KR101655070B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층을 화학 기계적 연마하는 방법으로서, 상기 웨이퍼를 연마 헤드의 저면에 위치시킨 상태로, 상기 웨이퍼의 연마면을 연마 패드에 접촉 가압한 상태로 회전시키면서 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼 중 어느 하나 이상에 슬러리를 공급하면서 상기 연마면의 화학 기계적 연마를 행하는 제1연마단계과; 상기 제1연마단계 중에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 측정하는 두께분포 측정단계와; 상기 제1연마단계 중에 상기 두께분포 측정단계로부터 측정된 상기 웨이퍼의 연마층 두께 편차를 완화하는 연마두께편차 조정단계와; 상기 제1연마단계에 의하여 상기 연마 두께가 미리 정해진 제1연마두께에 도달하면, 상기 두께분포 측정단계과 상기 연마두께편차 조정단계를 중단하고, 상기 연마 두께가 타겟 두께에 도달할 때까지 연마하는 제2연마단계를; 포함하여 구성되어, 최종적으로 화학 기계적 연마 공정이 종료된 웨이퍼 연마층 두께 분포가 보다 정확하게 원하는 두께 분포로 형성할 수 있는 화학 기계적 연마 방법 및 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 화학 기계적 연마 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정을 통하여 텅스텐, 구리 등 금속으로 형성된 웨이퍼의 연마층의 두께 분포를 타겟 분포 형태로 정확하게 연마 화학 기계적 연마 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학기계적 연마(CMP) 장치(1)는 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 웨이퍼 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 웨이퍼 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 웨이퍼의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 장치이다.
이러한 화학 기계적 연마(CMP) 장치(1)는, 도1에 도시된 바와 같이 연마 헤드(20)는 연마공정 중에 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 정반(10)의 연마 패드(11)와 마주보게 한 상태로 상기 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전(20d)시키고, 동시에 연마 패드(11)도 정반 몸체(12)와 동시에 자전(11d)하면서 기계적 연마 공정을 행하도록 한다. 동시에 연마 패드(11) 상에 슬러리 공급부(30)의 공급구(32)로부터 슬러리가 연마 패드(11) 상에 공급되면, 슬러리가 웨이퍼(W)로 유입되면서 웨이퍼(W)의 화학적 연마 공정이 행해진다.
이와 동시에, 컨디셔너(40)의 컨디셔닝 디스크는 하방 가압하면서 회전(40d)하고 그 아암(41)이 정해진 각도를 왕복(41d)하면서 연마 패드(11)의 표면을 개질한다.
이러한 화학 기계적 연마 장치(1)를 이용하여 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)가 함께 자전하면서 웨이퍼(W)의 연마층을 화학 기계적 연마하는 과정 중에 웨이퍼(W)는 균일하게 연마되지 않고 웨이퍼의 위치에 따라 연마 두께에 편차가 발생되는 현상이 발생된다. 이를 방지하기 위하여, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 연마 패드의 중심으로부터 서로 다른 반경 거리에 다수의 와전류 센서(70)를 배치하여, 화학 기계적 연마 공정을 중단시키거나 진행하면서 웨이퍼의 연마층 두께를 측정한 후, 연마층 두께가 높은 영역에 대해서는 연마 헤드(20)에서 보다 큰 가압력으로 하방 인가함으로써, 웨이퍼 연마층의 연마두께 편차를 조정하여 전체적인 웨이퍼의 연마층 두께를 타겟 두께 분포가 되도록 조절할 수 있다.
즉, 도3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 표면에 증착된 연마층의 초기 두께(di)의 분포는 위치에 따라 편차(e0)가 큰 두께 분포(91)를 갖는다. 이에 따라, 와전류 센서(70)에 의하여 웨이퍼의 두께 분포를 측정하여 연마두께 편차를 조정하면서 화학 기계적 연마 공정을 진행하면, 웨이퍼(W)의 연마층 두께 편차가 초기에 비하여 훨씬 낮아진 편차(e1)만을 갖는 두께 분포(92)가 된다(81).
그러나, 금속으로 형성된 웨이퍼의 연마층은 두께가 충분히 클 경우에는 와전류 센서(70)로 정확하게 연마층 두께를 감지할 수 있지만, 연마층 두께가 임계 두께(dc)에 비하여 더 작아지면, 와전류 센서(70)에 의한 연마층 두께의 감지 정확성이 저하된다. 여기서, 임계 두께(dc)는 사용되는 와전류 센서의 사양과 금속층의 재료에 따라 차이가 있지만, 연마층 두께가 매우 낮아지면 두께값을 측정하는 정확성이 저하되는 것은 공통된다.
따라서, 감지 정확성이 낮아진 연마층 두께측정값에 기초하여 연마층 두께를 조정하면, 오히려 임계 두께(dc)에 도달한 상태에 비하여 웨이퍼 연마층의 두께 분포(93)가 보다 더 큰 편차(e2)를 보인다는 사실이 실험적으로 드러났다. 따라서, 금속으로 형성된 웨이퍼의 연마층을 보다 정확하게 타겟 두께 분포로 연마 공정을 행할 수 있는 방안의 필요성이 절실히 대두되고 있다.
