KR20020025005A - 건식 화학기계 연마방법 - Google Patents

건식 화학기계 연마방법 Download PDF

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야마모토세이지
요코가와켄에츠
타치신이치
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가나이 쓰토무
가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 효율적으로 에칭을 하는 것이 가능한 건식 화학기계 연마방법을 제공하기 위하여 플라스마 발생원으로부터 플라스마(106)를 공급하면서, 시료대(114)에 고정된 피연마 시료(107) 표면을 연마패드(119)와 접촉시키고, 피연마 시료(107)와 연마공구(119)의 상대적인 위치를 이동시켜서 연마하며, 피연마 시료 표면을 평탄화하는 방법에 있어서, 상기 연마시에, 예를 들어 피연마 시료(107)의 직경을 연마공구(119)의 직경 보다 크게 하여, 피연마 시료 표면의 적어도 일부분이 플라스마(106) 분위기에 피폭되는 상태에 두도록 한 것을 특징으로 하고 있다.

Description

건식 화학기계 연마방법{Dry type chemical-mechanical polishing method}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피가공물의 표면 패턴을 연마하고, 평탄화하는 건식 화학기계 연마방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 제조공정 중 하나로서, 배선공정 전의 반도체 웨이퍼 표면의 미세한 요철을 평탄화하는 공정이 있다. 상기 공정에서는, 화학기계 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing)가공장치가 사용되고 있다. 상기 화학기계 연마가공장치는, 연마액으로서 반도체 웨이퍼에 대한 화학작용이 있는 성분을 함유한 것이 사용되는 것을 제외하면, 일반적인 기계연마 가공장치와 같다. 도4는 종래의 화학기계 연마가공장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 모터(401)의 출력축(402)에 회전공구(403)가 고정되고, 그 표면에는 연마에 적합한 재질의 연마패드(404)가부착되어 있다. 회전축(405)에 고정된 회전홀더(406)에 반도체 웨이퍼(407)가 고정되고, 연마액(408)을 공급하는 공급노즐(409)이 연마패드의 위쪽에 설치되어 있다.
상기 연마가공장치에 있어서는, 회전공구 및 반도체 웨이퍼를 회전시키면서, 연마패드에 누름과 동시에 연마액 공급노즐로부터 슬러리(slurry)를 현탁(懸濁)시킨 연마액을 연마재 위에 공급하면, 반도체 웨이퍼의 표면을 연마가공할 수 있다.
또한, 일본 특개평 9-232257호에 개시되어 있는 방법은 연마액을 사용하는 것은 같지만, 연마입자(砥粒)가 아니라, 회전공구 표면의 연마재에 연마입자를 묻어 놓은 연마지석(砥石)을 연마에 이용하는 형태로 되어 있다. 예를 들어, 산화막을 연마하는 경우에는, 페놀계 수지에 입경 0.01~1㎛ 정도의 이황화규소, 산화세륨, 알루미나 등을 매립한 연마지석이 이용된다. 상기 방법에서는 연마입자의 사용량을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 미국 특허 6,057,245호에는 기상(氣相)중에서의 평탄화기술에 대한 기재가 있다. 상기 방법은 플라스마를 이용하고, 연마패드를 플라스마에 대향시켜서 행하는 방법이다. 연마입자를 기상중에 공급하는 등의 특징이 있다.
상기 종래의 습식 연마가공방법은 하기와 같은 몇 가지의 고려되지 않은 점이 있다. 즉, 연마하는데 필요한 운용비용이 높은 것이다. 가격이 높은 연마액(연마입자나 용매)을 대량으로 사용할 뿐만 아니라, 연마패드는 슬러리 고형물에 의해 막히기 쉽고, 연마면의 조정(conditioning) 또는 교환이 필요하여, 일반적으로 비용이 든다.
거시적인(macro) 평탄화 균일성의 면에서는, 웨이퍼 엣지부에서의 속도가 불균일하고, 엣지 익스클루시브 영역(exclusive zone)이 3mm에서 5mm로 불충분하다. 또한, 미시적인(micro) 평탄화 균일성으로는, 표면 돌출부의 연마선택성이 충분하지 않기 때문에, 표면 오목부도 동시에 깎여버리고, 또한 조밀(粗密) 패턴 의존성도 무시할 수 없는 범위로 발생한다. 더욱이, 연마 시에 연마액의 화학성질을 이용하고 있기 때문에, 산성용매 또는 알칼리성 용매 등의 잔류 화학물질에 의해 배선금속이 부식하는 경우가 있다. 또한, 피연마 표면에 금속이 있는 경우, 전기화학적 부식(전해부식)을 일으키는 경우가 있고, 이 경우에는 금속부의 이상연마가 생긴다. 상기 전해부식에 대해서 상세하게 설명한다. 일본 특개 2000-40679호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 실리콘 기판에 형성된 pn접합에 빛이 입사하면, 실리콘의 광기전력 효과에 의해, pn접합의 p측(+측)에 접속된 Cu배선-pn접합-pn접합의 n측(-측)에 접속된 Cu배선-웨이퍼 사이에 부착한 연마 슬러리에 의해 형성된 폐회로에 단락(短絡)전류가 흐르고, pn접합의 p측(+측)에 접속된 Cu배선의 표면에서 Cu2+이온이 해리하여 전해부식을 일으킨다. 이로 인해 Cu표면의 이상연마가 생긴다.
