KR20010052451A - 반도체 웨이퍼 세척 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼 세척 장치 및 방법 Download PDF

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KR20010052451A
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웰링밀린드지
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롤페스 요하네스 게라투스 알베르투스
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염물질을 제거하는 세척 장치. 메가소닉 노즐 및 스크러빙 브러쉬가 세척 장치에 포함된다. 메가소닉 노즐은 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하도록 메가소닉에 의해 교반된 유체를 출력한다. 스크러빙 브러쉬는 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉해서 그로부터 오염 입자를 마찰적으로 제거한다. 메가소닉 노즐 및 스크러빙 브러쉬는 세척 어셈블리내에 탑재된다. 세척 어셈블리는 메가소닉 노즐 및 브러쉬를 동시에 이용해서 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 효율적으로 세척한다.

Description

반도체 웨이퍼 세척 장치 및 방법{SEMICONDUCTOR WAFER CLEANING APPARATUS AND METHOD}
오늘날 디지털 IC 디바이스들의 대부분의 파워 및 유용성은 증가하는 집적 레벨에 기여할 수 있다. 더욱 많은 구성요소들(저항기, 다이오드, 트랜지스터 등)이 계속해서 하부 칩 또는 IC내로 집적되고 있다. 전형적인 IC의 시재료(starting material)는 매우 높은 순도의 실리콘이다. 이 재료는 단결정으로서 성장된다. 이것은 고체 실린더 형상을 갖는다. 그리고 나서, 이 결정은 통상 10 내지 30㎝ 직경 및 250미크론 두께의 웨이퍼를 생성하도록 절단(실제로 한덩어리의 빵)된다.
IC 구성요소들의 특징들의 기하구조는 통상 포토리소그래피로서 알려진 프로세스를 통해 포토리소그래픽으로 정의된다. 이러한 기법에 의해 매우 미세한 표면 기하구조가 정확히 재생될 수 있다. 포토리소그래피 프로세스는 구성요소 영역을 규정하고 다른 층의 상부에 구성요소들을 한층 구축하는데 이용된다. 복합 IC는 종종 각기 구성요소들을 갖는 다수의 상이한 구축 층들(built-up layers)을 가질 수 있으며, 각 층은 상이한 상호접속물들을 갖고 이전 층의 상부에 적층된다. 이들 복합 IC의 결과적인 토포그래피(topography)는, IC 구성요소들이 하부의 실리콘 웨이퍼 표면상에 구축되므로, 흔히 다수의 "언덕(hills)"과 "계곡(valleys)"을 갖는 친숙한 지구상의 "산악 지역(mountain ranges)"과 유사하다.
포토리소그래피 프로세스에서, 다양한 구성요소들을 규정하는 마스크 이미지 또는 패턴은 자외선 광을 이용하여 감광층상에 포커싱된다. 이미지는 포토리소그래피 도구의 광학 수단을 이용해서 표면상에 포커싱되어 감광층내로 각인된다. 아주 소형의 특징을 구축하려면, 더욱 미세한 이미지가 감광층의 표면상에 포커싱되어야 하는데, 예컨대, 광학 해상도가 증가해야 한다. 광학 해상도가 증가함에 따라, 마스크 이미지의 포커스 심도가 그에 따라 좁아진다. 이것은 포토리소그래피 도구에 있어서 높은 개구수 렌즈에 의해 부과되는 좁은 초점 심도 범위에 기인한다. 이와 같이 초점 심도가 좁아지면 흔히 획득가능한 해상도에 있어 제한 요소가 되며, 따라서, 포토리소그래피 도구를 이용해서 획득가능한 최소 구성요소들에 있어 제한 요소가 된다. 복합 IC의 극단의 토포그래피, 즉, "언덕"과 "계곡"은 초점 심도를 감소시키는 영향을 악화시킨다. 따라서, 감광층상에 서브미크론 기하구조를 규정하는 마스크 이미지를 적절히 포커싱하기 위해 정밀하게 평탄한 표면이 바람직하다. 정밀하게 평탄(예컨대, 충분히 평면화)한 표면은 매우 작은 초점 심도를 허용하며, 또한, 매우 작은 구성요소들의 규정 및 그에 따른 제조를 가능하게 한다.
화학-기계적 연마(chemical-machanical polishing:CMP)가 웨이퍼의 충분한 평면화를 획득하는 바람직한 방법이다. 이것은 연마 슬러리로부터의 화학적 지원과 함께 이동 연마 패드와 웨이퍼간에 기계적 접촉을 이용해서 유전 재료 또는 금속으로된 희생층을 제거하는 것을 포함한다. 연마에 의해 높이의 차이가 평탄화되는데, 이것은 토포그래피의 높은 영역(언덕)이 낮은 토포그래피 영역(계곡)보다 더 빨리 제거되기 때문이다. CMP는, 밀리미터 스케일의 평면화 거리에 걸친 토포그래피를 유연하게 해서 연마후 최대각도가 1도도 훨씬 안되게 하는 능력을 갖는 유일한 기법이다.
