KR19980015594A

KR19980015594A - 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치 및 방법

Info

Publication number: KR19980015594A
Application number: KR1019960034986A
Authority: KR
Inventors: 강준모
Original assignee: 김주용; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 1998-05-25
Also published as: KR100417862B1

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치 및 방법을 개시한다. 개시된 종말점 검출장치로서의 본 발명은, 웨이퍼의 후면에 후면압축이나 진공을 가하기 위한 압력진공라인(11)이 상하로 관통, 형성되고, 상하로 이동되는 캐리어축(1); 상기 캐리어축(1)의 하면에 고정되고, 압력진공라인(11)과 연결된 웨이퍼 홀더 구멍(21)이 형성되며, 하면에 웨이퍼가 고정되는 홀더(2); 상기 홀더(2)의 하면에 배치되어, 웨이퍼의 층간 절연막을 마찰, 제거하는 연마패드(6); 상기 연마패드(6)의 표면에 고정되고, 웨이퍼 홀더(2)의 외곽에 일정간격을 두고 끼워진 컨택트 링(3); 상기 컨택트 링(3)의 상부면에 설치되고, 캐리어축(1)을 이동가능하게 지지하는 가이드 링(4); 상기 가이드 링(4)의 상부면에 설치된 위치감지 포토디텍터(5); 상기 포토디텍터(5)의 높이를 조정하는 것으로서, 가이드 링(4)에 설치된 높이조정 나사(9); 및 상기 포토디텍터(5)로 레이저를 조사하고, 캐리어축(1)의 상부면에 설치되어, 연마두께만큼 하강되는 캐리어축(1)과 함께 하강되는 레이저 다이오우드(8)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치 및 방법

본 발명은 반도체 소자에서 막들간의 절연을 위한 층간 절연막을 평탄화하기 위해 사용되는 화학기계적연마법(CMP;Chemical Mechanical Polishing)에서, 레이저와 위치감지 포토디텍터(photodetector)를 이용해서 웨이퍼의 패턴 유무에 상관없이 연마두께를 검출할 수 있는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치 및 방법에 관한 것이다.

다층배선 구조를 갖는 반도체 소자에서, 각 배선간의 절연을 위해 배선형성전에 하부 배선상에 층간 절연막을 증착되고, 이 층간 절연막상에 상부 배선이 형성된다. 이때, 하부 배선의 표면 요철 때문에 발생하는 상부 배선의 단선문제, 배선 사이에 쇼트 문제를 최소화 하기 위하여 상부 배선을 층간 절연막상에 형성하기 전에, 반드시 층간 절연막을 평탄화시키는 공정이 실시된다.

이러한 평탄화 공정에서 주로 사용되는 방법이 슬러리(slurry)를 이용해서 웨이퍼를 연마패드에 연마하여 층간 절연막의 일정두께를 제거하므로써 평탄화를 이루는 화학기계적연마법이다.

이러한 화학기계적연마법으로 평탄화 공정을 실시하는데 있어서, 가장 중요하고도 어려운 문제가 연마두께를 제어하는 것이다.

그러나, 최근까지는 연마와 동시에 연마두께를 측정하는 방법이 없었기 때문에, 연마 후 두께를 측정하여, 만일 너무 많이 연마되었으면 재증착을 하고 다시 연마를 해야되고, 반대로 덜 연마가 되었으면 다시 연마를 해야되는 불편함과 어려움이 있었다.

이러한 불편 및 어려움을 해소하기 위해 최근에 제시된 방법이 레이저를 이용한 엘립소메트리(ellipsometry)법이다. 엘립소메트리법은 웨이퍼 전면에 레이저를 조사하여 절연막 두께에 따라 사인파 형태의 강도변화를 보이는 반사되는 빛의 강도를 유추하므로써, 남아있는 절연막의 두께, 혹은 연마된 절연막의 두께를 알아내는 방법이다.

