KR20020084144A - 화학-기계적 연마 장치 및 그 실행 방법 - Google Patents

화학-기계적 연마 장치 및 그 실행 방법 Download PDF

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KR20020084144A
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 연마 패드(4), 구동 유닛(9), 가압 수단(6), 웨이퍼 홀더(5), 제 1 분배 수단(7) 및 제 2 분배 수단(8)을 포함하며, 웨이퍼(W)를 유지시키는 상기 웨이퍼 홀더가 홀더 위치(L0)에 배열되며, 상기 가압 수단(6)이 웨이퍼 홀더(5)를 연마 패드(4)에 가압하도록 배열되며, 제 1 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 1 분배 수단(7)이 제 1 분배 수단 위치(L1)에 배열되며, 제 2 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 2 분배 수단(8)이 제 2 분배 수단 위치(L2)에 배열되며, 상기 연마 패드가 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마 표면을 구비하며, 상기 연마 패드(4)가 상기 홀더 위치(L0)에 대한 제 1 방향(ω1)으로 연마 표면을 이동시키는 상기 구동 유닛(9)에도 연결되어 있는, 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치에 관한 것으로서, 상기 장치에 있어서 상기 제 1 분배 수단(7)의 제 1 분배 수단 위치(L1)는 제 1 하류 거리(d1)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 하류 방향으로 배열되며, 상기 하류 방향은 상기 제 1 방향(ω1)에 대해 하류이며, 상기 제 2 분배 수단(8)의 제 2 분배 수단 위치(L2)는 제 1 상류 거리(d3)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 상류에 배열되며, 상기 상류 방향은 상기 제 1 방향(ω1)에 대해 상류이다. 또한, 본 발명은 그러한 장치를 사용하는 화학-기계적 연마 방법에 관한 것이다.

Description

화학-기계적 연마 장치 및 그 실행 방법{METHOD AND APPARATUS FOR CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING(CMP) USING UPSTREAM AND DOWNSTREAM FLUID DISPENSING MEANS}
반도체 산업에 있어서, 동-계열의 인터콘넥트(interconnects)용으로 사용되는 주 기술로서 다마신 공정(Damascene process)이 폭넓게 채택되고 있다. 다마신 공정에 있어서, 본 기술분야의 당업자들에게 공지된 대로 트렌치(tranches) 및 바이어스(vias)와 같은 유전체 층 내의 오목 영역을 채우기 위한 충분한 도포율로 제 1 블랭킷 금속(동) 층이 패턴화된 유전체 층의 상부에 증착된다. 계속해서, 오목 영역 내의 금속이 인터콘넥트 패턴(의 일부)을 구성하도록 뒤편에 남겨지는 동안에 상기 금속 층을 표면으로부터 제거하기 위해 화학-기계적 연마법(CMP)이 사용된다.
금속 층에 사용되는 종래의 CMP 공정은 기본적으로 3가지 성분, 즉 연마입자(예를 들어, SiO2, Al2O3), 에칭제(예를 들어, 산) 및 표면 안정화제(passivating agent)를 함유하는 슬러리를 사용한다. 표면 안정화제는 표면 안정화층의 성장에 의해 금속 표면를 안정화시킨다. 연마 성분은 금속으로부터 표면 안정화 층을 기계적으로 제거한다. 에칭제는 비 표면 안정화 금속을 에칭하는데 사용된다. 종래의 공정에 있어서, 상기 3가지 성분은 혼합물로서 연마포 상에 분배된다. 단점으로서, 종래의 CMP 공정에 사용된 슬러리는 초 단기 안정성을 갖는 것으로 알려졌다(즉, 상기 화학 성분들은 규정시간의 초과시 분해된다).
슬러리를 CMP 장치에 분배하는 분배장치가 미국 특허 제 5,478,435 호에 공지되어 있는데, 이 장치는 2개(또는 몇몇의 경우 3개 이상)의 분배 튜브를 통해 연마 패드로 슬러리의 각각의 성분들을 분배한다. 연마 패드에서 사용될 때까지 분리된 슬러리 성분들을 유지함으로써, 미국 특허 제 5,478,435 호의 분배 장치는 슬러리의 안정성에 대한 문제점을 경감시킨다. 분배 튜브는 분배 튜브의 노즐들이 서로 근접 위치된 연마 패드상의 사용 지점으로 분리된 성분들을 이송한다. 따라서, 사용 지점 또는 그 근처에서 분리된 성분들의 혼합이 이루어져 CMP 슬러리를 형성한다. 다른 실시예에서, 분배 튜브들은 사용 지점에 근접 위치된 단일 노즐로서 튜브의 단부에서 서로 연결되어 있다. 이러한 단일 노즐에 있어서 상기 성분들의 혼합은 사용 지점에 도달하기 직전에 발생된다.
미국 특허 제 5,981,394 호에는 연마 패드의 사용 지점에서 또는 이에 근접 지점에서 혼합되도록 슬러리 성분을 분배하는 2개의 분리 분배 튜브를 이용하는 분배장치가 공지되어 있다. 여기서, 제 2 분배 튜브는 금속 표면상에 보호 계면활성제를 형성하여 CMP 공정을 개선하기 위해서 추가의 화학 성분을 제 1 튜브에 의해 분배된 슬러리에 공급하도록 배열된다.