또한, 장치의 구조와 연마의 성질상, 연마층 제거종료의 종점(終點)검출이 매우 어렵고, 인-라인(In-line) 모니터링이 곤란하다. 또, 연마액이나 연마패드가 특정한 막재질(膜質)의 재료에 최적화되어 있기 때문에 동일 장치로 여러 종류의 막종류에 대해서 연속하여 연마하는 대응이 곤란하다. 또, 종래의 연마방법이 기본적으로 습식 프로세스(wet process)이기 때문에, 절각(折角) 에칭이나 CVD를 진공중에서 행하여도, 한번 대기중으로 꺼내어 다시 진공장치에 집어넣는 일련의 단계가 필요하여, 처리량(throughput)을 저하시키는 요인이 된다. 이러한 점들을 해결하는 것은 물론, 스크래치 등의 가공 손상을 발생시키지 않고, 치수가 큰 패턴부와 미세한 패턴부를 동일 평면으로 평탄화하는 기본적인 연마성능도 유지하지 않으면 안 된다.
또한, 상기 미국특허에 기재된 건식 연마방법은 연마패드를 플라스마쪽으로 향하게 하고 있으므로, 효율적으로 에칭하는 것에 대해서는 고려되어 있지 않다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명은 효율적으로 에칭하는 것이 가능한 건식 화학기계 연마방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.
도 1은 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마장치에 대한 모식도,
도 2는 본 발명에 의한 다른 구성을 갖는 건식 화학기계 연마장치에 대한 모식도,
도 3은 본 발명에 의한 다른 구성을 갖는 건식 화학기계 연마장치에 대한 모식도,
도 4는 종래의 화학기계 연마장치에 대한 구성도,
도 5는 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마의 홀더 부분에 대한 모식도,
도 6은 CF계 가스 플라스마에 피폭된 표면의 X선 광전자 분광 스펙트럼의 모식도,
도 7은 CF계 라디칼이 부착된 표면으로부터의 분리이탈 반응생성물을 검출한 승온(昇溫) 분리이탈 스펙트럼의 모식도,
도 8은 연마표면에서의 회전속도와 누름압력의 곱과 온도상승과의 상관관계를 나타낸 도,
도 9는 플라스마 발광계측에 의한 종점 검출에 대한 설명도,
도 10은 웨이퍼 표면의 평탄화 공정에 대한 설명도,
도 11은 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마장치를 다른 프로세스 장치와 일체화한 개념도,
도 12는 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마의 홀더 부분에 대한 단면도,
도 13은 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마의 홀더 부분에 대한 단면도,
도 14는 본 발명에 의한 또 다른 구성을 갖는 건식 화학기계 연마장치에 대한 모식도.
도 15는 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마장치 처리에 대한 플로우 챠트이다.
[도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명]
101 … 건식 화학기계 연마장치,102 … 마이크로웨이브 발생장치,
103 … 도파관(導波管),104 … 유전체(誘電體),
105 … 자석,106 … 플라스마,
107 … 피연마 시료,108 … 밸브,
109 … 가스 공급로,110 … 진공배기장치,
111 … 압력측정기,112 … 구동기구,
113 … 전달기구,114 … 시료대,
115 … 시료 고정기,116 … 지지대 구동기구,
117 … 지지대,118 … 연마 구동기구,
119 … 연마패드,120 … 홀더,
121 … 누름압력 계측기,122 … 석영창(石英窓),
123 … 종점 검출장치,124 … 막두께 계측장치,
201 … 건식 화학기계 연마장치,202 … 진공배기장치,
203 … 압력계측기,204 … 피연마 시료,
205 … 회전구동장치,206 … 시료대,
207 … 시료 고정기,208 … 지지대 구동기구,
209 … 지지대,210 … 가스 공급라인,
211 … 유량 제어기구,212 … 연마 구동기구,
213 … 연마패드,214 … 홀더,
215 … 누름압력 계측기,216 … 플라스마,
217 … RF전원,218 … 케이블,
219 … 막두께 측정장치,301 … 회전구동부,
302 … 전달축,303 … 시료대,
304 … 피연마 시료,305 … 구동축,
306 … 홀더,307 … 연마패드,
308 … 구동축,309 … 연마패드,
310 … 진동축,311 … 연마패드,
401 … 모터,402 … 출력축,
403 … 회전공구,404 … 연마패드,
405 … 회전축,406 … 회전홀더,
407 … 반도체 웨이퍼,408 … 연마액,
409 … 공급노즐,1001 … 웨이퍼 기판,
1002 … 절연막,1003 … 배선층,
1004 … 오목부,1005 … 절연막,
1006 … 금속층,1007 … 포토 레지스트 층,
1008 … 스테퍼,1009 … 포토 레지스트 상의 요철부,
1101 … 멀티 프로세스 장치,1102 … 플라스마 에칭실,
1103 … 플라스마 CVD실,1104 … 드라이 세정실,
1105 … 건식 화학기계 연마실,1106 … 웨이퍼 투입부,
1107 … 웨이퍼 반송부,1108 … 웨이퍼 반출부.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마방법은 플라스마 발생원에서 플라스마를 공급하면서, 시료대에 고정한 피연마 시료 표면을 연마공구와 접촉시키고, 피연마 시료와 연마공구의 상대적인 위치를 이동시켜서 연마하며, 피연마 시료 표면을 평탄화하는 방법에 있어서, 상기 연마시에 피연마 시료 표면의 적어도 일부가 플라스마 분위기에 피폭되는 상태에 놓여지도록 한 것이다.