도 1에는 전형적인 종래 기술의 CMP 머신(100)의 평면도가 도시되어 있고, 도 2에는 이러한 CMP 머신(100)의 측단면도가 도시되어 있다. CMP 머신(100)에는 연마될 웨이퍼가 공급된다. CMP 머신(100)은 암(101)으로 웨이퍼를 픽업하여 그들을 회전 연마 패드(102)상에 배치한다. 연마 패드(102)는 탄성 재료로 이루어지는데, 전형적으로 연마 프로세스를 돕기 위해 흔히 복수의 사전결정된 그루부(103)를 갖는 조직으로 되어 있다. 연마 패드(102)는 그 아래에 위치된 압반(platen)(104) 또는 턴 테이블(turn table)상에서 사전결정된 속도로 회전한다. 웨이퍼(105)는 캐리어 링(112) 및 캐리어(106)에 의해 연마 패드(102) 및 암(101)상에 고정 유지된다. 웨이퍼(105)의 하부 표면(예컨대, "전면(front)"측)은 연마 패드(102)를 향해 유지된다. 웨이퍼(105)의 상부 표면은 암(101)의 캐리어(106)의 하부 표면을 향해 유지된다. 연마 패드(102)가 회전함에 따라, 암(101)은 웨이퍼(105)를 사전결정된 속도로 회전시킨다. 암(101)은 사전결정된 양의 하강 압력으로 웨이퍼(105)를 연마 패드(102)쪽으로 힘을 가한다. CMP 머신(100)은 또한 연마 패드(102)의 반경을 가로질러 연장하는 슬러리 분배 암(slurry dispense arm)(107)을 포함한다. 슬러리 분배 암(107)은 슬러리의 흐름을 연마 패드(102)상으로 분배한다.
슬러리는 웨이퍼의 화학적 유연화 및 예측가능한 평면화를 돕도록 설계된 연마제와 탈이온수의 혼합물이다. 슬러리의 연마 작용과 결합된 연마 패드(102)와 웨이퍼(105)의 회전 작용에 의해 얼마간의 공칭 속도로 웨이퍼(105)가 평면화되고 연마된다. 이러한 속도는 제거 속도(removal rate)로 칭해진다. 웨이퍼 제조 프로세스의 균일성 및 성능을 위해 일정하고 예측가능한 제거 속도가 중요하다. 제거 속도는 적당해야 하며, 또한 정밀하게 평면화된 웨이퍼, 즉, 표면 토포그래피가 없는 웨이퍼를 생산해야 한다. 제거 속도가 너무 느리면, 주어진 시간에 생산되는 평면화된 웨이퍼의 수가 감소하여 제조 프로세스의 웨이퍼 생산량을 저하시킨다. 제거 속도가 너무 빠르면, CMP 평면화 프로세스가 웨이퍼 표면에 걸쳐 균일하지 못하게 되어 제조 프로세스의 수율을 저하시킨다.
안정된 제거 속도를 유지하는 것을 돕기 위해, CMP 머신(100)은 콘디셔너 어셈블리(conditioner assembly)(120)를 포함한다. 콘디셔너 어셈블리(120)는 콘디셔너 암(108)을 포함하며, 이것은 연마 패드(102)의 반경에 걸쳐 연장된다. 콘디셔너 암(108)에는 단부 이펙터(end effector)(109)가 접속된다. 단부 이펙터(109)는 연마 패드(102)의 표면을 거칠게 하는데 이용되는 연마 콘디셔닝 디스크(abrasive conditioning disk)(110)를 포함한다. 이 콘디셔닝 디스크(110)는 콘디셔너 암(108)에 의해 회전되며, 연마 패드(102)의 중앙을 향해 그리고 연마 패드(102)의 중앙으로부터 멀어지게 전환식으로 이동되어 콘디셔닝 디스크(110)가 연마 패드(102)의 반경을 커버함으로써 연마 패드(102)가 회전함에 따라 연마 패드(102)의 거의 전체 표면 영역을 커버하게 된다. 거친 표면을 갖는 연마 패드는 콘디셔너 어셈블리(120)에 의해 그의 표면에 증가된 수의 아주 작은 피트(pit) 및 고지(gouge)를 가지며, 따라서, 웨이퍼 표면에 대한 증가된 슬러리 전달을 통해 연마 하강 압력의 더욱 효과적인 적용으로부터 더욱 빠른 제거 속도를 얻는다. 콘디셔닝을 행하지 않으면, 연마 패드(102)의 표면은 연마 프로세스 동안에 유연화되며 제거 속도는 현저히 감소한다. 콘디셔너 어셈블리(120)는 연마 패드(102)의 표면을 재차 거칠게하며, 이에 의해 슬러리의 전달이 향상되고 제거 속도가 향상된다.
이와 같이, 연마 패드(102)의 거친 표면의 작용, 슬러리의 화학적 유연화 작용 및 슬러리의 연마 작용이 결합해서 밀리미터 스케일의 평면화 거리에 걸친 토포그래피가 거의 완전히 유연화되도록 웨이퍼(105)를 연마한다. 일단 CMP가 완료되면, 웨이퍼(105)는 암(101)에 의해 연마 패드(102)로부터 제거되며, 디바이스 제조 프로세스중 다음 단계를 위해 준비된다. 그러나, 후속하는 제조 프로세스에 앞서, 웨이퍼(105)는 CMP 프로세스로부터의 잔여 오염물질(예컨대, 연마 패드(102)의 임자, 슬러리/연마제의 잔여량, 금속 이온, 등)이 제거되어야 한다.
