KR20010073048A - 반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법 Download PDF

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KR20010073048A
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예리츠브레들리제이.
버케피터에이.
Original Assignee
토토라노 제이. 빈센트
어드밴스드 마이크로 디바이시즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 설명은 패드 구조의 연마 표면(36)에 따라서 정의된 적어도 제 1 및 제 2연마 영역들(22, 24, 26)을 가지는 퍄드 구조를 포함하는 연마 패드(20)에 관한 것이다. 상기 패드 구조의 상기 제 1연마 영역은 상기 패드 구조의 제 2연마 영역보다 작은 압착성을 가진다. 본 설명은 또한, 연마 패드(20)를 지지하기 위해서 적용되는 적어도 제 1및 제 2영역들을 가지는 압반 구조를 포함하는 연마 압반(46)에 관한 것이다. 상기 압반 구조의 제 1영역은 상기 압반 구조의 제 2영역보다 작은 압착성을 가진다.

Description

반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법{APPARATUSES AND METHODS FOR POLISHING SEMICONDUCTOR WAFERS}
집적 회로들의 생산에 있어서, 반도체 웨이퍼들의 평탄화는 집적 회로들을 형성하는데 사용되는 층들의 수가 증가함에 따라서 그 중요성이 점차 증가되고 있다. 예를 들어, 다양한 디바이스들 간 상호 연결들을 제공하기위해 형성되는 금속화 층(metallization layer)들의 표면은 평탄하지 않다. 상기 표면의 평탄하지 않음은 후속적인 리소그래픽(lithographic) 단계들의 광학적 해상도를 간섭(interfere)하여 고해상도 패턴들을 인쇄(printing)하기 어렵게 만들 수 있다. 상기 표면 불평탄들은 후속적으로 증착되는 금속층들의 스탭 커버러지(step coverage) 역시 간섭할 수 있어 회로의 단락 또는 단선을 유발할 수 있다.그
반도체 웨이퍼의 상부 표면을 평탄화하기위한 다양한 기법들이 개발되었다. 이러한 접근중 하나는 연마분(abrasive particle)이 혼합된 현탁 약품(suspension agent)을 포함하는 연마용 슬러리(slurry)를 이용하는 웨이퍼 연마를 포함한다. 상기 접근 방법에서, 상기 웨이퍼는 웨이퍼 지지대(holder) 상에 장착되고, 연마 패드는 그 연마 표면이 상기 슬러리로 덮이며, 상기 패드 및 웨이퍼는 상기 웨이퍼가 상기 패드에 대해서 부정(planetary) 동작을 제공하면서 회전하고, 상기 연마 표면은 상기 웨이퍼의 노출된 표면을 누른다. 상기 연마는 상기 웨이퍼 표면을 침식시키고, 상기 공정은 상기 웨이퍼가 거의 평평해 질 때 까지 연속된다. 전형적으로, 상기 슬러리는 상기 패드의 중심 근처에서 주입되고, 상기 웨이퍼를 동그랗게 둘러싸면서 형성되며, 필요하다면 상기 웨이퍼 하부까지 연장된다. 일반적으로, 낮은 비용을 위해서 가능한 한 적은 슬러리를 분사하면서, 상기 웨이퍼와 상기 패드 사이에 적절한 양의 슬러리를 유지하는 것이 바람직하다.
화학적-기계적 연마에 있어서, 상기 슬러리 입자들은 상기 웨이퍼 표면에 화학적 반응이 발생하는 동안 상기 웨이퍼 표면을 갈아낸다. 예를 들어서, 실리콘 다이옥사이드의 화학적-기계적 연마에 있어서, 상기 슬러리 입자들은 상기 실리콘 다이옥사이드가 물과 반응하도록 고압 영역을 생성한다. 텅스텐과 같은 다른 물질들의 화학적-기계적 연마에서, 상기 슬러리는 웨이퍼 물질을 제거하는데 도움이되도록 습식 화학 식각물(chemical etchant)을 적용한다. 상기 습식 화학 식각물은 많은 경우 하부 웨이퍼 물질에 비해서 노출된 웨이퍼 물질에 대한 더 높은 선택비를 가진다.
상기 연마 패드는 폴리우레탄(polyurethane)을 주입한 팰트(felt) 섬유 직물일 수 있고, 상기 주입량은 상기 패드가 "단단한 패드(hard pad)" 인지 "부드러운 패드(soft pad)"인지에 따라 결정된다. 단단한 패드는 상기 웨이퍼를 빠르게 평탄화하기 위해서 상기 웨이퍼 표면의 융기 부분에 대한 연마 압력에 초점을 맞춘다. 부드러운 패드는 상기 전체 표면 전반에 대한 연마, 정밀한 표면 처리를 위한 연마, 그리고 상기 웨이퍼에 적은 물리적 손상을 주는 연마를 위한 것이다.
화학적-기계적 연마 기법들의 중요한 목적은 주어진 웨이퍼 전체에 대해 실질적으로 고른 평탄화를 유지하는 것이다. 상기 현재의 적용에서 설명된 문제들 때문에, 특히 주어진 웨이퍼 경계 근처에서는 평탄화를 달성하기 어렵다.
본 발명은 일반적으로 집적 회로/반도체 디바이스들을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서와 관계되며 그 일부인 첨부되는 도면들은 설명과 결부되어 본 발명의 몇가지 측면들을 예시한 것으로, 본 발명의 원리들을 설명하기위해 제공되는 것이다. 본 도면들을 간락히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라서 구성된 연마 패드의 간략한 평면도이다.