상기 기재된 사항이 모두 공지된 구성은 아니며, 본 발명을 도출하기 위하여 새롭게 발견된 사실도 포함하고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화학 기계적 연마 공정을 통하여 텅스텐이나 구리 등 금속으로 형성된 웨이퍼의 연마층의 두께 분포를 원하는 분포 형태로 정확하게 연마하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 웨이퍼의 두께 분포의 감지 데이터를 기초로 웨이퍼 연마층의 두께 편차를 보상하는 방법을 보다 효과적으로 적용하여, 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 보다 정확하게 원하는 두께 분포가 되도록 연마하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층을 화학 기계적 연마하는 방법으로서, 상기 웨이퍼를 연마 헤드의 저면에 위치시킨 상태로, 상기 웨이퍼의 연마면을 연마 패드에 접촉 가압한 상태로 회전시키면서 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼 중 어느 하나 이상에 슬러리를 공급하면서 상기 연마면의 화학 기계적 연마를 행하는 제1연마단계과; 상기 제1연마단계 중에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 측정하는 두께분포 측정단계와; 상기 제1연마단계 중에 상기 두께분포 측정단계로부터 측정된 상기 웨이퍼의 연마층 두께 편차를 완화하는 연마두께편차 조정단계와; 상기 제1연마단계에 의하여 상기 연마 두께가 미리 정해진 제1연마두께에 도달하면, 상기 두께분포 측정단계과 상기 연마두께편차 조정단계를 중단하고, 상기 연마 두께가 타겟 두께에 도달할 때까지 연마하는 제2연마단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
이는, 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 행하면서 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정을 전체 CMP 공정에 대하여 행하는 대신에 미리 정해진 제1연마두께까지만 행하고, 제1연마두께보다 더 얇은 연마층 두께에 대해서는 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정을 배제하고 연마 두께가 타겟 두께에 도달하는지에 대해 감시하면서 연마함으로써, 부정확한 연마층 두께분포에 기초하여 웨이퍼 연마층 두께 분포를 보다 더 의도된 형상으로 형성할 수 있도록 하기 위함이다.
이를 통해, 화학 기계적 연마 공정을 통하여 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층의 두께 분포를 원하는 분포 형태를 보다 정확하게 원하는 두께 분포로 형성하는 것이 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 두께분포 측정단계는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리에 이격된 위치에 설치된 1개 이상의 와전류 센서로부터 감지될 수 있다.
그리고, 상기 연마두께편차 조정단계는 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 더 두꺼운 위치에서 상기 웨이퍼를 가압하는 가압력을 더 높게 조절하는 것에 의해 이루어진다. 이와 병행하거나 별개로, 웨이퍼 연마층 두께가 더 두꺼운 위치에서는 연마 패드의 높이가 더 얇고 웨이퍼 연마층 두께가 더 얇은 위치에서는 연마 패드의 높이가 더 높게 형성된 것이므로, 웨이퍼 연마층 두께가 더 두꺼울수록 컨디셔너로 하방 가압하는 가압력을 보다 더 크게 조정하는 것에 의해서도 이루어질 수 있다.
상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 광센서에 수신되는 광 강도 변화로 감지할 수 있다. 즉, 금속으로 형성된 웨이퍼 연마층의 두께가 두꺼운 동안에는 연마층 표면에서 반사된 반사광이 일정하게 유지되지만, 연마층의 두께가 타겟 두께에 근접하여 얇아지면 연마층 표면을 통과하여 연마층 내측의 경계에서 반사되는 광이 함께 반사되면서, 2개의 광 간섭 신호가 변동하는 지점을 중심으로 감지할 수 있다.
한편, 상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 와전류 센서로부터 감지할 수도 있다.
이와 병행하거나 독립적으로, 상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 상기 연마 패드가 입혀진 연마 정반을 회전 구동하는 모터의 전류 변동으로부터 감지할 수도 있다. 특히, 금속으로 형성된 연마층과 연마 패드 사이의 마찰력과 연마층 내측의 경계(예를 들어, 질화물층)와 연마 패드 사이의 마찰력은 서로 차이가 크므로, 모터의 전류 변동값이 크게 나타나므로, 이를 통해서도 웨이퍼의 연마층 두께가 타겟 두께에 도달하였는지를 정확하게 감지할 수 있는 잇점이 있다.
상기 제1연마두께는 상기 제1연마단계에서 상기 웨이퍼의 상기 연마층의 두께 분포를 감지하는 센서의 감도에 따라 정해진다. 즉, 금속으로 이루어진 웨이퍼 연마층의 두께의 감지 정확성이 저하되기 시작하는 임계 두께를 제1연마두께로 정한다. 여기서, 제1연마두께는 금속으로 이루어진 연마층의 재질과 와전류 센서의 사양에 따라 달라진다.