CMP 프로세스가 완료된 후, 웨이퍼(105)의 표면은 입자들, 금속 이온들 및 그밖의 오염물질들을 제거하기 위해 세척된다. 당분야에 숙련된 자에게는 잘 알려진 바와 같이, CMP 프로세스로부터의 잔류 오염물질은 웨이퍼(105)가 이후의 제조 처리로 진행하기 전에 제거되는 것이 아주 중요하다. 예컨대, 오염 입자들의 존재는 후속하는 리소그래피를 혼란시킬 수 있으며, 이것은, 예컨대, 단선, 쇼트 등을 초래할 수 있다. 현재, 가장 널리 사용되는 CMP후 세척 프로세스로서 브러쉬를 이용하는 것이 포함되며, 이 경우 브러쉬는 모든 오염물질이 제거될 때까지 웨이퍼(105)의 표면을 마찰에 의해 문지르는데 이용된다.
그러나, 브러쉬의 이용은, 브러쉬가 오염물질을 효과적으로 닦아내기 위해 웨이퍼(105)의 표면과 직접 접촉되어야 한다는 점에서 특유의 단점을 갖는다. 세척 효율은 표면에 대한 브러쉬 압력이 증가함에 따라 증가된다. 이것은 증가되는 압력이 브러쉬의 문질르는 작용에 기인한 웨이퍼 표면에 대한 증가된 손상 위험을 초래한다는 사실에 의해 상쇄된다. 또한, 대부분의 경우에, 브러쉬 자체에는 오염물질이 로딩될 수 있으며, 이에 의해 세척 효율이 감소된다. 더욱이, 브러쉬는 리세스된 영역(recessed areas)(예컨대, 트렌치, 홀 등)내에 토포그래피가 존재하는 경우에 더욱 비효율적이 되는 경향이 있다.
CMP후 세척에 대한 브러슁과 연관된 앞서 설명된 단점 때문에, "메가소닉(megasonic)" 웨이퍼 세척 기법이 개발되었다. 잘 알려진 바와 같이, 메가소닉 세척은 웨이퍼(105)의 표면을 향하는 고주파수의 극도의 교반된 유체 스트림(agitated stream of fluid)(예컨대, 탈이온수)의 이용을 포함한다. 극도로 교반하는 유체 스트림의 작용은 오염물질을 강력히 제거하며 웨이퍼 표면으로부터 부산물을 연마한다. 메가소닉 세척은 웨이퍼와 직접 물리적 접촉을 갖지 않고서 리세스된 영역에서조차도 오염물질 및 입자를 제거하는 장점을 제공하며, 이에 의해 웨이퍼 표면을 손상시킬 위험이 크게 감소된다. 그러나, 메가소닉 세척의 주된 단점은 세척 작용이 브러쉬를 이용한 세척 작용만큼 효과적이지 않다는 사실이다.
따라서, CMP 처리 완료 후 웨이퍼 표면으로부터 CMP 오염물질 및 부산물을 효율적으로 제거하는 방법 및 시스템이 요구된다. 필요한 것은 웨이퍼 표면을 손상시킬 위험이 없는 효율적인 사후-CMP 세척에 대한 해결책이다. 또한, 필요한 것은 손상을 야기하지 않고 CMP후 웨이퍼 표면으로부터 오염물질/부산물을 효과적으로 세척하는 해결책이다. 본 발명은 이러한 요구에 대한 신규의 해결책을 제공한다.
본 발명은 반도체 제조 처리에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보다 비용 효율적으로 CMP후 웨이퍼 세척하는 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, CMP후 메가소닉 및 브러쉬 기반 반도체 웨이퍼 세척(post CMP megasonic and brush-based semiconductor wafer cleaning)이 개시된다.
본 명세서에 포함되어 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예들을 예시하며 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 전형적인 종래 기술의 CMP 머신의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 종래 기술의 CMP 머신의 측단면도,
도 3은 본 발명의 브러쉬 기반 구성요소를 예시하는, 반도체 웨이퍼상에 이용되고 있는 스크러빙 브러쉬의 도면,
도 4는 본 발명의 메가소닉 기반 구성요소를 예시하는, 반도체 웨이퍼상에 이용되고 있는 메가소닉 트랜스듀서의 도면,
도 5는 메가소닉 노즐 및 메가소닉 트랜스듀서가 단일 유닛으로 일체화되고 스피닝 운동이 반도체 웨이퍼에 대해 부과되고 있는, 본 발명에 대한 메가소닉 기반 구성요소를 도시하는 도면,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리의 측면도,
도 6b는 도 6a에 도시된 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리의 평면도,
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리의 측면도,
도 7b는 도 7a에 도시된 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리의 평면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 프로세스의 단계들을 도시하는 흐름도이다.
본 발명은 CMP 처리 완료후 웨이퍼 표면으로부터 CMP 오염물질 및 부산물을 효율적으로 제거하는 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 웨이퍼 표면을 손상시킬 위험이 없는 효율적인 CMP후 세척을 제공한다. 본 발명은 손상을 야기하지 않고 CMP후 웨이퍼 표면으로부터 오염물질/부산물을 효과적으로 세척해낸다.
