KR20000015996A - 스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화 방법 - Google Patents

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칼 엠. 로빈슨
마이클 에이. 워커
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린치 마이클 엘.
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Abstract

본 발명은 스톱-온-피쳐 디자인 웨이퍼를 평탄화하는데 아주 유용한 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화 방법이다. 초기에, 상기 웨이퍼는 수용액을 향하여 연마 패드의 평탄화 표면 위에 위치된다. 상기 웨이퍼와 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 유지하기 위해서 상기 웨이퍼 또는 패드의 적어도 하나는 나머지 하나에 대해 낮은 상대 속도로 이동된다. 패드 압반의 온도는 용액이 상기 웨이퍼상의 물질 층에 대해 크게 선택적으로 되는 수용액의 상대적으로 낮은 온도를 유지하기 위해 또한 제어된다.

Description

스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화 방법
발명의 배경
화학적-기계적 평탄화 공정은 초고접적 회로(ultra-high density integrated circuits)의 생성에서 웨이퍼의 표면층을 평탄화하기 위해 종종 사용된다. 여러 CMP 공정에 있어서, 웨이퍼는 통제된 화학적 상태, 압력, 속도 및 온도 상태 하에서 CMP 매체(medium)에 노출된다. 종래의 CMP 매체는 연마 패드(polishing pads)와 슬러리(slurry)를 포함하며, 특히 작은 연삭 입자(abrasive particle)와 반응성 화학 약품(reactive chemicals)을 포함하는 슬러리 용액은 연마 패드 상의 평탄화 표면을 피복한다. 상기 웨이퍼 및/또는 연마 패드는 서로에 대해 이동되어 CMP 매체가 웨이퍼의 표면을 제거하도록 한다.
CMP 공정은 웨이퍼 상의 균일하고 평탄한 표면을 희망하는 종단점(end-point)에서 일관되고 정확하게 평탄화해야만 한다. 웨이퍼 상에 여러 물질로 이루어진 층을 침착하고, 상기 웨이퍼와 다른 물질 층을 포토리소그래픽, 에칭 및 도핑 공정으로 처리함으로써 단일 웨이퍼 상에 수백 개의 마이크로 전자 장치가 통상적으로 제조된다. 초고집적도 회로를 제조하기 위해서, 다이(die)의 소자 성분의 기하학적 형태(geometries)가 상기 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 정확하게 위치될 수 있도록 CMP 공정은 아주 평탄한 표면을 제공해야만 한다. 예를들면, 오늘날의 리소그래픽 기술은 대략 0.1∼0.5㎛의 오차 내에서 회로 패턴에 정확하게 초점을 맞추어야만 한다. 만약 웨이퍼의 표면이 고도로 평탄하지 않다면, 회로 패턴은 몇 몇 영역에서 충분하게 초점이 맞지 않을 것이고, 그 결과 결함이 있는 장치가 생성되게 된다. 따라서, 웨이퍼 상에서 균일하게 평탄한 표면을 일관되고 정확하게 평탄화하는 것이 중요하다.
그러나, 현재의 CMP 공정은 웨이퍼 전체에 걸쳐 충분히 균일하고 평탄한 표면을 일관되게 생성하지 못한다. 웨이퍼의 표면에서 물질이 제거되는 비율("연마 비율")은 결과적으로 생성되는 표면의 균일성에 영향을 끼치는데, 웨이퍼 상의 영역마다 상기 비율이 변하기 때문이다. 상기 연마 비율은 몇 몇 이유로 인해 웨이퍼의 표면에서 변하게 되는데, 이러한 이유로는 다음과 같은 것들이 있다: (1) 웨이퍼의 표면과 상기 웨이퍼의 중심에서 그 가장자리로의 연마 패드 사이의 상대적인 속도 차이; (2) 웨이퍼의 표면에 걸친 슬러리 분포 및 유동 속도(flow rate)에서의 차이; (3) 웨이퍼에 걸친 물질의 구성에서의 어떤 변화; (4) 웨이퍼의 활판술(typography)의 비균일 정도; (5) 웨이퍼의 표면과 연마 패드의 표면이 CMP 공정을 통해 서로 평행하게 되지 않음; (6) 슬러리 온도가 웨이퍼의 표면에 걸쳐 변함; 및 (7) 연마 패드의 상태가 변하여 연마 패드의 균일성을 감소시킴. 따라서, 웨이퍼의 연마 비율이 웨이퍼의 영역마다 변할 수 있기 때문에, 현재의 CMP 공정은 웨이퍼 상에서 충분하게 평탄한 표면을 일관되게 생성하지 못한다.