그리고, 상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼를 가압하는 가압력은, 상기 제1연마단계에서 상기 웨이퍼 연마층의 두께 분포가 원하는 두께 분포에 도달한 이후에, 웨이퍼 연마층의 평균 두께가 상기 제1연마두께에 도달할 때까지 가압한 가압력의 평균값을 도입하는 것에 의해 이루어질 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층을 화학 기계적 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 상면에 연마 패드가 입혀진 연마 정반과; 다수의 격벽에 의하여 분할된 다수의 압력 챔버가 형성되고, 상기 압력 챔버의 하측에 멤브레인의 바닥판이 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력 조절에 의하여 상기 바닥판의 하측에 위치한 상기 웨이퍼를 가압한 상태로 회전시키는 연마 헤드와; 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼 중 어느 하나 이상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부와; 상기 웨이퍼의 두께 분포를 감지하는 제1센서와; 상기 슬러리 공급부로부터 슬러리를 공급하면서 상기 웨이퍼의 연마면을 미리 정해진 제1연마두께에 도달할 때까지 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에는 상기 제1센서에서 감지된 상기 웨이퍼의 두께 분포를 줄이도록 상기 압력 챔버의 공압을 조절하는 연마두께 편차조정을 하면서 상기 화학 기계적 연마 공정을 행하고, 상기 제1연마두께에 도달하면 상기 제1연마두께로부터 타겟 두께에 도달할 때까지 상기 연마두께 편차조정을 하지 않으면서 행하게 제어하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
상기 제1센서는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리에 이격된 위치에 설치된 1개 이상의 와전류 센서로 형성되어, 금속으로 이루어진 웨이퍼 연마층에 자기장을 인가하여 연마층에 발생되는 와전류에 의해 변화하는 인덕턴스, 리액턴스, 임피던스 중 어느 하나 이상으로부터 금속으로 이루어진 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정한다.
한편, 상기 연마 패드가 입혀진 연마 정반을 회전 구동하는 모터의 전류를 감시하는 전류 측정부를; 더 포함하여, 상기 제어부는 상기 제어부가 상기 제1연마두께로부터 타겟 두께에 도달하는 지 여부를 상기 전류 측정부의 전류 변동으로부터 감지할 수도 있다. 즉, 연마층과 연마 패드와의 마찰에 의한 저항이 모터 전류값에 반영되어 나타나는 데, 연마층의 두께가 충분히 두꺼울 때에 비하여 연마층의 두께가 타겟 두께에 접근하여 얇아지면, 연마층의 경계면 내측에 적층된 층(예를 들어, 질화물층)에서의 변동된 마찰력이 모터 전류값에 반영되어 나타나므로, 연마 정반을 회전 구동하는 모터 전류를 감시하는 것에 의해서도 타겟 두께에 도달하는지 여부를 정확하게 감지할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '타겟 두께'는 화학 기계적 연마 공정이 종료되는 시점의 연마층 두께로 정의한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '타겟 두께 분포'는 화학 기계적 연마 공정이 종료되는 시점에서 웨이퍼의 위치에 따른 연마층 두께의 원하는 두께 분포로 정의한다. 대체로 타겟 두께 분포는 웨이퍼 연마층의 전체 표면에 대하여 균일한 두께로 형성되게 하는 분포를 의미하지만, 필요에 따라 특정 부분이 다른 부분에 비하여 연마층 두께가 보다 더 두껍거나 얇게 형성되는 분포도 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 행하면서 금속으로 형성된 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정을 전체 CMP 공정에 대하여 행하는 대신에, 연마층 두께 분포를 측정하는 센서의 감도 정확성이 확보되는 미리 정해진 제1연마두께까지만 행하고, 제1연마두께보다 더 얇은 연마층 두께에 대해서는 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정을 배제하고 연마 두께가 타겟 두께에 도달하는지에 대해 감시하면서 연마함으로써, 부정확한 연마층 두께분포의 측정값에 기초하여 두께 분포의 편차를 조정하는 과정에서 웨이퍼 연마층 두께 분포를 의도된 분포와 달리 왜곡되는 것을 최소화하여, 최종적으로 화학 기계적 연마 공정이 종료된 웨이퍼 연마층 두께 분포가 보다 정확하게 타겟 두께 분포로 형성할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정을 배제한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 이루어지는 제2연마단계에서, 웨이퍼를 가압하는 가압력은, 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하고 두께 분포의 편차를 조정하는 공정에 의하여 웨이퍼 연마층의 두께 분포가 타겟 두께 분포와 동일한 두께 분포에 도달한 이후에, 이 두께 분포가 유지되는 동안에 웨이퍼 및/또는 연마 패드를 가압하는 조건으로 가압함으로써, 제1연마두께에 도달한 상태의 웨이퍼 연마층 두께분포가 타겟 두께에 도달한 상태에서도 그대로 유지될 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 종래의 화학 기계적 연마 방법에 따른 웨이퍼 연마층 두께 분포의 변화를 도시한 그래프.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 도시한 개략 정면도,
도6은 도5의 평면도,
도7은 도5의 'A'부분의 확대도,
도8a는 광센서를 이용하여 웨이퍼 연마층의 타겟 두께를 감지하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면,
도8b는 연마 정반의 구동 모터의 전류 신호로부터 연마층의 타겟 두께를 감지하기 위한 원리를 설명하기 위한 도면,
도9는 제1연마단계에서 웨이퍼 연마층의 두께 분포 편차를 조정하는 구성을 도시한 연마 헤드의 구성을 도시한 도면,
도10은 본 발명의 화학 기계적 연마 방법에 따른 웨이퍼 연마층의 두께 분포의 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100) 및 방법(S100)에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.