연마 시에 피연마 시료 표면의 적어도 일부가 플라스마 분위기에 피폭되는 상태에 있도록 하기 위해서는 피연마 시료 표면의 크기를 연마공구 보다 크게 하면 좋다. 양자가 모두 원형이라면, 피연마 시료의 직경을 연마공구의 직경보다 크게하면 좋다. 양자의 크기가 같거나 연마공구가 큰 경우는, 연마공구를 피연마 시료에서 옆으로 돌출되어 나오도록 하면 좋다. 이 때, 연마 중에 연마공구가 피연마 시료에서 항상 돌출되어 나오지 않아도 좋지만, 항상 돌출되어 나와 있는 편이 바람직하다. 또, 연마공구에 홀을 형성하고, 연마공구 내에서부터 플라스마가 분출되도록 하면, 피연마 시료와 연마공구의 크기에 관계없이, 피연마 시료 표면의 적어도 일부가 플라스마 분위기에 피폭되는 상태에 있게 된다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마방법은 시료대에 고정된 피연마 시료 표면의 적어도 일부를 플라스마 분위기에 피폭하여 피연마 시료 표면에 라디칼을 흡착시키고, 피연마 시료 표면에 연마수단을 접촉시켜 피연마 시료와 연마수단의 상대적인 위치를 이동시켜서, 마찰에 의해 피연마 시료표면의 돌출부를 가열하여 상기 돌출부를 연마하고, 피연마 시료표면을 평탄화하도록 한 것이다.
어떠한 방법에 있어서도, 연마분위기의 압력은 저압이거나 대기압이어도 좋고, 대기압 이상의 압력이라도 좋다. 바람직하게는 연마분위기의 압력을 1Pa~약100000Pa의 범위 내로 하는 것이 좋다.
본 발명의 의한 일 실시예에 대해서 도1을 참조하여 설명한다. 도1에 도시된 바와 같이. 본 발명에서는 건식 화학기계 연마장치(플라스마 화학기계 연마장치, 101)를 이용하여, 반도체 표면의 요철을 연마한다. 상기 장치는 다운 플로우(down flow)형 플라스마 확산영역을 이용하는 연마장치의 일 예이다. 상기 장치는 회전기구에 있는 시료대(114), 피연마 시료(107)의 재질에 맞춰서 선택한 연마패드(119)를 장착한 회전, 진동, 병진(竝進) 등의 이동을 하는 연마공구, 플라스마 발생부, 가스 공급계통, 배기계통으로 구성된다.
플라스마 발생부에서는 마이크로웨이브 발생장치(102)에서 발생시킨 마이크로웨이브를 도파관(導波管, 103)으로 안내하여 유전체(誘電體, 104)를 통해서 장치에 도입한다. 상기 실시예에서는 마이크로웨이브를 이용하였지만, UHF나 라디오웨이브, 또는 이들 전자파와 동시에 자석(105)을 이용하여 발생시킨 자장을 인가(印加)하여 플라스마(106)를 생성하여도 동일한 기능을 발휘한다. 전자파의 도입방법이나 자장 인가방법의 연구를 통해, 피연마 시료(107)에 분사되는 활성종(活性種)의 플럭스(flux)를 연마에 최적으로 제어할 수 있다. 가스 공급계통은 플라스마 원료 가스의 유량이나 온, 오프를 제어하는 밸브(108)와 가스 공급로(109)로 이루어진다. 장치는 진공배기장치(110)에 의해 감압으로 할 수 있고, 압력측정기(111)에 의해 항상 모니터링 및 제어할 수 있다. 구동기구(112)에서 발생한 힘은 전달기구(113)를 통해서 시료대(114)에 전달되고, 시료고정기(115)에 의해 고정된 피연마 시료(107)를 적재하여 회전, 진동 또는 병진운동을 할 수 있다.
다음에, 연마공구부를 설명한다. 연마공구는 지지대 구동기구(116)에 의해 이동 가능한 지지대(117)에 탑재되어 있다. 상기 지지대는 전후좌우상하로 이동할 수 있고, 위치를 제어할 수 있음과 동시에, 연마공구를 누르는 경우의 가압에 견디는 구조로 되어 있다. 연마공구에는 연마 구동기구(118)에 의해 작동하는 연마패드(119)가 홀더(120)에 고정되어 있다. 연마공구가 피연마 시료를 누르는 압력은 스트레인 게이지, 스프링, 압전소자 중 어느 하나를 사용한 누름압력계측기(121)로 모니터링하고, 제어된다.
건식 화학기계 연마장치에는 석영창(122)이 설치되어, 플라스마 발광을 채취할 수 있다. 분광기로 이루어지는 종점 검출장치(123)에 의해 연마의 종점을 판정하고, 연마공정을 종료하는 것이 가능하다. 또한, 막두께 측정장치(124)에 의해, 연마공구가 장해(障害)가 되지 않는 지점의 표면층의 막두께를 계측하여, 종점판정에 도움을 줄 수 있다.