웨이퍼 표면의 균일도와 평탄도를 향상시키기 위한 CMP 공정의 비교적 새로운 양상은 스톱-온-피쳐 웨이퍼 디자인이다. 통상적인 SOF 웨이퍼에 있어서, 제 1의 물질 층이 웨이퍼 기판과 상기 기판 상에 제조된 배선(features) 위에 침착되고, 제 2의 물질층이 상기 제 1의 층위에 침착된다. 상기 제 1의 층은 상대적으로 낮은 연마 비율을 갖는 물질로 이루어지고, 상기 제 2의 층은 상대적으로 높은 연마 비율을 갖는 물질로 이루어진다. 동작에 있어서, 상기 제 2의 층은 상기 제 1의 층이 노출될 때까지 평탄화된다. 상기 제 1의 층이 상기 제 2의 층보다 낮은 연마 비율을 갖기 때문에, 상기 제 2의 층의 임의의 높은 영역이 상기 제 1의 층의 노출된 영역보다 더 빨리 제거될 것이다. 따라서, SOF 디자인은 CMP 공정으로 하여금 웨이퍼의 높은 지점을 낮은 지점보다 더 빨리 제거하도록 하기 때문에 웨이퍼의 균일성과 평탄도를 향상시킨다.
현재의 CMP 산화 공정으로 SOF 웨이퍼를 평탄화할 때 발생하는 문제점은 결과적으로 생성되는 웨이퍼의 표면이 여전히 몇 몇 마이크로전자 장치에 대해서 충분히 균일하게 평탄하지 못하다는 것이다. 예를들면, 일반적으로 종래의 CMP 공정은 SOF 웨이퍼 상에서 상기 제 1 및 제 2의 층의 물질간의 접면에서 2000Å∼3000Å의 단계적 높이를 갖는 표면을 생성한다. SOF 웨이퍼의 평탄화된 표면은 웨이퍼로부터 물질을 제거하기 위해 현재의 CMP 공정이 주로 연마 패드의 기계적 연마와 슬러리에서의 입자에 의존하기 때문에 충분히 균일하지 못하고; 따라서 상기 제 1의 층의 몇 몇 영역은 웨이퍼의 표면과 연마 패드의 표면이 서로 평행하지 않을 때, 또는 슬러리가 웨이퍼 하에서 균일하게 분포되지 않을 때 다른 영역에 앞서 노출될 것이다.
종래의 CMP 공정으로 SOF 웨이퍼를 평탄화할 때 발생하는 다른 문제점은 연마 패드 균일도가 패드의 영역마다 제거 비율이 크게 변하도록 감소하는 점이다. 상기 제 1의 층이 딱딱하기 때문에, 웨이퍼 상에서 초기에 노출된 두 성분 영역은 패드 상의 국부화된 영역을 연마시키며(abrade) 그 결과 상기 패드는 국부화된 영역에서 높은 제거 비율을 갖게된다. 역으로, 상기 웨이퍼 상의 부드러운 제 2의 층은 다른 영역의 패드에 글레이즈(glaze)를 입혀서 상기 패드로 하여금 글레이즈가 입혀진(glazed) 영역 상에서 낮은 제거 비율을 갖도록 한다. 따라서, 종래의 SOF 웨이퍼 평탄화는 완성된 웨이퍼의 평탄도를 감소시키는 연마 패드 균일도의 큰 일탈(divergence)을 유발한다.
종래의 CMP 공정은 상기 제 1의 물질 층보다 더 빠른 비율로 상기 제 2의 물질 층을 화학적으로 제거하는 선택적인 슬러리를 사용함으로써 SOF 웨이퍼 상에서 단계적 높이를 감소시킨다. 산출량을 증가시키기 위해, 종래의 CMP 공정은 또한 패드와 웨이퍼 사이에서 높은 상대 속도와 패드-웨이퍼 접면에서 높은 온도를 사용한다. 그러나, 슬러리의 선택은 더 높은 온도에서 감소되는데, 그 이유는 열이 슬러리의 화학 약품으로 하여금 상기 제 1의 층의 물질과 보다 더 적극적으로 반응하도록 하기 때문이다. 따라서, 슬러리가 제 2의 층에 대해 선택적이라 할지라도, 완료된 표면은 상기 제 1의 층의 초기에 노출된 영역에서 낮은 지점을 갖게 될 것이다. 또한, 상기 제 1의 층의 일부가 이제 노출되기 때문에, 연마 싸이클 동안 비균일성이 연마 패드에 나타나게 되어 비노출된 영역의 불균일한 연마로 나타나게 된다.
