KR20010027131A

KR20010027131A - Ｃｍｐ 공정을 수행하기 위한 반도체 제조 장치

Info

Publication number: KR20010027131A
Application number: KR1019990038717A
Authority: KR
Inventors: 김승곤
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-04-06

Abstract

웨이퍼 막질이 과폴리싱(over polishing)되는 것을 방지할 수 있는 CMP 공정을 수행하기 위한 반도체 제조 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 내부에 공간부가 형성되어 있는 폴리싱 테이블을 구비한다. 상기 폴리싱 테이블의 상면에는 폴리싱 패드가 안착되며, 상기 폴리싱 테이블의 공간부에는 엔드포인트 검출장치가 제공된다. 상기 엔드 포인트 검출장치는 상기 폴리싱 패드의 상면에 제공되는 웨이퍼의 저면에 전체적으로 빔을 주사하고, 상기 웨이퍼의 저면으로부터 반사되는 빔을 검출하여 제어부로 전송한다. 상기 제어부는 상기 엔드포인트 검출장치로부터 입력되는 광신호를 분석하여 웨이퍼 표면에 형성된 막질의 두께를 판단한다. 웨이퍼의 과폴리싱 현상을 검출하여 공정사고를 미연에 방지할 수 있으며, 웨이퍼 막질의 두께를 균일하게 제어할 수 있다.

Description

ＣＭＰ 공정을 수행하기 위한 반도체 제조 장치 {APPARATUS FOR PERFORMING CHEMICAL AND MECHANICAL POLISHING IN SEMICONDUCTOR PROCESSING}

본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼 막질이 과폴리싱되어 반도체 소자에 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있는 CMP 장치에 관한 것이다.

반도체 소자 또는 반도체 칩 등은 일반적으로 실리콘으로 형성되는 웨이퍼를 반도체 장비를 이용하여 처리함으로써 제조된다. 웨이퍼는 통상적으로 리소그래피, 이온주입, CMP, 화학 또는 물리적 증착 및 플라즈마 에칭 등과 같은 일련의 반도체소자 제조 공정을 거쳐 반도체소자 또는 반도체 칩으로 제조된다.

상기 반도체소자 제조 공정 중, CMP 공정은 다층구조를 갖는 금속배선 공정시 웨이퍼의 표면에 형성되는 산화막과 금속 배선층의 두께를 제어하는 공정이다. 웨이퍼 막질의 두께는 반도체 소자의 품질과 직접적인 관련이 있다. 따라서, CMP 공정 중 웨이퍼 막질의 두께를 원하는 두께로 제어하는 것은 양질의 반도체 소자를 생산하는 데에 있어서 매우 중요한 변수이다.

웨이퍼 상에 형성되는 다양한 막질들을 원하는 두께로 제어하는 방법으로서 엔드포인트(endpoint) 검출방식이 사용되고 있다. 여기서, 엔드포인트 검출방식이란 CMP 공정 중 웨이퍼의 표면의 평단부(planar endpoint)를 검출하여 웨이퍼 막질의 두께를 파악하는 것이다.

상기 엔드포인트 검출방식은 그 사용원리에 따라 온도식 검출방식, 모터 전류 검출방식 및 광학적 검출방식으로 분류된다. 상기 온도식 검출방식은 웨이퍼의 온도에 기초하여 웨이퍼 막질의 두께를 파악하며, 모터 전류 검출방식은 모터에 걸리는 부하를 감지하여 웨이퍼 막질의 두께를 파악한다. 그리고, 상기 광학적 검출방식은 웨이퍼의 표면에 빔(beam)을 조사한 후 반사되는 빔을 검출하여 웨이퍼 막질의 두께를 파악한다.

광학적 엔드포인트 검출방식의 원리는 재료가 가지는 고유한 반사율을 이용하는 것이다. 즉, 빔 소스에서 일정한 파장을 가진 빔을 웨이퍼의 표면에 주사하게 되면, 상기 빔은 다층구조의 막질의 경계면에서 반사되고, 막질의 두께 및 폴리싱 시간에 따라 그 파장과 신호강도가 달라지게 된다. 광학적 엔드포인트 검출방식은 이때의 변곡점을 검출하여 원하는 막질의 두께를 제어하는 것이다.