그러나, 종래의 엘립소매트리법은 웨이퍼에 레이저를 조사하여 반사되는 빛의 강도롤 연마두께를 측정하기 때문에, 패턴이 형성되어 있는 다층배선 구조에서는 층간 절연막층의 하나가 아니고 수 개가 있고, 또한 그 사이사이에 금속배선이 형성되어 있으므로, 반사되는 빛이 상호간섭을 일으키게 되고, 또한 금속배선에서 반사되는 빛 자체의 노이즈로 인해서 정확한 빛의 강도를 측정할 수가 없게 되고, 이로 인하여 정확한 연마두께를 측정할 수가 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래의 연마두께 측정방법의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 레이저와 위치감지 포토디텍터를 이용해서 웨이퍼에 패턴이나 금속배선의 존재 유무에 상관없이 정확한 연마두께를 측정할 수 있는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 화학기계적연마 종말점 검출장치를 나타낸 단면도.

도 2는 본 고안의 종말점 검출장치의 평면도.

도 3은 본 고안의 주요부인 위치감지 포토디텍터의 배치관계를 나타낸 평면도.

도 4의 (a) 및 (b)와 도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 동작 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1:캐리어축 2:웨이퍼 홀더

3:컨택트 링4:가이드 링

5:위치감지 포토디텍터8:레이저 다이오우드

9:높이조정 나사10:웨이퍼

6:연마패드11:압력진공라인

12:가이드 단부21:웨이퍼 홀더 구멍

41:가이드 홈51:상부 수광센서

52:하부 수광센서

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 종말점 검출장치로서 본 발명은, 웨이퍼의 후면에 후면압축이나 진공을 가하기 위한 압력진공라인이 상하로 관통, 형성되고, 상하로 이동되는 캐리어축; 상기 캐리어축의 하면에 고정되고, 압력진공라인과 연결된 웨이퍼 홀더 구멍이 형성되며, 하면에 웨이퍼가 고정되는 홀더; 상기 홀더의 하면에 배치되어, 웨이퍼의 층간 절연막을 마찰, 제거하는 연마패드; 상기 연마패드의 표면에 고정되고, 웨이퍼 홀더의 외곽에 일정간격을 두고 끼워진 컨택트 링; 상기 컨택트 링의 상부면에 설치되고, 캐리어축을 이동가능하게 지지하는 가이드 링; 상기 가이드 링의 상부면에 설치된 위치감지 포토디텍터; 상기 포토디텍터의 높이를 조정하는 것으로서, 가이드 링에 설치된 높이조정 나사; 및 상기 포토디텍터로 레이저를 조사하고, 캐리어축의 상부면에설치되어, 연마두께만큼 하강되는 캐리어축과 함께 하강되는 레이저 다이오우드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 위치감지 포토디텍터는 일정 경계선을 기준으로 상부 수광센서와 하부 수광센서로 분할되어, 그 경계선으로 레이저 다이오우드에서 조사되는 레이저에 따라 높이 조정 나사로 높이가 조정되어서 영점조정이 되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 종말점을 검출하기 위한 방법으로서 본 발명은, 웨이퍼의 조건에 따라 층간 절연막의 일정두께가 연마되면 연마동작이 정지되도록 레이저 다이오우드로부터 조사된 레이저를 감지하는 위치감지 포토디텍터의 일정 수광신호값이 설정된 다음, 레이저 다이오우드로부터 레이저가 위치감지 포토디텍터의 상부 및 하부 수광센서의 경계선으로 조사되여 영점조정이 된 후, 웨이퍼를 연마패드에 연마하여 층간 절연막의 일정 두께가 제거되어, 두께가 얇아진 만큼 하강되는 웨이퍼와 같이 하강된 레이저 다이오우드로부터 조사된 레이저를 받은 위치감지 포토디텍터의 수광신호값이 설정된 값에 도달하면, 연마동작이 정지되는 것을 특징으로 한다.

상기된 본 발명의 구성에 의하면, 연마된 만큼 하강되는 웨이퍼와 함께 하강된 레이저 다이오우드로부터 조사된 레이저를 위치감지 포토디텍터가 받아 나타낸 수광신호값이 미리 설정된 연마두께와 대응되는 값이 되면, 자동적으로 연마동작이 정지되게 되므로써, 연마두께를 정확하게 검출할 수가 있게 되고, 따라서 웨이퍼의 층간 절연막을 정확하게 연마하여 제거할 수가 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

[실시예]

도 1은 본 발명에 따른 화학기계적연마 종말점 검출장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 평면도이며, 도 3은 본 고안의 주요부인 레이저 다이오우드와 위치감지 포토디텍터의 배치관계를 나타낸 평면도이고, 도 4의 (a) 및 (b)와 도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 동작 설명도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상하로 이동되어 웨이퍼에 압력을 가하는 캐리어축(1)은 웨이퍼 후면에 공압을 가하거나, 또는 진공을 가하여 웨이퍼를 고정시키기 위한 압력진공라인(11)이 상하로 관통, 형성되고, 하단은 소정 두께의 원판 형성을 갖는다. 웨이퍼가 하면에 진공으로 고정되는 웨이퍼 홀더(2)는 캐리어축(1)의 원판 하면에 나사결합되어 고정된다.