일실시예에서, 본 발명은 반도체 웨이퍼 표면으로부터 오염물질을 제거하는 세척 장치로서 구현된다. 메가소닉 노즐(megasonic nozzle) 및 스크러빙 브러쉬(scrubbing brush)가 본 세척 장치에 포함된다. 메가소닉 노즐은 반도체 웨이퍼 표면으로부터 오염 입자를 제거하기 위해 메가소닉에 의해 교반된 유체를 출력하기 위해 이용된다. 스크러빙 브러쉬는 반도체 웨이퍼 표면과 접촉해서 그로부터 오염 입자를 마찰에 의해 제거해내도록 이용된다. 메가소닉 노즐 및 스크러빙 브러쉬는 세척 어셈블리내에 탑재된다. 세척 어셈블리는 동시에 메가소닉 노즐 및 브러쉬를 이용해서 반도체 웨이퍼 표면으로부터 오염 입자를 효율적으로 세척한다. 세척 어셈블리에 있어서의 메가소닉에 의해 교반된 유체와 스크러빙 브러쉬를 동시 사용함으로써 그중 하나만을 이용한 것보다 더욱 효과적인 세척이 제공된다. 이와 같이 해서, 세척 어셈블리는 표면에 손상을 주지 않고 CMP후 웨이퍼 표면으로부터 오염물질/부산물을 효과적으로 세척한다.
이제부터 본 발명의 바람직한 실시예를 참조해서 CMP후 메가소닉 및 브러쉬 기반 반도체 웨이퍼 세척용 방법 및 시스템이 상세히 설명되며, 이들의 예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 본 발명이 바람직한 실시예로서 설명되지만, 이들 실시예에 본 발명이 제한되지 않음을 이해할 것이다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주내에 포함될 수 있는 대안, 변형 및 등가를 포함한다. 또한, 후속하는 본 발명의 상세한 설명에서, 다수의 특정 세부는 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그러나, 당분야에 숙련된 자라면 이들 특정 세부가 없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 명백히 알 수 있을 것이다. 다른 경우에서, 잘 알려진 방법, 프로시쥬어, 구성요소들 및 회로는 본 발명의 특징을 명백히 하는데 불필요하므로 상세한 설명은 생략되었다.
본 발명은 CMP 처리 완료 후 웨이퍼 표면으로부터 CMP 오염물질 및 부산물을 효율적으로 제거하기 위한 결합형 메가소닉 및 브러쉬 기반 반도체 웨이퍼 세척 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 웨이퍼 표면을 손상시킬 위험이 없는 효율적인 CMP후 세척을 제공한다. 본 발명은 손상을 야기하지 않고 CMP후 웨이퍼 표면으로부터 오염물질/부산물을 세척한다.
화학-기계적 연마(CMP)는 제조 처리용 디바이스를 포함하는 반도체 웨이퍼의 충분한 평면화를 획득하는 바람직한 방법이다. CMP 프로세스는 연마 슬러리로 포화된 이동 연마 패드와 웨이퍼간의 마찰 접촉과 슬러리 자체의 화학적 작용을 이용해서 하나 이상의 재료층(예컨대, 유전재료, 알루미늄, 텅스텐 또는 구리층 등)을 제거하는 것을 포함한다. CMP 프로세스를 통한 연마는 높이의 차이를 평탄화시키는데, 이것은 토포그래피가 높은 영역(언덕)이 낮은 토포그래피 영역(계곡)보다 더 빨리 제거되기 때문이다. CMP 프로세스는 밀리미터 스케일의 평면화 거리에 걸친 토포그래피를 유연화하여 연마 후의 최대 각도가 1도보다 훨씬 더 작게 할 수 있는 능력을 갖는 바람직한 기법이다.
CMP 머신의 연마 패드의 표면과의 마찰 접촉, 슬러리의 화학적 유연화 작용 및 슬러리의 연마 작용이 결합해서 반도체 웨이퍼를 연마하며, 이것은 또한 결합해서 많은 양의 오염물질 및 연마 부산물을 생성한다. 이들 오염물질/부산물(예컨대, 연마 패드(102)의 입자, 슬러리/연마제의 잔류량, 금속 이온 등)은 CMP 프로세스에 의해 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 분포된다. 일단 CMP가 완료되면, 웨이퍼는 CMP 머신으로부터 제거되며, 디바이스 제조 프로세스의 다음 단계를 위해 준비된다. 그러나, 후속하는 제조 처리에 앞서 웨이퍼는 CMP 프로세스로부터의 잔류 오염물질/부산물이 제거되어야 한다. CMP 프로세스로부터의 잔류 오염물질은, 웨이퍼가 후속하는 제조 처리를 통해 진행하기 전에 제거되어야 하는 것이 아주 중요하다. 예컨대, 오염 입자들의 존재는 후속하는 리소그래피 프로세스를 혼란시킬 수 있으며, 이것은, 예컨대, 단선, 쇼트 등을 초래할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 반도체 웨이퍼(310)에 이용되는 스크러빙 브러쉬(300)의 도면이 도시되어 있다. 도 3에는 본 발명에 따른 세척 어셈블리의 스크러빙 브러쉬 구성요소가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 스크러빙 브러쉬(300)는 화살표(301)로 도시된 방향으로 회전한다. 스크러빙 브러쉬(300)가 회전함에 따라, 웨이퍼(310)는 스크러빙 브러쉬(300) 아래에서 마찰적으로 회전(예컨대, 스핀)하여, 스크러빙 브러쉬(300)는 전체 웨이퍼(310) 표면과 마찰적으로 접촉한다.
