KR20010066334A - 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점측정장치 및 그 측정방법 Download PDF

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이종협
유영균
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박종섭
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Abstract

본 발명은 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 금속층들의 각각의 고유한 전기화학적 전위값의 변화를 측정하여 실제 연마대상막의 변화를 체크할 수 있으며, 연마선택비가 같은 경우 연마대상막의 전기화학적 반응에 의한 자료를 이용하여 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 CMP 라 함) 공정의 종말점을 측정할 수 있는 기술이다.

Description

반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치 및 그 측정방법{A apparatus for detecting an end point in chemical mechanical polishing process of a semiconductor device and a method for detecting the same}
본 발명은 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정방법에 관한 것으로, 특히 금속배선형성공정에서 금속층을 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, 이하 CMP 라 함)하는 공정중에 금속층의 전기화학적 전위도차를 측정하여 종말점(end point)을 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 CMP공정에서 종말점 측정(end point detection, EPD)기술은 다마신(damascene)공정, 얕은 트랜치 소자분리(shallow trench isolation, STI) 공정 등 주로 최종연마 대상막이 두 종류 이상인 경우에 적용된다. 상기 EPD기술을 적용하는 경우 연마정도에 대해 실시간 모니터링이 가능하기 때문에 어떠한 이유로 웨이퍼간 연마속도의 차이가 발생할 경우 연마시간을 동일하게 하였을 때 연마를 과도하게 실시하거나(over polishing) 모자라게 연마를 실시하는(under polishing) 문제를 극복할 수 있게 된다.
상기와 같은 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해서는 연마시간에 어느 정도 공정마진이 존재해야 하며 공정마진이 없는 경우 특히 모자라게 연마되었을 경우 해당 웨이퍼를 일정 부분 다시 연마해야 하는 부담이 따른다. 따라서, CMP공정제어를 하기 위하여 EPD기술을 채용하는 것일 일반화되어 있으며 새로 만들어지는 대부분의 연마장비에 EPD장치를 부착하고 있다.
EPD에 응용되는 기술은 광원을 이용한 빛의 반사강도측정, 연마대상막과 패드의 마찰력에 의한 플래튼(platen)/스핀들(spindle)의 모터 전류 변화측정, 연마대상막과 패드의 마찰력에 의한 패드온도 변화측정 등을 통해 새로운 박막의 노출등을 감지하는 방식으로 이루어졌다.
그러나, 상기와 같은 방법들은 CMP공정의 고유한 단점인 연마패드의 노화 및 슬러리의 안정성에 매우 민감하여 종말점 검출에 실패율이 높기 때문에 기존 방법으로는 웨이퍼와 웨이퍼 간의 변화가 크고, 과도한 연마공정으로 인해 디싱현상과 부식현상 등이 악화되어 소자의 특성 및 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 플레튼 내부에 전기화학적인 반응을 측정하는 측정장치를 형성하고, 금속층의 CMP공정에서 연마대상막의 전기화학적(electrochemical) 포텐셜변화를 측정하여 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에 사용되는 종말점 측정장치의 단면도.
도 2 는 도 1 의 종말점 측정장치를 상세하게 도시한 단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 종말점 측정방법에 의한 각각의 금속층의 전기화학적 전위를 도시한 그래프도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
11 : 플래튼 13 : 패드
15 : 웨이퍼 17 : 웨이퍼 캐리어
19 : 전기적 콘택와이어 21 : 볼트메터
23 : 에이거 25 : 레퍼런스 전극
27 : 연마제
