트, 또는 금속 충진된 폴리머와 같은 전기 전도성 물질로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서는, 연마 요소가 탄소, 그래파이트, 또는 금속 충진된 폴리머와 같은 열 전도성 물질로 제조될 수 있다. 슬러리 배출 부재는 개방된 셀 폼(open cell foam)일 수 있으며, 압축성 하부층은 밀폐된 셀 폼(closed cell foam)일 수 있다. 슬러리 배출 기능은 안내 플레이트 상에 홈을 제공하거나 슬러리 유동이 조정되도록 배플을 형성함으로써 달성될 수도 있다.
패드를 사용할 때(즉, 패드가 웨이퍼 표면에 대해 이동할 때), 연마 요소는 웨이퍼의 표면과 구름 접촉 또는 활주 접촉을 할 수 있다. 구름 접촉의 경우에, 하나 또는 다수의 연마 요소가 원통형 몸체 및 롤링 팁(rolling tip)을 구비할 수 있다. 롤링 팁은 폴리머, 산화 금속 또는 전기 전도 물질과 같은 다양한 소재로 제조될 수 있다. 롤링 팁 연마 요소는 활주 접촉 연마 요소와 동일한 방식으로 연마 부재에 결합된다.
본 명세서에 기술된 연마 패드는 CMP 프로세스와 관련된 다양한 프로세싱 단계에서 사용될 수 있다. 이는 다양한 특성의 슬러리와 다수의 연마 패드가 연속해서 사용되는 다단계 프로세스에서의 활용과 하나의 연마 패드와 하나 또는 다수의 슬러리가 전체 연마 단계를 통해 사용되는 일 단계의 프로세스를 포함한다.
본원발명의 몇몇 실시예에서, 연마 패드는 패드 연마 표면의 마모 또는 간단히 "패드의 수명(end of pad life)"을 정량적으로 측정할 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, "패드 수명" 센서 또는 보다 일반적으로 "검출 센서"가 상부 표면으로부터(즉, 연마 요소의 팁으로부터 측정될 때) 소정의 깊이에서 패드 내에 내장될 수 있다. 센서가 배치된 또는 작동하는 미리 설정된 두께까지 패드가 마모됨에 따라, 센서는 마모를 검측하여 연마 시스템에 입력 신호를 제공한다.
수명 센서는 반사 코팅으로 덮힌 상부 표면을 갖는, 광학적으로 투명한 원통형 플러그로 구성될 수 있다. 플러그는 플러그의 반사 단부가 소정 높이만큼 패드의 상부 표면 아래에 위치되도록 패드 내에 내장될 수 있다. 광원 및 검출기가 광학적으로 투명한 창을 통해 연마 장치의 플래튼(platen) 내에 배치된다. 광 빔이 새로운 패드의 플러그에 투사될 때, 반사 표면은 광을 반사시켜서 패드가 아직 가용 수명 내에 있음을 지시한다. 그러나 패드가 소정 수준으로 마모되고 플러그의 상부가 노출된 패드 표면과 대략 동일한 수준이 되면, 반사 표면은 마모되어 벗겨져서 광이 패드를 통해 투과될 것이다. 따라서, 이에 따른 반사된 광 신호의 강도 변화는 패드의 마모를 보여주는 피드백 신호를 제공한다. 이러한 변화는 "패드 수명"을 측정하기 위해 사용될 수 있다(예를 들어, 반사 신호의 강도가 미리 설정된 한계치 이하가 됨으로써 수명이 지시될 수 있다).
검출 하드웨어가 패드(및 플래튼) 아래에, 또는 패드 위에 놓일 수 있으며, 광학 삽입물이 반사된 광 신호를 검출하고 분석하기 위해 적당하게 변경될 수 있다. 남은 패드 수명의 백분율을 측정하기 위하여 하나 또는 다수의 이러한 플러그가 사용될 수 있다. 예를 들어, 패드 수명의 25%, 50%, 75%, 및 100% (또는 다른 증가량으로)에 상응하는 서로 다른 플러그가 서로 다른 깊이로 내장될 수 있다. 이러한 방식으로 하여 패드 마모 정보가 제공될 수 있다.
