KR101947032B1 - 펄스 전기 화학 연마 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 방법은, 웨이퍼 상의 모든 포인트, 모든 포인트에 대응하는 제거 두께 및 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타내는 듀티 사이클 테이블을 구축하는 단계; 웨이퍼 상의 특정 포인트가 웨이퍼 상으로 대전된 전해액을 배출하는 노즐의 바로 위에 있게 하기 위하여, 미리 설정된 속도로 이동하도록 웨이퍼를 유지하고 위치 설정하는 웨이퍼 척을 구동하는 단계; 듀티 사이클 테이블을 검색하여, 특정 포인트에 대응하는 제거 두께 및 듀티 사이클을 획득하는 단계; 및 미리 설정된 펄스 전력 소스를 웨이퍼 및 노즐에 인가하는 단계를 포함하고, 특정 포인트를 연마하기 위한 실제 연마 전력 소스는 미리 설정된 전력 소스에 듀티 사이클을 곱한 것과 동일하다.
Description
본 발명은 일반적으로 웨이퍼 상에 부착된 금속층을 연마하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자를 제조하기 위한 펄스 전기 화학 연마 방법 및 장치에 관한 것이다.
모두에게 알려진 바와 같이, 트렌치 및 비아 내에 그리고 웨이퍼의 리세스되지 않은(non-recessed) 영역 상에 금속층을 부착하기 위하여 수행되는 부착 공정(deposition process)은 반도체 소자를 제조하기 위하여 절대적으로 필요한 공정이다. 웨이퍼 상에 형성된 상호 연결부를 분리하기 위하여, 웨이퍼의 리세스되지 않은 영역 상에 부착된 금속층은 제거될 필요가 있다. 일반적으로, 금속층은 웨이퍼의 유전체층 상에 부착된다. 따라서, 유전체의 리세스되지 않은 영역 상에 부착된 금속층은 제거될 필요가 있다.
유전체층의 리세스되지 않은 영역 상에 부착된 금속층을 제거하기 위하여, 화학 기계 연마(chemical mechanical polishing(CMP)) 방법이 사용되고, 다음과 같은 단계들을 포함한다: 회전 가능한 테이블과, 회전 가능한 테이블 상에 배치된 연마 패드와, 웨이퍼를 붙잡기 위한 웨이퍼 캐리어 헤드와, 웨이퍼와 연마 패드 사이에 슬러리를 제공하는 슬러리 공급기(feeder)를 제공하는 단계; 연마 패드에 대하여 웨이퍼를 가압하도록 아래로 향하는 가압력을 웨이퍼 캐리어 헤드에 인가하여, 웨이퍼를 연마 패드에 대하여 상대적으로 회전하게 하는 단계. 그 다음 웨이퍼는 연마된다.
그러나, 반도체 소자의 특징부 치수를 계속적으로 줄이기 위하여, Cu 및 낮은 k의 유전체 또는 극저(ultra low) k 유전체가 반도체 소자 제조에 사용된다. Cu 및 낮은 k의 유전체 또는 극저 k 유전체가 매우 약한 기계적 응력을 갖기 때문에, CMP 공정에서 웨이퍼 캐리어 헤드에 작용하는 아래로 향하는 가압력은 Cu 및 낮은 k의 유전체 또는 극저 k 유전체를 손상시킬 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 전기 화학 연마 방법이 유전체층의 리세스되지 않은 영역 상에서 금속층을 제거하기 위하여 채용된다. 먼저, 상부에 웨이퍼를 유지하기 위한 웨이퍼 척과, 웨이퍼의 금속층 상에 전해액을 배출하기 위하여 연마 챔버 내에 배치된 노즐을 제공한다. 웨이퍼 척은 전기 화학 연마 공정 동안 수평 방향으로 선형으로 이동하고 회전할 수 있다. 전원은 웨이퍼 척 및 노즐과 전기적으로 연결된다. 웨이퍼 척은 전원의 애노드와 웨이퍼를 전기적으로 연결하고, 노즐은 전원의 캐소드와 전기적으로 연결되어, 전해액을 대전한다. 전기 화학 연마 방법은 금속층을 연마하기 위하여 전해액과 금속층 사이의 화학 반응을 활용한다. 연마 공정에서, 전해액만이 금속층과 접촉하고, 따라서 금속층은 기계적 응력 없이 제거될 수 있어, Cu 및 낮은 k의 유전체 또는 극저 k 유전체의 통합 문제점을 해결한다.