이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치는,
웨이퍼와 플레튼영역 사이에 연마액층이 구비되고, 상기 웨이퍼와 접촉하는 플레튼영역에 레퍼런스 전극이 구비되고, 상기 레퍼런스 전극은 KCl이 포화되어있는 에이거를 체운 튜브를 삽입하여 솔트 브리지를 형성하여 상기 웨이퍼와 접속되고, 상기 레퍼런스 전극과 웨이퍼의 뒷면은 전기적 콘택 와이어로 볼트메터로 연결되는 것을 특징으로 한다.
이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정방법은,
웨이퍼의 가장 상부에 존재하는 금속층의 전기화학적 전위를 측정하고, 화학적 기계적 연마공정을 진행하면서 연마하고자 하는 가장 하부 박막의 전기화학적 전위가 측정되는 시간을 종말점으로 해서 상기 하부박막의 하부의 다른 박막이 노출되어 전기화학적 전위가 급격히 상승할 때 상기 화학적 기계적 연마공정을 정지하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에 사용되는 EPD 장치의 단면도이고, 도 2 는 도 1 의 EPD장치를 상세하게 도시한 단면도로서, 웨이퍼(15)와 접측하는 플래튼(platen, 11)영역에 레퍼런스 전극(25)부분을 설치하였는데 측정의 오차를 줄이고 웨이퍼(15)와 접촉에 의한 레퍼런스 전극(25)의 손상을 줄이기 위해 KCl이 포화되어 있는 에이거(agar)를 채운 튜브(23)를 삽입하여 솔트 브리지(salt bridge)를 형성하여 웨이퍼(15) 표면과 연마액(27) 사이의 전기화학적 포텐셜 차이와 레퍼런스 전극(25)의 빌트 인 전기화학적 포텐셜 차이와의 상대적인 값을 볼트메터(21)로 측정함으로써 웨이퍼의 표면변화를 관찰할 수 있도록 설치되었고, 전기적인 콘택 와이어(19)는 각각 웨이퍼(15)의 뒷면에는 탄소브러쉬를 사용하고, 레퍼런스 전극(25)부분에는 수은전극을 이용하여 전기적으로 연결시켰다.
수용액에서 금속층들은 각각의 고유한 전기화학적 거동을 가지고 있으며, H+ 또는 OH-와 같은 이온에 의해 금속층들의 산화/환원반응이 끊임없이 진행되고 있다. 수소의 산화/환원반응 거동을 전기화학적으로 측정하여 이를 기준값으로 정하고, 포화감흥전지(saturated calomel electrode)에 대한 금속층들의 수용액에서의 산화/환원반응의 상대적인 변화를 전기화학적으로 측정하였다.
따라서, 금속층의 CMP공정에서는 W(Al, Cu)/TiN(TaN)/Ti(Ta)/PETEOS의 순서로 연마를 하므로 각 박막의 표면상태변화를 전기화학적으로 측정하여 종말점을 도출할 수가 있다.
예를 들어, W층을 CMP방법으로 연마하는 경우 CMP공정을 실시하기 전에 웨이퍼 표면의 전위차를 측정하여 Ew로 표시한다. 그 후, CMP공정을 진행하면 막이 상태가 바뀜에 따라 전기화학적인 전위도 Ew에서 ETiN에서 ETi로 변하게 되고, 이를 측정하면 도 3 과 같다. 따라서, ETi가 측정되는 점을 종말점으로 정하고, ETi가 모두 연마되고 PETEOS막이 드러나서 전기화학적 전위가 크게 증가할 때 연마를 종료한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체소자의 비아 콘택 형성방법은, 금속층들의 각각의 고유한 전기화학적 전위값의 변화를 측정하여 실제 연마대상막의 변화를 체크할 수 있으며, 연마선택비가 같은 경우 연마대상막의 전기화학적 반응에 의한 자료를 이용하여 CMP공정의 종말점을 측정할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 웨이퍼와 플레튼영역 사이에 연마액층이 구비되고, 상기 웨이퍼와 접촉하는 플레튼영역에 레퍼런스 전극이 구비되고, 상기 레퍼런스 전극은 KCl이 포화되어있는 에이거를 체운 튜브를 삽입하여 솔트 브리지를 형성하여 상기 웨이퍼와 접속되고, 상기 레퍼런스 전극과 웨이퍼의 뒷면은 전기적 콘택 와이어로 볼트메터로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 콘택 와이어는 웨이퍼 뒷면에는 탄소브러쉬를 사용하고, 상기 레퍼런스 전극에는 수은전극을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정장치.
  3. 웨이퍼의 가장 상부에 존재하는 금속층의 전기화학적 전위를 측정하고, 화학적 기계적 연마공정을 진행하면서 연마하고자 하는 가장 하부 박막의 전기화학적 전위가 측정되는 시간을 종말점으로 해서 상기 하부박막의 하부의 다른 박막이 노출되어 전기화학적 전위가 급격히 상승할 때 상기 화학적 기계적 연마공정을 정지하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 화학적 기계적 연마공정에서 종말점 측정방법.
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