그러나, 현재 사용되고 있는 엔드포인트 검출방식은 웨이퍼 막질의 연부(EDGE)와 중심부(CENTER) 사이에 폴리싱 오차가 발생할 경우 이를 검출할 수 없기 때문에, 반도체소자의 결함이 유발될 수 있다는 문제가 있다.

즉, 현재의 엔드포인트 검출방식은 웨이퍼의 소정 위치에 형성된 막질의 두께를 검출하고, 상기 막질의 두께가 소정 두께로 될 때까지 폴리싱공정을 수행하도록 되어 있다. 따라서, 웨이퍼 막질의 중심부와 연부 사이에 폴리싱 오차가 발생하는 경우에도 상기 웨이퍼의 소정 위치에 형성된 막질의 두께에 근거하여 폴리싱공정을 계속하거나 또는 중단하게 된다. 이러한 문제로 인하여, 웨이퍼 막질의 특정 구역이 과폴리싱 되거나 또는 저폴리싱되는 문제가 발생하는 것이다.

이러한 문제를 극복하기 위하여, 웨이퍼 저면에 전체적으로 빔을 주사하고, 상기 웨이퍼로부터 반사된 빔의 신호를 분석하여 웨이퍼의 전체적인 두께를 판단하므로써, 웨이퍼 막질이 과폴리싱 되거나 저폴싱되는 것을 방지하는 광학적 엔드포인트 검출방식이 제안되었다.

상기 광학적 엔드포인트 검출방식을 채용하고 CMP 장치의 일예가 비랑(Birang)에게 허여된 미합중국 특허 제5,899,792호에 개시되어 있다. 도3 및 도4는 상기 비랑의 특허에 개시된 CMP 장치(11)를 보여주는 도면이다.

도3에 도시되어 있는 바와 같이, 종래 CMP 장치(11)는 폴리싱 테이블(12) 상에 배치되는 폴리싱 패드(13)를 구비한다. 상기 폴리싱 패드(13) 위에 놓여지는 웨이퍼(15)는 웨이퍼 홀더(14)에 의해 파지되어 있으며, 상기 웨이퍼 홀더(14)는 제1 구동 유닛(17)에 연결되어 있는 제1 지지 아암(16)에 의해 지지되어 있다. 상기 제1 구동유닛(17)은 상기 웨이퍼 홀더(14)를 회전시키거나 또는 이송시키는 역할을 한다.

상기 폴리싱 테이블(12)은 빔을 통과시킬 수 있도록 실리콘 등과 같은 광투과성 재료로 제조되며, 상기 폴리싱 패드(13)는 합성수지 등과 같은 광투과성 재료로 제조된다.

엔드포인트 검출장치(18)는 상기 폴리싱 테이블(12)의 저부에 배치된다. 상기 엔드포인트 검출장치(18)는 제2 구동유닛(23)에 연결되어 있는 제2 지지 아암(21)에 의해 정위치에 유지된다. 상기 제2 구동유닛(23)은 상기 엔드포인트 검출장치(18)를 회전시키거나 이송시키는 역할을 한다.

도4에는 상기 엔드포인트 검출장치(18)가 상세히 도시되어 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 상기 엔드포인트 검출장치(18)는 막 두께 측정장치(19), 광검출기(20), 적외선 소스(22), 및 이미지 광 소스(image pickup light source; 25)를 구비한다.

상기 막 두께 측정장치(19)는 웨이퍼(15) 상에서 폴리싱되는 막질의 두께를 측정한다. 상기 광검출기(20) 폴리싱 공정이 진행되는 동안 웨이퍼(15)의 표면으로부터 반사되는 광을 검출하여 웨이퍼 표면의 폴리싱 상태를 파악한다. 그리고, 상기 적외선 소스(22)와 이미지 광 소스(25)는 상기 웨이퍼(15)의 표면으로 빔을 주사하여 웨이퍼 막질의 두께를 파악할 수 있도록 해준다.

이러한 구성을 갖는 종래 CMP 장치(11)는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 웨이퍼(15)는 웨이퍼 홀더(14)에 파지되어 폴리싱 패드(13)의 표면에 접촉된 상태를 유지한다. 이상태에서, 제1 구동유닛(17)이 웨이퍼 홀더(14)를 회전시킴과 동시에 화살표(A1) 방향으로 수평이동시켜 웨이퍼(14)의 표면에 대한 폴리싱 작업을 수행한다.