본원발명의 다른 실시예에서는, 패드를 사용하는 동안 노출된 플러그 개구부의 크기가 패드 마모 및 이에 따른 패드 수명의 백분율에 대한 정보를 제공하도록, 단일한 원뿔형 플러그가 패드 표면과 동일한 높이로 장착될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 플러그가 다단(multi-step)의 표면을 가질 수 있는데, 이러한 표면은 패드가 마모됨에 따라 정도를 달리하여 노출된다. 단(step)의 높이는 패드 마모의 백분율에 관한 정보를 제공하도록 조정될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에서는, 패드 수명 센서 플러그가 반사도의 순서로 배치되는 가변 투과도를 갖는 스크린을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부층은 100%의 반사도(예를 들어, 상기 플러그에 대한 완전 반사)를 갖으며 새 패드 표면과 동일한 높이로(또는 거의 동일하게) 배치될 수 있다. 25%의 플러그 깊이에, 이를 테면, 75%의 반사도를 갖는 스크린이 내장될 수 있으며, 마찬가지로, 50%의 플러그 깊이에 50% 반사도의 스크린이 내장될 수 있으며, 75%의 플러그 깊이에는 25% 반사도의 스크린이 내장될 수 있다. 물론 이와 같은 상대적 깊이 및 반사도 백분율은 설계자의 특별한 필요에 따라 유사한 기능을 달성하도록 변경될 수 있다.
이러한 플러그/스크린 구성의 초기에, 투사된 빔은 완전히 반사될 것이며 패 드 수명은 100% (즉 새 패드)로 측정될 것이다. 패드가 마모됨에 따라, 상부 반사층이 제거되어 75% (및 그 이하) 반사도 스크린이 사용된다. 이러한 각각의 스크린이 노출됨에 따라 (그리고 계속된 마모로 계속해서 제거됨에 따라), 잔존 패드 수명이 반사된 신호의 강도에 따라 측정될 수 있다. 따라서 단일한 요소가 패드 수명을 측정하고 모니터링하기 위해 사용될 수 있다.
본원발명의 다양한 실시예에서, 센서는 새것일 경우의 패드의 상부 표면으로 소정 깊이 또는 깊이들에서 패드 내에 내장되는 2개 또는 그보다 많은 프로브(probe)를 포함하는 전기 화학적 센서일 수 있다. 패드가 마모되어 프로브를 노출시킴에 따라, 슬러리가 프로브들 사이의 전기적 연결을 제공하며, 이로써 형성되는 전기 신호 경로는 패드 마모 및 결과적으로 패드의 수명을 검출하도록 검출기에 신호를 전송하거나 보내기 위해 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 센서가, 새것일 경우의 패드 표면 아래에 소정 깊이로 내장된 전도성 플레이트일 수 있다. 외부 용량성(capacitive) 또는 와전류 센서가 전도성 플레이트로부터의 거리, 따라서 패드 두께 또는 패드 마모를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 본원발명의 이상의 실시예 및 여타 실시예들이 이하에서 더욱 상세히 설명된다.
도 3A를 참조하면, CMP 프로세스에 사용되며 본원발명의 일 실시예에 따라 형성된 원형 연마 패드(200)의 측단면도가 도시되어 있다. 사용시, 연마 패드(200)는 연마되는 웨이퍼 표면에 대해 회전하며, 연마 패드의 표면은 웨이퍼 접촉 표면(202)에서 웨이퍼와 (통상적으로 압력 하에서) 접촉한다. 슬러리 방출 부재(204)는 연마 요소(206) 사이의 슬러리 통로 내에서의 유동 제어를 제공한다.