따라서, (1) 상기 제 1의 층의 초기에 노출된 영역에서 제거되는 물질의 양을 감소시키고; (2) 상기 제 2의 절연층으로부터 물질이 빨리 평탄화되는 것을 여전히 허용하며; (3) 상기 제 1의 층의 노출된 부분이 연마 패드와 상기 제 2의 층의 동시적인 연마에 대해 갖게 되는 영향을 최소화하는 CMP 공정을 개발하는 것이 바람직하다.
발명의 요약
본 발명의 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화 방법에 있어서, 웨이퍼는 연마 패드의 평탄화 표면상의 수용액(liquid solution) 층에 대해 위치된다. 패드 또는 웨이퍼의 적어도 하나는 상대적으로 낮은 제어된 속도로 나머지에 대해 이동되어 웨이퍼와 연마 패드 사이에서 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공한다. 패드 압반(pad platen)의 온도는 희망하는 수용액의 온도를 유지하고 패드를 강하기 위해 제어된다.
본 발명에 따른 방법의 한 양호한 실시예에 있어서, 웨이퍼는 평탄화 표면과 슬러리 용액을 유지하기 위한 평탄화 표면에 형성된 다수의 웰(well)을 갖는 고-슬러리 전송 패드(high-slurry-transport pad)상에 위치된다. 각 웰은 평탄화 표면상에 개구 영역(open area)을 나타내는 구멍을 평탄화 표면에서 갖는다. 상기 구멍은 바람직하게는 서로로부터 분리되어 상기 구멍의 개구 영역과 패드 전체에 걸친 평탄화 표면의 표면 영역 사이에서 실질적으로 일정한 비율을 제공한다. 상기 웰은 선택적인 슬러리 용액으로 채워지고, 상기 웨이퍼와 패드는 슬러리를 상기 웰로부터 도출하고 상기 웨이퍼의 표면상의 층을 선택적으로 평탄화하기 위해 서로에 대해서 이동된다.
기술 분야
본 발명은 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화(chemical-mechanical planarization; CMP) 방법에 관한 것으로, 특히, 스톱-온-피쳐(Stop-On-Feature; SOF) 웨이퍼의 표면에 걸쳐 균일한 표면을 생성하는 화학적-기계적 평탄화 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 종래의 연마 패드 상의 웨이퍼의 개략적인 정면도.
도 2는 도 1의 웨이퍼와 연마 패드의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화를 위한 방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 평탄화된 웨이퍼의 단면도.
도 5A는 본 발명의 방법에 따라 사용된 연마 패드의 정면도.
도 5B는 도 5A의 연마 패드의 단면도.
도 6은 본 발명의 방법에 따라 사용된 다른 연마 패드의 정면도.
도 7은 본 발명의 방법에 따라 사용된 다른 연마 패드의 정면도.
도 8은 본 발명의 방법에 따라 사용된 다른 연마 패드의 정면도.
도 9A는 동작의 한 시점에서 본 발명의 방법에 따라 사용된 연마 패드의 개략적인 단면도.
도 9B는 동작의 후속하는 한 시점에서 도 9A의 연마 패드의 개략적인 단면도.