다음에, 반도체 소자의 상층에 형성한 요철이 있는 산화막을 본 발명에 의한 연마방법으로 평탄화하는 경우의 일 예를 설명한다. 사용하는 가스는 시클로-C4F8(이하, c-C4F8이라 한다), CHF3, C5F8등의 산화막 에칭에 사용되는 가스이다. c-C4F8의 경우, 바람직하게는 1~300ml/분의 유량으로 공급하고, Ar가스로 희석하여도 상관없다. 장치 내의 압력은 1Pa~약100000Pa의 범위 내로 제어하는 것이 바람직하다. 물론, 경우에 따라서는 가스 공급속도를 배기속도보다 높게 하여, 1기압 보다 높게 하여도 좋다. 플라스마의 밀도는 공급하는 전자파의 파워와 정(正)의 상관관계가 있다. 바람직하게는 100~1000W의 파워를 투입하면, 연마에 적합한 두께의 화학흡착층을 형성할 수 있다. 이러한 플라스마 분위기에서 연마패드를 누르고, 회전연마를 한다. 연마패드는 경질 발포 폴리우레탄, 이산화규소, 산화세륨, 산화알루미나 등의 연마입자를 섞은 폴리우레탄, 테플론 또는 표면에 산화막(SiO2막)이 형성된 연마패드 등이 사용된다. 연마패드의 탄성률은 연마공정에 맞춰서 적절하게 선택할 수 있다. 작동하중 및 연마패드의 회전속도는 요구되는 연마속도나 균일성이 얻어지는범위에서 적절히 조정한다.
일 실시예로는 하중 0.5kg/cm2, 회전속도 1000회전/분의 조합이 있다. 일반적으로 하중이 작은 경우에는 회전속도를 높게 하고, 하중이 큰 경우에는 회전속도를 낮게 하는 것으로 동등한 연마속도가 얻어진다. 단, 하중이 지나치게 큰 경우에는, 피연마 웨이퍼 표면에 미세한 스크래치가 생기기 쉽게 된다. 피연마 시료가 직경 200mm 또는 300mm의 대구경 웨이퍼인 경우에는 웨이퍼 주변부의 연마 균일성이 저하할 가능성이 있지만, 연마공구의 지지대를 적절하게 전후좌우로 이동하고, 연마패드가 접촉하는 시간을 조절하여 연마 균일성을 향상시킬 수 있다. 즉, 돌출부가 높은 부위는 보다 더 연마할 수 있도록 한다.
상기 연마방법에 의해, 두께 1㎛의 산화막을 가공한 경우, 패턴 폭이 5mm~0.5㎛인 전체 패턴에 대해서 가공속도 0.3±0.011㎛/분의 양호한 연마가공 특성이 얻어졌다. 또한, 연마종료시에 표면에 약간의 플루오르 카본계 침전막이 잔류하는 경우가 있지만, 이들은 원료가스를 산소로 대체하여 플라스마를 생성하고, 애싱(ashing)하는 것으로 제거 가능하다.
또, 챔버 내벽 등의 구성부분이 오염되는 경우가 있다. 이 경우는 산소 또는 산소를 함유한 가스 플라스마에 의해 세척할 수 있다.
도15는 상기 연마처리를 행하는 플로우차트이다. 피연마 시료를 로드로크(load lock)실에 놓아두고, 버퍼(buffer)실을 경유하여 반송하여, 시료대 위에 고정한다. 시료대를 회전시키고, 가스를 도입하며, 플라스마를 발생시킨다.회전한 연마패드를 이동시키면서 피연마 시료에 밀어 붙인다. 가중(加重) 균일성, 면내(面內) 균일성, 회전속도를 모니터링한다. 연마의 종점을, 예를 들어 후술하는 발광신호 강도로 측정하여, 연마의 종점으로 판정한 때에, 연마패드를 피연마 시료로부터 분리하고, 플라스마를 제거하며, 가스공급을 중지하고, 시료대의 회전을 중지한다. 피연마 시료를 시료대에서 버퍼실을 경유하여 로드로크실로부터 꺼낸다.
다음에, 본 발명에 의한 다른 실시예에 대해서 도2를 참조하여 설명한다. 상기 실시예는 연마공구 내부에서 플라스마를 발생시키고, 피연마 표면에 활성종을 공급하는 구성이다. 건식 화학기계 연마장치(201)는 진공배기장치(202)에 의해 감압되고, 압력계측기(203)에 의해서 모니터링 및 제어할 수 있다. 피연마 시료(204)는 회전구동장치(205)에 의해서 회전하는 시료대(206) 위에 시료고정기(207)를 이용하여 고정되어 있다. 다음, 연마공구부는 지지대 구동기구(208)에 의해 이동 가능한 지지대(209)에 탑재되어 있다. 연마공구에는 가스 공급라인(210)이 접속되고, 유량제어기구(211)에 의해 플라스마의 원료가 되는 가스를 적절히 공급할 수 있다. 연마공구에는 회전, 진동 등의 구동력을 발생하는 연마구동기구(212)에 의해 작동하는 연마패드(213)가 홀더(214)에 고정되어 있다. 연마공구가 피연마 시료를 누르는 압력은 스트레인 게이지, 스프링, 압전소자 중 어느 하나를 이용한 누름압력 계측기(215)에 의해 모니터링되고, 제어된다. 플라스마(216)는 RF전원(217)에서의 전력을 케이블(218)에 의해 전달하여 생성된다. 상기 장치를 이용한 경우, 플라스마는 연마공구의 홀더 내에서 생성되므로, 연마패드에는 복수의 홀(220)이 천공되어 있고, 활성화학종은 상기 홀을 통과하여 피연마 시료 표면에 공급된다. 또한, 상기플라스마를 웨이퍼 위의 일부에 생성하는 방식에서는, 홀더 내부에서 플라스마를 생성하는 방식뿐만 아니라, 연마패드의 주위에 방전기구를 설치하고, 연마공구의 주위에서 플라스마를 생성하여도 좋다. 또한, 막두께 측정장치(219)에 의해, 연마공구가 장해가 되지 않는 지점의 표면층의 막두께를 계측하여, 종점판정에 도움을 줄 수 있다. 또, 본 발명에 의한 장치에 4중극 질량분석장치를 탑재하고, 기상(氣相) 중의 라디칼의 질량분석을 하여 종점검출을 해도 좋다.