연마 패드의 기부(foundation)는 안내 플레이트(208)인데, 이는 연마 요소(206)의 측면 지지를 제공하며, 폴리머 또는 폴리카보네이트(polycarbonate) 소재와 같은 비 전도성 소재로 제조된다. 본원발명의 일 실시예에서는, 안내 플레이트(208)가 연마 요소(206) 각각을 수용하기 위하여 안내 플레이트(208)로부터 구멍 뚫려 나간 또는 그 안에 조립된 구멍을 포함한다. 연마 요소(206)는 안내 플레이트(208)(연마 요소가 이를 관통한다)가 아닌 표면에 고정될 수 있으며; 양면 테이프나 에폭시와 같은 접착제에 의해 제 위치에 유지된다. 예를 들어, 연마 요소(206)는 유연한 하부층(이하에서 설명됨)이나 하우징(역시 후술됨)에 부착될 수 있으나, 그 길이 축에 있어서는 안내 플레이트(208)의 구멍을 통하여 수직 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 연마 요소는 연마 요소와 관통하는 안내 플레이트 구멍의 지름보다 더 큰 기부 지름을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, "b"가 "a"보다는 약간 크지만 연마 요소의 기부의 지름 "c"보다는 작도록, 연마 요소의 몸체가 지름 "a"를 갖고 안내 플레이트의 구멍이 지름 "b"를 가질 수 있다. 본질적으로 연마 요소는 평평한 플레이트의 상부 상의 원통 형상과 유사할 것이다. 다양한 실시예에서, 안내 플레이트(208)를 관통하는 구멍의 깊이 및 간격은 구체적인 CMP 프로세스에 맞춰진 최적화된 구성에 따라 변할 수 있다. 연마 요소는 각각 서로에 대해 그리고 안내 플레이트에 대해 평면 배향으로 유지된다.
도 3A에 도시된 바와 같이, 연마 요소(206)는 안내 플레이트의 표면 위로 돌출한다. 이는 서로 맞물린 연마 요소(206) 및 안내 플레이트(208) 사이에 슬러리 배출을 위한 공간(volume)을 제공한다. 연마 요소는 (예를 들어, 원형 및/또는 삼각형 횡단면과 같이) 변화하는 기하 형태일 수 있으며 열적 또는 전기적 전도성 및 비 전도성 소재 중 하나 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 연마 요소(206)는 전도성 폴리머, PaniTM (상표 ORMECOMTM)으로 상업적으로 알려진 폴리 아닐린, 탄소, 그래파이트 또는 금속 충진된 폴리머와 같은 전기적 또는 열적 전도성 소재로 제조될 수 있다. 연마 요소(206)는 웨이퍼와 활주 접촉을 하는 종래의 연마 요소일 수 있거나 각 요소의 일부가 구름 접촉을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 요소(206) 각각 또는 일부는 볼펜의 팁과 유사하게, 원통형 몸체 및 롤링 팁을 가질 수 있다. 롤링 팁은 폴리머, 산화 금속 또는 전기 전도성 소재일 수 있다.
다양한 실시예에서, 연마 요소(206)는 2.5mm 또는 그 이하만큼 슬러리 배출 부재 위로 돌출할 수도 있다. 그러나 이러한 값은 연마 요소(206)의 소재 특성 및 표면 위로의 원하는 슬러리 유동에 따라 2.5mm 보다 클 수도 있다는 것을 알 수 있다.
본원발명의 일 실시예에서는, 서로 맞물린 연마 요소(206) 사이의 공간이 적어도 부분적으로는 슬러리 배출 부재(204)로 채워질 수 있다. 슬러리 배출 부재(204)는 CMP 프로세스 동안의 슬러리 유동율을 조정하기 위하여 기공 또는 배플이나 홈(도시되지 않음)과 같은 유동 저항 요소를 포함할 수 있다. 변화된 실시예에서는, 다공성 슬러리 배출 부재(204)가 10 내지 90%의 다공성(porosity)을 가지며 안내 플레이트(208) 상에 놓여질 수 있다. 슬러리 배출 부재(204)는 양면 테이프와 같은 접착제에 의하여 안내 플레이트(208)에 결합될 수 있다. 부가적으로, 슬러리 배출 부재(204)는 슬러리 배출 부재(204)의 (연마 표면으로부터의) 다양한 깊이에서 원하는 슬러리 유동율을 달성하기 위하여 서로 다른 소재의 다양한 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 연마 표면에 있는 표면층은, 하부층이 슬러리 유동의 조정을 보조하기 위해 표면층 근처에 슬러리를 더 유지하도록 작은 기공을 갖는데 반하여, 표면상의 슬러리 유동의 양 및 속도를 증가시키기 위하여 더 큰 기공을 가질 수 있다.