본 발명은 연마 정지 층(polishing stop layer)이 노출된 이후에도 SOF 웨이퍼상의 평탄화된 표면의 균일도를 향상시키는 CMP 처리용 방법을 제공한다. 본 발명의 한 양호한 실시예에 있어서, 상기 방법은 SOF 디자인의 제 1의 층의 초기에 노출된 영역으로부터 물질이 평탄화 되는 것을 실질적으로 방지하면서, 여전히 물질의 제 2의 바깥쪽 층으로부터 평탄화 되는 것을 허용하는데 적합하다. 본 발명의 중요한 양상은 웨이퍼와 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 보유하고 패드-웨이퍼 접면에서의 온도를 감소시키기 위해서 상대적으로 낮은 속도로 웨이퍼와 연마 패드를 이동한다. 본 발명의 중요한 다른 양상은 수용액의 온도를 상기 용액이 SOF 웨이퍼의 제 2의 바깥쪽 층에 대해 아주 선택적인 범위에 있도록 유지하기 위해 압반 온도를 제어한다. 웨이퍼와 패드 사이의 실질적으로 연속적인 액체의 막은 웨이퍼 전체에 걸쳐 용액의 더 균일한 분포를 제공하며, 이것은 패드-웨이퍼 접면에서의 온도를 감소시켜 용액의 화학 물질이 웨이퍼에서 물질을 더욱 선택적으로 제거하도록 한다. 또한, 더 낮은 압반 온도는 패드-웨이퍼 접면에서 온도를 감소시켜 수용액의 선택적 제거 특성을 더 강화시키고 패드를 더 강하게 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 종래 연마 처리에 의해 평탄화된 웨이퍼(30)의 정면도이다. 연마 패드(10)는 화살표(P)로 도시된 방향으로 대략 40rpm으로 회전하며, 웨이퍼(30)는 화살표(R)로 도시된 방향으로 대략 10-30rpm으로 회전한다. 상기 웨이퍼(30)는 회전하는 동안 연마 패드(10)에 걸쳐 이동된다. 슬러리(20)는 파이프(21)를 통해 연마 패드(10)의 상부에 방출된다(discharged). 웨이퍼(30)는 연마 패드(10)로부터 슬러리(20)를 떼어내고, 따라서 슬러리(20)는 웨이퍼(30) 주변에서 리딩 에지(33)를 따라 대체로 내부 지점(32)에서 외부 지점(34)으로 연장하는 높은 영역(high zone; 22)을 형성하게 된다. 연마 패드(10)가 웨이퍼(30)의 아래에서 트레일링 에지(35)를 향해 진행할 때, 높은 영역(22)에서의 슬러리의 초과분은 웨이퍼의 중심에서 트레일링 에지(35)로 슬러리를 고갈시킨다. 따라서 상기 웨이퍼(30)는 중심에서 에지로의 균일하지 않은 슬러리 분포를 갖게되는데, 이것은 웨이퍼 표면의 균일도를 감소시킨다.
도 2는 종래의 CMP 방법으로 평탄화된 SOF 웨이퍼(30)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 웨이퍼(30)는 그 표면에 다수의 배선(features; 37)을 구비한다. 제 1의 절연층(40)이 상기 배선(37)과 웨이퍼(30)상에 침착되고, 제 2의 절연층(42)이 상기 제 1의 절연층(40) 위에 침착된다. 상기 제 1의 절연층(40)은, 상기 본 발명의 배경에서 설명된 바와 같이, 결과적으로 발생하는 절연층의 평탄도를 향상시키기 위해 제 2의 절연층(42)의 연마 비율보다 더 낮은 연마 비율을 갖는다. 상기 웨이퍼(30)는 제 2의 절연층(42)의 표면이 슬러리(20)에 대향하여 위치하도록 연마 패드(10)의 반대편에 위치된다. 도 2에 양호하게 도시된 바와 같이, 슬러리(20)의 높은 영역(high zone; 22)은 리딩 에지(33)의 인접한 영역을 따라 형성되지만, 낮은 영역(24)은 웨이퍼의 거의 중심에서 트레일링 에지(35)까지 실질적으로 슬러리(20)가 없다. 따라서, 결과적으로 생성되는 표면의 기계적 및 화학적 제거는 슬러리가 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 고르게 분포되지 않기 때문에 일반적으로 불균일하다.
도 3은 SOF 반도체 웨이퍼의 화학적-기계적 평탄화 방법의 일 실시예의 단계를 설명한다. 본 방법의 첫 번째 단계(18)에서, 웨이퍼는 수용액에 향하게 하여 연마 패드의 평탄화 표면상에 위치된다. 상기 수용액은 연삭 입자로 상기 웨이퍼로부터 물질을 기계적으로 제거하고 에칭 및/또는 산화 화학 약품으로 물질을 화학적으로 제거하는 종래의 CMP 슬러리일 것이다. 양호한 실시예에 있어서, 연삭 입자는 CeO2와 같은 실리콘 산화물에 선택적인 물질로 이루어진다. 수용액은 실리콘 질화물(silicon nitride)의 하부층으로부터 실리콘 산화물을 선택적으로 제거하기 위한 활성 작용제(active agent)와 같은 암모늄 수산화물(ammonium hydroxide)을 포함하는 용액과 같이, 연삭 입자를 포함하지 않는 비-연삭 수용액일 수도 있다. 비-연삭 수용액의 경우에 있어서, 바람직하게는 연마 패드는 패드 상의 연삭 연마 표면(abrasive polishing surface)을 제공하기 위해 연삭 입자가 주입된다.