일반적으로, 웨이퍼 척의 이동 속도와 전원에 의해 제공되는 전류/전압은 금속층의 제거 두께를 지배한다. 전류/전압 설정값은 유전체층의 리세스되지 않은 영역 상의 금속층 두께에 따라 변동될 것이다. 웨이퍼 표면 지형(surface topography)이 균일하지 않다면, 예를 들어 도금 후 패턴 웨이퍼(post-plating pattern wafer) 상에 언덕(hump)과 골짜기(valley)가 있다면, 금속층 두께가 인접한 영역에서 큰 차이를 가지고 있고 웨이퍼가 연마 공정 동안 고속으로 회전하기 때문에, 웨이퍼 지형 두께 변동에 매칭하기 위하여 전류/전압은 매우 짧은 시간에 신속하고 이산적으로(discretely) 변동되어야 한다. 실제로, 매우 짧은 시간에 전류/전압을 신속하고 이산적으로 변동시키는 것은 매우 어렵다. 그 결과, 방법은 블랭킷(blanket) 웨이퍼를 연마하기 위해서만 적합하며, 도금 후 패턴 웨이퍼를 정확하게 연마할 수 없다.
본 발명의 일 양태에 따라, 웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 웨이퍼 상의 모든 포인트, 모든 포인트에 대응하는 제거 두께 및 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타내는 듀티 사이클 테이블을 구축하는 단계; 웨이퍼 상의 특정 포인트가 웨이퍼 상으로 대전된 전해액을 배출하는 노즐의 바로 위에 있게 하기 위하여, 미리 설정된 속도로 이동하도록 웨이퍼를 유지하고 위치 설정하는 웨이퍼 척을 구동하는 단계; 듀티 사이클 테이블을 검색하여, 특정 포인트에 대응하는 제거 두께 및 듀티 사이클을 획득하는 단계; 및 미리 설정된 펄스 전력 소스를 웨이퍼 및 노즐에 인가하는 단계를 포함하고, 특정 포인트를 연마하기 위한 실제 연마 전력 소스는 미리 설정된 전력 소스에 듀티 사이클을 곱한 것과 동일하다.
본 발명의 일 양태에 따라, 웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치가 제공된다. 본 장치는, 웨이퍼를 유지하고 위치 설정하기 위한 웨이퍼 척과, 전해액을 대전하고 웨이퍼 상으로 배출하기 위한 노즐과, 웨이퍼 및 노즐로 펄스 전력 소스를 제공하기 위한 전원과, 웨이퍼 상의 모든 포인트, 모든 포인트에 대응하는 제거 두께, 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타내는 듀티 사이클 테이블을 저장하고, 듀티 사이클 테이블에 기초하여 전원에 의해 제공되는 실제 연마 전력 소스를 제어하기 위한 호스트 컴퓨터를 포함한다.
전술한 바와 같이, 듀티 사이클 테이블에 기초하여 전원에 의해 제공되는 실제 연마 전력 소스를 제어하는 호스트 컴퓨터를 통해, 실제 연마 전력 소스는 웨이퍼 상의 금속층의 대응하는 두께를 제거하기 위하여 신속하고 이산적으로 변동될 수 있다. 그 다음, 웨이퍼 상의 각각의 포인트의 제거 두께는 정확하게 제어된다. 연마 정밀도 및 균일도는 관찰 가능하게 개선되고, 방법 및 장치는 도금 후 패턴 웨이퍼를 연마하는데 적합하다.
