KR20010083394A

KR20010083394A - Membrane for carrier head of chemical mechanical polishing apparatus

Info

Publication number: KR20010083394A
Application number: KR1020000006624A
Authority: KR
Inventors: 이종원; 하상록
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 2000-02-12
Filing date: 2000-02-12
Publication date: 2001-09-01

Abstract

PURPOSE: A membrane of a carrier head of a chemical mechanical polishing apparatus is provided to improve polishing uniformity of the entire surface of a wafer, by using the carrier head fixedly coupled to the membrane in a chemical mechanical polishing(CMP) process so that the difference of polishing pressure between a central portion and an edge portion of the wafer is decreased. CONSTITUTION: A wafer is mounted in a membrane(200) of a carrier head when the entire surface of the wafer is broadly planarized using a chemical mechanical polishing apparatus. An unevenness is formed in the edge portion of the membrane.

Description

Membrane for carrier head of chemical mechanical polishing apparatus

본 발명은 반도체 제조장치에 대한 것으로서, 상세하게는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드용 멤브레인에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus, and more particularly, to a membrane for a carrier head of a chemical mechanical polishing apparatus.

반도체 집적회로 소자의 집적도가 향상됨에 따라 웨이퍼 전면의 표면 단차를 광역 평탄화하거나 다마신 배선을 형성하기 위해 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 'CMP'라함) 공정이 채용되고 있다. CMP 기술은 연마 패드를 이용하는 기계적 요소와 슬러리 용액의 조성성분을 이용하는 화학적 요소에 의해 웨이퍼의 표면을 기계적, 화학적으로 연마하는 기술이다. 최근에는 CMP 기술과 듀얼 다마신 기술이 결합되어 금속배선 공정에도 활용이 되면서 그 중요성이 더욱 높아지고 있다.As the degree of integration of semiconductor integrated circuit devices improves, a chemical mechanical polishing (CMP) process is employed to widen the surface level of the front surface of the wafer or to form damascene wiring. CMP technology is a technique for mechanically and chemically polishing the surface of a wafer by a mechanical element using a polishing pad and a chemical element using a composition of a slurry solution. Recently, the importance of CMP technology and dual damascene technology is being used in the metallization process.

CMP 기술을 이용한 평탄화 공정에서는 웨이퍼가 장착되는 캐리어 헤드와 연마 패드가 구비되는 연마 정반의 회전 및 이동과, 연마 패드 상으로의 슬러리 공급에 의해 웨이퍼의 전면이 광역 평탄화된다. 이러한 CMP 기술을 이용하여 웨이퍼 전면을 광역 평탄화할 때에는 웨이퍼 전면에 걸쳐 균일한 연마두께를 얻기 위해, 캐리어 헤드를 위에서 눌러주는 힘인 하향 압력(down pressure), 웨이퍼가 장착되는 캐리어 헤드 내에서 웨이퍼를 눌러주는 배압(back pressure), 웨이퍼와 연마 패드의 마찰을 유도하는 연마 패드의 회전속도 및 웨이퍼를 회전시켜주는 캐리어 헤드의 회전속도를 제어하게 된다.In the planarization process using the CMP technique, the entire surface of the wafer is planarized by rotation and movement of the polishing head with the carrier head on which the wafer is mounted and the polishing plate provided with the polishing pad, and the supply of slurry onto the polishing pad. When using the CMP technique to planarize the entire surface of the wafer, the pressure is pushed down on the carrier head to press down the wafer in the carrier head on which the wafer is mounted to obtain a uniform polishing thickness over the entire wafer surface. The main controls the back pressure, the rotational speed of the polishing pad to induce friction between the wafer and the polishing pad, and the rotational speed of the carrier head to rotate the wafer.

하지만, 캐리어 헤드 내에서 웨이퍼가 밀접하게 접촉하여 고정되는 종래기술에 따른 멤브레인의 물리적 구조로 인해 상술한 바 있는 공정조건의 제어만으로는 웨이퍼 전면에서 균일한 연마 두께를 얻는데 한계가 있게 된다.However, due to the physical structure of the membrane according to the prior art in which the wafer is in close contact with and fixed in the carrier head, only the control of the process conditions described above has a limit in obtaining a uniform polishing thickness on the front surface of the wafer.