본 방법의 후속 단계(182)에 있어서, 상기 웨이퍼와 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공하기 위해서 상기 패드와 웨이퍼는 서로에 대해 상대적으로 낮은 속도로 이동된다. 일반적으로, 20-24 인치 직경의 패드가 대략 25-35rpm으로, 바람직하게는 30rpm으로 회전한다. 상기 웨이퍼는 대략 10-30rpm으로, 바람직하게는 대략 15rpm으로 회전한다. 상기 패드와 웨이퍼 사이의 상대적인 속도는 상기 수용액 상의 웨이퍼를 하이드로플레이닝(hydroplane) 하도록 그리고 상기 웨이퍼와 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공하도록 제어된다. 특정 실시예에서, 델라웨어주 뉴아크의 로델주식회사에 의해 제조되고, 표준의 구멍(standard perforation)을 갖는 Rodel IC-1000 구멍이 뚫린 패드는 Rodel ILD-1300 슬러리(로델주식회사에 의해 역시 제조됨)로 피복된다. 본 방법에서 상기 패드와 웨이퍼 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공하기 위해서, 바람직하게는 상기 패드는 25-35rpm으로 회전하고, 상기 웨이퍼는 바람직하게는 10-30 rpm으로 회전하며, 웨이퍼에 대한 하향력(down force)은 바람직하게는 5psi이다.
상기 웨이퍼와 패드 사이의 상대적인 속도는 웨이퍼로부터 물질의 선택적인 제거를 향상시키기 위해 종래의 CMP 기술에 비해 일반적으로 낮다. 낮은 상대 속도는 더 적은 연삭 입자가 웨이퍼의 표면을 연마하기 때문에 웨이퍼 물질의 비선택적인 기계적 제거를 감소시킨다. 또한 낮은 상대 속도는 물질의 화학적인 선택적 제거를 향상시키는데, 그 이유는 더 균일한 수용액의 막이 웨이퍼의 표면을 피복하고 패드-웨이퍼 접면에서의 온도가 감소되기 때문이다.
본 방법의 다른 후속하는 단계(184)에서, 패드의 온도는 웨이퍼로부터 물질의 선택적인 제거를 더 향상시키도록 제어된다. 패드 온도는 압반을 대략 85℉∼105℉, 바람직하게는 대략 89℉∼91℉로 유지함으로써 제어된다. 압반을 대략 115℉로 가열하는 종래의 CMP 처리와 비교해서, 압반 온도는 본 발명의 방법에서 상당히 낮다. 더 낮은 압반 온도는 슬러리의 화학 약품이 웨이퍼 상의 물질과 반응하는 비율을 감소시켜 한 물질 층의 선택적인 제거를 더 향상시킨다.
도 4를 참조하면, 도 3을 참조로 논의된 방법에 따라 평탄화된 SOF 웨이퍼(30)가 도시된다. 상기 패드는 대략 25-35rpm으로 회전하고, 상기 압반(12)은 대략 85℉∼105℉로 가열된다. 상기 슬러리(20)는 상기 제 1의 절연층(40)으로부터 크게 물질을 제거하지 않으면서 상기 제 2의 절연층(42)으로부터 물질을 제거하도록 상기 웨이퍼(30) 상의 제 2의 절연층에 대해 선택적이다. 따라서, 상기 제 1의 절연층(40)의 일부가 상기 제 2의 층(42)이 완전히 평탄화되기 전에 노출될지라도, 상기 웨이퍼(30)가 더 평탄화될 때 극소량의 물질이 상기 제 1의 층(40)의 노출된 부분으로부터 제거된다.
도 3 및 도 4에 도시된 방법은 SOF 웨이퍼 상에 더 균일한 표면을 생성하는데, 그 이유는 이것이 웨이퍼의 기계적 연마를 감소시키고 상기 제 2의 절연층(42)의 선택적 제거를 향상시키기 때문이다. 본 발명은 상기 패드와 웨이퍼 사이에 얇고 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공하는 상대 속도에서 상기 패드와 웨이퍼를 서로에 대해 이동시킴으로써 물질의 기계적 제거를 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 제 2의 절연층(42)의 선택적 제거를 향상시키는데, 그 이유는 더 느린 패드 속도와, 더 낮은 패드-웨이퍼 접면 온도, 및 감소된 연마가 슬러리 화학 약품이 상기 제 1의 절연층(40)을 크게 제거하지 않으면서 제 2의 절연층(42)을 활성적으로 제거하도록 하기 때문이다. 결과적으로, 도 3에 도시된 방법은 200Å∼300Å 사이의 단계적 높이를 갖는 웨이퍼를 생성한다.