본 발명은 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대한 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 읽은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 펄스 전기 화학 연마 장치를 도시하는 개략도이다;
도 2는 펄스 전기 화학 연마 장치를 도시하는 다른 개략도이다;
도 3은 웨이퍼 상의 포인트와 제거 두께 사이의 대응하는 관계를 나타내는 예측 제거 두께 테이블이다;
도 4는 듀티 사이클과 제거 두께 사이의 대응하는 관계를 나타내는 테이블이다;
도 5는 듀티 사이클과 제거 두께 사이의 선형 관계를 나타내는 테이블이다; 그리고,
도 6은 웨이퍼 상의 포인트, 제거 두께 및 듀티 사이클 사이의 대응하는 관계를 나타내는 개략도이다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 전기 화학 연마 장치를 도시하는 개략도이다;
도 2는 펄스 전기 화학 연마 장치를 도시하는 다른 개략도이다;
도 3은 웨이퍼 상의 포인트와 제거 두께 사이의 대응하는 관계를 나타내는 예측 제거 두께 테이블이다;
도 4는 듀티 사이클과 제거 두께 사이의 대응하는 관계를 나타내는 테이블이다;
도 5는 듀티 사이클과 제거 두께 사이의 선형 관계를 나타내는 테이블이다; 그리고,
도 6은 웨이퍼 상의 포인트, 제거 두께 및 듀티 사이클 사이의 대응하는 관계를 나타내는 개략도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 전기 화학 연마 장치가 예시된다. 장치는 웨이퍼(8) 상에서의 원하지 않는 금속층의 두께를 측정하기 위한 두께 측정기(1), 호스트 컴퓨터(2), 직류(DC) 펄스 전력 소스를 제공하는 전원(3), 모션 제어기(4) 및 웨이퍼(8)를 유지하고 위치 설정하기 위한 웨이퍼 척(5)을 포함한다. 두께 측정기(1)는 비접촉식 두께 측정기 또는 접촉식 두께 측정기이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(8)는 웨이퍼 척(5)에 고정된다. 모션 컨트롤러(4)는 수평 또는 수직으로 이동 또는 회전하도록 웨이퍼 척(5)을 구동한다. 노즐(6)은 전해액(7)을 웨이퍼(8) 상의 금속층 상으로 배출하기 위하여 웨이퍼(8) 아래에 배치된다. 전원(3)의 애노드는 웨이퍼(8)와 전기적으로 연결되고, 전원(3)의 캐소드는 노즐(6)과 전기적으로 연결되어, 전해액(7)을 대전한다. 대전된 전해액(7)은 금속층을 연마하기 위한 회로를 형성하도록 금속층 상으로 배출된다. 본 실시예에서, 펄스 전기 화학 연마 장치는 예시적인 장치이다. 미국 특허 출원 공보 제2007/0125661호는 본 발명에 대하여도 적합한 여러 예시적인 전기 화학 연마 도구를 개시한다.
도 3 내지 6을 참조하라. 펄스 전기 화학 연마 방법이 설명될 것이다.
먼저, 원하지 않은 금속층을 연마하기 전에 많은 최적의 실험을 통해 호스트 컴퓨터(2)에 저장된 듀티 사이클 테이블을 구축한다. 듀티 사이클 테이블은 웨이퍼(8) 상의 모든 포인트, 모든 포인트에 대응하는 제거 두께 및 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타낸다. 즉, 웨이퍼(8) 상의 모든 포인트는, 도 6에 도시된 바와 같이, 특정 제거 두께와 특정 듀티 사이클을 가진다. 듀티 사이클 표를 구축하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다.