연마 패드(200)는 또한 안내 플레이트(208)의 표면상에 배치되어 안내 플레이트(208)와 슬러리 배출 부재(204) 사이에 그리고 안내 플레이트(208)로 연장하는 연마 요소(206)의 각 부분과 서로 맞물린 공간 사이에 배리어(barrier)를 형성하는 맴브레인(210)을 포함할 수도 있다. 다른 경우에, 맴브레인은 안내 플레이트(208) 하부에 위치할 수도 있다. 맴브레인(210)은 전도성 또는 비 전도성 맴브레인일 수 있으며 양면 테이프나 에폭시와 같은 접착제에 의하여 안내 플레이트(208)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 맴브레인(210)은 전하는 통과시키나 액체는 통과시키기 않는 이온 교환 맴브레인일 수 있다.
연마 패드(200)는 또한 안내 플레이트(208), 맴브레인(210), 연마 요소(206), 및 슬러리 배출 부재(204)를 적어도 부분적으로는 주변에서 하우징(212) 내에 보유하도록 형성된 하우징(212)을 포함할 수도 있다. 하우징(212)은 연마 작업 동안에 연마 패드(200)를 회전시키거나 다루기 위한 수단에 인터페이스를 제공하는 것에 추가하여 연마 패드(200)에 부가적인 안정성을 제공할 수 있다. 하우징(212)은 폴리머, 금속 등과 같이 단단한 소재라면 어떤 것으로도 제조될 수 있으며, 양면 테이프나 에폭시와 같은 접착제에 의하여 안내 플레이트(208)에 결합될 수 있다.
연마 패드(200)의 두께(214)(T)는 사용과정 동안에 연마 패드의 강성 및 물리적 특성에 영향을 준다. 일 실시예에서는, 상기 두께가 25mm 일 수 있으나, 이러한 값은 연마 패드(200)를 구성하는데 사용되는 소재 및 실행될 CMP 프로세스의 형태에 따라 3 내지 10mm 사이에서 변할 수 있다.
도 3B를 참조하며, 연마 패드(200A)가 도시되어 있다. 연마 패드(200A)는 구성에 있어서는 도 2A를 참조하여 설명한 연마 패드(200)와 유사하나 압축성 하부층(216)을 포함하고 있다는 차이가 있다. 압축성 하부층(216)은 여러 가지 특징들 중에서 압착될 때 연마 표면을 향하는 정압(positive pressure)을 제공한다. 통상적으로, 압착은 5psi(제곱 인치당 파운드)에서 대략 10%일 수 있으나, 압착은 연마 패드(200)를 구성하는데 사용되는 소재 및 실행될 CMP 프로세스의 형태에 따라 변할 수 있다는 것을 알 수 있다. 압축성 하부층(216)은 RBX Industries, Inc. 에서 제조된 BONDTEXTM 으로 형성될 수 있다. 변화된 실시예에서, 압축성 하부층(216)은 하우징(212) 내에, 또는 하우징(212) 외부에 포함되거나, 또는 하우징(212) 대신에 사용될 수 있다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따라 구성된, 연마 패드(300)의 평면도를 도시한다. 연마 요소(206)는 연마 패드 전체에 걸쳐 서로 맞물려 있다. 슬러리 배 출 부재(204)는 안내 플레이트(도시되지 않음)로부터 돌출하는 연마 요소(206)에 의해 형성되고 하우징(212)에 의해 둘러싸인 공간 전체에 걸쳐 퍼져있다. 상기 공간이 슬러리 통로(302)를 제공하는 반면, 슬러리 배출 부재(204)는 도 3A를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이 공간 전체에 걸쳐 슬러리 유동을 제어하기 위한 메커니즘을 제공한다.
연마 요소(206)의 배치는 구체적인 CMP 프로세스 및 슬러리 배출 특성에 따라 변할 수 있다. 변형된 실시예에서는, 각각의 연마 요소(206)의 지름(304)(D) 및 연마 패드(300)의 지름에 의해 결정될 때, 연마 요소(206)가 연마 패드 전체 표면적의 30 내지 80%의 밀도를 가질 수 있다. 일 실시예에서는, 지름(304)이 50마이크로미터 이상이다. 다른 실시예에서는, 지름이 50마이크로미터 내지 30mm 사이에서 변할 수 있다. 연마 요소의 통상적인 지름은 3-10mm이다.