스크러빙 브러쉬(300)는 웨이퍼(310)의 표면을 가로질러 마찰적으로 이동함에 따라 스크러빙 브러쉬(300)와 직접 접촉되는 오염물질을 효율적으로 제거한다는 점에서 유리하다. 본 실시예에서, 스크러빙 브러쉬(300)는 특별히 제조된 세척 유체로 포화된 다공성 브러쉬(porous brush)이다. 본 세척 유체는 웨이퍼(310)의 표면을 포함하는 재료(예컨대, 플러그, 구리 등에 의해 산화물, 산화물내의 텅스텐으로 커버된 금속 라인)에 따라 제조된다. 세척 유체내에 함유된 화학물은 웨이퍼(310) 표면상의 오염물질과 화학적으로 상호작용한다. 세척 유체는 오염물질과 반응해서 반응 생성물을 생성한다. 반응 생성물은 세척 유체의 흐름 및 스크러빙 브러쉬(300)의 닦아내는 힘에 의해 웨이퍼 표면으로부터 제거된다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 반도체 웨이퍼(310)상에 이용되는 메가소닉 트랜스듀서(400)의 도면이 도시되어 있다. 도 4에는 본 발명에 따른 세척 어셈블리의 메가소닉 노즐 구성요소가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐(401)은 화살표(402)로 도시된 바와 같이 세척 유체를 웨이퍼(310)의 표면상으로 분배한다. 세척 유체가 노즐(401)로부터 방출되면, 세척 유체는 메가소닉 트랜스듀서(400)에 의해 메가소닉에 의해 교반된다. 메가소닉 트랜스듀서(400)는 세척 유체(402)에 대해 고주파수(예컨대, 2㎒ 이상)의 고에너지 발진을 부과함으로써 작용한다. 이들 고에너지 발진은 세척 유체(402)가 표면과 접촉할 때 웨이퍼(310)의 표면에 부과된다. 세척 유체(402)내의 고에너지 발진의 힘은 웨이퍼(310)의 표면으로부터 오염 입자를 제거한다.
본 발명의 메가소닉 구성요소와 브러쉬 구성요소간의 주된 차이는 웨이퍼(310)의 표면이 메가소닉 노즐(401) 또는 메가소닉 트랜스듀서(400)와 어떤 직접적인 물리적 접촉없이 세척된다는 사실이다. 메가소닉 구성요소의 경우, 오염물질을 제거하는 힘은 메가소닉에 의해 교반된 세척 유체(402)의 힘(예컨대, 캐비테이션(cavitation), 압력 그레디언트(pressure gradients), 스트리밍 효과(streaming effects) 등)이다. 메가소닉 웨이브에 의해 발생되는 압력 그레디언트는 웨이퍼(310)의 표면으로부터 오염물질을 제거해낸다. 스트림 및 벌크 세척 유체는 흘러서 오염물질을 몰아낸다.
도 5에는 메가소닉 트랜스듀서와 노즐이 단일의 메가소닉 노즐(500)내로 일체화된 본 발명의 메가소닉 구성요소 버전이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 메가소닉 노즐(500)은 점선(501)으로 도시된 바와 같이 웨이퍼(310)의 왼쪽 및 오른쪽으로 횡단한다. 또한, 웨이퍼(310)는 그의 표면을 가로질러 전후방으로 이동함에 따라 메가소닉 노즐(500) 아래에서 스핀(spin)한다. 메가소닉 노즐(500)은 도 4의 메가소닉 노즐(401) 및 메가소닉 트랜스듀서(400)와 사실상 유사한 방법으로 기능한다. 그러나, 메가소닉 노즐(500)은 그 자신의 운동과 웨이퍼(310)의 스핀닝 운동을 이용해서 웨이퍼(310)의 표면을 더욱 용이하게 커버한다.
다음으로, 도 6a 및 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리(600)의 측면도 및 평면도가 도시되어 있다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 세척 어셈블리(600)는 세척 어셈블리(600)내에 결합된 메가소닉 구성요소 및 브러쉬 구성요소(예컨대, 메가소닉 트랜스듀서(602) 및 브러쉬(601))를 도시한다. 메가소닉 트랜스듀서(602)는 브러쉬(601)내에 동축으로 위치된다. 브러쉬(601)는 화살표(603)로 도시된 방향으로 회전한다. 웨이퍼(310)는 브러쉬(601) 아래에서 마찰적으로 회전한다.
