KR20020084143A - 화학 기계적 연마 장치, 다마신 배선 형성 장치 및 다마신배선 형성 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치, 다마신 배선 형성 장치 및 다마신배선 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화학 기계적 연마 장치에서는, 연마 패드(12)와 플래튼(36) 사이에 배치되는 탄성 부재(16)로서, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 재질로 된 것을 사용한다. 이에 따라, 웨이퍼의 평탄성과 균일성의 양쪽을 충분히 향상시킬 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 장치, 다마신 배선 형성 장치 및 다마신 배선 형성 방법{CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING DEVICE, DAMASCENE WIRING FORMING DEVICE, AND DAMASCENE WIRING FORMING METHOD}
반도체 장치의 고집적화를 더욱 향상시키기 위해서는, 제조 프로세스 중의 웨이퍼(반도체 기판) 표면의 평탄화 공정이 중요하다. 웨이퍼를 평탄화하는 장치로서는 CMP(화학 기계적 연마) 장치가 주류로 되어 있다. CMP 장치에 있어서는 예컨대, 연마 대상인 웨이퍼에 대하여 연마 슬러리를 공급하면서, 연마 패드를 접촉시켜 상기 웨이퍼 상의 금속막 등을 연마한다.
그런데, 웨이퍼 상의 절연막이나 금속막의 볼록부를 선택적으로 연마하기(평탄성을 향상시키기) 위해서는 연마 패드 표면의 변형을 억제할 필요가 있어, 연마 패드에는 높은 경도가 요구된다. 반면, 반도체 웨이퍼 전역에 걸쳐 균일한 연마를 행하기(균일성을 향상시키기) 위해서는, 웨이퍼가 휜 형상을 따라가는 정도의 유연성이 연마 패드에 요구된다. 따라서, 연마 패드를 선정함에 있어서, 평탄성과 균일성은 교환 관계가 되기 때문에, 연마의 균일성, 평탄성을 함께 확보하는 것이 곤란하다. 그래서, 웨이퍼의 평탄성 향상과 균일성 향상의 양립을 도모하기 위해, 연마 대상인 웨이퍼와 접촉하는 상층에 경질 재료를 배치하고, 그 하층에 연질 재료를 배치한 2층 구조의 연마 패드가 채용되고 있다.
여기에서, 웨이퍼의 유지(고정) 방법에 관해서 고찰한다. 일반적으로, CMP 장치에서는 진공척(진공 흡착)이나, 배킹 필름(배킹 패드)을 이용하여 웨이퍼를 유지하고 있다. 진공척을 이용한 경우의 이점으로서는, 웨이퍼의 교환(착탈)이 용이하다는 것과, 웨이퍼의 유지가 확실하고도 강고하다는 것과, 웨이퍼의 휘어짐을 해소할 수 있다는 것이다. 결점으로서는, 상술한 2층 구조의 연마 패드를 이용하더라도, 웨이퍼의 거시적인 두께의 변동을 충분히 흡수할 수 없으며, 연마 균일성이 악화된다는 점을 들 수 있다.
한편, 배킹 패드를 이용한 경우는 웨이퍼 착탈의 용이성이나 웨이퍼 유지의 확실성은 뒤떨어지지만, 그 이점으로서는, 배킹 패드 자체가 탄성이 풍부하기 때문에, 웨이퍼의 휘어짐이나 두께의 차이를 어느 정도 흡수(수정)할 수 있다는 점이 있다. 그 결과, 웨이퍼의 거시적인 주름을 어느 정도 수정할 수 있고, 연마 균일성의 악화를 어느 정도는 방지할 수 있다. 따라서, 현상황에서는 배킹 패드를 이용한 웨이퍼 유지가 일반화 되어 있다. 웨이퍼 유지 수단으로서 배킹 패드를 이용하여, 상술한 2층 구조(경질 재료 + 연질 재료)의 연마 패드를 이용하는 연마 장치로는, 예컨대, 일본 특허 공개 평10-138123호 공보, 일본 특허 공개 평9-321001호 공보, 일본 특허 공개 평9-260318호 공보, 일본 특허 공개 평7-266219호 공보, 일본 특허 공개 평7-297195호 공보에 개시된 것이 있다.
이상, 종래의 연마 방법의 현황에 관해 설명했지만, 결국, 종래의 CMP 장치에서는, 웨이퍼의 평탄성과 균일성 양쪽을 충분히 향상시킬 수 없었다. 특히, 다마신 구조를 연마하는 경우에 문제가 크다.