상술한 바와 같이, 본원발명의 실시예에 따라 구성된 몇몇 연마 패드는 패드 수명(예를 들어 수명의 종료를 가리키는 패드 마모)의 일부 또는 완전한 종료를 측정하기 위하여 센서를 구비한다. 광학계, 전기화학계, 또는 전류계 센서가 이러한 수명/마모를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 센서는 패드 상부 표면 아래에 있는 하나 또는 다수의 소정 깊이에서 패드 내에 합체된다. 센서는, 패드 마모에 의해 노출될 때, 광학 신호의 전달이 이루어지게 하거나, 전기화학적 센서의 경우에, 폐쇄 회로로 전기 전도가 이루어지도록 하여, 이러한 신호가 센서로부터 하나 또는 다수의 검출기로 전달되도록 한다. 와전류 또는 용량성 센서의 경우에, 전도성 플레이트가 패드의 상부 표면 아래에 내장될 수 있으며, 검출기는 패드의 상부 또는 하부에 배치된다. 따라서 센서와 플레이트 사이의 패드 두께는 검출기가 감지하는 신호의 강도에 영향을 주며 패드 수명의 일부 또는 완전한 종료를 측정하기 위하여 사용된다.
도 5A는 패드(304) 내에 내장되는 광학 센서(302)의 측단면도를 도시한다. 광학 센서(306)의 상부 표면은 상부 표면의 하부에 있는 동안 투사된 빔(308)이 다시 반사(310)되도록 반사성을 갖는다. 이러한 센서는 연마 패드가 패드 연마 표면의 마모 또는 간단히 "패드 수명"을 정량적으로 측정할 수 있도록 구성되는 본원발명의 몇몇 실시예에 유용하다. 예를 들어, 광학 센서(302)는 패드의 상부 표면으로부터의(즉, 연마 요소의 팁으로부터 측정될 때) 소정 깊이에서 연마 패드(304) 내에 내장되는 "수명" 센서 또는 보다 일반적으로 "검침 센서"로서 작용할 수 있다. 센서가 배치되거나 작동되는 소정 두께까지 패드가 마모될 때, 센서는 마모를 검지하여 연마 시스템에 입력 신호를 제공한다.
센서(302)는 반사성 코팅으로 덮힌 상부 표면을 갖는, 광학적으로 투명한 원통형 플러그이다. 플러그는 플러그의 반사 단부가 소정 높이만큼 패드의 상부 표면 아래에 위치되도록 패드(304) 내에 내장될 수 있다. 광원 및 검출기가 광학적으로 투명한 창을 통해 연마 장치의 플래튼(platen) 내에 배치된다. 광 빔이 새로운 패드의 플러그에 투사될 때, 반사 표면은 광을 반사시켜서 패드가 아직 가용 수명 내에 있음을 지시한다. 그러나 패드가 소정 수준으로 마모되고 플러그의 상부가 노출된 패드 표면과 대략 동일한 수준이 되면, 반사 표면은 마모되어 벗겨져서 광이 패드를 통해 투과될 것이다. 따라서, 이에 따른 반사된 광 신호의 강도 변화는 패드의 마모를 보여주는 피드백 신호를 제공한다. 이러한 변화는 "패드 수명"을 측정하기 위해 사용될 수 있다(예를 들어, 반사 신호의 강도가 미리 설정된 한계치 이하가 됨으로써 수명이 지시될 수 있다).
검출 하드웨어가 패드(및 플래튼) 아래에, 또는 패드 위에 놓일 수 있으며, 광학 삽입물이 반사된 광 신호를 검출하고 분석하기 위해 적당하게 변경될 수 있는 것은 명백하다. 남은 패드 수명의 백분율을 측정하기 위하여 하나 또는 다수의 이러한 플러그가 사용될 수 있다. 예를 들어, 패드 수명의 25%, 50%, 75%, 및 100% (또는 다른 증가량으로)에 상응하는 서로 다른 플러그가 서로 다른 깊이로 내장될 수 있다. 이러한 방식으로 하여 패드 마모 정보가 제공될 수 있다.
본원발명의 다른 실시예에서는, 패드를 사용하는 동안 노출된 플러그 개구부의 크기가 패드 마모 및 이에 따른 패드 수명의 백분율에 대한 정보를 제공하도록, 단일한 원뿔형 플러그가 패드 표면과 동일한 높이로 장착될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 플러그가 다단(multi-step)의 표면을 가질 수 있는데, 이러한 표면은 패드가 마모됨에 따라 정도를 달리하여 노출된다. 단(step)의 높이는 패드 마모의 백분율에 관한 정보를 제공하도록 조정될 수 있다.