웨이퍼의 층간 절연막과 마찰되어 일정 두께를 제거하는 연마패드(6)가 웨이퍼 홀더(2)의 하면과 일정간격을 두고 배치되고, 웨이퍼 홀더(2) 외부에 컨택트 링(3)이 웨이퍼 홀더(2)의 외주와 일정간격을 두고 배치되도록 끼워져 연마패드(6)와 접촉된다. 상하이동되는 캐리어축(1)을 가이드하는 가이드 링(4)이 컨택트 링(3)의 상부면에 고정되고, 캐리어축(1)의 측부에 형성된 가이드 단부(12)가 이동가능하게 삽입된 가이드 홈(41)이 가이드 링(1)에 형성된다.

레이저가 조사되는 레이저 다이오우드(8)가 캐리어축(1)의 원판부분 표면에 설치되어, 캐리어축(1)과 함께 상하로 이동된다. 레이저 다이오우드(8)로부터 조사된 레이저를 받는 위치감지 포토디텍터(5)가 가이드 링(4)의 표면에 설치된다. 즉, 위치감지 포토디텍터(5)는 가이드 링(4)에 고정되어 움직이지 않고, 레이저 다이오우드(8)가 캐리어축(1)과 함께 이동되면서 레이저를 조사하여 위치감지 포토디텍터(5)의 수광 신호값이 변하게 된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 위치감지 포토디텍터(5)는 정중앙에 횡방향을 따라 형성된 경계선을 중심으로 분할된 상부 수광센서(51)와 하부 수광센서(52)로 구성되는데, 하부 수광센서(52)가 받은 빛의 강도에서 상부 수광센서(51)가 받은 빛의 강도를 뺀 값이 측정된다. 그러므로, 경계선에 레이저가 조사되면, 상하 수광센서(51, 52)들이 받는 빛의 강도가 같으므로, 위치감지 포토디텍터(5)의 신호값이 0이 된다.

따라서, 다시 도 1에 도시된 바와 같이, 영점조정을 하면서 위치감지 포토디텍터(5)의 높이를 가변할 수 있도록, 위치감지 포토디텍터(5)의 하부 부분의 가이드 링(40에 높이조정 나사(9)가 체결된다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 레이저 다이오우드(8)와 위치감지 포토디텍터(5)는 캐리어축(1)을 중심으로 180° 등간격으로 2개소에 배치되는데, 보다 정밀한 연마두께를 얻기 위해서 3개소 이상에 배치하여도 무방하다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작을 도 4 및 도 5를 참고로 하여 상세히 설명한다.

먼저, 웨이퍼의 제반 조건, 즉 패턴의 형상이나 금속배선 존재 유무에 따라 연마될 층간 절연막의 두께를 설정하고, 이 설정된 연마두께와 대응되는 위치감지 포토디텍터(5)의 레이저 수광신호값을 설정하여, 이 강도에 이르도록 레이버 빔의 위치가 변하면 연마동작이 즉시 정지되도록 캐리어축(1)에 가해지는 압력이 제거된다.

그런 다음, 도 4A에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(10)를 진공으로 웨이퍼 홀더(2)의 하면에 고정시킨다. 그리고, 레이저 다이오우드(8)로부터 위치감지 포토디텍터(5)로 레이저를 조사하면서, 도 4B와 같이 상부 및 하부 수광센서(51,52)의 경계선에 레이저가 조사되도록 높이조정 나사(9)로 위치감지 포토디텍터(5)의 높이를 조정하여 영점 조정을 한다.