도 2는 도 1의 절단선(2-2)에 따르는 단면도이다.
도 3은 도 1의 연마 패드를 이용하는 연마 시스템의 간략한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 원리에 따라서 구성된 연마 압반의 간략한 평면도이다.
도 5는 도 4의 절단선(5-5)에 따르는 단면도이다.
도 6은 도 4의 연마 압반을 이용하는 연마 시스템의 간략한 단면도이다.
도 7은 일반적인 연마 패드 시스템으로 연마된 물질의 표면 윤곽을 예시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 원리에 따라 구성된 연마 시스템으로 연마된 물질의 표면윤곽을 예시하는 그래프이다.
본 발명의 한 측면은 집적 회로/반도체 웨이퍼들을 연마하는데 적용되는 연마 패드에 관한 것이다. 상기 연마 패드는 상기 패드 구조의 연마 표면에 따라 정의되는 적어도 제 1 및 제 2연마 영역들을 가지는 패드 구조를 포함한다. 상기 패드의 제 1연마 영역은 상기 패드의 제 2연마 영역에 비해 적은 압착성을 가진다.
본 발명의 다른 측면은 집적 회로/반도체 웨이퍼들을 연마하는데 적용되는 연마 압반(platen)에 관한 것이다. 상기 연마 압반은 연마 패드를 지지하기위해 적용되는 적어도 제 1 및 제 2영역들을 가지는 압반 구조를 포함한다. 상기 압반 구조의 제 1영역은 상기 압반 구조의 제 2영역보다 적은 압착성을 가진다.
본 발명의 또다른 측면은 반도체 웨이퍼를 연마하기위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 연마 압반과 상기 연마 압반을 회전시키기위한 기계적 구동부를 포함한다. 상기시스템은 또한 상기 연마 압반 상에 탑재되는 연마 패드를 포함한다. 상기 연마 패드는 제 1및 제 2연마 영역들을 가지는 연마 표면을 포함한다. 상기 시스템은 연마 유체(fluid)를 상기 연마 패드에 제공하기위해 적용되는 연마 유체의 소스(source)를 더 포함한다. 마지막으로, 상기 시스템은 상기 연마 패드의 제 1및 제 2연마 영역들에 상이한 압착성을 제공하기위한 수단을 부가적으로 포함한다.
본 발명의 부가적인 측면은 반도체 웨이퍼를 연마하기위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 상기 연마 압반 상에 탑재된 연마 패드의 제공을 포함한다. 상기 연마 패드는 제 1및 제 2연마 영역들을 가지는 연마 표면을 포함한다. 상기 연마 패드의 제 2연마 표면은 상기 연마 패드의 제 1연마 영역보다 더 압착된다. 상기 방법은 상기 연마 패드의 회전, 상기 연마 패드에 대한 상기 반도체 웨이퍼의 가압(pressing)을 포함한다. 상기 방법은 상기 제 1및 제 2연마 영역들을 가로지르는 상기 반도체 웨이퍼의 방사형 진동(radially oscillating)을 부가적으로 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 반도체 연마 패드의 압착을 변화시키기 위한 방법들 및 장치가 제공된다. 특정한 일 실시예에서, 상이한 압착성을 가지는 영역들은 상기 패드 자체의 구성을 대체하는 것으로 연마 패드 상에 제공되어진다. 예를 들어서, 상기 연마 패드는 상기 패드의 압착성을 가변시키기 위해 적용되는 완충 요소(cushioning component)를 수용하도록 배열되고 구성되는 리세스(recess)가 정의된 연마 요소를 포함할 수 있다. 본 발명의 또다른 측면은, 연마 패드의 압착성은 상기 연마 패드가 탑재된 연마 압반 구조의 다양성 때문에 가변적이다. 예를 들어서, 상기 연마 압반은 상기 패드의 압착성이 상이한 영역을 생성하기 위해 적용되는 완충 구조를 수용하도록 배열되고 구성되는 리세스가 정의된 압반 덱(deck) 또는 판(plate)을 포함할 수 있다. 상이한 압착성을 가지는 영역들을 포함하는 연마 패드를 이용하는 것으로, 상기 웨이퍼의 대부분에서 적절한 공정 평탄도를 유지하면서 상기 웨이퍼 경계 근방의 연마 평탄도가 개선될 수 있다.
본 발명의 다양한 이점들은 다음의 설명들에 나열될 것이며, 그 일부는 상기 설명으로부터 명백해 지거나 본 발명의 실시예의해 도출될 수 있다. 앞서 설명한 일반적인 설명과 다음의 자세한 설명 모두는 예시적이며, 단지 예제일 뿐으로 청구항과 같이 본 발명을 제한 하지 않는다.
이제 참조를 위해 첨부되는 도면들에서 예시되는 본 발명의 예시적인 측면들에 대해서 자세히 설명한다. 도면들 전반을 통해서, 가능한 어떠한 부분에서도 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분에 해서 사용될 것이다.