본 발명에 따르면, 메가소닉 트랜스듀서(602)는 브러쉬(601)내측에 동축으로 위치된다. 메가소닉 에너지는 브러쉬(601)를 통해 세척 유체를 통해 웨이퍼(310)의 표면으로 전송된다. 브러쉬(601)의 스크러빙 작용과 메가소닉 트랜스듀서(602)의 메가소닉 에너지의 동시 세척 효과는 다수의 장점을 제공한다. 이러한 한가지 장점은 브러슁 구성요소와 메가소닉 구성요소의 결합력이 단순히 브러슁 또는 메가소닉 유체 하나만을 이용한 것보다 훨씬 더 강하며, 따라서, 오염물질을 제거하는데 더욱 효과적이다. 다른 장점은, 브러쉬(601)의 닦아내는 작용이 이용되는 동안 브러쉬(601)내로 침투하는 메가소닉 에너지에 의한 "브러쉬 로딩(brush loading)"의 기회가 적다는 것이다. 브러쉬 로딩이라 함은, 메가소닉 트랜스듀서(602)로부터의 메가소닉 에너지의 적용이 없는 경우 브러쉬(601)가 웨이퍼(310)로부터 상당량의 오염물질을 픽업해서 브러쉬(601)가 웨이퍼 표면로부터 모든 오염물질을 더 이상 효과적으로 제거할 수 없음을 말한다(예컨대, "지저분한(dirty)" 브러쉬로 웨이퍼를 세척하려고 시도하는 것).
본 발명의 세척 어셈블리(600)의 또 다른 장점은, 브러쉬(601)의 작용을 메가소닉 트랜스듀서(602)와 결합해서 높은 세척 효율을 생성함으로써, 브러쉬(601)의 압력과 메가소닉 트랜스듀서(602)의 에너지를 최적화해서, 세척중에 웨이퍼(310)의 표면에 대한 손상 가능성을 최소화시킬 수 있다는 것이다. 높은 세척 효율은 브러쉬(601)에 의해 웨이퍼(310) 표면에 대해 적용되는 압력을 브러슁만을 이용했을 경우에 비해 감소시킨다. 보다 낮은 양의 브러쉬 압력은 웨이퍼(310)의 표면에 대한 마찰 손상의 위험을 감소시킨다.
본 발명에 따른 세척 어셈블리(600)의 다른 장점은, 단일 세척 어셈블리(600)내의 브러슁 세척 프로세스와 메가소닉 세척 프로세스의 결합에 의해 요구되는 세척 단계의 수와 공장 점유 공간의 양이 브러쉬 세척 도구 및 메가소닉 세척 도구가 어느 하나 뒤에 다른 하나로 분리되어 이용된 경우에 비해 감소된다는 것이다. 세척 단계 및 시간은 스크러빙 및 메가소닉 세척을 동시에 동작시킴으로써 감소되며, 이에 의해 웨이퍼 생산량이 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 세척 어셈블리(600) 도구는 더욱 작은 흔적(footprint)을 갖는다.
통상의 사용시에, 500㎑ 이하의 메가소닉 주파수가 CMP후 세척을 위해 가장 효과적이다. 세척 효율은 용액 화학물 및 흐름과, 메가소닉 프로세스의 주파수 및 파워 조건과, 브러쉬 압력, 회전 속도 및 시간의 스크러빙 프로세스 조건을 선택함으로써 최적화될 수 있다.
도 6a 및 6b에 도시된 세척 어셈블리(600)에 의해 다양한 용액이 이용될 수 있음에 주목해야 한다. 세척 유체는 웨이퍼(310)의 표면을 화학적으로 메이크업(makeup)하도록 제조될 수 있으며, 이 경우 특정 화학물이 웨이퍼(310)의 표면 재료(예컨대, 유전체, 다양한 유형의 금속 등)에 대해 특정 세척 효과를 유도하도록 화학 용액내에 포함된다. 대안적으로, 일반 탈이온수가 세척 유체로서 이용될 수 있다.
스크러빙만을 이용한 경우의 단점은 브러쉬가 오염물질을 효과적으로 닦아내기 위해 웨이퍼 표면과 직접 접촉되어야 한다는 것이다. 브러쉬는 고압력으로 작용된 경우 웨이퍼 표면에 손상을 줄 수 있다. 대부분의 경우에, 브러쉬 자체가 오염물질로 로딩될 수 있으며, 이에 의해 세척 효율이 감소된다.
메가소닉 세척만을 이용한 경우의 단점은 메가소닉 세척기에서의 힘이 스크러버에 있어서의 직접 닦아냄만큼 효과적이지 않다는 것이며, 따라서, 메가소닉 세척은 CMP후 응용에서의 스크러빙만큼 대중적이지 않다. 고에너지 메가소닉 세척은 매우 고에너지 레벨을 이용해서 덜 효과적인 세척 작용을 보상하며, 이것은, 예컨대, 캐비테이션이 웨이퍼 표면에 또는 아주 근접해서 발생했을 때 웨이퍼 표면에 손상을 줄 수 있다.