도 1을 참조하면, 캐리어 헤드(100)에 구비되는 종래기술에 따른 멤브레인(110)은 리테인 링(retain ring, 120) 내의 다공성 원판(130) 하부에 구비되며 탄성이 있는 고무 재질로 이루어져 있다. 상기 다공성 원판(130)은 CMP 공정에서 캐리어 헤드(100)에 장착되는 웨이퍼의 치수에 대응하는 직경을 가지며 복수개의 홀(H)의 구비된다. 상기 리테인 링(120)과 다공성 원판(130) 사이에는 캐리어 베이스(140)가 구비되고, 상기 리테인 링(120) 및 캐리어 베이스(140)의 중앙부에는 기체 유입구(150)가 구비된다. 구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기 멤브레인(110)의 가장자리는 멤브레인 클램프(미도시)에 의해 캐리어 헤드(100)에 결합 고정된다.Referring to FIG. 1, the membrane 110 according to the related art provided in the carrier head 100 is provided under the porous disc 130 in a retain ring 120 and is made of an elastic rubber material. . The porous disc 130 has a diameter corresponding to the dimensions of the wafer mounted on the carrier head 100 in the CMP process and is provided with a plurality of holes (H). The carrier base 140 is provided between the retaining ring 120 and the porous disc 130, and a gas inlet 150 is provided at the center of the retaining ring 120 and the carrier base 140. Although not specifically illustrated, the edge of the membrane 110 is fixedly coupled to the carrier head 100 by a membrane clamp (not shown).

도 2를 참조하면, 상기 캐리어 헤드(100)에 웨이퍼를 장착하지 않은 상태에서 공기 유입구(150)에 기체를 주입(화살표 참조)하게 되면, 다공성 원판(130)의 홀(H)을 통해 기체가 유입되어 멤브레인(110)에 압력이 인가된다. 그 결과, 멤브레인(110)이 아래쪽으로 부풀어오르게 된다. 그런데, 종래기술에 따른 멤브레인(110)은 전 면적에 걸쳐 균일한 화학적 및 물리적 성질을 구비하고 있다. 이에 따라, 멤브레인 클램프(미도시)에 의해 캐리어 헤드(110)에 결합 고정되어 있는 멤브레인(110)의 가장자리(S)는 이완 및 확장 정도가 멤브레인(110)의 중앙부(C)에 비해 상대적으로 낮게 된다.Referring to FIG. 2, when gas is injected into the air inlet 150 without a wafer mounted on the carrier head 100 (see an arrow), gas flows through the hole H of the porous disc 130. Inflow and pressure is applied to the membrane (110). As a result, the membrane 110 swells downward. However, the membrane 110 according to the prior art has uniform chemical and physical properties over the entire area. Accordingly, the edge S of the membrane 110, which is coupled and fixed to the carrier head 110 by a membrane clamp (not shown), has a relatively low degree of relaxation and expansion compared to the central portion C of the membrane 110. do.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 웨이퍼(160)를 캐리어 헤드(100)에 장착하고 CMP 공정을 수행하게 되면, 멤브레인(110)의 가장자리를 통하여 웨이퍼(160)에 인가되는 연마압력이 멤브레인(110)의 중앙부를 통하여 웨이퍼(160)에 인가되는 연마압력보다는 상대적으로 작게 된다. 그 결과, 웨이퍼(160) 중앙부의 연마속도가 웨이퍼(160) 가장자리의 연마속도보다 크게 되어, 웨이퍼(160) 전면의 연마 균일도가 열화된다. 이처럼, 웨이퍼(160) 전면의 연마 균일도가 웨이퍼(160) 중앙부와 가장자리 사이의 연마압력 차에 의해 떨어지게 되면 웨이퍼(160) 상에 집적되는 반도체 소자의 신뢰성 및 생산수율이 저하되게 된다.Therefore, when the wafer 160 is mounted on the carrier head 100 and the CMP process is performed as shown in FIG. 3, the polishing pressure applied to the wafer 160 through the edge of the membrane 110 is applied to the membrane 110. ) Is relatively smaller than the polishing pressure applied to the wafer 160 through the center portion. As a result, the polishing rate at the center portion of the wafer 160 is larger than the polishing rate at the edge of the wafer 160, and the polishing uniformity of the entire surface of the wafer 160 is degraded. As such, when the polishing uniformity of the entire surface of the wafer 160 falls due to the difference in polishing pressure between the center portion and the edge of the wafer 160, the reliability and production yield of the semiconductor device integrated on the wafer 160 may be reduced.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 화학기계적 연마 공정을 수행할 때 웨이퍼 전면에 가해지는 연마압력을 균일하게 해줄 수 있는 캐리어 헤드용 멤브레인을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made in an effort to provide a membrane for a carrier head capable of making uniform the polishing pressure applied to the front surface of a wafer when performing a chemical mechanical polishing process.