도 3 및 도 4에 도시된 방법은 또한 웨이퍼의 표면을 더 균일하게 평탄화시키는데, 그 이유는 연마 패드 표면이 실질적으로 균일하게 열화되기 때문이다. 상기 패드와 웨이퍼 사이의 실질적으로 연속적인 수용액 막은 패드와 웨이퍼 사이의 접촉을 감소시킨다. 결과적으로, 웨이퍼 상의 초기에 노출된 두 성분 영역은 패드 상의 국부화된 영역을 연마하는 것이 실질적으로 방지된다. 따라서, 패드 전체에 걸친 연마 비율의 공간적 차별은 본 발명에 의해 실질적으로 감소된다.
본 발명의 방법은 웨이퍼의 표면에 걸쳐 수용액의 전송을 향상시키는 연마 패드에 의해 바람직하게 수행된다. 상기 수용액은 바람직하게는 CMP 슬러리이고, 이하, 슬러리에 대한 참조는 연삭 입자를 포함하거나 또는 포함하지 않는 수용액을 포함할 것이다. 도 5A 및 도 5B는 몸체(101)와 상기 몸체(101)에 형성된 다수의 웰을 구비하는 적절한 고-슬러리-전송 연마 패드(100)를 도시한다. 상기 몸체(101)의 상부 표면은 평탄화 표면(106)을 나타내고, 각 웰은 평탄화 표면(106)에서 구멍(104)을 갖는다. 상기 구멍(104)은 각각 개구 영역을 구비하는데, 원형 구멍의 경우에 있어서, 상기 개구 영역은 각 구멍(104)의 직경(d)으로 결정된다. 상기 구멍(104)은 상기 평탄화 표면(106)의 표면 영역에 대한 상기 구멍(104)의 개구 영역의 비가 전체 패드(100)에 걸쳐 실질적으로 일정하도록 균일한 형태로 서로 떨어져 있다. 예를들면, 영역(110)에서 상기 표면 영역(106)에 대한 상기 구멍(104)의 개구 영역의 비는 다른 영역(112)의 것과 실질적으로 동일하다.
도 6 내지 도 8은 고-슬러리-전송 연마 패드의 다른 실시예를 도시한다. 도 6은 균일한 형태로 형성된 웰(102)을 갖는 연마 패드(200)를 도시하는데, 여기서 상기 웰(102)은 패드(200)의 표면 영역 전체에 걸쳐 일정한 거리로 서로 분리되어 있다. 도 7은 사각형 구멍(304)을 구비하는 웰(302)을 갖는 다른 연마 패드(300)를 도시하며, 도 8은 타원형 구멍(404)을 구비하는 웰(402)을 갖는 다른 패드(400)를 도시한다. 양호한 실시예에 있어서, 도 5A 및 도 5B에 도시된 패드(100 및 200)의 구멍(104)과 같이 원형 구멍을 갖는 패드가 본 발명의 방법에서 사용된다.
본 발명의 방법의 동작과 이점 및 고-슬러리-전송 패드가 도 9A 및 도 9B에 잘 도시되어 있다. 도 9A는 제 1의 시점에서 패드(100)에 의해 연마되는 SOF 웨이퍼(30)를 개략적으로 도시한다. 상기 패드(100)는 방향(P)으로 25-35 rpm의 비율로 회전하고, 웨이퍼(30)는 방향(R)으로 10 내지 30 rpm 사이의 속도로 회전하여, 웨이퍼(30)가 실질적으로 연속적인 슬러리의 막에 오르게 된다(ride). 상기 패드(100)는 일반적으로 상기 웨이퍼(30)보다 훨씬 더 큰 직경을 가지며, 따라서 상기 패드(100)는 웨이퍼(30)의 선속도(linear velocity)보다 훨씬 더 큰 선속도를 갖는다.
동작에 있어서, 웰(102(j) 내지 102(m))에 의해 도시된 바와 같이, 슬러리(20)는 상기 웰(102)이 웨이퍼(30) 아래로 전달되기 전에 상기 웰(102)을 채운다. 상기 패드(100)와 웨이퍼(30) 사이의 속도에서의 차이는 상기 웰(102)에서 슬러리(20)를 도출하는 패드의 평탄화 표면(106)을 따라 낮은 압력 영역을 생성한다. 역으로, 웰(102h)은 평탄화 표면(106) 위의 낮은 압력 영역이 웰(102(h))로부터 약간의 슬러리를 도출하기 때문에 슬러리(20)의 더 낮은 레벨(108)에 의해 경계 지워진 빈 공간(109(h))을 갖는다. 패드(100)가 웨이퍼(30) 아래에서 이동할 때, 슬러리는 웨이퍼(30)의 트레일링 에지(35)를 지나서 전달될 때까지 웰로부터 계속적으로 도출된다. 따라서, 웰(102(a))에서, 슬러리의 더 낮은 레벨(108)은 자신의 구멍(104(a)) 바로 밑에 존재한다.