본 발명에 의한 다른 실시예를 사용하여, 산화막층에 홈과 바이어 홀(via hole)을 에칭공정으로 형성하고, Cu를 매립한 후의 표면 평탄화에 대해서 설명한다. 상기의 경우, 산화막과 함께 Cu도 연마하지 않으면 않되므로, 반응성 가스로는 플루오르 카본계 가스와 함께 Cl2나 HBr을 첨가할 필요가 있다. 물론, Ar 가스로 희석하여도 좋다. 가스 유량의 일 예로는 c-C4F8이 10ml/분, Cl2가 5ml/분 이었다. 바람직하게는 1~300ml/min의 유량으로 공급하고, Ar 가스로 희석하여도 관계없다. 장치 내의 압력은 0.1Pa~약100000Pa의 범위 내로 제어하는 것이 바람직하다. 물론 경우에 따라서는, 가스 공급속도를 배기속도보다 높게 하여, 1기압 보다 높게 해도 좋다. 플라스마 형성용 전원은 비교적 소형으로도 충분하며, 10W~500W 정도의 파워를 투입하는 것으로도 연마는 가능하다. 연마패드에는 직경1mm 정도의 홀이 수백개가 형성되어 있어, 플라스마 중에서 생성한 중성종이 통과한다. 연마패드는 경질 발포 폴리우레탄, 이산화규소, 산화 세륨, 산화 알루미나 등의 연마입자를 섞은 폴리우레탄 또는 표면에 산화막이 형성된 연마패드 등이 사용된다. 연마패드의 탄성률은 연마공정에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 작용하중 및 연마패드의 회전속도는 원하는 연마속도나 균일성이 얻어지는 범위에서 적절히 조정한다.
일 실시예로는, 하중 0.5kg/cm2, 회전속도 1000회전/분의 조합이 있다. 균일성을 높이기 위해서, 연마속도가 늦은 부분에 보다 시간을 들여서 연마할 수 있도록 연마공구를 쓸어 당긴다. 상기 연마방법에 의해 두께 1㎛의 Cu 배선을 설치한 산화막을 가공하는 경우, 패턴 폭이 5mm~0.5㎛인 전체 패턴에 대해서, 가공속도 0.2±0.01㎛/분의 양호한 연마가공 특성이 얻어졌다.
또한, 본 연마방법은 동, 알루미늄 등의 금속배선을 연마하는 경우에도 유효하다. 플라스마 중에서 주로 할로겐을 함유한 활성종을 생성하고, 피연마 표면에 공급한다. 상기 화학종은 금속표면과 반응하고, 표면 마찰계수를 크게 하며, 게다가 용이하게 기반 금속으로부터 벗겨지기 쉽게 한다. 이로 인해, 용이하게 금속표면을 연마하는 것이 가능해진다. 벗겨진 금속화합물은 플라스마 중에서 해리(解離)하고, 진공배기된다. 다만, 연마종료시에는 플라스마를 없앤 후, 연마를 계속하여 표면 변질층을 완전히 연마하고 나서 종료한다.
여기에서, 연마방법의 몇 가지 예를 나타낸다. 도3(a)에 나타낸 바와 같이, 전달축(302)을 통해서 회전구동부(301)의 동력으로 시료대(303)를 회전시켜, 피연마 시료(304)를 연마하는 경우, 이제까지의 실시예와 같이, 구동축(305) 끝의 홀더(306)에 고정한 연마패드(307)로 연마를 한다. 이 방법은 피가공 시료면에 대해서 수평으로 회전연마를 하는 방법이다. 다음에, 다른 연마방법으로 도3(b)에 나타낸 바와 같이, 전달축(302)을 통해서 회전구동부(301)의 동력으로 시료대(303)를 회전시켜, 피연마 시료(304)를 연마하는 경우, 구동축(308)의 선단에 대해서 연마패드(309)를 도면 중에서 화살표로 표시한 방향으로 회전시켜서 연마를 한다. 다음에, 다른 연마방법으로서 도3(c)에 나타낸 바와 같이, 전달축(302)을 통해서 회전구동부(301)의 동력으로 시료대(303)를 회전시켜, 피연마 시료(304)를 연마하는 경우, 수평방향으로의 진동축(310)의 끝에 설치한 연마패드(311)로 연마를 행한다. 어느 방법으로도, 연마공구는 피가공면 위를 제어하고, 쓸어 당기는 것이 가능하여 면 내에서 균일한 연마가 가능하다. 또한, 연마공구와 피연마 시료의 위치관계는 상하가 반대여도 좋고, 또 연마패드가 피연마 시료보다 면적이 커도 좋지만, 연마중에 피연마 시료의 적어도 일부가 플라스마 분위기에 피폭되는 상태로 두는 것이 중요하다.