상기 폴리싱 작업이 진행되는 동안, 폴리싱 노즐(도시 안됨)을 통해 폴리싱 약품이 상기 폴리싱 패드(13) 상에 분사된다. 이때, 제2 구동 유닛(23)은 엔드포인트 검출장치(18)를 상기 웨이퍼(15)의 하부로 이동시킨다. 이상태에서, 상기 적외선 소스(22)와 이미지 광 소스(25)가 상기 웨이퍼(15)의 표면에 빔을 주사한다.

이때, 광검출기(20)는 웨이퍼(15)의 표면으로부터 반사되는 이미지 광을 검출하여 웨이퍼(15)의 위치를 검출한 후 그 데이터를 제어부(도시 안됨)로 전송한다. 상기 제어부는 상기 광검출기(20)로부터 입력되는 신호에 따라 상기 제2 구동 유닛(23)을 화살표(A2) 방향으로 작동시켜 상기 엔드포인트 검출장치(18)를 상기 웨이퍼(15)에 대응되는 위치로 이송시킨다.

한편, 상기 적외선 소스(22)로부터 주사된 빔은 웨이퍼(15)의 표면으로부터 반사되어 막 두께 측정장치(19)로 입사된다. 상기 막 두께 측정장치(19)는 상기 반사된 빔을 검출하여 웨이퍼(15) 표면의 두께를 측정한다.

그러나, 이러한 구성을 갖는 종래 CMP 장치(11)는 웨이퍼(15) 표면의 두께를 전체적으로 측정하기 위하여 상기 엔드포인트 검출장치(18)를 상기 웨이퍼(15)의 위치에 따라 이송시키는 방식을 취하고 있기 때문에, 상기 엔드포인트 검출장치(18)를 이송시키기 위한 별도의 구동장치(23)가 필요하게 된다는 단점을 갖는다.

또한, 상기 웨이퍼(15)의 위치 파악을 위한 이미지 광 소스(19)가 필요시되는데, 이는 CMP 장치(11)의 구성을 복잡하게 만들며, 제조비용을 상승시키는 원인이 된다.

아울러, 상기 엔드 포인트 검출장치(18)가 폴리싱 테이블(12)의 외부에 제공되기 때문에 상대적으로 넓은 설치공간을 필요로 한다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼 막질이 과폴리싱되는 것을 방지할 수 있으며, 단순한 구성을 갖는 CMP 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP공정을 수행하기 위한 반도체 제조 장치의 구조를 보여주는 도면이다.

도2는 도1에 도시된 장치의 평면도이다.

도3은 종래 CMP 공정을 수행하기 위한 장치의 구조를 보여주는 도면이다.

도4는 종래 CMP 장치에 사용되는 엔드포인트 검출장치의 개략도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

100 : CMP 장치 110 : 폴리싱 테이블

120 : 폴리싱 패드 130 : 빔 소스

140 : 빔 스플리터 150 : 빔 디텍터

160 : 제어부 200 : 웨이퍼

210 : 제1 구동유닛 220 : 제2 구동유닛

230 : 제3 구동유닛

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 공간부가 형성되어 있는 폴리싱 테이블, 상기 폴리싱 테이블의 상면에 안착되는 폴리싱 패드, 상기 폴리싱 테이블의 공간부에 제공되며, 상기 폴리싱 패드의 상면에 제공되는 웨이퍼의 저면에 전체적으로 빔을 주사하고, 상기 웨이퍼의 저면으로부터 반사되는 빔을 검출하는 엔드포인트 검출장치 및 상기 엔드포인트 검출장치로부터 입력되는 광신호를 분석하여 웨이퍼 표면에 형성된 막질의 두께를 판단하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP장치를 제공한다.

상기 폴리싱 패드는 광투과성 재료로 제조된다. 상기 엔드포인트 검출장치는 빔을 주사하는 빔 소스, 빔 소스로부터 주사되는 빔을 상기 웨이퍼의 저면을 향해 난반사 시키는 빔 스플리터, 및 상기 웨이퍼 저면으로부터 반사되는 빔을 수납하고, 그 데이터를 상기 제어부에 전송하는 빔디텍터를 포함한다. 상기 빔 스플리터는 360도의 각도로 회전한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP장치(chemical and mechanical polishing apparatus ; 100)가 도시되어 있다.