도 9B는 웰(102(l))이 리딩 에지(33)에서 트레일링 에지(35)로 이동한 후의 시점에서의 패드(100)를 도시한다. 웰(102(a))과 마찬가지로, 웰(102(l))의 슬러리는 웰에서 상기 제 2의 절연층(42)과 평탄화 표면(106) 사이의 공간으로 도출된다.
구멍(104)의 크기는 웰(102)에서 슬러리를 도출하도록 평탄화 표면(106)에서 충분히 큰 압력 차이를 생성할 만큼 충분히 작다. 한 실시예에서, 원형 구멍은 1 내지 3㎜ 사이의 직경을 가지지만, 다른 구멍의 크기는 패드(100)와 웨이퍼(30) 사이의 속도 차에 따른 본 발명의 영역 내에 있다. 웰(102)의 깊이와 폭은 충분한 양의 슬러리(20)를 유지할 만큼 충분히 크기 때문에 상기 웰은 웨이퍼(30)의 트레일링 에지(35)를 통과하는 시간까지 완전히 잠기지는 않는다.
도 9A 및 도 9B에 도시된 패드(100)와 같은 고-슬러리-전송 패드는 상기 제2의 절연층(42)에 선택적인 슬러리를 갖는 SOF 웨이퍼를 평탄화하기 위한 본 발명의 방법에 특히 유용하다. 상기 패드(100)는 웨이퍼(30)와 패드(100) 사이에 실질적으로 연속적인 슬러리의 막을 제공하는 기능을 향상시킨다. 따라서, 본 발명의 방법에서 사용될 때, 고-슬러리-전송 패드는 상기 제 1의 절연층(40)의 초기에 노출된 영역으로부터 물질의 제거를 더 감소시킨다.
본 발명은 슬러리의 선택성에 의존하기 때문에 평탄화된 표면의 균일도를 크게 향상시키고, 기계적 평탄화를 감소하면서 화학적 평탄화를 최대화함으로써 이러한 선택성을 향상시킨다. 슬러리 용액의 선택성은 본 발명의 방법의 하기와 같은 양상에 의해 향상된다; (1) 패드와 웨이퍼 사이에 실질적으로 연속적인 슬러리의 막을 제공하며 패드-웨이퍼 접면에서의 온도를 감소하는 낮은 속도에서 상기 웨이퍼와 패드를 서로에 대해 이동시키고; (2) 패드-웨이퍼 접면에서의 온도를 감소시키기 위해 상대적으로 낮은 압반 온도를 사용한다. 슬러리의 선택성을 향상시키기 위해, 고-슬러리-전송 패드가 본 발명의 방법에서 바람직하게 사용된다. 따라서, 본 발명은 상기 제 1의 층의 초기에 노출된 영역으로부터 물질의 제거를 실질적으로 방지하면서, 여전히 상기 제 2의 절연층으로부터 물질의 제거를 허용한다.