CMP 공정의 다른 단점은 시스템 내에서의 슬러리 입자의 취급과 관련되어 있는데, 이는 예를 들어 펌프를 손상시키거나 폐 파이프의 막힘을 초래한다. 그러므로, 슬러리 내의 연마 입자가, 연마 입자가 매설된 고정식 연마 패드로 대체된 신규한 무-슬러리(slurry-free) CMP 공정이 발전되어 왔다. 따라서, 단지 연마액만이 패드에 추가되면 되는 간단하고 청결한 CMP 공정이 예상될 수 있다. 예를 들어, 동 인터콘넥트용 무-슬러리 CMP 공정이 미국 산타 클라라에서 1999년 2월에 개최된 ULSI 다층 인터콘넥션용 화학-기계적 연마에 관한 1999년 회의에서 엠. 마쯔모또 등이 발표한 "신규한 무-슬러리 공정을 사용하는 인터콘넥트용 동 CMP의 평가" 176 내지 183 페이지에 공지되어 있다.
물리 및/또는 화학적 안정성의 이유로, 슬러리의 화합물 비율 및 종래 CMP 공정의 온도는 몇몇 방식에서 그러한 CMP 공정의 수행과 부합될 수 있는 어떠한 한도 내에 있어야 한다. CMP 공정중에, 3개의 성분(즉, 표면 안정화제, 연마입자 및 에칭제)이 동시에 웨이퍼 표면에 놓여져야 한다. 부과된 화합물의 배율로 인해, 각각의 공정에 대한 상대적인 영향의 제어가 어려워진다. 그러므로, CMP 공정은 예를 들어, 패턴 밀도, 회로선폭, 및 균일도에 따라 최적의 결과를 제공하지 못한다.
또한, CMP 공정에 있어서의 중요한 관점은 다마신 구조의 패턴 밀도와의 종속성이 발견되어온 CMP 금속의 제거율이다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 패턴 내의 커다란 구조물들은 보다 작은 구조물에 비해서 과연마되어 디싱 효과(dishing effects)가 증가하는 경향이 있다.
또한, CMP 공정에서 관찰되는 다른 문제점은 패드 상에 쌓이는 마모된 입자들의 제거에 관한 것이다. 마모된 재료들을 연마 패드로부터 제거하지 않고는 패드의 연마 작용이 저하되고 CMP 공정의 재료 제거율이 실질적으로 감소하게 된다. 본 기술분야의 당업자들에게 공지된 바와 같이, 연마 패드는 브러쉬에 의한 장치외 세정(ex-situ cleaning)에 의해 재생될 수 있다. 그러나, 이러한 공정은 고 마모로 인해 연마 패드의 수명을 실질적으로 감소시킨다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 CMP 장치 및 그러한 CMP 장치를 사용하는 CMP 공정을 개선하기 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 연마 패드, 구동 유닛, 가압 수단, 웨이퍼 홀더, 제 1 분배 수단 및 제 2 분배 수단을 포함하며, 웨이퍼를 유지시키는 상기 웨이퍼 홀더가 홀더 위치에 배열되며, 상기 가압 수단이 웨이퍼 홀더를 연마 패드에 가압하도록 배열되며, 제 1 유체를 연마 패드에 분배하는 상기 제 1 분배 수단이 제 1 분배 수단 위치에 배열되며, 제 2 유체를 연마 패드에 분배하는 상기 제 2 분배 수단이 제 2 분배 수단 위치에 배열되며, 상기 연마 패드가 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 표면을 구비하며, 상기 연마 패드가 상기 홀더 위치에 대한 제 1 방향으로 연마 표면을 이동시키는 상기 구동 유닛에도 연결되어 있는, 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치에 관한 것으로서, 상기 제 1 분배 수단의 제 1 분배 수단 위치는 제 1 하류 거리에 상기 홀더 위치에 대해 하류 방향으로 배열되며, 상기 제 2 분배 수단의 제 2 분배 수단 위치는 제 1 상류 거리에 상기 홀더 위치에 대해 상류에 배열되며, 상기 하류 방향은 상기 제 1 방향에 대해 하류이고 상기 상류 방향은 상기 제 1 방향에 대해 상류인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치에 관한 것으로서, 상기 제 1 분배 수단이 상기 제 1 분배 수단 위치에서, 웨이퍼 표면 및 연마 패드의 연마 표면으로부터의 마모된 재료를 분해하도록 연마 패드 상에 에칭제를 분배하며, 상기 제 2 분배 수단이 상기 제 2 분배 수단 위치에서, 웨이퍼의 표면을 안정화하도록 연마 패드 상에 연마 입자와 표면 안정화제의 혼합물을 분배하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연마 패드, 구동 유닛, 가압 수단, 웨이퍼 홀더, 제 1 분배 수단 및 제 2 분배 수단을 포함하며, 웨이퍼를 유지시키는 웨이퍼 홀더가 홀더 위치에 배열되며, 상기 가압 수단이 웨이퍼 홀더를 연마 패드에 가압하도록 배열되며, 제 1 유체를 연마 패드에 분배하는 상기 제 1 분배 수단이 제 1 분배 수단 위치에 배열되며, 제 2 유체를 연마 패드에 분배하는 상기 제 2 분배 수단이 