본 발명은 반도체 기판 상에 형성된 금속막 표면을 화학 기계적 수법에 의해서 연마하는 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 CMP 장치의 구성을 도시하는 측면도(일부 단면)로서, 연마 패드를 리프트업 방식에 의해서 고정하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 CMP 장치의 주요부(연마 패드와 웨이퍼)의 구성을 도시하는 단면도로서, 연마 패드를 플래튼에 대하여 접착 고정하고 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 다마신 배선 형성 방법의 공정을 도시하는 단면도로서, 그 중 도 3a는 연마 전의 상태, 도 3b는 제1 연마 공정 후의 상태, 도 3c는 제2 연마 공정 후의 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 웨이퍼 면내 균일성(연마 균일성)의 계측점을 도시하는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 연마 장치의 주요부의 구성(플래튼과 웨이퍼 유지대)을 도시하는 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 장치의 측면도로서, 일부를 단면에 의해 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 다른 타입의 연마 장치의 주요부의 구성(플래튼과 웨이퍼 유지대)을 도시하는 평면도이다.
본 발명은 상기와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 웨이퍼 착탈의 용이성이나 웨이퍼 유지의 확실성이 우수한 진공척을 이용하더라도 연마의 평탄성과 균일성 양쪽을 충분히 향상시킬 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.
또, 본 발명의 제2 목적은 우수한 평탄성과 균일성을 실현하는 연마 장치를 사용함으로써, 정밀도가 높은 다마신 배선을 형성할 수 있는 다마신 배선 형성 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치는 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와; 연마 패드를 유지하는 플래튼(platen)과, 연마 패드와 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하는 장치에 적용된다. 그리고, 그 특징으로 하는 바는, 탄성 부재로서, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm인 재질로 된 것을 사용한다는 점에 있다.
본 발명에 따른 다마신 배선 형성 장치는 반도체 기판 상에 절연막을 형성하며, 그 절연막의 소정 영역에 오목부를 형성하고, 상기 오목부를 포함하는 절연막 표면에 배리어 메탈막을 형성하여, 적어도 오목부가 완전히 메워지도록 배리어 메탈막 상에 금속 배선막을 형성한 후에, 오목부 이외의 영역에서 절연막이 노출될 때까지 금속 배선막 및 배리어 메탈막을 연마하는 다마신 배선 형성 장치에 적용된다. 그리고, 그 특징으로 하는 바는, 오목부 이외의 영역에서 배리어 메탈막이 노출될 때까지 금속 배선막을 연마하는 제1 연마 공정을 실시하는 제1 연마 수단과, 오목부 이외의 영역에서 상기 절연막이 노출될 때까지 배리어 메탈막을 연마하는 제2 연마 공정을 실시하는 제2 연마 수단을 구비하는 것이다. 더욱이, 제1 연마 수단은, 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와, 연마 패드를 유지하는 플래튼과, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm이며, 연마 패드와 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비한다. 또, 제2 연마 수단은, 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와, 연마 패드를 유지하는 플래튼과, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상이며, 연마 패드와 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하고 있다.
본 발명에 따른 다마신 배선 형성 방법은 반도체 기판 상에 절연막을 형성하며, 그 절연막의 소정 영역에 오목부를 형성하고, 그 오목부를 포함하는 절연막 표면에 배리어 메탈막을 형성하여, 적어도 오목부가 완전히 메워지도록 배리어 메탈막 상에 금속 배선막을 형성한 후에, 오목부 이외의 영역에서 절연막이 노출될 때까지 금속 배선막 및 배리어 메탈막을 연마하는 다마신 배선 형성 방법에 적용된다. 그리고, 그 특징은 제1 연마 수단을 이용하여, 오목부 이외의 영역에서 배리어 메탈막이 노출될 때까지 금속 배선막을 연마하는 제1 연마 공정과, 제2 연마 수단을 이용하여, 오목부 이외의 영역에서 절연막이 노출될 때까지 배리어 메탈막을 연마하는 제2 연마 공정을 포함하는 데에 있다. 더욱이, 제1 연마 수단은, 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와, 연마 패드를 유지하는 플래튼과, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm이며, 연마 패드와 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비한다. 또, 제2 연마 수단이, 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와, 연마 패드를 유지하는 플래튼과, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상이며, 연마 패드와 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하고 있다.
상기 다마신 배선 형성 장치 및 방법에 있어서, 바람직하게는, 제1 연마 수단과 제2 연마 수단을 단일의 화학 기계적 연마 장치에 의해서 실현한다. 즉, 상기 연마 장치는 상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와, 연마 작업시에 기판 유지대와 대향하는 위치에 배치되는 제1 및 제2 플래튼과, 제1 플래튼 상에 배치된 제1 연마 패드와, 제2 플래튼 상에 배치된 제2 연마 패드와, 제1 플래튼과 제1 연마 패드 사이에 배치되고, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 제1 탄성 부재와, 제2 플래튼과 제2 연마 패드 사이에 배치되어, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상인 제2 탄성 부재를 구비한다. 그리고, 제1 연마 공정을 실시할 때에는, 기판 유지대를 제1 플래튼과 대향하는 위치에 배치하고, 제2 연마 공정을 실시할 때에는 기판 유지대를 제2 플래튼과 대향하는 위치에 배치한다.