본 발명과 미국특허 6,057,245호에 기재된 종래예의 주된 차이는 시료와 연마패드의 위치관계에 있다. 상기 종래예에서는 라디칼은 주로 연마패드에 흡착하고, 반응 메커니즘은 종래예에 기재되어 있는 바와 같이, 시료의 화학결합을 마찰에 의해 약하게 하여 두고, 여기에 라디칼이 연마패드에서부터 공급되어 반응이 진행한다. 이에 비하여, 본 발명에서는 라디칼이 흡착된 시료표면을 연마에 의해 발생한 열에 의해 제거되도록 한 것이다. 또, 상기 제2실시예에서 나타낸 바와 같이, 국부적으로 플라스마를 생성하는 개념은 상기 종래예에는 나타나 있지 않다.
여기에서, 본 발명의 연마 메커니즘 및 원리를 설명한다. 도5(a), (b)는 홀더 주변부의 모식도이다. 회전축 선단의 홀더에는 연마에 이용되는 연마패드가 장착되어 있다. 플라스마에서 공급된 화학종이 웨이퍼 표면에 흡착하고, 라디칼 흡착층을 형성하고 있다. 하중이 걸리고, 고속으로 회전하는 연마패드는 웨이퍼 표면의 돌출부와 접촉하고 있다. 접촉한 표면 돌출부가 선택적으로 연마되는 것에 의해 평탄화한다. 연마 생성물은 표면으로부터 플라스마로 입사하는 것에 의해 해리가 진행하며, 다른 분자와 함께 진공배기된다. 요철이 있는 산화막 표면을 예로 들어 돌출부 선택연마의 원리를 설명한다. 사용하는 가스는 산화막과 화학반응하여 발생하는 반응 생성물을 생성시키는 화학종을 플라스마 중에서 생성하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 c-C4F8등의 플루오르 카본계 가스를 사용한다. 상기 가스는 플라스마 중에서 용이하게 해리하고, CxFy라디칼을 생성한다. 이들 라디칼은 부착계수가 비교적 크고, 피폭되는 산화막 표면에 흡착한다. 도6에 나타낸 전자의 결합 에너지에 대한 X선 광전자 신호강도를 표시한 선(601)이 나타내는 바와 같이, 표면에서는 CF, CF2, CF3등으로 귀속되는 복수의 피크가 관측되고, 실제로 CF계의 흡착층이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 애스팩트 비율(aspect ratio)이 큰 깊은 홀(深孔)과 같은 오목부가 아닌 한 표면의 요철부에서 흡착능력에는 큰 차이가 없고, 대체로 표면의 요철부에 같은 두께의 표면 흡착층이 형성된다.
이와 같은 표면으로의 반응성 라디칼의 흡착만으로 표면과의 화학반응이 자발적으로 진행하는 것은 아니다. 다음에, 플라스마를 제거하고, 표면에 CF계 흡착층을 형성시킨 웨이퍼의 온도를 서서히 상승시키고, 어느 온도이상에서 화학반응이 일어나는가를 검사했다. 도7에는 질량분석장치를 이용하여 계측한 반응생성물에서유래한 SiF3이온의 신호강도를 표시하는 선(701)과 CO 이온의 신호강도를 표시하는 선(702)의 웨이퍼 온도 의존성을 나타낸다. 어느 이온도 400℃ 부근의 온도에서 강하게 관측된다. 상기 온도에 달하면, 흡착층이 전부 반응하여 버리므로, 그 이상으로 온도를 올려도 반응생성물은 검출되지 않는다. 그러므로, 웨이퍼 표면온도가 400℃를 초과하여 가열되면 화학반응이 진행되는 것을 알 수 있다. 일 예로서, 흡착화학종의 하나로 CF2, 반응생성물로서 CF4와 CO를 가정하면 화학반응식은 다음과 같이 기재할 수 있다.
△
SiO2+ 2CF2→ SiF4↑ + 2CO↑
플라스마를 유지하여 정상적으로 라디칼을 공급한 채로 웨이퍼 전체를 가열하여 상기 화학반응을 일으키면, 확실하게 표면의 SiO2를 화학반응에 의해 계속적으로 제거할 수 있지만, 요철 선택성이 없으므로 표면의 산화막 전체가 얇아질 뿐이고 평탄화는 달성되지 않는다.
그러므로, 표면 돌출부 선택성을 나타내기 위해서, 표면 돌출부만이 400℃ 이상이 되는 방법이 필요하다. 그래서, 본 발명의 연마패드와의 접촉부가 400℃ 이상이 되는가를 원리검토한다. 도8은 누름압력(P)과 접촉면의 속도(V)와의 곱과 접촉면의 마찰계수가 μ인 경우의 온도상승(T-T0)과의 관계를 나타낸 도이다. 누름 압력과 연마속도의 곱과 접촉면 온도와의 상관관계를 표시하는 선(801)이 나타내는 바와 같이, 거의 비례관계에 있는 것을 알 수 있다. 마찰계수 μ가 0.5인 경우, PV곱의 값이 1000 정도로, 500℃ 정도의 온도상승이 있는 것을 알 수 있다. 즉, 원리적으로 표면 돌출부의 온도는 충분히 400℃ 이상에 도달하는 것을 알 수 있다.