본원발명의 또 다른 실시예에서는, 패드 수명 센서 플러그가 반사도의 순서로 배치되는 가변 투과도를 갖는 스크린을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부층은 100%의 반사도(예를 들어, 상기 플러그에 대한 완전 반사)를 갖으며 새 패드 표면과 동일한 높이로(또는 거의 동일하게) 배치될 수 있다. 25%의 플러그 깊이에, 이를 테면, 75%의 반사도를 갖는 스크린이 내장될 수 있으며, 마찬가지로, 50%의 플 러그 깊이에 50% 반사도의 스크린이 내장될 수 있으며, 75%의 플러그 깊이에는 25% 반사도의 스크린이 내장될 수 있다. 물론 이와 같은 상대적 깊이 및 반사도 백분율은 설계자의 특별한 필요에 따라 유사한 기능을 달성하도록 변경될 수 있다.
도 5B-5E는 본원발명의 실시예에 따라 연마 패드(304)와 함께 사용되는, 상술한 다양한 광학 센서 구성의 예들을 도시한다. 물론 다른 구성의 광학 센서가 사용될 수도 있다. 특히, 도 5B는 반사 표면(306')을 구비하는 다단(multi-step) 광학 센서(312)를 도시하며, 도 5C는 다수의 반사 표면(306")을 구비하는 단일한 센서(314)를 도시하며, 도 5D는 단일한 센서에 반사 표면을 합체시키기 위한 다른 수단을 도시한다. 이러한 경우에 반사 표면(306"')은 삼각형 횡단면 센서(316)의 측면들을 포함한다. 도 5E는 가변 면적 광학 센서(318)를 도시하는데, 여기서 반사 표면(316)의 단면적 비율은 잔존 패드 수명 비율을 나타낸다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게, 센서(312, 314, 316, 318)가 패드의 상부 표면과 동일한 높이로 연마 패드에 합체될 수 있음은 명백하다. 반사된 광 신호 세기의 변화는 패드의 수명을 측정하도록 패드 마모에 대한 정보를 제공한다.
본원발명의 다른 실시예에서, 센서는 새것일 경우의 패드의 상부 표면으로 소정 깊이 또는 깊이들에서 패드 내에 내장되는 2개 또는 그보다 많은 프로브(probe)를 포함하는 전기 화학적 센서일 수 있다. 이러한 구성의 예가 도 6A에 도시되어 있는데, 상기 도면은 새 패드(404)의 표면 아래에 위치하는 전기 화학적 센서(402)를 도시하고 있다. 패드가 마모되어 프로브를 노출시킴에 따라, 슬러리가 프로브들 사이의 전기적 연결을 제공하며, 이로써 형성되는 전기 신호 경로는 패드 마모 및 결과적으로 패드의 수명을 검출하도록 검출기에 신호를 전송하거나 보내기 위해 사용될 수 있다. 도 6B는 전기 화학적 센서가 패드 마모로 인하여 노출되며 프로브(406)가 슬러리 요소(408)의 존재에 의하여 연결되는 되는 것을 도시한다. 회로의 연속은 일정한 패드 마모가 발생했다는 것을 나타낸다.
본원발명의 또 다른 실시예에서는, 수명 센서가, 새것일 경우의 패드 표면 아래에 소정 깊이로 내장된 전도성 플레이트일 수 있다. 외부 용량성(capacitive) 또는 와전류 센서가 전도성 플레이트로부터의 거리, 따라서 패드 두께 또는 패드 마모를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 도 7A는 패드 표면(504) 아래에 내장된 전도성 플레이트(502)를 구비하는 이러한 구성의 예를 도시한다. 용량 센서 플레이트(506)가 패드 마모를 나타내는 분리(separation)를 측정하기 위하여 패드의 상부 표면에 유지된다. 도 7B는 분리를 측정하기 위하여 패드의 상부 표면에 유지되는 와전류 센서(508)를 구비하는 이러한 구성을 도시한다.
이와 같이 하여, 반도체 웨이퍼 상의 금속 다마신 구조체를 포함하여, 그 위에 층을 이루고 있는 구조체 및 반도체 웨이퍼의 연마를 위한, 향상된 CMP 연마 패드 및 프로세스가 기술되었다. 본원발명의 연마 패드 및 이를 사용하기 위한 프로세스가 일정하게 예시된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본원발명의 범위는 이러한 실시예에 의하여 한정되어서는 안 된다는 것을 밝혀둔다. 대신, 본원발명의 진정한 범위는 이하의 청구범위의 관점에서 다루어져야 한다.