본 발명은 기본적으로는 진공척에 의해서 웨이퍼를 고정하는 타입의 CMP 장치에 있어서, 오목부의 폭이 좁은(200 ㎛ 미만) 금속 배선층을 연마하는 경우에 적용된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 CMP 장치의 구성을 도시한다. 이 CMP 장치는 연마 대상인 웨이퍼(10)와 접촉하는 연마 패드(12)와, 연마 패드(12)가 부착되는 플래튼(14)과, 연마 패드(12)와 플래튼(14) 사이에 배치된 탄성 부재(16)와, 웨이퍼(10)를 유지하는 웨이퍼 스테이지(20)와, 웨이퍼 스테이지(20) 상에 고정되는 리테이너(18)와, 웨이퍼 스테이지(20)를 회전 가능하게 지지하는 웨이퍼 턴테이블(22)을 구비하고 있다. 본 발명의 최대의 특징은 탄성 부재(16)의 경도 및 두께의 설정에 있다. 탄성 부재(16)의 구체적인 설정치에 대해서는 후술한다.
탄성 부재(16)는 중앙에 구멍이 있는 링형(도우넛형)으로 성형되어, 양면 테이프 등에 의해서 플래튼(14)에 고정되어 있다. 탄성 부재(16)는 플래튼(14)과의 사이에 공기가 들어가지 않도록 설치된다. 통상, 탄성 부재(16)는 일단 플래튼(14)에 설치되면, 빈번히 교환되는 일은 없다. 연마 패드(12)도 링형(도우넛형)으로 성형되어, 내측 링(24)과, 외주 링(26)과, 볼트(28, 30)에 의해서 플래튼(14)의 저면에 고정된다.
웨이퍼 스테이지(20)는 웨이퍼 턴테이블(22) 상에 회전 가능한 상태로 설치되어 있다. 리테이너(18)는 웨이퍼 스테이지(20) 상에 고정되며, 웨이퍼(10)는 웨이퍼 스테이지(20) 상에 진공척에 의해서 고정된다. 플래튼(14)과, 웨이퍼 턴테이블(22)과, 웨이퍼 스테이지(20)는 축(A-A', B-B', C-C')을 중심으로 각각 회전한다. 플래튼(14)의 중심에는 수직 방향으로 연장되는 슬러리 공급 구멍(32)이 형성되어 있고, 연마 작업 중에는 이 슬러리 공급 구멍(32)으로부터 소정의 슬러리가 공급된다.
연마 패드(12)는 소위 리프트업 방식에 의해서 플래튼(14)에 고정된다. 즉, 접착제 등을 이용하지 않고서, 외주부와 내주부만을 상술한 볼트(28, 30)로 체결하여 고정한다. 또, 본 발명에서는 연마 패드의 고정 방법은 리프트업 방식에 한하지 않고, 접착 방식(도 2) 등 여러 가지 방식을 채용할 수 있다.
연마 작업시에는, 웨이퍼(10)를 웨이퍼 스테이지(20) 상에 진공척에 의해서 고정하고, 플래튼(14), 웨이퍼 턴테이블(22), 웨이퍼 스테이지(20)를 각각 회전 구동한다. 그 후, 슬러리 공급 구멍(32)으로부터 슬러리를 공급하면서, 플래튼(14)을 강하시켜, 웨이퍼(10)의 피연마면에 연마 패드(12)를 소정의 압력으로 압박하여 연마를 행한다.
도 2는 연마 패드를 플래튼에 접착 고정하는 예를 도시한다. 이 예에서는, 플래튼(36) 상에 탄성 부재(38)를 접착 고정하여, 탄성 부재(38) 상에 연마 패드(40)를 접착 고정한다. 웨이퍼(10)는 웨이퍼 유지대(42)의 저면에 진공 흡착에 의해서 고정된다. 웨이퍼 유지대(42)의 내부에는 진공을 빼내기 위한 구멍(44)이 복수 개 형성되어 있다.
본 발명에 따른 탄성 부재(16, 38)는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm로 설정되어 있다. 이하, 그 근거(실험 데이터)에 대해서 설명한다. 또한, 연마 패드는 JIS 규격 K 6301(A형)에서 규정되는 경도가 90 이상이며, 두께가 0.5 내지 2 mm인 것을 이용할 수 있다. 이하에 나타내는 실험에서는 미국 로델사에서 제조한 IC1000(경도 95, 두께 약 1.3 mm)을 이용했다.