이상의 고찰 및 설명에 의해 본 발명의 원리를 나타냈지만, 실제로는 웨이퍼의 재질 및 패턴에 의해 열전도가 달라지는 등에 의해, 웨이퍼 표면의 온도는 변화한다. 만일, 온도제어가 잘 되지 않는다면, 히터 등의 온도조절 기구에 의해 보조적으로 웨이퍼 전체의 온도를 조절하여 보조하는 것이 가능하다. 온도조절 기구는 피가공 웨이퍼측 또는 회전패드측에 있어도 상관없다. 이 경우 주의할 점은 상기 온도조절에 의해 열반응만으로 표면 오목부의 제거반응까지도 진행하지 않도록 하는 것이다.
여기서, 다시 도5(a), (b)로 돌아가서 설명을 계속한다. 도5(a)는 도1에 도시한 제1 실시예의 홀더와 그 주변부의 모식도이다. 피연마 시료와 연마패드는 거의 밀착하고 있으므로, 플라스마 가스는 연마패드 주변부외에는 도달하지 않는다. 그러나, 양자의 상대적 위치가 이동하므로, 연마패드의 하부에도 효율적으로 플라즈마 가스가 공급된다. 한편, 도5(b)는 도2에 나타낸 제2실시예의 홀더와 그 주변부의 모식도이다. 홀더에는 1mm 정도의 홀이 형성되어 있다. 연마패드에는 1mm~수mm의 많은 홀이 있다. 도면에서는 홀더의 홀 1개에 연마패드의 홀 1개가 있는 것처럼 나타나 있지만, 이것은 모식적으로 나타낸 것이고, 실제는 연마패드의 홀 크기에도 의존하지만, 홀더의 홀 1개에 대해서 연마패드의 홀이 1개~수개가 배치되어 있다. 이와 같은 구성에 의해 플라스마 가스가 피연마 시료의 표면을 향하여 분출한다. 또한, 홀더 아랫면의 홀이 없는 부분 아래의 연마패드에도 홀은 있지만. 플라스마 가스가 통과하는 것은 아니므로, 도시하지 않는다.
도5(b)에 나타난 홀더 부분의 단면도를 도12 및 도13에 나타낸다. 도12에 나타난 바와 같이, 수회 코일을 감고, 이것에 RF를 인가하여 도입한 가스를 플라스마화 한다. 또한, 홀더 내면은 알루미늄 표면을 양극(陽極)산화한 것으로, 플라스마에 대하여 내부식성이 있다. 또, 도13에 나타난 홀더에서는 플라스마의 발생위치가 다르고, 리모트(remote) 플라스마로 플라스마를 원격위치에서 발생시킨다. 단, 지나치게 거리가 멀면, 생성한 라디칼이 소멸하므로, 장치의 크기 등을 고려하여 적합한 방식을 선택한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 대기압 연마의 건식 화학기계 연마장치를 도14를 이용하여 설명한다. 압력이 높은 편이 라디칼 반응종량이 증가하여 연마속도가 증대한다. 코일에 13.56MHz의 RF를 인가하여, 플라스마를 발생시킨다. 상기 방식에서는 대기압 이상의 압력에서도 플라스마를 안정적으로 발생시킬 수 있다.
다음에, 종점 검출의 일 예를 도9를 이용하여 설명한다. 편의상 피연마 시료는 Si 기판위에 SiO2막을 성장시킨 것을 이용한다. SiO2잔류 막두께를 표시하는 선(901)이 나타내는 바와 같이, 연마가 진행됨과 동시에 잔류 막두께는 감소하고 있다. 한편, SiF의 발광신호 강도를 표시하는 선(902)이 나타내는 바와 같이, 연마가 시작됨과 동시에 SiF의 발광강도는 급격히 증가한다. 그리고, 정상적으로 연마가 이루어지는 사이, 거의 일정한 강도를 유지하며, 기반층의 Si가 점차 노출되면 SiF의 발광강도는 급격히 감소하며, 완전히 SiO2가 연마제거되면, 백그라운드수준(background level)에 머물게 된다. 이와 같이, 플라스마 중의 반응생성물의 발광을 모니터링하는 것에 의해 용이하게 종점을 판정하는 것이 가능하다. 물론, 실제의 SiO2잔류 막두께를 간섭법(干涉法)을 이용한 막두께 계측기에 의해 계측하면서 종점을 판정하여도 좋다.
반도체 제조공정은 다수의 프로세스 처리로 이루어지지만, 본 발명이 적용되는 공정의 일 예인 배선공정에 대해서 도10을 이용하여 설명한다.
도10(a)는 1층의 배선이 형성되어 있는 웨이퍼의 단면도를 나타낸다. 트랜지스터부가 형성되어 있는 웨이퍼 기판(1001)의 표면에는 절연막(1002)이 형성되어 있고, 그 위에 Al이나 Cu 등의 배선층(1003)이 있다. 절연막 중의 컨택트 홀을 위해서, 배선층의 접합부는 약간 함몰되어 있다(오목부(1004)). 도10(b)에 나타난 2층 배선공정에서는 1층 위에 절연막(1005), 금속층(1006)을 형성하고, 더욱이 금속층에 배선 패턴을 형성하기 위한 노광(露光)용 포토 레지스트층(1007)을 배치한다. 다음에, 도10(c)에 나타난 바와 같이 스테퍼(1008)로 회로 패턴을 상기 포토 레지스트 상에 노광전사(露光轉寫)한다. 이 경우, 포토 레지스트층의 표면이 울퉁불퉁하게 되어 있으면, 포토 레지스트 표면의 오목부와 돌출부(1009)에서는 동시에 초점이 맞춰지지 않고, 해상(解像) 불량이 발생한다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여, 후술하는 바와 같은 평탄화처리를 행한다. 도10(a)의 처리공정의 다음에 도10(d)에 나타난 바와 같이, 절연막(1005)을 형성한 후, 도면에서 1010의 높이까지 평탄하게 되도록 본 발명에 의한 방법에 의해연마가공을 하여, 도10(e)의 상태를 얻는다. 그 후, 금속층과 포토 레지스트층을 형성하고, 도10(f)와 같이 스테퍼로 노광한다. 이 상태에서는 포토 레지스트 표면이 평탄하므로 해상불량의 문제는 생기지 않는다.