Claims (32)

  1. 연마 패드로서,
    일 측면 상에 다공성 슬러리 배출층이 부착되고 반대 측면 상에 압축성 하부층이 부착되어 있는 안내 플레이트; 및
    복수의 연마 요소로서 복수의 연마 요소 서로에 대해 그리고 상기 안내 플레이트에 대해 평면 배향으로 유지되도록, 상기 슬러리 배출층 및 상기 안내 플레이트를 통하여 서로 맞물린(interdigitate) 복수의 연마 요소를 포함하며,
    상기 연마 요소 각각은 상기 압축성 하부층에 부착되며 상기 슬러리 배출층이 인접하는 상기 안내 플레이트의 표면 상부로 돌출하는,
    연마 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안내 플레이트와 상기 슬러리 배출층 사이에 배치되는 맴브레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 맴브레인이 전도성 맴브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 맴브레인이 비 전도성 맴브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 맴브레인이 접착제에 의하여 상기 안내 플레이트에 결합되는(fasten) 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 맴브레인이 이온 교환 맴브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안내 플레이트가 비 전도성 소재로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소 중 일부 이상이 원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소 중 일부 이상이 삼각형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소가, 열적 전도성 소재, 전기적 전도성 소재, 또는 비 전도성 소재 중 임의의 하나 또는 이들의 조합으로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소가 전도성 폴리머 폴리아닐린, 탄소, 그래파이트, 또는 금속 충진된 폴리머 중 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소가 웨이퍼 표면과 활주 접촉을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소가 웨이퍼 표면과 구름 접촉(rolling contact)을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  14. 제13항에 있어서,
    웨이퍼 표면과 구름 접촉을 하도록 형성된 상기 복수의 연마 요소가 원통형 몸체 및 롤링 팁을 구비하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소의 롤링 팁이 폴리머, 산화 금속, 또는 전기 전도성 소재 중 하나로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리 배출층이 다수의 슬러리 유동 저항 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 슬러리 배출층이 10 내지 90%의 다공성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리 배출층이 접착제에 의하여 상기 안내 플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리 배출층이 서로 다른 소재의 다중 층을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 슬러리 배출층이 상대적으로 큰 기공을 갖는 표면층과 상대적으로 작은 기공을 갖는 하부층을 포함하고, 상기 표면층의 상대적으로 큰 기공은 상기 하부층의 상대적으로 작은 기공보다 더 큰 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 안내 플레이트, 상기 복수의 연마 요소, 및 상기 슬러리 배출층을 적어도 부분적으로 주변에서 내부에 보유하도록 구성된 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 연마 패드가 3 내지 10mm 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 압축성 하부층이 압착될 때 연마 패드의 연마 표면을 향하여 지향되는 정압을 제공하도록 구성된 탄성 폴리머 또는 폼(foam)으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소는, 상기 복수의 연마 요소가 집합적으로 전체 연마 패드 표면적의 30 내지 80%의 밀도를 갖도록, 연마 패드의 면에 걸쳐 분포되는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연마 요소의 작동 단부로부터 측정될 때, 상기 패드의 상부 표면으로부터 깊이를 두고 내장된 패드 마모 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 반사 코팅으로 덮힌 상부 표면을 갖는 광학적으로 투명한 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 상기 패드 내에서 서로 다른 깊이로 내장된 다수의 광학적으로 투명한 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 상기 패드 표면의 상부 표면과 동일한 높이로 장착되는 광학적으로 투명한 원뿔형 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 상기 패드가 마모됨에 따라 변화하는 정도로 노출되도록 구성된 다단 표면을 갖는 광학적으로 투명한 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 반사도의 순서로 배치되며 가변 투과도를 갖는 스크린을 구비하는 광학적으로 투명한 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  31. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 상기 패드 내에 내장되는 2개 또는 그보다 많은 프로브를 구비하는 전기 화학적 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
  32. 제25항에 있어서,
    상기 패드 마모 센서가 상기 패드 표면의 아래에서 깊이를 두고 내장된 전도성 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연마 패드.
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