1. 탄성 부재의 경도에 관한 평가
탄성 부재(16 또는 38)의 경도에 대한 웨이퍼 연마의 평탄성 및 균일성의 변화에 대해서 실험을 행하였다. 실험은 도 3a에 도시하는 시료(웨이퍼)에 대하여 이루어졌다. 웨이퍼는 기판 상에 두께 5000Å의 열산화막(절연막)(46)을 형성하고, 소정의 영역에 폭 10 ㎛ 내지 5 mm, 깊이 4500Å의 오목부(연마 종료후에 배선부가 됨)를 형성하며, 그 위에 두께 200Å의 Ta막(배리어 메탈막)(48)을 형성하고, 그 위에 두께 1000Å의 Cu 시드막(50)을 형성하며, 또한 그 위에 두께 1 ㎛의 Cu 도금(금속 배선막)(52)을 형성한 패턴에 대하여 행하였다. 실험에 사용된 패턴은 길이 10 mm의 라인 앤드 스페이스이며, 스페이스를 5 mm로 설정했다. 라인(오목부)은 폭이 다른 (10 ㎛ 내지 5 mm) 것을 사용했다. 탄성체의 두께는 10 mm인 것을 사용했다. 또, 연마 속도는 Cu의 전면 평탄막(베타막)을 압력 300 g/㎠로 연마했을 때의 값이 6000Å/min이 되도록 했다.
(1) 평탄성의 평가
평탄성의 평가시에는, 상술한 패턴 표면의 산화막(46)이 노출될 때까지 연마(1 공정)를 행하여, 여러 가지 폭의 배선부에 있어서의 연마후의 배선 두께 감소량(디싱)을 계측했다. 표 1에 실험 결과를 나타낸다. 또한, 표에서, 경도는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 값이며, 디싱량의 단위는 Å이다. 또, 표에서, 「IC1000/400」은 미국 로델사에서 제조한 IC1000/400을 의미한다. 이것은, 상층의 경질재(본 발명의 연마 패드에 상당)로서 IC1000(경도 95, JIS-K6301 준거)을 사용하고, 하층의 연질재(본 발명의 탄성 부재에 상당)로서 SUBA400(경도 55 내지 66,JIS-K6301 준거)을 사용한 것으로, 종래에 일반적으로 이용되고 있는 2층 구조의 연마 패드이다.
배선폭경도 10㎛ 20 50 100 200 500 1㎜ 2㎜ 5㎜
5 200 400 800 1700 2000 3500 3800 4000 4500
10 50 100 100 300 600 1800 2000 3200 4500
20 50 100 100 300 500 1500 1700 1800 4500
40 50 100 100 300 500 1300 1500 1700 4500
60 50 100 100 300 500 1200 1300 1500 4500
IC1000/400 50 100 100 300 400 1100 1200 1400 3500
상기 표 1에서 분명한 바와 같이, 경도가 10 이상인 경우에 양호한 평탄성(낮은 디싱량)을 얻을 수 있다. 또, 경도 10 이상이라도 배선 폭[즉, 절연막(46)에 형성한 오목부의 폭]이 500 ㎛ 이상인 경우에는 평탄성은 악화되지만, 실제의 금속 배선층의 폭은 200 ㎛ 이하이기 때문에 문제없다고 말할 수 있다.
(2) 균일성의 평가
탄성 부재(16 또는 38)의 경도를 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 5 내지 90의 사이에서, 웨이퍼 면내의 연마 균일성을 측정했다. 도 4에서 ×로 나타낸 바와 같이, 균일성 「δ」의 측정은 웨이퍼(53)의 중심을 지나 직행하는 2개의 직선상의 25개의 점에서의 막 두께(Xi)를 계측하여, 이하의 식에 기초하여 이루어졌다.
막 두께: Xi(i=1∼25)
평균 막 두께: X=1/25·ΣXi
면내 균일성: δ=1/X·√(1/25·Σ(X-Xi)2)×100
실험 결과를 표 2에 나타낸다.
경도 5 10 20 40 60 90 IC1000/400
균일성 5.3 3.8 3.5 3.7 10.8 15.3 20.4
상기한 표에서 분명한 바와 같이, 탄성 부재(16, 38)의 경도가 5 내지 40인 사이에서 양호한 균일성을 얻을 수 있으며, 경도가 10 내지 40인 사이에서 특히 양호한 균일성을 얻을 수 있었다.
2. 탄성 부재의 두께에 관한 평가
탄성 부재(16 또는 38)의 두께에 대한 웨이퍼 연마의 평탄성 및 균일성의 변화에 대해서 실험을 행하였다. 탄성 부재의 경도의 경우와 마찬가지로, 실험은 도 3a에 도시하는 시료(웨이퍼)에 대하여 행하였다.
(1) 평탄성의 평가
평탄성의 평가시에는, 상술한 패턴 표면의 산화막(46)이 노출될 때까지 연마(1 공정)를 행하여, 폭 200 ㎛의 배선부에 있어서의 연마후의 배선 두께 감소량(디싱)을 계측했다. 두께 3 mm 내지 60 mm, 경도 10 내지 40의 범위에서의 실험 결과를 표 3에 나타낸다. 또, 표에서, 경도는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 값이며, 디싱량의 단위는 Å이다.