도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 회전하여 웨이퍼 연마면을 연마하는 연마 패드(11)가 정반 몸체(12)의 상측에 입혀진 연마 정반(10)과, 연마 정반(110)의 연마 패드(111) 상에 웨이퍼 연마면이 접촉한 상태로 웨이퍼(W)를 하방 가압하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면에 컨디셔닝 디스크를 가압한 상태로 회전시키면서 연마 패드(11)를 개질하는 컨디셔너(40)와, 웨이퍼(W)가 상기 연마 정반(10)과 접촉하면서 연마하는 공정 중에 온도조절된 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(30)와, 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 감지하는 와전류 센서(110)와, 연마 정반(10)을 회전 구동하는 구동 모터(M)와, 구동 모터(M)가 연마 정반(10)을 정해진 속도로 회전할 때에 필요한 전류값을 실시간으로 측정하는 전류 측정부(140)와, 연마 패드(11)에 서로 다른 반경 거리에 설치된 다수의 광 센서(150)와, 와전류 센서(110)와 광 센서(150) 및 전류 측정부(140)로부터 측정값을 수신받아 화학 기계적 연마 장치를 제어하는 제어부(120)와, 제어부(120)로부터 연마 헤드(20)의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 공압을 공급하는 공압 공급부(130)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 구동 모터(M)에 의하여 회전 구동되는 정반 몸체(12)와, 정반 몸체(12)의 상면에 입혀져 웨이퍼(W)의 연마면과 접촉하면서 연마면을 연마시키는 연마 패드(11)로 구성된다. 이에 따라, 연마 패드(11)는 화학 기계적 연마 공정 중에 회전(11d)하게 된다.
여기서, 구동 모터(M)는 연마 패드(11)를 시간에 따라 정해진 속도 분포(예를 들어, 정속도)로 구동 모터를 회전 구동시키며, 이 때 구동 모터(M)에 인가되는 전류값을 전류 측정부(140)에서 측정한다. 대체로 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 회전 속도는 정속으로 유지되게 제어되지만, 필요에 따라 연마 패드(11)의 회전 속도는 가속되거나 감속되는 구간을 포함할 수도 있다.
상기 연마 헤드(20)는 도9에 도시된 바와 같이 외부의 회전 구동 수단에 의하여 함께 회전하는 본체부(25)와, 본체부(25)에 결합되어 본체부(25)와의 사이에 격벽(21a)에 의해 분할된 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)를 형성하는 가요성 재질의 멤브레인(21)과, 멤브레인(21)의 바닥판 둘레를 감싸는 링 형태의 리테이너 링(26)으로 구성된다. 이에 따라, 연마 헤드(20)는 멤브레인(21)의 바닥판 하측에 웨이퍼(W)를 위치시킨 상태에서, 다수의 압력 챔버(C1, C2,...)에 독립적으로 제어되는 압력에 의하여 웨이퍼(W)를 구간별로 가압력을 조절하고 하방 가압하면서 회전시키는 역할을 한다.
상기 컨디셔너(40)는 연마 패드(11)에 접촉하는 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드(11)를 가압하면서 회전하고, 아암에 의하여 연마 패드(11)의 반경 성분을 갖는 방향으로 이동한다. 이 때, 컨디셔너(30)는 와전류 센서(110) 또는 광 센서(150)에 의하여 실시간으로 측정된 웨이퍼(W)의 연마층의 두께 분포에 따라, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 두꺼운 부분에서는 보다 낮은 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하고, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 얇은 부분에서는 보다 높은 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하여, 연마 패드(11)의 높이 편차에 의한 마찰력을 조정하여 웨이퍼(W)의 불균일한 연마를 방지한다.
상기 슬러리 공급부(30)는 공급구(32)를 통해 슬러리를 연마 패드(11)에 공급하여, 웨이퍼의 화학적 연마를 유도한다.
상기 와전류 센서(110)는, 도면에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)와 정반 몸체(12)를 관통하는 관통부(11a)의 하측에 위치하여, 도전성 재료인 금속으로 형성된 웨이퍼(W)의 연마층(ly)에 전자기 신호를 인가하여, 연마층에 자기장에 의한 와전류를 생성한다. 이에 따라, 와전류에 의하여 와전류 센서(110)로부터 인가되는 전자기력의 리액턴스, 임피던스, 인덕턴스 등이 금속으로 형성된 웨이퍼(W)의 연마층 두께 변동에 따라 함께 변동되므로, 변동되는 전자기력의 진폭 및 위상차 등으로부터 금속으로 형성된 연마층의 두께를 측정할 수 있다.
와전류 센서(110)는 도6에 도시된 바와 같이 관통부(11a)에 웨이퍼 반경 방향으로 서로 이격된 다수의 위치(Sx)에 설치되어, 웨이퍼(W)의 위치에 따른 연마층 두께를 측정하여 연마층 두께 분포를 실시간으로 감지한다.