반도체 디바이스들은 일반적으로 실리콘 웨이퍼 상에 형성되는데, 상기 웨이퍼 표면 상에 도전층, 유전층 그리고 보호(capping)층들과 같은 패턴된 층들을 순차적으로 적층하는 방법을 통한다. 이러한 적층되는 층들의 수가 증가함에 따라서, 평탄화 기법들은 일반적으로 이러한 층들의 평탄도를 최적화 하는데 사용된다. 화학적-기계적 연마(CMP) 공정이 개발되었고, 실리콘 웨이퍼와 같은 웨이퍼 상부의 실리콘 다이옥사이드 표면과 같은 층의 표면을 평탄화 하기위해서 광범위하게 사용되었다. CMP 공정 기법의 사용을 통한 평탄화를 사용하면서 마주치게되는 중요한 도전 중 하나는 웨이퍼 경계 근처의 공정 평탄도(대략 상기 웨이퍼의 최외각(outermost) .8ml)를 달성하는 것이다. 일반적인 기법들을 이용하면, 상기 최외곽 경계 또는 웨이퍼 일부에서의 공정 평탄도는 상기 웨이퍼의 대부분과는 대단히 상이하다.
웨이퍼 표면으로부터 실리콘 다이옥사이드와 같은 층들을 제거 및 평탄화 하는데 있어서, 전형적인 연마 시스템은 폴리우레탄과 같은 비교적 단단한 물질로 만들어진 상층과 펠트 혹은 거품(foam)과 같은 부드럽고 충격을 완화 할 수 있는 물질로 만들어진 하층을 가지는 연마 패드를 이용한다. 이러한 조합은 평탄화 능력및 제거비(removal rate)에 있어서 혼합된 강도와, 감폭(damping) 시스템 변화에 의해 공정 평탄도를 개선하기위한 압착성을 제공한다. 한편, 상기 웨이퍼 대부분에 대한 공정 평탄도를 허용하기위한 상기 하부 물질의 압착성은 상기 웨이퍼 경계 부근의 공정 평탄도의 감소에 도움을 준다. 구체적으로, 상기 웨이퍼가 상기 패드를 자나면서 진동함에 따라서, 상기 웨이퍼의 앞쪽 경계(leading edge)에서의 연마 압력에 반응하여 상기 패드 물질을 압착하기 때문에 발생하는 것을 검출한 후 반동을 준다(rebound). 상기 압착 및 반동 효과는 상기 웨이퍼 경계 부근 및 제거된 패턴들에서 불-평탄을 야기한다고 여겨진다. 예를 들어서, 도 7은 일반적인 연마 패드 시스템들에 의해 웨이퍼의 경계 근처에서 생성되는 전형적인 불-평탄 제거 패턴을 예시한다. 도 7의 상기 제거 패턴은 매우 전형적이며, 일반적인 연마 시스템에의해 생성되는 표면의 불-평탄도는 종종 구체적으로 보인 상기 패턴보다 나쁠 수 있다.
상기 현재 발명은 상기 웨이퍼의 표면 대부분에 가장 영향을 미치는 영역과 상기 웨이퍼 경계 근처 웨이퍼 표면에 가장 영향을 미치는 영역들 간에 있어서 연마 표면의 구조를 변경하는 것으로 상기 웨이퍼 경계 부분의 평탄도가 개선되거나 강화될 수 있다는 것을 알려준다. 예를 들어서, 연마 표면의 압착성은 연마 패드의 특정 영역들의 압착성의 변화, 또는 압착 압반의 다양한 영역들의 압착성 변화를 통해서 이러한 예시적인 기법들에 있어서 변화될 수 있다. 특정 일 실시예에 있어서, 연마 표면의 중간 방사(intermediate radial) 영역은 상기 연마 표면의 나머지 부분보다 더 큰 압착성을 가지도록 만들어질 수 있다. 이러한 구조는 상기 웨이퍼 경계 부근의 공정 평탄도를 개선하면서 웨이퍼 대부분을 지나는 적절한 공정 평탄도를 허용한다고 발명자에 의해서 결정되었다. 도 8은 본 발명의 원리에 따라 구성된 연마 시스템을 이용하는 것에 의해서 제공되는 개선된 공정 평탄도를 보인다.
용어 "반도체 웨이퍼" 또는 "웨이퍼"는 본 명세서 및 청구항들 전반에 걸쳐 사용된다. 이러한 용어들은 웨이퍼 기판들 뿐만 아니라 임의의 수로 적층된 층들을 가지는 웨이퍼들을 의미한다. 또한, 이러한 용어들은 모든 종류의 반도체들/집적회로 디바이스들 및 전구체(precursor) 반도체들/집적회로 디바이스들을 포함하는 것이다.
도 1 및 2는 본 발명의 원리에 따라서 구성되는 예제 연마 패드(20)를 예시한다. 상기 예제 연마 패드(20)는 상이한 정도의 압착성을 가지는 적어도 제 1 및 제 2연마 여역들을 포함한다. 예를 들어서, 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기 패드(20)는 내부 연마 영역(22), 중간 연마 영역(24), 그리고 외부 연마 영역(26)을 포함한다. 본 발명의 특정 일 실시예에 있어서, 상기 내부 연마 영역(24)은 상기 내부 및 외부 연마 영역들(22 및 26)보다 더 큰 압착성을 가진다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기 연마 영역들(22, 24, 그리고 26)은 일반적으로 원형인 내부 연마 영역(22)과 일반적으로 원형(annular)인 상기 중간 및 외부 연마 영역들(24와 26)과 서로 서로 중심이 같도록 정렬된다. 특정 실시예에서, 상기 패드는 상기 내부 연마 영역이 원형인 내부 틈(aperture)을 정의할 수 있다. 한편, 본 발명은 상기 설명된 구성들에 의해서 제한되지 않는다는 것이 명백할 것이다.