두께경도 3㎜ 5 10 20 30 40 60
10 600 600 600 600 900 1300
20 500 500 500 500 500 800 1100
40 500 500 500 500 800 1000
표 3에서 분명한 바와 같이, 탄성 부재(16 또는 38)의 두께가 3 mm 이상, 30mm 이하인 경우에 양호한 평탄성을 얻을 수 있다.
(2) 면내 균일성의 평가
균일성의 평가에 대한 실험도 상술한 평탄성과 동일한 조건으로 행하였다. 즉, 패턴 표면의 산화막(46)이 노출될 때까지 연마(1 공정)를 행하여, 폭 200 ㎛의 배선부에서 연마 후의 균일성을 계측했다. 두께 3 mm 내지 60 mm, 경도 10 내지 40의 범위에서의 실험 결과를 표 4에 나타낸다. 또, 균일성 「δ」의 측정은 탄성체 경도에 대한 실험의 경우와 마찬가지로, 웨이퍼(53)(도 4)의 중심을 지나 직행하는 2개의 직선상의 25개의 점에서의 막 두께(Xi)를 계측하여, 이하의 식에 기초하여 행하였다.
막 두께: Xi(i=1∼25)
평균 막 두께: X=1/25·ΣXi
면내 균일성: δ=1/X·√(1/25·Σ(X-Xi)2)×100
두께경도 3㎜ 5 10 20 30 40 60
10 6.8 4.2 3.8 4.8 5.2 7.6
20 10.8 4.5 3.5 3.5 3.2 4.7 6.2
40 12.3 4.7 3.7 3.1 5.3 7.5
표 4에서 분명한 바와 같이, 탄성 부재(16 또는 38)의 두께가 5 mm 이상, 30 mm 이하인 경우에 양호한 균일성을 얻을 수 있다.
표 1에서 표 4에 나타낸 실험 결과를 종합적으로 판단하면, 탄성 부재(16 또는 38)의 경도가 10 내지 40(JIS 규격 K6301 A형)이며, 두께가 5 mm 내지 30 mm일 때, 양호한 평탄성 및 균일성을 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 다른 실시예에 관해서 설명한다. 이 실시예에서는, 2개의 공정에서 다마신 배선층의 연마를 행한다. 즉, 제1 공정에서 Ta막(48)이 노출될 때까지 연마를 행하고, 제2 공정에서 산화막(46)이 노출될 때까지 연마를 행한다.
2개의 공정에서 다마신 배선층을 연마하는 경우의 평탄성의 평가(실험) 결과를 표 5에 나타낸다. 이 실험에서는, 제1 연마 공정에서, 탄성 부재(16 또는 38)로서, 경도 10 및 20, 두께 10 mm인 것을 사용하고, 다른 조건은 상술한 실시예(하나의 공정에서 연마하는 예)와 동일하게 했다. 제2 연마 공정에서는, 연마 패드로서 미국 로델사에서 제조한 IC1000/400을 사용하고, 슬러리는 제1 연마 공정과 같은 것과, 다른 것(Cu와 Ta의 선택비가 제1 연마 공정의 슬러리보다 낮은 슬러리)를 이용했다. 여기에서, 미국 로델사에서 제조한 IC1000/400은 상층의 경질재(연마 패드에 상당)로서 IC1000 (경도 95, JIS-K6301 준거)을 사용하고, 하층의 연질재(탄성 부재에 상당)로서 SUBA400(경도 55 내지 66, JIS-K6301 준거)을 사용하는 것을 의미한다.
평탄성의 평가시에는, 폭 200 ㎛의 배선부에서 연마 후의 배선 두께 감소량(디싱)을 계측했다. 실험에서는, 제1 연마 공정에 사용하는 탄성 부재(16 또는 28)의 경도를 10, 20으로 하고 있다. 또, 비교예로서 하나의 공정에서 다마신 배선층(도 3a 내지 도 3c)의 연마를 행한 경우의 데이터(상술한 1 공정에서의 실험 데이터)를 도시한다. 또한, 표 5에서, 경도는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 값이며, 디싱량의 단위는 Å이다.
제1 공정용 탄성체 경도슬러리 10 20 IC1000/400
제1 공정, 제2 공정 동일 400 400 -
제1 공정, 제2 공정별로 300 300 -
비교예(1 공정만) 600 500 400
표 5에서 분명한 바와 같이, 1회의 공정에서 산화막까지 연마하는 경우에 비하여, 2회의 공정(제1 연마 공정 + 제2 연마 공정)에서 연마를 하는 쪽이 평탄성이 향상된다. 슬러리에 관해서도, 제1 연마 공정과 제2 연마 공정으로 구별하여 사용하는 쪽이 평탄성이 향상된다.