도1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 CMP장치(100)는 내부에 공간부(115)가 형성되어 있는 폴리싱 테이블(110)을 구비한다. 상기 폴리싱 테이블(110)의 상면에는 폴리싱 패드(120)가 안착되어 있다. 또한, 상기 폴리싱 패드(120)의 상면에는 폴리싱 처리될 웨이퍼(200)가 놓여지게 된다.

상기 웨이퍼(200)는 제1 구동유닛(210)에 연결되어 CMP 공정이 진행되는 동안 회전하게 되며, 상기 폴리싱 테이블(110)은 제2 구동유닛(220)에 연결되어 CMP 공정이 진행되는 동안 회전하게 된다.

도2에 상세히 도시되어 있는 바와 같이, 상기 폴리싱 패드(120)의 상면에는 다수개의 원형 그루브(125)가 형성된다. 상기 다수개의 원형 그루브(125)는 상기 폴리싱 패드(120)의 반경방향으로 소정의 간격을 두고 동심적으로 형성된다. CMP 공정이 진행될 때, 슬러리 등과 같은 현탁액이 상기 폴리싱 패드(120)의 상면으로 공급되는데, 상기 원형 그루브(125)는 상기 슬러리를 상기 폴리싱 패드(120)의 상면에 체류시키는 역할을 한다.

다시 도1을 참조하면, 상기 폴리싱 테이블(110)의 공간부(115)에는 엔드포인트 검출장치(170)가 제공되어 있다. 상기 엔드 포인트 검출장치(170)는 상기 폴리싱 패드(120)의 상면에 제공되는 웨이퍼(200)의 저면에 전체적으로 빔을 주사하고, 상기 웨이퍼(200)의 저면으로부터 반사되는 빔을 검출하여 제어부(160)로 전송하는 역할을 한다. 상기 제어부(160)는 상기 엔드포인트 검출장치(170)로부터 입력되는 광신호를 분석하여 웨이퍼(200)의 저면에 형성된 막질의 두께를 판단한다.

상기 엔드포인트 검출장치(170)로부터 입사되는 빔이 상기 웨이퍼(200)의 저면에 도달될 수 있도록 상기 폴리싱 패드(120)는 광투과성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 폴리싱 패드(120)와 웨이퍼(200)가 접촉되는 부분만을 광투과성 재료로 만드는 것도 가능하며, 상기 폴리싱 패드(120)의 일부분을 개방시켜 빔을 상기 웨이퍼(200)의 저면으로 전달할 수도 있다.

한편, 상기 엔드포인트 검출장치(170)는 빔을 주사하는 빔 소스(130), 상기 빔 소스(130)로부터 주사되는 빔을 상기 웨이퍼(200)의 저면을 향해 난반사 시키는 빔 스플리터(140) 및 상기 웨이퍼(200) 저면으로부터 반사되는 빔을 수납하고, 그 데이터를 상기 제어부(160)에 전송하는 빔디텍터(150)를 포함한다.

상기 빔 스플리터(140)는 상기 빔 소스(130)로부터 주사되는 빔이 상기 웨이퍼(200)의 저면에 전체적으로 주사될 수 있도록 360도의 각도로 회전한다. 상기 빔 스플리터(140)는 한 쌍의 스플리터가 교차형(CROSS-SHAPE)으로 결합된 구조를 갖고 있으며, 제3 구동유닛(230)에 연결되어 상기 제3 구동유닛(230)으로부터 회전력을 전달받는다.

상기 제1 내지 제3 구동유닛(210. 220. 230)은 모터, 모터샤프트 또는 풀리 등으로 구성되는 회전력 발생장치를 포함한다. 또한, 상기 웨이퍼(200)를 회전시키는 제1 구동유닛(210)은 웨이퍼(200)를 파지하기 위한 척(chuck)을 추가로 포함할 수 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 CMP장치(100)는 다음과 같이 작동한다.

먼저, 웨이퍼(200)가 웨이퍼 척(도시 안됨)에 파지되어 폴리싱 패드(120)의 상면에 놓여지게 된다. 이어서, 상기 제1 및 제2 구동유닛(210, 220)이 상기 웨이퍼(200)와 폴리싱 테이블(110)을 각각 회전시키므로써 상기 웨이퍼(200)의 표면에 대한 폴리싱 작업을 수행한다.