이렇게 초기 세팅이 완료되면, 캐리어축(1)을 통해 압력을 가하면서 캐리어축(1)과 연마패드(6)를 회전시킨다. 이때, 압력진공라인(11)을 통해 압축공기를 웨이퍼(10)의 후면에 가하거나, 또는 진공을 형성시켜서 웨이퍼(10)를 견고히 고정시킨다. 따라서, 웨이퍼(10)는 도 5A와 같이, 연마패드(6)에 마찰, 접촉되어 연마되므로써 층간 절연막이 제거되면서 평탄화가 된다.

이와같이, 캐리어축(1)과 웨이퍼 홀더(2)가 하강하게 되면, 레이저 다이오우드(8)도 같이 하강하게 되므로, 레이저 다이오우드(8)로부터 위치감지 포토디텍터(5)로 조사되는 레이저의 위치가 도 5와 같이, 경계선에서 하부로 점점 이동된다. 즉, 레이저의 조사위치가 하부 수광센서(52)의 하부로 점점 이동된다.

이렇게, 레이저의 조사위치가 하부로 이동되면 포토디텍터(5)의 신호값이 증가하게 되고, 그 신호값이 미리 설정된 수치에 도달하면, 그 즉시 압력공급이 중단되어 캐리어축(1)과 웨이퍼 홀더(2)는 더 이상 하강하지 않고 그 위치에서 정지된다. 따라서, 층간 절연막은 더 이상 연마되어 제거되지 않고, 미리 설정된 두께만큼만 정확하게 연마되어진다. 즉, 화학기계적 연마의 종말점이 정확하게 제어가 된다.

상기된 바와 같이 본 발명에 의하면, 웨이퍼의 패턴 형상과 금속배선의 유무에 상관없이 레이저 다이오우드(8)와 위치감지 포토디텍터(5)를 이용해서 층간 절연막의 연마두께를 정확하게 제어할 수가 있게 되므로써, 화학기계적연마법을 이용한 평탄화 공정의 신뢰도가 크게 향상된다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims

웨이퍼의 후면에 후면압축이나 진공을 가하기 위한 압력진공라인이 상하로 관통, 형성되고, 상하로 이동되는 캐리어축: 상기 캐리어축의 하면에 고정되고, 압력진공라인과 연결된 웨이퍼 홀더 구멍이 형성되며, 하면에 웨이퍼가 고정되는 홀더; 상기 홀더의 하면에 배치되어, 웨이퍼의 층간 절연막을 마찰, 제거하는 연마패드; 상기 연마패드의 표면에 고정되고, 웨이퍼 홀더의 외곽에 일정간격을 두고 끼워진 컨택트 링; 상기 컨택트 링의 상부면에 설치되고, 캐리어축을 이동가능하게 지지하는 가이드링; 상기 가이드 링의 상부면에 설치된 위치감지 포토디텍터; 상기 포토디텍터의 높이를 조정하는 것으로서, 가이드 링에 설치된 높이조정 나사; 및 상기 포토디텍터로 레이저를 조사하고, 캐리어축의 상부면에 설치되어, 연마두께만큼 하강되는 캐리어축과 함께 하강되는 레이저 다이오우드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치.
청구항 2에 있어서, 상기 위치감지 포토디텍터는 일정 경계선을 기준으로 상부 수광센서와 하부 수광센서로 분할되어, 그 경계선으로 레이저 다이오우드에서 조사되는 레이저에 따라 높이 조정 나사로 높이가 조정되어서 영점조정이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 캐리어축의 외주에 180° 등간격으로 가이드 단부가 형성되고, 상기 가이드 단부가 이동가능하게 삽입되는 가이드 홈이 상기 가이드 링의 내주에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출장치.
웨이퍼의 조건에 따라 층간 절연막의 일정두께가 연마되면 연마동작이 정지되도록 레이저 다이오우드로부터 조사된 레이저를 감지하는 위치감지 포토디텍터의 일정 수광신호값이 설정된 다음, 레이저 다이오우드로부터 레이저가 위치감지 포토디텍터의 상부 및 하부 수광센서의 경계선으로 조사되여 영점조정이 된 후, 웨이퍼를 연마패드에 연마하여 층간 절연막의 일정 두께가 제거되어, 두께가 얇아진 만큼 하강되는 웨이퍼와 같이 하강된 레이저 다이오우드로부터 조사된 레이저를 받은 위치감지 포토디텍터의 수광신호값이 설정된 값에 도달하면, 연마동작이 정지되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 절연막 평탄화용 화학기계적연마 종말점 검출방법.