한편, 와전류 센서(110)는 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 감지할 뿐만 아니라, 웨이퍼의 연마층이 타겟 두께에 도달하였는지 여부도 감지한다. 다만, 와전류 센서(110)는 사양에 따라 연마층의 두께가 얇아지면, 금속층에 형성되는 와전류가 불규칙적이어서 연마층 두께의 감지 정확성이 저하된다. 따라서, 연마 종료 시점인 타겟 두께가 되는지 여부는 2개 이상의 와전류 센서(110)의 측정값의 평균치 또는 최대치 및 최저치를 제외한 측정값을 기초로 정할 수 있다.
상기 광 센서(150)는, 도6에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)에 위치 고정되어 연마 패드(11)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때마다 웨이퍼(W)의 연마층이 타겟 두께에 도달하였는지를 감지한다. 도면에 도시되지 않았지만, 관통부(11a)가 충분히 큰 경우에는 광 센서(150)가 관통부(11a)의 하측에 위치할 수도 있다.
일반적으로 금속으로 형성된 연마층(ly)은, 도7에 도시된 바와 같이, 연마층(ly)의 두께가 충분히 두꺼운 경우(to)에는, 광 센서(150)로부터의 입사광(Li)이 연마층의 표면(Yo)에서 전부 반사(Lo')되므로, 반사광(Lo')을 수신하더라도 금속 연마층(ly)의 두께 정보를 얻을 수 없다. 그러나, 웨이퍼 연마층(ly)이 마모되면서 두께(t)가 제거되면서, 광 센서(150)로부터의 입사광(Li)의 일부는 연마층 표면(Y)에서 반사(Lo1)되지만, 다른 일부는 연마층을 굴절하여 통과한 후에 연마층(ly) 내측의 다른 층(예를 들어, 질화물, Wo)의 경계(Yx)에서 반사된다.
즉, 화학 기계적 연마 공정의 초기로부터 연마 공정이 진행되더라도 광 센서(150)의 수광부에서는 연마층(ly)의 두께 정보를 얻지 못하다가, 웨이퍼 연마층(ly)의 두께가 타겟 두께(de)에 도달할 정도로 얇아지면, 도8a에 도시된 바와 같이 어느 하나의 파장에 대하여 서로 다른 표면에서 반사된 2개의 반사광이 서로 간섭되면서 급작스럽게 변동하는 신호(X)를 얻게 된다. 이를 통해, 급작스럽게 상승한 신호선의 변곡점(Pc) 또는 이 변곡점(Pc)으로부터 정해진 시간(tx) 만큼 더 연마를 한 연마층 두께가 웨이퍼 연마층(ly)의 타겟 두께에 해당한다는 반복 실험적 데이터를 토대로 웨이퍼 연마층(ly)의 타겟 두께에 이르는 연마 종료 시점을 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 타겟 두께(de)에 도달하였는지 여부는 연마 정반(10)을 회전 구동하는 구동 모터(M)에 인가하는 전류의 변동치에 기초하여 감지할 수도 있다. 이는, 웨이퍼(W)의 연마층(ly) 두께가 충분히 두꺼운 경우에는 금속 재질의 연마층(ly)과 연마 패드(11)의 마찰에 의하여 구동 모터(M)의 회전 저항이 발생되지만, 웨이퍼(W)의 연마층(ly) 두께가 얇아지면 연마층(ly)의 하측에 위치한 층(예를 들어, 질화물, Wo)의 재질이 구동 모터(M)의 회전 저항에 영향을 미치게 된다.
특히, 금속으로 형성된 웨이퍼의 연마층(ly)은 연마 패드와 높은 마찰 특성을 나타내므로, 연마층(ly)의 두께가 충분히 두꺼운 경우에는 금속과 연마 패드의 접촉만으로 연마 정반을 회전 구동하는 저항이 작용하지만, 연마층(ly)의 두께가 얇아지면 금속 재질의 연마층(ly)의 내측에 위치한 질화물층의 강성 또는 탄성이 마찰에 영향을 미치면서, 보다 작은 마찰력이 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 사이에 작용하므로, 연마 정반(10)을 정해진 속도(예를 들어, 정속)로 회전 구동시키는 데 필요한 모터 전류값의 신호(Sm)가 급격히 하락하는 경향을 나타내게 된다.
따라서, 웨이퍼 연마층(ly)과 연마 패드(11)의 마찰력이 감소함에 따라 구동 모터(M)를 정해진 속도(예를 들어, 정속)로 구동하는 데 필요한 전류가 감소하는 시점을 기준으로, 도8b의 Pc로 표시된 지점 또는 이로부터 약간의 연마량 만큼 추가적인 시간(tx)만큼 더 연마한 지점(Pc1)을 연마 종료 시점인 타겟 두께(de)로 감지할 수 있다.
또는, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 타겟 두께(de)에 도달하였는지 여부는, 제1연마두께에 도달한 이후에, 반복 실험에 의하여 파악된 정해진 시간 동안에 정해진 연마 조건으로 화학 기계적 연마 공정을 행하는 것에 의할 수도 있다.