도 1로 돌아가서, 상기 내부 연마 영역(22)의 외부 경계를 형성하는 제 1경계(28)는 제 1반지름(R1)으로 정의된다. 또한, 상기 중간 연마 영역(24)의 외부 경계를 형성하는 제 2경계(30)는 제 2반지름(R2)으로 정의된다. 마지막으로, 제 3경계(32)는 상기 연마 패드(20)의 외부 경계인 동시에 상기 외부 연마 영역(26)의 외부 경계이며 제 3반지름(R3)으로 정의된다. 상기 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 상기 내부 연마 영역(22)은 제 1경계(28)로 정의되고, 상기 중간 연마 영역(24)은 상기 제 1및 제 3경계들(28과 30)로 정의되며, 그리고 상기 외부 연마 영역(26)은 상기 제 2및 제 3경계들(30과 32)로 정의된다.
많은 적용들에 있어서, R2는 R1의 1.5에서 5배이고, 상기 R3은 상기 R1의 2배에서 8배 사이의 영역이다. 본 발명의 특정한 일 실시예에서, R1은 약 200밀리미터(mm), R2는 약 355mm, 그리고 R3는 약 405mm이다.
도 2에서, 상기 연마 패드(20)에 대한 예제 구조 구성이 예시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연마 패드(20)는 반도체 웨이퍼(37)를 연마하기위하여 적용되는 연마 표면을 형성하는 상부(36)와 연마 압반을 향해 적용되는 하부(38)를 가지는 연마 요소(34)를 포함한다. 상기 하부(38)는 일반적으로 상기 중간 연마 영역(24)에 해당하거나 일치하는 리세스(40)를 정의한다. 완충 요소(42)는 상기 리세스(40) 내에 위치되거나 적어도 부분적으로 채워진다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 상기 리세스(40)와 상기 완충 요소(42)는 모두 원형이다. 한편, 본 발명은 이러한 구성에 의해서 제한되지 않는다는 것은 명백할 것이다.
상기 연마 요소(34)는 상기 중간 연마 영역(24) 근처에서 리세스되기 때문에, 상기 연마 요소(34)는 상기 중간 연마 영역(24)에 비해서 대단히 두꺼운 내부 및 외부 연마 영역들(22와 26)을 가진다. 많은 적용들에 있어서, 상기 연마 요소(34)는 상기 중간 연마 영역(24)에서,상기 내부 및 외부 연마 영역들(22와 26)에서의 상기 연마 요소(34) 두께(T2)에 대해 약 절반 정도인 두께(T1)를 가진다. 본 발명의 특정 일 실시예에서, T1은 약 .64mm(.025인치)이며, T2는 약 1.27mm(.05인치)이다. 상기 설명된 비율과 범위들은 완전히 예시적인 것이며 본 발명을 제한하기위한 것이 아니라는 것은 명백하다.
많은 적용들에서, 상기 연마 패드(20)의 상기 연마 요소(34)는 비교적 단단한 압착성이 없는 물질로 만들어지며, 상기 패드(20)의 완충 요소(42)는 비교적 부드럽고 탄력있는 압착성있는 물질로 만들어진다. 특정 일 실시예에서 있어서, 상기 연마 요소는 폴리우레탄 또는 폴리우레탄-포함된 폴리에스터(polyester) 펠트와 같은 물질로 만들어진다. 부가적으로, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 완충 요소(42)는 펠트 혹은 거품과 같은 물질로 만들어진다. 본 발명의 특정한 실시예들에서, 상기 완충 요소를 만드는데 사용되는 상기 물질은 상기 연마 요소를 만드는데 사용되는 물질보다 약 5-15배 정도의 범위로 더 압착성을 가진다. 상기 완충 요소 물질은 상기 연마 요소 물질에 비해 약 10배의 압착성을 가지는 것이 바람직하다. 예제 연마 요소는 60 쇼어 D 경도(Shore D hardness 60)을 가지며 완충 요소는 65 쇼어 A 경도를 가진다.
도 3은 상기 설명된 연마 패드(20)를 이용하는 연마 시스템(44)의 단면도를 도시한다. 상기 연마 시스템(44)은 상기 연마 패드(20)가 고정되는 회전 압반(46)을 포함한다. 상기 압반(46)은 구동 스핀들(spindle)(48)을 지나 그 중심축을 기준으로 회전된다. 상기 연마 시스템(44)은 또한 수평(L 방향) 및 수직(V 방향) 모두로 이동하도록 적용되는 연마 팔(arm)(50)을 포함한다. 상기 연마 팔(50)은 진공 흡입관과 같은 수단에 의해서 상기 웨이퍼(37)를 이동할 수 있게 고정하기위한 웨이퍼 집게(holder)(52)를 포함한다. 상기 웨이퍼 집게(52)는 척(chuck) 스핀들(54)에 의해 회전된다. 상기 연마 시스템(44)은 상기 연마 패드(20) 상에 유체를 분사하기위한 유체 분사기(56)와 상기 연마 패드(20)에서 떨어져 나가는 물질들을 담기위한 싱크대(sink)(58)를 더 포함한다.