도 5 및 도 6은 2회의 공정(제1 연마 공정 ＋ 제2 연마 공정)에서 다마신 배선층을 연마하는 데에 사용되는 CMP 장치의 주요부의 구성(플래튼과 웨이퍼 유지 부재)을 나타낸다. 도 5가 평면도이며, 도 6이 측면도(일부 단면)이다. 이 실시예에서는 다마신 배선을 연마하는 경우에, 2개의 다른 플래튼(54, 56)을 사용하고 있다. 제1 플래튼(54)은 제1 연마 패드(62)를 유지한다. 제1 플래튼(54)과 제1 연마 패드(62) 사이에는 제1 탄성 부재(58)가 배치되어 있다. 제2 플래튼(56)은 제2 연마 패드(64)를 유지한다. 제2 플래튼(56)과 제2 연마 패드(64) 사이에는 제2 탄성 부재(60)가 배치되어 있다.
또한, 용어를 통일할 목적으로, 전술한 실험에서 이용한 미국 로델사에서 제조한 IC1000/400와 같은 2층 구조의 연마 패드의 경우는, 연마 대상인 웨이퍼와 접촉하는 경질 재료로 이루어지는 상층을 「연마 패드」, 상기 상층과 플래튼 사이에위치하는 연질 재료로 이루어지는 하층을 「탄성 부재」라 칭한다. 또, 제1 연마 패드(62), 제2 연마 패드(64)로서는 모두 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 90 이상이며, 두께가 0.5 mm 내지 2 mm인 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 연마 패드(62, 64)로서, 미국 로델사에서 제조한 IC1000을 이용할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시하는 CMP 장치에는 단일 웨이퍼 유지대(66)가 설치되어, 웨이퍼(68)를 진공 흡착에 의해서 유지하고 있다. 웨이퍼 유지대(66)는 로봇 아암(70)에 의해서 제1 플래튼(54)에 대향하는 위치와, 제2 플래튼(56)에 대향하는 위치로 이동할 수 있게 되어 있다.
제1 플래튼(54)은 제1 연마 공정[배리어 메탈막(48)이 노출될 때까지의 연마]에 사용되는 것으로, 제1 탄성 부재(58)로서는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm인 것을 사용한다. 한편, 제2 플래튼(56)은 제2 연마 공정[산화막(46)이 노출될 때까지의 연마]에 사용되는 것으로, 제2 탄성 부재(60)로서는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상인 것을 사용한다.
도 5 및 도 6에 도시하는 CMP 장치에 있어서, 도 3a 내지 도 3c에 도시하는 다마신 배선 구조의 연마를 행하는 경우에는, 로봇 아암(70)의 동작에 의해 웨이퍼 유지대(66)를 제1 플래튼(54)의 대향 위치(바로 윗쪽)에 배치하여, 도 3b에 도시한 바와 같이, Ta막(48)이 노출될 때까지 Cu막(52) 및 Cu 시드막(50)을 연마한다(제1 연마 공정). 다음에, 로봇 아암(70)의 동작에 의해 웨이퍼 유지대(66)를 제2 플래튼(54)의 대향 위치(바로 윗쪽)에 배치하여, 도 3c에 도시한 바와 같이, 열산화막패턴(46)이 노출될 때까지 Ta막(48)을 연마한다(제2 연마 공정).
도 7은 2회의 공정(제1 연마 공정 + 제2 연마 공정)에서 다마신 배선층(도 3a 내지 도 3c)을 연마하는 데에 사용되는 CMP 장치의 다른 예(플래튼과 웨이퍼 유지 부재)를 나타낸다. 이 예에서는, 다마신 배선을 연마하는 경우에, 제1 연마 공정에 사용되는 단일의 제1 플래튼(72)과, 제2 연마 공정에 사용되는 2개의 제2 플래튼(74, 76)을 구비하고 있다. 제1 플래튼(72)은 제1 연마 패드(62)를 유지하여, 2장의 웨이퍼를 동시에 연마할 수 있게 되어 있다. 제1 플래튼(72)과 연마 패드(62) 사이에는 제1 탄성 부재(58)가 배치되어 있다. 제2 플래튼(74, 76)은 각각 제2 연마 패드(64)를 유지한다. 제2 플래튼(74, 76)과 연마 패드(64) 사이에는 제2 탄성 부재(60)가 배치되어 있다.
도 7에 도시하는 CMP 장치에서는, 2개의 제2 플래튼(74, 76)에 각각 대응하는 웨이퍼 유지대(82, 84)가 설치되어, 웨이퍼를 진공 흡착에 의해서 유지하고 있다. 웨이퍼 유지대(82)는 로봇 아암(78)에 의해서 제1 플래튼(72)에 대향하는 위치와, 제2 플래튼(74)에 대향하는 위치로 이동할 수 있게 되어 있다. 또한, 웨이퍼 유지대(84)는 로봇 아암(80)에 의해서 제1 플래튼(72)에 대향하는 위치와, 제2 플래튼(76)에 대향하는 위치로 이동할 수 있게 되어 있다.