다음으로, 도 7a 및 7b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합형 메가소닉/브러쉬 세척 어셈블리(700)의 측면도 및 평면도가 도시되어 있다. 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 세척 어셈블리(700)는 세척 어셈블리(700)내에 결합된 두 개의 메가소닉 구성요소(702, 703) 및 브러쉬 구성요소(701)를 도시한다. 메가소닉 트랜스듀서(702, 703)는 브러쉬(701)내에 동축으로 위치되는 것에 반대되는 것으로서 브러쉬(701)를 따라 옆에 위치된다. 브러쉬(701)는 화살표(704)로 도시된 방향으로 회전한다. 웨이퍼(310)는 스핀 방향(705)으로 도시된 바와 같이 브러쉬(701) 아래에서 마찰적으로 스핀한다.
세척 어셈블리(700)는 본 발명에 따른 한가지 변형예를 예시한다. 세척 어셈블리(700)는 도 6a 및 6b에 도시된 세척 어셈블리(600)와 사실상 동일한 방법으로 기능한다. 그러나, 세척 어셈블리(700)는 스크러빙 브러쉬내에 위치되는 것과 반대되는 것으로서 스크러빙 브러쉬(예컨대, 브러쉬(701))를 따라 옆으로 두 개의 트랜스듀서가 위치한다. 이렇게 함에 있어, 메가소닉 트랜스듀서(702, 703)는 보다 직접적인 방법으로 웨이퍼(310)의 표면에 대해 메가소닉 에너지를 전달한다. 심지어 커버리를 보장하기 위해, 웨이퍼(310)는 브러쉬(701) 및 트랜스듀서(702, 703) 아래에서 스핀한다. 세척 어셈블리(600)와 동일한 방법으로, 세척 어셈블리(700)는 브러쉬(701)의 닦아냄 작용과 트랜스듀서(702, 703)의 메가소닉 에너지를 이용해서 안전하고 고효율적인 저흔적 CMP후 세척을 제공한다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 프로세스(800)의 단계들에 대한 흐름도가 도시된다. 프로세스(800)는 본 발명의 세척 어셈블리(예컨대, 도 6a 및 6b에 도시된 세척 어셈블리(600))를 이용하는 CMP후 세척 도구의 동작 프로세스에 포함된 단계들을 도시한다. 프로세스(800)는 CMP후 세척을 위한 웨이퍼를 수신하는 단계로부터 제조 프로세스의 다음 단계로 웨이퍼를 전송하는 단계까지를 도시한다.
프로세스(800)는 단계(801)에서 시작하며, 단계(801)에서 웨이퍼가 CMP 머신에서 처리된 후 세척을 위해 수신된다. 앞서 설명된 바와 같이, 화학 기계적 연마는 연마 패드와의 마찰적 접촉 및 슬러리를 이용하는 것을 포함한다. CMP 프로세스는 웨이퍼 표면으로부터 제거되어야 하는 다량의 오염물질을 초래한다.
단계(802)에서, 웨이퍼가 본 발명에 따른 CMP후 세척 도구의 세척 어셈블리내에 배치된다. 본 세척 어셈블리(예컨대, 세척 어셈블리(600))는 스크러빙 브러쉬(예컨대, 브러쉬(601)) 및 메가소닉 트랜스듀서(예컨대, 메가소닉 트랜스듀서(602))를 포함한다.
단계(803)에서, 세척 유체가 웨이퍼상으로 분배된다. 앞서 설명된 바와 같이, 세척 유체는 웨이퍼 표면의 화학적 메이크업용으로 특별히 제조된 다양한 화학물을 함유하는 특수 세척 용액일 수 있으며, 또는 대안적으로 세척 유체는 일반 탈이온수일 수 있다.
단계(804)에서, 웨이퍼의 표면이 세척 어셈블리내에 탑재된 스크러빙 브러쉬를 이용해서 브러쉬된다. 앞서 설명된 바와 같이, 스크러빙 브러쉬는 닦아냄 작용을 이용해서 웨이퍼 표면상의 오염물질을 제거한다.
단계(805)에서, 메가소닉 세척 유체가 세척 어셈블리내에 탑재된 메가소닉 노즐을 이용해서 웨이퍼상으로 분배된다. 앞서 설명된 바와 같이, 세척 유체는 고주파수(예컨대, 500㎑ 이상)로 메가소닉 노즐에 의해 메가소닉에 의해 교반된다. 메가소닉 에너지는 웨이퍼 표면으로부터 오염 입자를 제거함으로써 기능한다.
단계(806)에서, 세척 어셈블리의 브러쉬 및 메가소닉 노즐의 결합 작용에 의해 웨이퍼의 표면으로부터 오염물질이 제거된다. 앞서 설명된 바와 같이, 메가소닉 에너지와 브러쉬의 닦아냄 작용의 결합은 둘중 어느 하나만을 이용한 경우보다 효율적인 세척을 제공한다. 세척 어셈블리의 고효율 세척 작용은 종래 기술의 세척 방법에 비해 메가소닉 노즐과 함께 이용될 에너지를 감소시키며 스크러빙 브러쉬에 의해 적용될 압력을 감소시킨다.
단계(807)에서, 웨이퍼의 표면이 탈이온수를 이용해서 헹구어진다. 헹굼은 세척 프로세스 후 잔류하는 세척 유체를 제거하는 것이다.
단계(808)에서, 웨이퍼가 스핀 건조된다. 일단 세척 유체가 단계(807)에서 헹구어지면, 스핀 건조에 의해 모든 오염물질이 제거된 완전 세척된 웨이퍼가 생산된다.