이제 상기 시스템(44)의 예제 조작이 설명될 것이다. 먼저, 상기 척 스핀들(54)이 상기 웨이퍼 집게(52) 및 웨이퍼(37)를 시계 방향(A)으로 회전시키고, 상기 구동 스핀들(48)은 상기 압반(46) 및 상기 패드(20)를 반시계 방향(B)으로 회전 시키며, 상기 분사기(56)는 연마 슬러리를 상기 연마 패드(20)의 연마 표면(36)상에 분사한다. 상기 패드(20)에 접촉한 후, 상기 슬러리는 원심력에 의해서 상기 패드(20)의 최외곽 경계(32)로 흐르고, 상기 패드(20)에서 밖으로 튀어나온다. 그런 다음, 상기 연마 팔(50)은 밑으로 움직이고, 그로인해 상기 웨이퍼(37)는 상기 연마 패드(20)의 상부(36)에 대해 압박된다. 상기 연마 팔(50)은 하부로 계속 가압하여 상기 패드(20) 및 상기 슬러리가 상기 웨이퍼(37)를 부식시키고 연마되도록 한다. 동시에, 상기 연마 팔(50)은 상기 웨이퍼의 상기 내부 연마 영역(22), 중간 연마 영역(24), 그리고 외부 연마 영역(26)을 지나면서 원형으로 진동한다. 예를 들어서, 상기 웨이퍼(37)는 상기 패드(20)의 상기 외부 경계(32)와 상기 패드(20)의 중심 간을 진동할 수 있다.
상기 웨이퍼(37)가 연마됨에 따라서, 과잉 슬러리와 제거된 물질들은 배수관(60)을 통해서 상기 싱크대(58)로부터 방출된다. 상기 웨이퍼의 연마된 표면이 충분히 부드러워진 후, 상기 분사기(56)는 상기 연마 팔(50)이 계속 상기 웨이퍼(37)를 향해 가압하고 있는 동안 슬러리 대신 세적 유체를 분사한다. 그 결과, 상기 세척 유체는 상기 웨이퍼(37) 및 패드(20) 상의 슬러리 및 다른 오염물들을 상기 배수관(60)으로 씻어 버린다. 상기 세척이 완료된 후, 상기 연마 팔(50)은 상기 압반(46)으로부터 떨어지고 상기 웨이퍼(37)는 상기 웨이퍼 집게(52)로부터 제거된다. 순차적으로, 다른 웨이퍼가 상기 웨이퍼 집게(52) 상에 위치될 수 있고, 상기 설명된 공정이 반복될 수 있다.
상기 예시적인 CMP공정 동안, 상기 웨이퍼(37)는 다음과 같이 진동한다. 상기 웨이퍼(37)의 외부 경계 부분은 연마 시간 중 대부분을 상기 내부 및 외부 연마 영역들(22 와 26)과 접촉하고, 상기 웨이퍼(37)의 주된 몸체는 연마 시간 중 대부분을 상기 중간 연마 영역(24)과 접촉한다. 상기 완충된 중간 연마 영역(24)은 상기 웨이퍼 표면의 대부분에 대한 평탄도를 달성하기위해서 충분한 압착성을 제공하도록 적용된다. 부가적으로, 상기 내부 및 외부 연마 영역들(22와 26)에서의 상기 감소된 압착성은 상기 웨이퍼 경계 부근의 공정 평탄도를 감소시키는 기능을 한다. 결과적으로, 상기 웨이퍼 경계 근접 영역들을 포함하는 상기 전체 웨이퍼에 대한적절한 공정 평탄도가 달성될 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된 예시적인 연마 압반(120)을 예시한 것이다. 상기 예제 압반(120)은 상이한 정도의 압착성을 가지는 적어도 제 1 및 제 2영역들을 포함한다. 예를 들어서, 도 4에 도시된 바와같이, 상기 압반(120)은 내부 연마 영역(122), 중간 연마 영역(124), 그리고 외부 연마 영역(126)을 포함한다. 본 발명의 특정 일 실시예에 있어서, 상기 중간 연마 영역(124)은 상기 내부 및 외부 연마 영역들(122와 126) 보다 더 큰 압착성을 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연마 영역들(122, 124, 그리고 126)은 일반적으로 원형인 내부 연마 영역(122)과 일반적으로 원형인 상기 중간 및 외부 연마 영역들(124와 126)과 서로 서로 중심이 같도록 정렬된다. 한편, 본 발명은 상기 설명된 구성들에 의해서 제한되지 않는다는 것이 명백할 것이다.
도 4로 돌아가서, 상기 내부 연마 영역(122)의 외부 경계를 형성하는 제 1경계(128)는 제 1반지름(R1)으로 정의된다. 또한, 상기 중간 연마 영역(124)의 외부 경계를 형성하는 제 2경계(130)는 제 2반지름(R2)으로 정의된다. 마지막으로, 제 3경계(132)는 상기 연마 압반(120)의 외부 경계인 동시에 상기 외부 연마 영역(126)의 외부 경계이며 제 3반지름(R3)으로 정의된다. 상기 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 상기 내부 연마 영역(122)은 제 1경계(128)로 정의되고, 상기 중간 연마 영역(124)은 상기 제 1및 제 3경계들(128과 130)로 정의되며, 그리고 상기 외부 연마 영역(126)은 상기 제 2및 제 3경계들(130과 132)로 정의된다. 많은 적용들에 있어서, R1,R2, 그리고R3의 치수는 도 1 및 2의 상기 연마 패드(20)에 대해서 기 정의된 것과 동일하다.