상기 폴리싱 작업이 진행되는 동안, 슬러리 등과 같은 현탁액이 상기 폴리싱 패드(120)의 표면으로 공급되어 폴리싱 효과를 극대화시킨다.

이어서, 상기 빔 소스(130)로부터 상기 빔 스플리터(140)를 향해 빔이 주사된다. 이때, 상기 빔 스플리터(140)가 상기 제3 구동유닛(230)에 의해 360도의 각도로 회전하기 때문에, 상기 빔 소스(130)로부터 주사되는 빔은 상기 웨이퍼(200)의 저면에 전체적으로 난반사된다.

도2에 도시된 빔 라인(135)은 상기 빔이 상기 웨이퍼(200)의 저면에 전체적으로 주사된다는 것을 예시하기 위한 것이다. 실제로, 상기 빔 라인(135)은 도면에서와 같은 직선 막대형상이 아닌 웨이퍼(200)의 형상에 상응하는 형상을 갖는다.

상기 웨이퍼(200)의 저면으로 난반사된 빔은 상기 웨이퍼(200)의 저면에 접촉함에 따라 다시 반사되어 상기 공간부(115)에 제공된 빔디텍터(150)로 입사된다. 상기 빔디텍터(150)는 상기 웨이퍼(200)의 저면으로부터 반사되는 이미지 광을 검출하고, 그 데이터를 제어부(160)로 전송한다.

이어서, 상기 제어부(160)는 상기 빔디텍터(150)로부터 입력되는 신호를 분석하여 웨이퍼(200) 막질의 두께를 판단한다. 상기 공정은 상기 웨이퍼(200)의 막질의 두께가 설정치에 도달될 때까지 지속되며, 상기 웨이퍼(200) 막질의 두께가 설정치에 도달되면, 상기 제어부(160)는 CMP 공정을 종료시킨다.

한편, 상기 빔디텍터(150)로부터 입력되는 광신호가 설정치를 벗어날 경우, 상기 제어부(160)는 CMP 공정을 중단시켜 공정사고를 미연에 방지한다. 다시 말해서, 상기 웨이퍼(200)의 중심부와 연부 사이에 폴리싱 오차가 발생할 경우, 상기 제어부(160)로 입력되는 광신호에 변화가 발생한다. 이때, 상기 제어부(160)는 상기 광신호를 근거로 폴리싱 오차가 발생하였음을 판단하고, 상기 CMP 공정을 중단시키는 것이다. 따라서, 웨이퍼(200) 막질의 특정 구역에 과폴리싱이 발생하여 반도체 소자의 결함을 유발시키는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CMP 장치는 웨이퍼 막질의 특정부분이 과폴리싱되거나 또는 저폴리싱되는 것을 방지할 수 있다는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 CMP 장치는 웨이퍼 막질의 두께를 전체적으로 측정할 수 있기 때문에 웨이퍼 막질을 균일하게 형성할 수 있다는 장점을 갖는다.

이상 본 발명이 바람직한 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 개량이나 변형이 가능하고, 이러한 개량이나 변형 또한 본 발명에 속한다는 것은 당업자라면 인지할 수 있을 것이다.

Claims

내부에 공간부가 형성되어 있는 폴리싱 테이블;

상기 폴리싱 테이블의 상면에 안착되는 폴리싱 패드;

상기 폴리싱 테이블의 공간부에 제공되며, 상기 폴리싱 패드의 상면에 제공되는 웨이퍼의 저면에 전체적으로 빔을 주사하고, 상기 웨이퍼의 저면으로부터 반사되는 빔을 검출하는 엔드포인트 검출장치; 및

상기 엔드포인트 검출장치로부터 입력되는 광신호를 분석하여 웨이퍼의 저면에 형성된 막질의 두께를 판단하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 CMP장치.
제1항에 있어서, 상기 폴리싱 패드는 광투과성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 엔드포인트 검출장치는 빔을 주사하는 빔 소스, 상기 빔 소스로부터 주사되는 빔을 상기 웨이퍼의 저면을 향해 난반사 시키는 빔 스플리터, 및 상기 웨이퍼 저면으로부터 반사되는 빔을 수납하고, 그 데이터를 상기 제어부에 전송하는 광검출기를 포함하며, 상기 빔 스플리터는 360도의 각도로 회전하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.