단계(809)에서, 완전 세척된 웨이퍼는 세척 어셈블리로부터 제거되어 CMP후 세척 도구로부터 디바이스 제조 프로세스의 다음 단계로 전송된다.
이와 같이 해서, 본 발명은 CMP 처리 완료 후 웨이퍼의 표면으로부터 CMP 오염물질 및 부산물을 효율적으로 제거하는 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명은 웨이퍼 표면을 손상시킬 위험이 없는 효율적인 CMP후 세척을 위해 제공된다. 본 발명은 손상을 야기하지 않고 CMP후 웨이퍼 표면으로부터 오염물질/부산물을 효과적으로 세척한다.
본 발명의 특정 실시예의 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 이상의 설명은 본 발명을 개시된 정확한 형태로 완전히 제한하지 않으며, 이상의 개시내용에 비추어 다수의 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 명백하다. 이상의 실시예들은 본 발명의 원리 및 그의 실제 응용을 가장 잘 설명하도록 선택되어 설명되었으며, 이에 의해 당분야에 숙련된 자라면 의도된 특정 사용에 적합한 다양한 변형예를 갖는 본 발명 및 다양한 실시예를 이용할 수 있을 것이다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위 및 그들의 등가물에 의해 한정된다.

Claims (15)

  1. 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염물질을 제거하는 세척 장치에 있어서,
    반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하도록 메가소닉에 의해 교반된 유체를 출력하는 메가소닉 트랜스듀서와,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉해서 그로부터 오염 입자를 제거하는 브러쉬와,
    상기 메가소닉 트랜스듀서와 상기 브러쉬를 탑재하여, 상기 메가소닉 트랜스듀서와 상기 브러쉬를 동시에 이용해서 상기 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 세척하도록 동작하는 세척 어셈블리
    를 포함하는 세척 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메가소닉 트랜스듀서는 상기 오염 입자를 제거하도록 상기 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉해서 메가소닉에 의해 교반된 유체 스트림을 출력하는 세척 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 브러쉬는 닦아냄 작용을 이용해서 상기 웨이퍼의 표면과 접촉해서 상기 오염 입자를 마찰적으로 제거하는 세척 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 세척 어셈블리는 상기 브러쉬가 상기 반도체 웨이퍼의 표면을 세척함에 따라 상기 브러쉬에 대해 상기 반도체 웨이퍼를 측방향으로 이동시키는 세척 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 CMP후 오염 입자를 제거하기 위한 CMP후 웨이퍼 세척 머신이고, 상기 브러쉬는 닦아냄 작용을 이용해서 상기 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하며, 상기 세척 어셈블리는 상기 브러쉬가 상기 반도체 웨이퍼의 표면을 세척함에 따라 상기 브러쉬에 대해 상기 반도체 웨이퍼를 측방향으로 이동시키는 세척 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 메가소닉 트랜스듀서는 상기 메가소닉에 의해 교반된 유체가 상기 브러쉬에 의해 상기 웨이퍼의 표면과 접촉해 흐르도록 상기 브러쉬내에 동축으로 배치되는 세척 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 메가소닉 트랜스듀서는 상기 메가소닉에 의해 교반된 유체가 상기 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉해서 흐르도록 상기 브러쉬를 따라 측방향으로 배치되는 세척 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 세척 어셈블리는 세척후 상기 반도체 웨이퍼를 스핀 건조시키는 세척 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유체는 탈이온수(de-ionized water)인 세척 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 반도체 웨이퍼의 표면과 화학적으로 상호작용하도록 제조된 세척 용액인 세척 장치.
  11. 반도체 웨이퍼의 CMP후 세척하는 방법에 있어서,
    메가소닉에 의해 교반된 유체의 스트림을 출력하는 메가소닉 트랜스듀서를 이용해서 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하는 단계와,
    상기 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉되는 브러쉬를 이용해서 상기 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 오염 입자를 제거하는 단계와,
    상기 메가소닉 트랜스듀서와 상기 브러쉬를 탑재하는 세척 어셈블리에 의해 상기 반도체 웨이퍼의 표면으로부터 상기 오염 입자를 세척하도록 상기 메가소닉 트랜스듀서와 상기 브러쉬를 동시에 이용하는 단계
    를 포함하는 세척 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 메가소닉 트랜스듀서는 상기 메가소닉에 의해 교반된 유체가 상기 브러쉬를 통해 상기 웨이퍼의 표면과 접촉해서 흐르도록 상기 브러쉬내에 동축으로 배치되는 세척 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 브러쉬가 상기 반도체 웨이퍼의 표면을 세척함에 따라 상기 세척 어셈블리에 의해 상기 반도체 웨이퍼를 상기 브러쉬에 대해 측방향으로 이동시키는 단계
    를 더 포함하는 세척 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 메가소닉 트랜스듀서는 상기 메가소닉에 의해 교반된 유체가 상기 반도체 웨이퍼의 표면과 접촉해서 흐르도록 상기 브러쉬를 따라 측방향으로 배치되는 세척 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 세척 어셈블리를 이용해 세척 후의 상기 반도체 웨이퍼를 스핀 건조시키는 단계
    를 더 포함하는 세척 방법.
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