도 5에서, 상기 연마 패드(120)에 대한 예제 구조 구성이 예시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 연마 압반(120)은 반도체 웨이퍼(37)를 지지하기위하여 적용되는 상부(136)를 가지는 연마 덱 또는 판(134)을 포함한다. 상기 연마 판(134)의 하부는 상기 연마 판(134)을 그 중심으로 회전시키는데 적용되는 구동 스핀들(138)과 같은 구동 매커니즘과 연결되는 것을 보인다. 상기 연마 판(134)의 상부(136)는 일반적으로 상기 중간 연마 영역(124)에 해당하거나 일치하는 리세스(140)를 정의한다. 본 발명의 특정 일 실시예에서, 상기 리세스(140)는 약 100mm의 두께를 가진다. 완충 요소(142)는 상기 리세스(140) 내에 위치되거나 적어도 부분적으로 채워진다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 리세스(140)와 상기 완충 요소(142)는 모두 일반적으로 원형이다. 한편, 본 발명은 이러한 구성에 의해서 제한되지 않는다는 것은 명백할 것이다.
많은 적용들에서, 상기 연마 압반의 판(134)은 카본 강철과 같은 비교적 단단한 압착성이 없는 물질로 만들어진다. 반대로, 많은 적용들에 있어서, 상기 완충 구조(142)는 충격 흡수 거품, 펠트 또는 매질이 채워진 주머니와 같이 비교적 부드럽고 탄력있는 압착성있는 물질로 만들어진다. 도 5에 예시된 상기 특정 실시예에 있어서, 상기 완충 구조(142)는 상기 리세스(140)를 감싸면서 확장된 다수의 관형 주머니(tubular bladder)들(144)로 도시되며, 이들은 적어도 부분적으로 유체로 채워진다. 상기 주머니들(144)이 관형 집단들로 도시되지만, 본 발명이 단일 환형 주머니, 또는 다중의 원형으로 이격된 주머니들과 같은 다른 주머니 구조들을 포함할 수 있다는 것은 명백한 것이다. 또한, 이들 사이, 주위, 주변 또는 그 내부에 상기 주머니들의 일부들에 압력이 가해질 경우 상기 주머니들이 변형되는 양을 제어하거나 제한하기위해서 살(spoke)들, 매듭(tie)들 또는 보강제들이 위치될 수 있다. 예를 들어서, 상기 살들, 매듭들, 또는 보강제들은 상기 주머니의 제 2부분에 압력이 가해질 경우 주어진 주머니의 제 1부분까지 과다 확장되는 것을 방지하기위해 배열될 수 있다.
상기 설명된 주머니들은 임의 수의 상이한 유체들의 종류들로 채워질 수 있다. 예를 들어서, 상기 주머니는 불활성 기체 또는 니트로겐과 같은 가스들로 재워질 수 있다. 대안적으로, 상기 주머니들은 물과 같은 액체로 채워질 수 있다. 완충 구조로 사용되는 경우, 상기 주머니들은 압반 결함들과 줄어든 공정 진동들을 흡수하기위해 기능한다. 구체적으로, 주머니들 또는 다른 탄성 물질들을 포함하는 상기 완충 구조들(142)은 CMP 공정 동안 상기 압반(120) 상에 탑재되는 연마 패드의 부분들이 구부러지고, 휘어지거나 압력을 받을 수 있도록 한다.
도 6은 상기 설명된 연마 압반(120)를 이용하는 연마 시스템(146)의 단면도를 도시한다. 상기 시스템(146)은 상기 연마 압반(120)의 상부(136)가 지지하는 연마 패드(148)를 포함한다. 특정 일 실시예에서, 상기 패드는 실질적으로 고정 두께를 가지며 어떠한 완충 층도 없이 폴리우레탄과 같은 비교적 단단한 불-압착성 물질로 만들어진다. 그러나, 본 발명은 상기 패드 및 예를 들어 도 1및 2에 설명된연마 패드(20)와 유사한 패드들 뿐만 아니라 일반 패드들을 포함하는 모든 종류의 패드 구성들로 제한되지 않는다는 것은 명백하다. 부가적으로, 중심이 열린 패드들역시 사용될 수 있다.
상기 시스템(146)은 척과 같은 웨이퍼 집게를 포함하는 연마 팔(150) 역시 포함한다. 웨이퍼(153)는 진공 흡입관과 같은 일반적인 수단에 의해서 상기 웨이퍼 집게(152)를 이동할 수 있게 고정되는 하부면(연마되는 면의 반대편)이 보여진다. 상기 연마 팔(150)은 또한 수평(L 방향) 및 수직(V 방향) 모두로 이동한다. 상기 시스템은 상기 패드(148) 상에 유체를 분사하기위한 유체 분사기(154)와 상기 패드(148)에서 떨어져 나가는 물질들을 담기위한 싱크대(156)를 더 포함한다. 상기 싱크대(156)는 상기 싱크대(156)가 모으는 물질들을 배수하기위한 배수관(158)에 유체를 전달한다.
상기 시스템(146)은 도 3에 대해서 이전에 설명한 연마 시스템(44)과 유사한 방식으로 동작한다. 예시적인 동작 순서를 보면, 상기 연마 압반(120)은 상기 구동 스핀들(138)에 의해서 회전되고, 상기 웨이퍼(153)는 상기 웨이퍼 집게(152)에 의해서 회전된다. 동시에, 연마 슬러리와 같은 연마 유체가 상기 유체 분사기(154)로부터 상기 패드(148)에 적용된다. 그런 다음, 상기 웨이퍼(153)는 상기 연마 팔(150)에 의해서 상기 패드(148)에 대해 밑으로 압박되고, 상기 웨이퍼(153)는 상기 연마 패드(148)에 대해서 원형으로 진동한다. 예를 들어서, 상기 웨이퍼(153)는 상기 연마 패드(148)의 중심과 외부 경계 간을 진동할 수 있다.