여기에서, 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마방법을 채용하는 것에 의해, 절연막 형성공정, 금속배선층 형성공정, 패턴 에칭공정, 세정공정, 연마공정의 전체를 건식으로 하는 것이 가능해진다. 즉, 건식 일관 프로세스의 구축이 가능하게 된다. 도11을 이용하여 건식 일관 프로세스의 개념을 설명한다. 멀티 프로세스 장치(1101)에는 플라스마 에칭실(1102), 플라스마 CVD실(1103), 드라이 세정실(1104), 본 발명에 의한 건식 화학기계 연마장치(1105)가 일체(cluster)화 되어 있다. 피가공 웨이퍼는 웨이퍼 투입부(1106)에서 투입되고, 반송부(1107)를 통해서 각 프로세스실로 반송될 수 있다. 이로 인해 플라스마 CVD에 의한 절연막의 형성, 플라스마 에칭에 의한 컨택트 홀의 형성, 드라이 세정에 의한 웨이퍼 표면세정, 플라스마 CVD 혹은 스퍼터링(sputtering)에 의한 금속층의 형성, 건식 화학기계 연마방법에 의한 표면 평탄화, 다시 세정, 절연막 부착 등의 프로세스를 전부 진공층 내에서 행하는 것이 가능하게 된다. 전 공정이 종료된 후, 웨이퍼 반출부(1108)로부터 가공이 끝난 피가공 웨이퍼를 꺼내는 것이 가능하다.
상기 진공 일관 프로세스의 구축에 의해, 웨이퍼로의 오염이 감소함과 동시에 각 공정 간의 이동에 요구되는 시간적 손실이 감소하여 처리량(throughput)이 극적으로 향상한다. 또한, 연마 공정에서 약액(藥液)를 전혀 사용하지 않으므로, 잔류 화학물질에 의한 금속층의 부식도 극히 감소시킬 수 있으며, 기본적으로 드라이 에칭과 같은 정도의 오염에 그친다. 또한, 전체 비용에서도 연마부의 소모품 등이 가산될 뿐이므로, 드라이 에칭보다도 약간 비용은 높아질 것으로 예상되지만, 종래의 화학기계 연마에 비하면 상당한 비용을 절감하는 것도 충분히 가능하다.
본 발명은 반도체 소자를 비롯해, 액정표시소자, 마이크로 머신, 자기디스크 기판, 광디스크 기판 또는 광학소자의 제조에 적용하는 것이 가능하다.
본 발명에 의해 연마공정을 건식화하고, 효율적으로 연마하는 것이 가능하다. 또한, 습식 화학기계 연마법에 비하여 평탄화에 요구되는 비용을 대폭 절감하는 것이 가능하게 된다.

Claims (8)

  1. 플라스마 발생원으로부터 플라스마를 공급하면서, 시료대에 고정된 피연마 시료 표면을 연마공구와 접촉시키고, 상기 피연마 시료와 상기 연마공구의 상대적인 위치를 이동시켜서 연마하여, 상기 피연마 시료 표면을 평탄화하는 건식 화학기계 연마방법에 있어서,
    상기 연마 시에, 상기 피연마 시료 표면의 적어도 일부가 상기 플라스마 분위기에 피폭되는 상태에 놓여지는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마를 하는 분위기의 압력이 0.1Pa~100000Pa의 범위인 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연마를 하는 분위기가 감압(減壓)된 상태인 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스마의 공급은 상기 피연마 시료 표면 전체에 다운 플로우(down flow)의 확산영역에서 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라스마는 상기 플라스마 공급원에서 국소적으로 발생되어, 상기 연마공구에 설치된 홀로부터 상기 피연마 시료 표면 위에 공급되는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피연마 시료와 상기 연마공구의 접촉부분의 온도를 올리기 위해서, 상기 피연마 시료 및 연마공구 중 적어도 어느 한쪽을 가열하는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마를 하는 분위기 중의 반응생성물이 상기 플라스마 중에서 발생하는 빛을 검출하고, 상기 연마의 종점을 검출하는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
  8. 시료대에 고정된 피연마 시료 표면 중 적어도 일부를 플라스마 분위기에 피폭하여 상기 피연마 시료 표면에 라디칼을 흡착시키고,
    상기 피연마 시료 표면에 연마수단을 접촉시키며,
    상기 피연마 시료와 상기 연마수단의 상대적인 위치를 이동시켜, 마찰에 의해 상기 피연마 시료 표면의 돌출부를 가열하여 상기 돌출부를 연마하고,
    상기 피연마 시료 표면을 평탄화하는 것을 특징으로 하는 건식 화학기계 연마방법.
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