도 1은 종래기술에 따른 멤브레인이 결합 고정되어 있는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a carrier head of a chemical mechanical polishing apparatus in which a membrane is bonded and fixed according to the prior art.

도 2는 상기 캐리어 헤드에 웨이퍼를 장착하지 않은 상태에서 기체로 멤브레인을 가압한 상태를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a state in which a membrane is pressurized with a gas without a wafer mounted on the carrier head.

도 3은 상기 캐리어 헤드에 웨이퍼를 장착하고 화학기계적 연마공정을 수행할 때의 캐리어 헤드에 대한 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the carrier head when mounting a wafer on the carrier head and performing a chemical mechanical polishing process.

도 4a는 본 발명에 따른 캐리어 헤드용 멤브레인의 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 B-B'선에 따른 단면도이다.4A is a plan view of a membrane for a carrier head according to the present invention, and FIG. 4B is a sectional view taken along line BB ′ of FIG. 4A.

도 5는 본 발명에 따른 멤브레인이 결합 고정된 캐리어 헤드에 웨이퍼를 장착하지 않은 상태에서 기체로 멤브레인을 가압한 상태를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a state in which the membrane is pressurized with a gas in a state where the wafer is not mounted on the carrier head to which the membrane is coupled and fixed according to the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드용 멤브레인은 가장자리에 요철을 구비한다.Membrane for the carrier head of the chemical mechanical polishing apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem is provided with irregularities on the edge.

따라서, 본 발명에 따른 멤브레인이 결합 고정된 캐리어 헤드를 CMP 공정에서 사용하게 되면 웨이퍼 중앙부와 가장자리 사이의 연마압력 차를 완화할 수 있어 웨이퍼 전면의 연마 균일도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 상에 집적되는 반도체 소자의 신뢰성 및 생산수율을 향상시킬 수 있게 된다.Therefore, when the carrier head to which the membrane is fixed according to the present invention is used in the CMP process, the polishing pressure difference between the center portion and the edge of the wafer can be alleviated, thereby improving the polishing uniformity of the entire surface of the wafer. Accordingly, it is possible to improve the reliability and production yield of the semiconductor device integrated on the wafer.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드용 멤브레인의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 아니 된다. 이하의 도면을 참조한 설명은 관련한 산업기술분야에서 평균적 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일한 부호는 동일한요소를 지칭한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the carrier head membrane of the chemical mechanical polishing apparatus according to the present invention. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The following description with reference to the drawings is provided to more completely explain the present invention to those having average knowledge in the related art. Like numbers refer to like elements in the drawings.

도 4a 및 도 4a의 B-B'선에 따른 단면도인 도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드용 멤브레인(200)은 원판형으로 이루어지며 가장자리에는 요철(R)이 구비된다. 상기 멤브레인(200)의 최외곽부에는 클램프 고정부(210)가 구비되는데, 상기 클램프 고정부(210)는 멤브레인(200)이 캐리어 헤드(도 5의 220 참조)에 결합될 때 멤브레인 클램프(미도시)에 결합 고정되는 부분이다.4A and 4B, which are cross-sectional views taken along line BB ′ of FIG. 4A, the membrane 200 for the carrier head of the chemical mechanical polishing apparatus according to the embodiment of the present invention has a disc shape and irregularities on the edge thereof. R) is provided. The outermost portion of the membrane 200 is provided with a clamp fixing portion 210, the clamp fixing portion 210 is a membrane clamp (not shown when the membrane 200 is coupled to the carrier head (see 220 in Figure 5) (C) is a part that is fixed and coupled.