상기 제어부(120)는, 화학 기계적 연마 공정 중에 와전류 센서(110)로부터 웨이퍼(W)의 연마층(ly)의 두께 분포를 수신하면, 공압 공급부(130)를 통해 웨이퍼(W)의 연마층(ly)의 두게 분포가 타겟 두께 분포가 되도록 연마 헤드(20)의 압력 챔버(C1, C2, C3, C4, C5)에 제어된 공압을 공급하게 한다. 이와 동시에, 컨디셔너(40)의 컨디셔닝 디스크는 웨이퍼의 연마층 두께가 두꺼운 영역에 대해서는 보다 낮은 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하고, 웨이퍼의 연마층 두께가 얇은 영역에 대해서는 보다 높은 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하여, 연마 패드(11)와 웨이퍼(W) 연마층(ly)의 기계적 연마를 차이나게 한다.
그리고, 웨이퍼의 연마층 두께 분포가 제1연마두께(dc)에 도달하기 이전에 타겟 두께 분포로 되면, 제어부(120)는 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포가 타겟 두께 분포로 유지되도록 공압 공급부(130)와 컨디셔너(40)를 제어하고, 이 기간의 가압 조건을 기억해둔다. 이와 같이 웨이퍼의 연마층 두께 분포의 평균치가 미리 정해진 제1연마두께에 도달할 때까지 화학 기계적 연마 공정을 행하는 제1연마단계를 지속한다.
그리고 나서, 웨이퍼의 연마층 두께 분포의 평균치가 미리 정해진 제1연마두께(예를 들어 300Å 내지 1000Å)에 도달하면, 와전류 센서에 의하여 연마층의 두께 분포를 측정하는 데 오류를 포함할 가능성이 높아지기 시작하므로, 웨이퍼의 두께 분포를 측정하여 두께 분포를 보정하는 공정을 배제한다. 그리고, 제어부(120)는 제1연마단계에서 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포가 타겟 두께 분포로 유지시키는 공압 공급부(130)와 컨디셔너(40)를 제어하는 조건(가압력 조건)을 유지하면서, 웨이퍼 연마층의 두께가 타겟 두께(de)에 도달할 때까지 연마를 행하는 제2연마단계를 행하도록 제어한다.
이하, 상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치(100)를 이용한 화학 기계적 연마 방법(S100)을 상술한다.
단계 1: 금속 재질로 형성된 웨이퍼 연마층(ly)이 연마 패드(11)에 접촉한 상태로 자전(20d)하고, 연마 패드(11)를 회전(11d)시키면서, 연마 헤드(20)에 의하여 웨이퍼(W)를 하방 가압한 상태로, 슬러리 공급부(30)로부터 슬러리를 공급하면서, 웨이퍼(W)의 연마층(ly)에 대하여 화학 기계적 연마 공정을 행한다(S110).
단계 S110의 제1연마단계는 웨이퍼 연마층(ly)의 초기 두께(do)로부터 와전류 센서(110)에 의하여 연마 두께 분포를 정확하게 측정할 수 없는 임계 두께(dc)로 정해지는 제1연마두께에 도달할 때까지 지속된다.
단계 2: 제1연마단계(S110)를 진행하는 동안에, 연마 패드(11)의 관통부(11a)의 하측에 서로 다른 반경 위치에 배치된 다수의 와전류 센서(110)에 의하여, 금속으로 형성된 웨이퍼 연마층(ly)의 표면에서 형성되는 와전류에 의한 임피던스와 인덕턴스 중 어느 하나 이상의 변동에 의해 웨이퍼 연마층(ly)의 두께 분포를 실시간으로 측정한다(S120).
단계 3: 제어부(120)는 와전류 센서(110)로부터 웨이퍼 연마층(ly)의 두께 분포 데이터를 수신하여, 측정된 두께 분포 데이터가 타겟 두께 분포와 차이를 제거하도록 공압 공급부(130)와 컨디셔너(40)를 조정한다(S130).
즉, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 타겟 두께 분포와 대비하여 다른 위치에 비하여 상대적으로 두꺼운 부분에서는, 두꺼운 부분을 보다 높은 가압력으로 연마 패드(11)에 가압할 수 있도록 두꺼운 부분의 상측에 위치한 압력 챔버에는 보다 높은 공압을 공급한다. 그리고, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 타겟 두께 분포와 대비하여 다른 위치에 비하여 상대적으로 얇은 부분에서는, 얇은 부분을 보다 낮은 가압력으로 연마 패드(11)에 가압할 수 있도록 얇은 부분의 상측에 위치한 압력 챔버에는 보다 낮은 공압을 공급한다. 이를 통해, 웨이퍼의 연마층(ly) 두께 분포는 제1연마두께에 도달하기 이전에 타겟 두께 분포로 유도된다.