제1 플래튼(72)은 제1 연마 공정(배리어 메탈막이 노출될 때까지의 연마)에 사용되는 것으로, 도 2에 도시한 바와 같은 구조로 되어 있다. 즉, 연마 패드(40)와 플래튼(36) 사이에 제1 탄성 부재(38)가 개재되어 있다. 그리고, 그 탄성 부재로서는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40, 두께가 5 내지 30mm인 것을 사용한다. 한편, 제2 플래튼(74)은 제2 연마 공정(산화막이 노출될 때까지의 연마)에 사용되는 것으로, 제2 탄성 부재로서는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상인 것을 사용한다.
도 7에 도시하는 CMP 장치에 있어서, 도 3a 내지 도 3c에 도시하는 다마신 배선 구조의 연마를 행하는 경우에는, 로봇 아암(78, 80)의 동작에 의해 웨이퍼 유지대(82, 84)를 제1 플래튼(72)의 대향 위치(바로 윗쪽)에 배치하여, 도 3b에 도시한 바와 같이, Ta막(48)이 노출될 때까지 Cu막(52) 및 Cu 시드막(50)을 연마한다(제1 연마 공정). 다음에, 로봇 아암(78, 80)의 동작에 의해 웨이퍼 유지대(82, 84)를 제2 플래튼(74, 76)의 대향 위치(바로 윗쪽)에 배치하여, 도 3c에 도시한 바와 같이, 열산화막 패턴(46)이 노출될 때까지 Ta막(48)을 연마한다(제2 연마 공정).
2회의 공정(제1 연마 공정 + 제2 연마 공정)에서 다마신 배선층(도 3a 내지 도 3c)을 연마하는 방법으로서는, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시하는 방법 외에, 1대의 CMP 장치 내에 복수의 플래튼과 각 플래튼에 대응하는 웨이퍼 유지대를 구비하는 방법이 있다. 이 경우, 제1 연마 공정에서는, 제1 웨이퍼 유지대에서 웨이퍼를 흡착 유지하고, 대응하는 제1 플래튼에 부착되어 있는 연마 패드를 이용하여 연마를 행한다. 그 후, 로봇 아암에 의해서 웨이퍼를 제1 유지대에서 제2 유지대로 이송하고, 제2 플래튼에 부착된 연마 패드를 이용하여 제2 연마 공정을 행한다.
다른 방법으로서는, 제1 연마 공정과 제2 연마 공정을 행하는 CMP 장치를 별도로 설치하는 방법이 있다. 또 다른 방법으로서는, 제1 및 제2 연마 공정에 대하여, 동일한 CMP 장치, 동일한 플래튼을 사용하는 방법을 생각할 수 있다. 이 경우,최초에 소정 매수(100장 등)의 웨이퍼에 대하여 제1 연마 공정을 실시한다. 그 후, 연마 패드 아래에 배치된 탄성 부재를 새로 펴 제2 연마 공정을 실시한다.
이상, 본 발명의 실시예에 관해서 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것이 아니며, 특허청구의 범위에 개시한 기술적 사상의 범주에서 변경 가능한 것이다.
본 발명에 따르면, 탄성 부재로서, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 재질로 된 것을 사용하고 있기 때문에, 진공 흡착에 의해 웨이퍼를 유지하더라도 웨이퍼의 평탄성과 균일성 양쪽을 충분히 향상시킬 수 있다고 하는 효과가 있다. 이에 따라, 정밀도가 높은 다마신 배선을 형성할 수 있다고 하는 장점도 있다.

Claims (7)

  1. 반도체 기판(10) 상에 형성된 금속막의 표면을 평탄화하는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대(42)와;
    상기 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드(12)와;
    상기 연마 패드를 유지하는 플래튼(36)과;
    상기 연마 패드와 상기 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재(16)를 구비하며,
    상기 탄성 부재는 JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 반도체 기판(10) 상에 절연막(46)을 형성하며, 그 절연막의 소정 영역에 오목부를 형성하고, 상기 오목부를 포함하는 절연막 표면에 배리어 메탈막(48)을 형성하며, 적어도 상기 오목부가 완전히 메워지도록 상기 배리어 메탈막 상에 금속 배선막(52)을 형성한 후에, 상기 오목부 이외의 영역에서 상기 절연막이 노출될 때까지 상기 금속 배선막 및 배리어 메탈막을 연마하는 다마신 배선 형성 장치에 있어서,
    상기 오목부 이외의 영역에서 상기 배리어 메탈막이 노출될 때까지 상기 금속 배선막을 연마하는 제1 연마 공정을 실시하는 제1 연마 수단과;
    상기 오목부 이외의 영역에서 상기 절연막이 노출될 때까지 상기 배리어 메탈막을 연마하는 제2 연마 공정을 실시하는 제2 연마 수단을 구비하고,
    상기 제1 연마 수단은, 상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와; 상기 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와; 상기 연마 패드를 유지하는 플래튼과; JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm이며, 상기 연마 패드와 상기 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하고,