상기 멤브레인(200)은 CMP 공정에서 웨이퍼의 배면이 밀접하게 접촉되었을 때 웨이퍼가 미끄러지지 않을 정도의 마찰력을 제공할 뿐만 아니라, 탄성력이 있어 이완 및 확장이 용이한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 멤브레인(200)은 고무와 같은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기와 같이 본 발명에 따른 캐리어 헤드용 멤브레인에 요철이 구비되는 이유는 도 5를 참조하면 보다 명확해진다.The membrane 200 may be made of a material that not only provides a frictional force such that the wafer does not slip when the back surface of the wafer is in close contact in the CMP process, but also has elasticity and is easy to relax and expand. Therefore, the membrane 200 is preferably made of a material such as rubber. As described above, the reason why the unevenness is provided in the membrane for the carrier head according to the present invention will be clearer with reference to FIG. 5.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 캐리어 헤드용 멤브레인(200)은 캐리어 헤드(220)에 결합되어 CMP 공정에서 사용된다. 상기 캐리어 헤드(220)는 도 1에 도시된 캐리어 헤드와 실질적으로 동일한 구조로 이루어져 있다. 하지만, 본 발명에 따른 멤브레인(200)은, 멤브레인을 채용하는 화학기계적 연마장치의 캐리어 헤드라면 어떠한 것에라도 결합 고정될 수 있다.Referring to Figure 5, the carrier head membrane 200 according to the present invention is coupled to the carrier head 220 is used in the CMP process. The carrier head 220 has a structure substantially the same as the carrier head shown in FIG. 1. However, the membrane 200 according to the present invention may be fixed to any of the carrier head of the chemical mechanical polishing apparatus employing the membrane.

상기와 같이 캐리어 헤드(220)에 멤브레인(200)이 결합 고정된 상태에서 공기와 같은 기체를 기체 유입구(230)로 주입(화살표 참조)하여 다공성 원판(240)의홀(H)을 통해 멤브레인(200)에 압력을 인가하게 되면, 멤브레인(200)이 아래쪽으로 부풀어오르게 된다. 그런데, 상기 멤브레인(200)의 가장자리에는 요철(R)이 구비되어 종래기술에 따른 멤브레인과는 달리 멤브레인(200) 가장자리의 이완 및 확장의 정도가 증가하게 된다.In the state where the membrane 200 is coupled and fixed to the carrier head 220 as described above, a gas such as air is injected into the gas inlet 230 (see arrow) to form the membrane 200 through the hole H of the porous disc 240. When pressure is applied to the membrane, the membrane 200 swells downward. However, the edge of the membrane 200 is provided with an unevenness (R), unlike the membrane according to the prior art, the degree of relaxation and expansion of the edge of the membrane 200 is increased.

이에 따라, 실제 CMP 공정에서 멤브레인(200)의 가장자리를 통하여 웨이퍼에 인가되는 연마압력과 멤브레인(200)의 중앙부를 통하여 웨이퍼에 인가되는 연마압력 사이의 차이가 완화되어 웨이퍼 전면의 연마 균일도를 향상시킬 수 있게 된다. 그 결과, 웨이퍼 상에 집적되는 반도체 소자의 신뢰성 및 생산 수율을 향상시킬 수 있게 된다.Accordingly, the difference between the polishing pressure applied to the wafer through the edge of the membrane 200 and the polishing pressure applied to the wafer through the center of the membrane 200 in the actual CMP process is alleviated to improve the uniformity of the wafer front surface. It becomes possible. As a result, it is possible to improve the reliability and production yield of semiconductor devices integrated on the wafer.

상기에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 당 분야에서 통상의 지식으로 그 변형이나 그 개량이 가능하다.In the above, preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited thereto, and modifications and improvements thereof are possible in the field of the technical idea of the present invention with ordinary knowledge in the art.

본 발명에 따른 멤브레인이 결합 고정된 캐리어 헤드를 CMP 공정에서 사용하게 되면 웨이퍼 중앙부와 가장자리 사이의 연마압력 차를 완화할 수 있어 웨이퍼 전면의 연마 균일도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 사진공정과 같은 후속공정에서 공정마진이 향상되어 웨이퍼 상에 집적되는 반도체 소자의 신뢰성 및 생산수율을 향상시킬 수 있게 된다.When the carrier head fixed with the membrane according to the present invention is used in the CMP process, the polishing pressure difference between the center portion and the edge of the wafer can be alleviated to improve the polishing uniformity of the front surface of the wafer. Accordingly, the process margin is improved in a subsequent process such as a photo process to improve the reliability and production yield of the semiconductor device integrated on the wafer.

Claims

A membrane for a carrier head on which a wafer is mounted when widening the front surface of a wafer using a chemical mechanical polishing device,

Membrane for a carrier head, characterized in that irregularities are provided at the edge of the membrane.