이에 부가하거나 독립적으로, 제어부(120)는 와전류 센서(110)에 의하여 실시간으로 측정된 웨이퍼(W)의 연마층의 두께 분포에 따라, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 두꺼운 부분에서는 컨디셔너(40)에 의하여 보다 작은 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하여 연마 패드(11)의 높이를 높게 유도하고, 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 얇은 부분에서는 보다 큰 가압력으로 연마 패드(11)를 가압하여, 연마 패드(11)의 높이를 낮게 유도하여, 연마 패드(11)의 높이가 높은 영역에서는 낮은 영역에 비하여 보다 높은 마찰력으로 웨이퍼 연마층(ly)을 기계적 연마하도록 하여, 타겟 두께 분포와 대비하여 위치별 두께 분포 편차를 제거한다.
단계 4: 단계 1 내지 단계 3은 웨이퍼 연마층(ly)의 두께가 제1연마두께(dc)에 도달할 때까지 계속된다. 그리고, 연마층 두께가 평균적으로 제1연마두께(dc)에 도달하면, 단계 2와 단계 3을 중단한다(S140).
단계 5: 단계 4에 의하여 웨이퍼 연마층(ly)의 두께를 타겟 두께 분포로 맞추는 피드백 능동 제어는 배제되지만, 제1연마단계를 진행하는 동안에 제1연마두께에 웨이퍼 연마층 두께가 도달하기 이전에 타겟 두께 분포로 유지되었던 연마 조건(연마 패드에 도입하는 컨디셔너의 연마 패드 위치에 따른 가압력과 연마 헤드의 압력 챔버별 공급 공압 등)을 유지하면서, 제2연마단계인 화학 기계적 연마 공정을 지속한다(S150).
이 때, 제2연마단계(S150)는 제1연마단계(S110)가 행해지지 않은 다른 연마 패드(11) 상에서도 행해질 수 있지만, 공정 효율을 고려하여 동일한 연마 패드(11) 상에서 행해지더라도 높은 연마 품질을 얻을 수 있다.
이와 동시에, 웨이퍼 연마층(ly)이 타겟 두께(de)에 도달하는지 여부를 광센서로부터의 광강도 신호(도8a)와, 연마 정반(10)을 회전 구동하는 구동 모터의 전류 파형 신호(도8b) 중 어느 하나 이상으로부터 감지할 수 있다. 그리고, 웨이퍼 연마층(ly)이 타겟 두께(de)에 도달한 것으로 감지되면, 제2연마단계를 종료한다.
이를 통해, 도10에 도시된 바와 같이, 제1연마두께(dc)에 도달한 상태에서 웨이퍼 연마층의 두께 분포(92)는 타겟 연마 분포(점선)과 유사하게 유지되며, 제1연마두께(dc)로부터 타겟 두께(de)의 구간에 해당하는 제2연마단계에서 단계 2와 단계 3을 배제하고, 제1연마단계를 진행하는 동안에 제1연마두께에 웨이퍼 연마층 두께가 도달하기 이전에 타겟 두께 분포로 유지되었던 연마 조건(연마 패드에 도입하는 컨디셔너의 연마 패드 위치에 따른 가압력과 연마 헤드의 압력 챔버별 공급 공압 등)을 유지함으로써, 최종적인 연마 두께 분포(903)는 타겟 두께 분포와의 오차(e2')가 종래에 비하여 크게 줄어든 효과를 얻을 수 있었다.
이처럼, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 방법(S100) 및 장치(100)는, 금속으로 형성된 웨이퍼 연마층의 두께 분포를 측정하는 센서의 감도에 따라 제1연마두께(dc)를 기준으로, 제1센서(110)의 감도 정확성이 확보되는 미리 정해진 제1연마두께(dc)에 도달할 때까지의 제1연마단계에서는, 연마 두께 분포를 측정하여 보정하는 공정을 행하고, 제1연마두께(dc)를 초과한 제2연마단계에서는, 연마 두께 분포의 측정과 보정 공정을 배제함으로써, 부정확한 연마층 두께분포의 측정값에 기초하여 두께 분포의 편차를 조정하는 과정에서 웨이퍼 연마층 두께 분포를 의도된 분포와 달리 왜곡되는 것을 최소화하여, 최종적으로 화학 기계적 연마 공정이 종료된 웨이퍼 연마층 두께 분포가 보다 정확하게 타겟 두께 분포로 형성할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 제2연마단계에서의 화학 기계적 연마 공정 변수를 제어함에 있어서, 웨이퍼 연마층의 두께 분포가 타겟 두께 분포와 동일한 두께 분포에 도달한 이후에 이 두께 분포가 유지되는 동안에 웨이퍼 및/또는 연마 패드를 가압하는 제1연마단계에서의 연마 조건으로 가압함으로써, 제1연마두께에 도달한 상태의 웨이퍼 연마층 두께분포를 제2연마단계에서도 그대로 유지되어, 최종적으로 보다 정확한 연마 두께 분포를 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 화학 기계적 연마 장치 10: 연마 정반
11: 연마 패드 11a: 관통부
20: 연마 헤드 30: 슬러리 공급부
40: 컨디셔너 150: 광 센서
120: 제어부 130: 공압 공급부
140: 전류 감지부 C1, C2, C3, C4, C5: 압력 챔버
W: 웨이퍼

Claims (13)

  1. 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층을 화학 기계적 연마하는 방법으로서,
    상기 웨이퍼를 연마 헤드의 저면에 위치시킨 상태로, 상기 웨이퍼의 연마면을 연마 패드에 접촉 가압한 상태로 회전시키면서 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼 중 어느 하나 이상에 슬러리를 공급하면서 상기 연마면의 화학 기계적 연마를 행하는 제1연마단계과;
    상기 제1연마단계 중에 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 위치에 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 복수의 측정 위치에서 동시에 측정하는 두께분포 측정단계와;
    상기 제1연마단계 중에 상기 두께분포 측정단계로부터 측정된 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 위치에 따른 영역별 상기 웨이퍼의 연마층 두께 편차를 완화하는 연마두께편차 조정단계와;