상기 웨이퍼(153)가 진동 되는 것에 따라서, 상기 하부 연마 패드(148)는 상기 연마 압반(120)의 상부(136)에 대고 눌러진다. 상기 연마 압반(120)의 리세스 되지 않은 부분들에서, 상기 패드(148)는 상기 연마 압반(120)의 상기 내부 및 외부 영역들(122와 126)에 의해서 단단히 지지된다. 동시에, 상기 패드가 진동함에 따라서, 상기 패드(148)의 최소 압착은 상기 내부 및 외부 영역들(122와 126) 상에서 발생한다. 대조적으로, 상기 웨이퍼(153)가 상기 중간 영역(124)을 지나서 진동하는 경우, 상기 연마 압반(120)의 완충 구조(142)는 이러한 중간 영역(124)에 해당하는 상기 패드(148)의 일부가 휘어지거나 압착되는 것을 허용하며, 이로인해 시스템 진동은 완화되고, 적절한 공정 평탄도가 달성된다.
상기 웨이퍼(153)가 연마되는 동안, 과잉 슬러리와 제거된 물질들은 배수관(158)을 통해서 상기 싱크대(156)로부터 방출된다. 상기 웨이퍼의 연마된 표면이 충분히 부드러워진 후, 상기 분사기(154)는 상기 연마 팔(150)이 계속 상기 웨이퍼(153)를 향해 가압하고 있는 동안 슬러리 대신 세적 유체를 분사한다. 그 결과, 상기 세척 유체는 상기 웨이퍼 및 패드(148) 상의 슬러리 및 다른 오염물들을 상기 배수관(158)으로 씻어 버린다. 상기 세척이 완료된 후, 상기 연마 팔(150)은 상기 압반(120)으로부터 떨어지고 상기 웨이퍼(153)는 상기 웨이퍼 집게(152)로부터 제거된다. 순차적으로, 다른 웨이퍼가 상기 웨이퍼 집게(152) 상에 위치될 수 있고, 상기 설명된 공정이 반복될 수 있다.
상기 예시적인 CMP공정 동안, 상기 웨이퍼(153)는 다음과 같이 진동한다. 상기 웨이퍼(153)의 외부 경계 부분은 연마 시간 중 대부분을 상기 내부 및 외부 연마 영역들(122 와 126)에 해당하는 상기 패드(148)의 영역과 접촉하고, 상기 웨이퍼(153)의 주된 몸체는 연마 시간 중 대부분을 상기 중간 연마 영역(124)에 해당하는 상기 패드(148)의 영역과 접촉한다. 상기 압반(120)의 내부, 중간 그리고 외부 영역들(122, 124 그리고 126)에 의해 제공되는, 압착 및 비-압착의 조합은 웨이퍼 경계 부근의 공정 평탄도를 개선하면서 상기 웨이퍼(153) 대부분이 적절한 공정 평탄도를 가지도록 한다.
상기 설명을 고려하면, 특히 적용되는 구성 물질의 문제들과, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 크기, 형상, 부분들의 배열과 같은 구체적인 내용에 대해서는 변경들이 있을 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들어서, 주어진 압반 또는 패드는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 3개 이상 또는 이하로 분리될 수 있다. 부가적으로, 비록 상기 압반들이 본 명세서에서 회전식으로 예시되었지만, 본 발명의 원리는 선형 진동 압반들과 같은 다른 압반 설계에도 적용될 수 있다는 것이 명백하다. 또한, 본 발명의 원리에 따르는 압반들 및 패드들은 단일 해드(head)또는 다중 해드 연마 디바이스들에 이용될 수 있다. 본 발명의 설계서 및 묘사된 측면들은 단지 예시적인 것이며 본 발명의 참된 범위 및 사상은 다음의 청구항들의 광의로 나타내어질 것이다.