설명을 위해 본 발명의 특정 실시예가 상술되었지만, 본 발명의 취지와 영역을 벗어나지 않으면서 여러 수정예가 실시될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (26)

  1. 스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 스톱-온-피쳐 층으로부터 상부층을 선택적으로 제거하는 화학적-기계적 평탄화 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼를 연마 패드의 평탄화 표면상에 수용액 층에 대향하게 하여 위치시키는 단계와;
    상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 제공하기 위해서 상기 패드 또는 웨이퍼의 적어도 하나를 나머지에 대해 상대적으로 낮은 상대속도로 이동시키는 단계; 및
    원하는 수용액의 온도를 유지하고 상기 연마 패드를 강화하기 위해서 상기 패드가 위치되는 압반(platen)의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 압반을 대략 85℉와 105℉ 사이의 온도에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어 단계는 상기 압반을 대략 89℉와 91℉ 사이의 온도에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 패드를 대략 20∼200ft/min의 속도로 이동시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 패드를 대략 95ft/min의 속도로 이동시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 패드를 대략 95ft/min의 속도로 이동시키며,
    상기 제어 단계는 상기 압반을 대략 89℉와 91℉ 사이의 온도에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 수용액은 연삭 입자(abrasive particles)를 포함하는 연마 슬러리(polishing slurry)를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 수용액은 연삭 입자가 없는 비-연삭 연마 용액을 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 연마 패드는 연삭 입자가 주입된 매트릭스 물질(matrix material)을 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 이동 단계는 10∼50rpm으로 상기 웨이퍼를 회전시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  11. 제 4항에 있어서, 상기 이동 단계는 10∼50rpm으로 상기 웨이퍼를 회전시키는 단계를 더 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 상부층은 도핑된 실리콘 산화물로 이루어지고 상기 스톱-온-피쳐 층은 실리콘 질화물로 이루어지는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  13. 스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 스톱-온-피쳐 층으로부터 상부층을 선택적으로 제거하는 화학적-기계적 평탄화 방법에 있어서,
    연마 패드의 평탄화 표면 위에 상기 웨이퍼를 위치시키는 단계로서, 상기 연마 표면이 상기 웨이퍼와 패드 사이에서 유체 전송을 향상시키도록 구성되는 단계와;
    상기 평탄화 표면을 수용액으로 피복하는 단계와;
    상기 웨이퍼와 상기 연마 패드 사이에 실질적으로 연속적인 수용액의 막을 유지하기 위해서 상기 웨이퍼 또는 패드의 적어도 하나를 나머지 하나에 대해 상대적으로 낮은 속도로 이동시키는 단계; 및
    용액이 상기 웨이퍼 상의 물질의 층에 대해 크게 선택적으로 되는 수용액의 원하는 온도를 유지시키고 상기 패드를 강화하기 위해서, 상기 연마 패드가 위치되는 압반의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 연마 패드는 슬러리 용액을 보유하기 위한 다수의 웰을 구비하고, 상기 평탄화 표면은 표면 영역을 구비하며 각 웰은 상기 평탄화 표면상에서 개구 영역을 나타내는 구멍을 구비하며, 상기 구멍은 패드에 걸쳐 상기 구멍의 개구 영역과 평탄화 표면의 영역 사이에 일정 비율을 제공하기 위해서 서로로부터 분리되어 떨어져 있는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 연마 패드는 상기 평탄화 표면에 형성된 그루브(grooves)를 구비하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  16. 제 13항에 있어서, 스톱-온-피쳐 층 디자인의 한 층으로부터 물질을 선택적으로 제거하는 슬러리 용액을 선택하는 단계를 더 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 구멍은 웨이퍼가 상기 웰을 지나갈 때 상기 웰에 인접한 슬러리에서 낮은 압력 영역을 생성하도록 크기가 정해지고, 이것에 의해 상기 웰의 슬러리 용액의 일부가 상기 웰에서 도출되어 상기 웨이퍼와 접촉하여 웨이퍼 표면에 걸쳐 실질적으로 일정 양의 슬러리 용액을 분포시키는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  18. 제 13항에 있어서, 상기 제어 단계는 압반 온도를 대략 85℉와 105℉ 사이에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  19. 제 13항에 있어서, 상기 제어 단계는 압반 온도를 대략 89℉와 91℉ 사이에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  20. 제 13항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 패드를 대략 20∼200ft/min 속도로 이동시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  21. 제 13항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 패드를 대략 95rpm 속도로 이동시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 이동 단계는 상기 웨이퍼를 10∼50rpm으로 회전시키는 단계를 더 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  23. 스톱-온-피쳐 반도체 웨이퍼의 스톱-온-피쳐 층으로부터 상부층을 선택적으로 제거하는 화학적-기계적 평탄화 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼를 수용액에 대해 향하게 하여 연마 패드의 평탄화 표면 위에 위치시키는 단계와;
    상기 웨이퍼와 패드를 서로에 대해 이동시키는 단계로서, 상기 웨이퍼가 대략 10∼30rpm으로 회전하고 상기 패드가 대략 75∼150ft/min 속도로 이동하는 단계; 및
    상기 패드의 온도를 85℉와 95℉ 사이에서 유지시키는 단계를 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 수용액은 연삭 입자가 없는 비-연삭 용액을 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 수용액은 암모늄 수산화물을 포함하는 화학적-기계적 평탄화 방법.
  26. 제 23항에 있어서, 상기 연마 패드는 연삭 입자가 포함된 화학적-기계적 평탄화 방법.
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