    상기 제2 연마 수단은, 상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와; 상기 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와; 상기 연마 패드를 유지하는 플래튼과; JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상이며, 상기 연마 패드와 상기 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 연마 수단과 제2 연마 수단은 단일의 화학 기계적 연마 장치에 포함되며, 상기 연마 장치는,
    상기 반도체 기판(10)을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대(66)와; 연마 작업시에 상기 기판 유지대와 대향하는 위치에 각각 배치되는 제1 및 제2 플래튼(54, 56)과; 상기 제1 플래튼(54) 상에 배치된 제1 연마 패드(62)와; 상기 제2 플래튼(56) 상에 배치된 제2 연마 패드(64)와; 상기 제1 플래튼과 상기 제1 연마 패드 사이에 배치되고, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 제1 탄성 부재(58)와; 상기 제2 플래튼과 상기 제2 연마 패드 사이에 배치되어, JIS 규격 6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상인 제2 탄성 부재(60)를 구비하며,
    상기 제1 연마 공정을 실시할 때에는, 상기 기판 유지대를 상기 제1 플래튼과 대향하는 위치에 배치하고 상기 제1 연마 패드를 이용하여 연마를 행하고, 상기 제2 연마 공정을 실시할 때에는, 상기 기판 유지대를 상기 제2 플래튼과 대향하는 위치에 배치하고 상기 제2 연마 패드를 이용하여 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 화학 기계적 연마 장치는 상기 제1 플래튼(54)을 한 개 구비하고, 상기 제2 플래튼을 복수 개 구비하며, 상기 기판 유지대를 상기 제2 플래튼(56)과 같은 수만큼 구비하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 장치.
  5. 반도체 기판(10) 상에 절연막(46)을 형성하며, 그 절연막의 소정 영역에 오목부를 형성하고, 상기 오목부를 포함하는 절연막 표면에 배리어 메탈막(48)을 형성하며, 적어도 상기 오목부가 완전히 메워지도록 상기 배리어 메탈막 상에 금속 배선막(52)을 형성한 후에, 상기 오목부 이외의 영역에서 상기 절연막이 노출될 때까지 상기 금속 배선막 및 배리어 메탈막을 연마하는 다마신 배선 형성 방법에 있어서,
    제1 연마 수단을 이용하여, 상기 오목부 이외의 영역에서 상기 배리어 메탈막이 노출될 때까지 상기 금속 배선막을 연마하는 제1 연마 공정과;
    제2 연마 수단을 이용하여, 상기 오목부 이외의 영역에서 상기 절연막이 노출될 때까지 상기 배리어 메탈막을 연마하는 제2 연마 공정을 포함하고,
    상기 제1 연마 수단은, 상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대(66)와; 상기 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드(62, 64)와; 상기 연마 패드를 유지하는 플래튼(54, 56)과; JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이고, 두께가 5 내지 30 mm이며, 상기 연마 패드와 상기 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재(58, 60)를 구비하며,
    상기 제2 연마 수단은, 상기 반도체 기판을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대와; 상기 반도체 기판과 접촉하는 연마 패드와; 상기 연마 패드를 유지하는 플래튼과; JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상이며, 상기 연마 패드와 상기 플래튼 사이에 배치된 탄성 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 연마 수단과 제2 연마 수단은 단일의 화학 기계적 연마 장치에 포함되며, 상기 연마 장치는,
    상기 반도체 기판(10)을 진공 흡착에 의해서 유지하는 기판 유지대(66)와; 연마 작업시에 상기 기판 유지대와 대향하는 위치에 배치되는 제1 및 제2 플래튼(54, 56)과; 상기 제1 플래튼 상에 배치된 제1 연마 패드(62)와; 상기 제2 플래튼 상에 배치된 제2 연마 패드(64)와; 상기 제1 플래튼과 상기 제1 연마 패드 사이에 배치되고, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 10 내지 40이며, 두께가 5 내지 30 mm인 제1 탄성 부재(58)와; 상기 제2 플래튼과 상기 제2 연마 패드 사이에 배치되고, JIS 규격 K6301(A형)에서 규정되는 경도가 50 이상인 제2 탄성 부재(60)를 구비하며,
    상기 제1 연마 공정을 실시할 때에는, 상기 기판 유지대를 상기 제1 플래튼과 대향하는 위치에 배치하고 상기 제1 연마 패드를 이용하여 연마를 행하고, 상기 제2 연마 공정을 실시할 때에는, 상기 기판 유지대를 상기 제2 플래튼과 대향하는 위치에 배치하고 상기 제2 연마 패드를 이용하여 연마를 행하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 화학 기계적 연마 장치는 상기 제1 플래튼(54)을 한 개 구비하고, 상기 제2 플래튼을 복수 개 구비하며, 상기 기판 유지대를 상기 제2 플래튼(56)과 같은 수만큼 구비하는 것을 특징으로 하는 다마신 배선 형성 방법.
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