두께 측정기(1)를 이용하여 웨이퍼(8) 상에서 금속층의 제거 두께를 측정한다. 일반적으로, 두께 측정기(1)는 전반적인 웨이퍼(8) 상에서 대략 49 포인트 내지 625 포인트의 제거 두께를 측정한다. 그 다음, 측정된 결과는 호스트 컴퓨터(2)로 전송된다. 보간(interpolation) 메커니즘에 기초하여, 호스트 컴퓨터(2)는 전체 웨이퍼의 모든 포인트(대략 10000 포인트 이상)의 대응하는 제거 두께를 계산한다. 웨이퍼(8) 상의 모든 포인트는 제거될 필요가 있는 금속층의 특정 제거 두께에 대응한다.
제거 두께 및 듀티 사이클의 선형 함수 모델을 획득한다. 전원(3)에 의해 제공되는 미리 설정된 전력 소스와 웨이퍼 척(5)의 미리 설정된 수평 이동 속도에 따라, 많은 최적 실험을 통해, 도 4에 도시된 바와 같이, 제거 두께와 듀티 사이클 사이의 1대1 대응 관계가 획득되고, 도 5에 도시된 바와 같이, 제거 두께가 증가하는 동안, 듀티 사이클이 선형으로 비례하여 증가한다. 그 다음, 선형 함수 모델이 획득된다.
선형 함수 모델을 호스트 컴퓨터(2)에 저장하고, 호스트 컴퓨터(2)는 웨이퍼(8) 상의 모든 포인트의 제거 두께를 대응하는 듀티 사이클로 변환한다. 그 다음, 듀티 사이클 테이블이 구축된다.
듀티 사이클 테이블을 구축한 후, 펄스 전기 화학 연마 방법은 다음의 단계들을 더 포함한다:
모션 컨트롤러(4)를 이용하여 미리 설정된 속도로 이동하도록 웨이퍼 척(5)을 수평으로 구동한다. 웨이퍼 척(5)이 특정 부분으로 이동할 때, 웨이퍼(8) 상의 특정 포인트는 노즐(6) 바로 위에 있다.
듀티 사이클 테이블을 검색하고, 특정 포인트에 대응하는 제거 두께 및 듀티 사이클이 획득된다.
호스트 컴퓨터(2)에 의해 제어되는 전원(3)을 이용하여 웨이퍼(8)와 노즐(6)에 미리 설정된 전력 소스를 공급한다. 특정 포인트를 연마하기 위한 실제 연마 전력 소스는 전원(3)에 의해 제공되는 미리 정해진 전력 소스에 듀티 사이클을 곱한 것과 동일하다. 본 발명에서 언급된 전력 소스는 DC 펄스 전류 또는 전압이다.
전술한 바와 같이, 전반적인 웨이퍼(8) 상의 모든 포인트의 제거 두께를 획득하고 전반적인 웨이퍼(8)의 금속층 제거 두께를 대응하는 듀티 사이클로 변환하는 것을 통해, 실제 연마 전력 소스는 웨이퍼(8) 상의 금속층의 대응하는 두께를 제거하기 위하여 신속하고 이산적으로 변동된다. 그 다음, 웨이퍼(8) 상의 각 포인트의 제거 두께가 정확하게 제어된다. 연마 정밀도 및 균일도는 관찰 가능하게 개선되고, 방법은 도금 후 패턴 웨이퍼를 연마하는데 적합하다.