    상기 제1연마단계에 의하여 상기 웨이퍼의 연마층 연마 두께가 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따라 미리 정해진 목표 두께 분포를 갖는 제1연마두께에 도달하면, 상기 두께분포 측정단계과 상기 연마두께편차 조정단계를 중단하고, 상기 연마 두께가 타겟 두께에 도달할 때까지 연마하는 제2연마단계를; 포함하고,
    상기 목표 두께 분포는 상기 타겟 두께에서 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따른 타겟 두께 분포에 대응되게 정해지며,
    상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼를 가압하는 가압력은, 상기 제1연마단계에서 상기 웨이퍼 연마층의 두께 분포가 상기 목표 두께 분포에 대응되게 유지되는 동안 상기 웨이퍼에 가압되는 가압력과 동일한 조건으로 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 두께분포 측정단계는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리에 이격된 위치에 설치된 1개 이상의 와전류 센서로부터 감지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연마두께편차 조정단계는 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 더 두꺼운 위치에서 상기 웨이퍼를 가압하는 가압력을 더 높게 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 광센서에 수신되는 광 강도 변화로 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 와전류 센서로부터 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2연마단계에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께가 상기 타겟 두께에 도달하였는지 여부는 상기 연마 패드가 입혀진 연마 정반을 회전 구동하는 모터의 전류 변동으로부터 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1연마두께는 상기 제1연마단계에서 상기 웨이퍼의 상기 연마층의 두께 분포를 감지하는 센서의 감도에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  8. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1연마단계가 행해지는 연마 패드와 상기 제2연마단계가 행해지는 연마패드는 동일한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  9. 금속 재질로 형성된 웨이퍼의 연마층을 화학 기계적 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상면에 연마 패드가 입혀진 연마 정반과;
    다수의 격벽에 의하여 분할된 다수의 압력 챔버가 형성되고, 상기 압력 챔버의 하측에 멤브레인의 바닥판이 위치하여, 상기 압력 챔버의 압력 조절에 의하여 상기 바닥판의 하측에 위치한 상기 웨이퍼를 가압한 상태로 회전시키는 연마 헤드와;
    상기 연마 패드와 상기 웨이퍼 중 어느 하나 이상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부와;
    상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 위치에 따른 상기 웨이퍼의 두께 분포를 복수의 측정 위치에서 동시에 감지하는 제1센서와;
    상기 슬러리 공급부로부터 슬러리를 공급하면서 상기 웨이퍼의 연마층 연마 두께가 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따라 미리 정해진 목표 두께 분포를 갖는 제1연마두께에 도달할 때까지 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에는 상기 제1센서에서 감지된 상기 웨이퍼의 반경 방향으로의 위치에 따른 영역별 상기 웨이퍼의 두께 편차를 줄이도록 상기 압력 챔버의 공압을 조절하는 연마두께 편차조정을 하면서 화학 기계적 제1연마 공정을 행하고, 상기 제1연마두께에 도달하면 상기 제1연마두께로부터 타겟 두께에 도달할 때까지 상기 연마두께 편차조정을 하지 않으면서 상기 제1연마 공정에서 상기 웨이퍼 연마층의 두께 분포가 상기 목표 두께 분포에 대응되게 유지되는 동안 상기 웨이퍼에 가압되는 가압력과 동일한 조건으로 상기 웨이퍼를 가압하며 제2연마 공정을 행하게 제어하는 제어부를; 포함하고,
    상기 목표 두께 분포는 상기 타겟 두께에서 상기 웨이퍼의 반경 방향을 따른 타겟 두께 분포에 대응되게 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1센서는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리에 이격된 위치에 설치된 1개 이상의 와전류 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제1센서는 상기 타겟 두께에 도달한 상태를 감지하는 와전류 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 타겟 두께를 도달한 상태를 감지하는 광센서로 형성된 제2센서를 추가적으로 포함하고, 상기 제2센서는 상기 연마층의 두께가 타겟 두께에 도달할 때에 수신되는 광 강도 변화로부터 상기 타겟 두께에 도달한 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 연마 패드가 입혀진 연마 정반을 회전 구동하는 모터의 전류를 감시하는 모터전류 측정부를;
    더 포함하여, 상기 제어부는 상기 제어부가 상기 제1연마두께로부터 타겟 두께에 도달하는 지 여부를 상기 모터전류 측정부의 전류 변동으로부터 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
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