Claims (31)

  1. 연마 패드에 있어서,
    상기 패드 구조의 연마 표면을 따라서 정의된 적어도 제1 및 제 2영역들을 가지는 패드 구조를 포함하고, 상기 제 1연마 영역은 상기 제 2연마 영역보다 낮은 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 패드 구조는 상기 연마 표면을 구성하는 제 1면과 상기 제 1면의 반대편에 위치되는 제 2면을 가지는 연마 요소를 포함하고, 상기 제 2면은 상기 제 2연마 영역에 해당하는 리세스된(recessed) 영역을 정의하며, 그로인해 상기 연마 요소는 상기 제 2연마 영역과 비교하여 제 1연마 영역에서 대단히 두꺼운 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 패드 구조는 상기 연마 요소의 리세스된 부분을 적어도 부분적으로 채우는 완충 요소를 포함하며, 상기 완충 요소는 상기 연마 요소보다 부드러운 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 연마요소는 폴리우레탄(polyurethane) 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 완충 요소는 거품(foam) 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 완충 요소는 펠트(felt) 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제 2연마 영역보다 낮은 압착성을 가지는 제 3연마 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제 1연마 영역은 내부 연마 영역이고, 제 2연마 영역은 중간 연마 영역이며, 그리고 제 3연마 영역은 외부 연마 영역인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 내부 연마 영역은 일반적으로 원형이고, 상기 중간 및 외부 연마 영역들은 일반적으로 환형이며, 그리고 상기 중앙 연마 영역, 상기 중간 연마 영역, 그리고 외부 연마 영역은 서로 중심이 같은 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 패드 구조는 연마 표면을 형성하는 연마 요소를 포함하며, 상기 연마 요소는 제 2연마 영역에 해당하는 리세스된 부분을 정의하고, 상기 리세스된 부분은 적어도 부분적으로 상기 연마 요소보다 부드러운 완충 요소로 채워지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 패드 구조는 연마 표면을 형성하는 연마 요소를 포함하며, 상기 연마 요소는 제 2연마 영역에 해당하는 리세스된 부분을 정의하고, 상기 리세스된 부분은 적어도 부분적으로 상기 연마 요소보다 부드러운 완충 요소로 채워지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  12. 연마 압반에 있어서,
    연마 패드를 지지하기위해 적용되는 적어도 제 1 및 제 2영역을 가지는 압반 구조를 포함하며, 상기 제 1영역은 상기 제 2영역보다 낮은 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 압반 구조는 상기 제 2영역에 해당하는 리세스된 부분을 포함하는 압반 판을 포함하고, 상기 압반 구조는 상기 리세스된 부분을 적어도 부분적으로 채우는 완충 구조를 더 포함하며, 상기 완충 구조는 상기 압반 판보다 더 큰 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 완충 구조는 거품 또는 팰트로 구성된 물질들을 집합에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 완충 구조는 적어도 부분적으로 유체로 채워진 적어도 하나의 주머니(bladder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 유체는 액체인 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 유체는 가스인 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 압반 구조는 연마 패드를 지지하기위해 적용되는 제 1, 제 2 및 제 3영역들을 포함하고, 제 1및 제 3영역들은 상기 제 2영역보다 낮은 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 제 1영역은 내부 방사(radial) 영역, 제 2영역은 중간 방사 영역, 그리고 제 3영역은 외부 방상 영역인 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 내부 방사 영역은 일반적으로 원형이고, 상기 중간 및 외부 영역들은 일반적으로 환형인것을 특징으로 하는 연마 압반.
  21. 제 12항에 있어서, 상기 연마 패드는 상기 압반 구조 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 연마 패드는 실질적으로 고정 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  23. 제 19항에 있어서, 상기 압반 구조는 상기 중간 방사 영역에 해당하는 리세스된 부분을 포함하는 압반 구조를 포함하고, 상기 압반 구조는 상기 리세스된 부분 상기 리세스된 부분을 적어도 부분적으로 채우는 완충 구조를 더 포함하며, 상기 완충 구조는 상기 압반 판보다 더 큰 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  24. 제 15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주머니는 상기 압반 판의 리세스된 부분 내에 위치되는 다수의 주머니들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 압반.
  25. 반도체 웨이퍼를 연마하기위한 시스템에 있어서,
    연마 압반과,
    상기 연마 압반을 회전시키기위한 구동 매커니즘과,
    상기 연마 압반 상이 탑재된 연마 패드와, 상기 연마 패드는 제 1 및 제 2연마 영역들을 가지는 연마 표면을 포함하며,
    상기 연마 패드로 연마 유체를 제공하기 위해서 적용하는 연마 유체의 소스와, 그리고
    상기 제 1및 제 2연마 영역들에 상이한 압착성을 제공하기위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 연마 패드는 패드의 연마 표면을 제공하고, 제 2연마 영역에 해당하는 리세스된 부분 또한 정의하는 연마 요소를 포함하며, 여기서 상이한 압착성을 제공하기위한 수단은 상기 리세스된 부분을 적어도 부분적으로 채우는 완충 요소를 포함하고, 상기 완충 요소는 상기 연마 요소보다 부드러운 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 연마 압반은 상기 연마 패드를 지지하기위해 적용되는 표면을 가지는 압반 판을 포함하고, 상기 압반 판은 일반적으로 상기 연마 패드의 제 2연마 영역에 맞추어 정렬되는 리세스를 정의하며, 그리고 여기서 상이한 압착성을 제공하기위한 수단은 상기 리세스된 부분을 적어도 부분적으로 채우는 완충 구조를 포함하고, 상기 완충 구조는 상기 연마 판보다 큰 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 시스템.
  28. 반도체 웨이퍼를 연마하기위한 방법에 있어서,
    연마 압반 상에 탑재된 연마 패드를 제공하는 단계와, 상기 연마 패드는 적어도 제 1및 제 2연마 영역을 가지는 연마 표면을 포함하고, 상기 제 2연마 영역은상기 제 1연마 영역보다 더 큰 압착성을 가지며,
    상기 연마 패드를 회전시키는 단계와,
    상기 반도체 웨이퍼를 상기 연마 패드에 대고 누르는 단계와, 그리고
    상기 제 1및 제 2연마 영역들을 가로질러 상기 반도체 웨이퍼를 방사상으로 진동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼를 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 연마 표면은 제 1, 제 2 및 제 3 방사형 연마 영역들을 포함하고, 상기 제 2연마 영역은 상기 제 1및 제 3연마 영역들 보다 더 큰 압착성을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 제 1방사형 연마 영역은 중앙 방사 영역이고, 제 2방사형 연마 영역은 중간 방사 영역이며, 그리고 제 3방사형 연마 영역은 외부 방사 영역이고, 그리고 여기서 상기 웨이퍼는 상기 중앙, 중간, 그리고 외부 방사 영역들 간을 방사형으로 진동하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
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