본 발명의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하거나 소진적인 것으로 의도되지 않고, 명확하게 많은 변경 및 수정이 전술한 내용의 견지에서 가능하다. 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 이러한 변경 및 수정은 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (15)
- 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트, 상기 포인트 각각에 대응하는 제거 두께 및 상기 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타내는 듀티 사이클 테이블을 구축하는 단계;
상기 웨이퍼 상의 특정 포인트가 상기 웨이퍼 상으로 대전된 전해액을 배출하는 노즐의 바로 위에 있게 하기 위하여, 미리 설정된 속도로 이동하도록 상기 웨이퍼를 유지하고 위치 설정하는 웨이퍼 척을 구동하는 단계;
상기 듀티 사이클 테이블을 검색하여, 상기 특정 포인트에 대응하는 상기 제거 두께 및 상기 듀티 사이클을 획득하는 단계; 및
미리 설정된 펄스 전력 소스를 상기 웨이퍼 및 상기 노즐에 인가하는 단계
를 포함하고,
상기 특정 포인트를 연마하기 위한 실제 연마 전력 소스는 상기 미리 설정된 전력 소스에 상기 듀티 사이클을 곱한 것과 동일하며,
상기 듀티 사이클 테이블을 구축하는 단계는,
상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트 각각의 상기 제거 두께를 측정하는 단계와, 측정된 상기 제거 두께에 기초하여 상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트 각각의 상기 제거 두께를 계산하는 단계;
상기 제거 두께 및 듀티 사이클의 선형 함수 모델을 획득하는 단계; 및
상기 선형 함수 모델을 저장하고, 상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트 각각의 상기 제거 두께를 상기 선형 함수 모델에 따른 대응하는 듀티 사이클로 변환하는 단계를 포함하는,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 웨이퍼 상의 다수의 포인트의 상기 제거 두께를 측정하는 단계는, 두께 측정기를 이용하여 상기 웨이퍼 상의 다수의 포인트의 제거 두께를 측정하는 단계를 포함하는,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 두께 측정기는 비접촉식 두께 측정기인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 두께 측정기는 접촉식 두께 측정기인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 웨이퍼 상의 모든 포인트의 상기 제거 두께를 계산하는 단계는, 보간(interpolation) 메커니즘을 이용하여 상기 웨이퍼 상의 모든 포인트의 상기 제거 두께를 계산하는 단계를 포함하는,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 미리 설정된 펄스 전력 소스는 DC 펄스 전류인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 미리 설정된 펄스 전력 소스는 DC 펄스 전압인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 방법.
- 웨이퍼를 유지하고 위치 설정하기 위한 웨이퍼 척;
전해액을 대전하고 상기 웨이퍼 상으로 배출하기 위한 노즐;
상기 웨이퍼 및 상기 노즐로 펄스 전력 소스를 제공하기 위한 전원;
상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트, 상기 웨이퍼 상의 다수의 포인트의 측정된 제거 두께를 기초로 상기 10000개 이상의 포인트 각각에 대응하는 제거 두께, 상기 제거 두께에 대응하는 듀티 사이클을 나타내는 듀티 사이클 테이블을 저장하고,
상기 제거 두께 및 듀티 사이클의 선형 함수 모델을 저장하며,
상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트 각각의 상기 제거 두께를 상기 선형 함수 모델에 따른 대응하는 듀티 사이클로 변환하고,
상기 웨이퍼 상의 특정 포인트가 상기 웨이퍼 상으로 대전된 전해액을 배출하는 노즐의 바로 위에 있게 하기 위하여, 미리 설정된 속도로 이동하도록 상기 웨이퍼를 제어하며,
미리 설정된 팔스 전력 소스를 상기 웨이퍼 및 상기 노즐에 인가하기 위해 상기 듀티 사이클 테이블에 기초하여 상기 전원에 의해 제공되는 실제 연마 전력 소스를 제어하기 위한 호스트 컴퓨터
를 포함하되,
상기 특정 포인트를 연마하기 위한 실제 연마 전력 소스는 상기 미리 설정된 전력 소스에 상기 듀티 사이클을 곱한 것과 동일한,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 웨이퍼 상의 다수의 포인트의 상기 제거 두께를 측정하기 위한 두께 측정 장치를 더 포함하는,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 펄스 전력 소스는 DC 펄스 전류인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 펄스 전력 소스는 DC 펄스 전압인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 두께 측정 장치는 비접촉식 두께 측정기인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 두께 측정 장치는 접촉식 두께 측정기인,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 호스트 컴퓨터는 보간 메커니즘을 이용하여 상기 웨이퍼 상의 10000개 이상의 포인트 각각의 상기 제거 두께를 계산하는,
웨이퍼를 펄스 전기 화학 연마하는 장치.
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