제 2 분배 수단 위치에 배열되며, 상기 연마 패드가 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 표면을 구비하며, 상기 연마 패드가 상기 홀더 위치에 대한 제 1 방향으로 연마 표면을 이동시키는 상기 구동 유닛에도 연결되어 있는, 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치의 실행 방법에 관한 것으로서, 상기 제 1 분배수단의 제 1 분배 수단 위치를 제 1 하류 거리에 상기 홀더 위치에 대해 하류 방향이고 상기 제 1 방향에 대해 하류인 방향으로 배열하는 단계, 및 상기 제 2 분배 수단의 제 2 분배 수단 위치를 제 1 상류 거리에 상기 홀더 위치에 대해 상류 방향이고 상기 제 1 방향에 대해 상류인 방향으로 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치의 실행 방법에 관한 것으로서, 상기 웨이퍼의 금속 표면과 상기 연마 패드의 연마 표면으로부터 발생된 마모된 재료를 분해시키도록 상기 연마 패드상의 제 1 분배 수단 위치에 에칭제를 제 1 분배 수단에 의해 분배하는 단계, 및 상기 웨이퍼의 금속 표면을 안정화시키도록 상기 연마 패드상의 제 2 분배 수단 위치에 표면 안정화제를 제 2 분배 수단에 의해 분배하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 CMP 공정의 재료 제거율은 종래 기술에서 보다 훨씬 안정적이다. 또한, 연마액에서 표면 안정화제에 대한 에칭제의 비율이 종래 기술에서 보다 넓은 한도범위내에서 선택될 수 있다. 이는 표면 안정화 및 에칭 공정에 대한 양호한 제어를 제공한다. 따라서, 제거율이 보다 일정해진다. 즉, 회로선폭 및 패턴 밀도에 대한 종속성이 작아져 과연마 및 디싱 효과가 감소한다.
또한, 웨이퍼 전체에 걸친 제거율의 균일도가 개선된다.
또한, CMP 공정의 웨이퍼 재현성이 본 발명의 장치 및 방법에 의해 개선된다.
또한, 본 발명에 있어서 연마 패드의 기계적 최적화에 대한 요건이 현저히 감소된다. 그러므로, 연마 패드의 수명이 본 발명으로 인해 증가한다. 또한, 본 발명에 의해 연마 패드의 교체 및 최적화로 인한 CMP 장치의 작동 중단시간이 상당히 감소한다.
이하, 단지 설명의 목적으로 기술되고 청구범위에 정의된 보호범위를 제한하고자 하는 것이 아닌 본 발명에 대해 몇몇 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 정의된 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래기술에 따른, 마모된 재료에 의해 오염되기 직전 및 직후의 연마 패드면을 개략적으로 도시하는 횡단면도,
도 2는 CMP 장치내에 배열된 본 발명에 따른 분배장치의 예를 개략적으로 도시하는 양호한 제 1 실시예의 도면,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 장치와 방법을 사용하여 수행하는 CMP 공정의 개략적인 연속 단계를 도시하는 도면,
도 4a 및 도 4b는 각각, 본 발명을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 있어서 단계별 높이 감소를 CMP 공정의 연마 시간의 함수로 측정한 예시적인 실험 결과치를 도식적으로 나타내는 도면.
CMP 공정을 개선하기 위해, 본 발명은 후술하는 바와 같은 장치와 방법을 제공한다. 도 1a 및 도 1b에, 종래 기술에 따른 연마 패드면의 횡단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1a는 깨끗한 연마 패드의 표면을 도시하는 반면에, 도 1b는 마모된 재료에 의해 오염된 연마 패드의 표면을 도시한다.
도 1a에서, 연마 패드의 표면에 매립된 복수의 연마입자(직경 : ~ 0.1 ㎛)를 함유하는 연마 패드(1)의 횡단면도가 도시되어 있다. 연마 패드는 볼록부(폭 : ~ 10 ㎛)에 의한 약간의 파동면을 갖는 중합체 층으로 구성된다. CMP 작업중 웨이퍼의 하부를 통과할 때, 흑점으로 표시한 연마입자들이 부분 매립되고 중합체 층 내에 고착되게 된다.
본 기술분야의 당업자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 연마 패드의 연마 작용은 사용할 때 웨이퍼 표면과 접촉되는 볼록부의 상부 또는 그 근처에 위치된 연마입자에 의해 실질적으로 수행된다.
반도체 기판상의 금속 층에 대해 CMP 공정을 수행하는 동안에, 연마 패드 내의 돌출 연마입자와 접촉하는 표면 안정화 층은 기계적으로 제거되어 패드의 표면에 적층된다. 마모된 재료(2)는 도 1b에서 연마 표면에 사선 영역으로 개략적으로 도시한 바와 같이 연마 패드의 표면상에 쌓이게 된다. 연마 패드(특히, 볼록부의 상부)상의 마모된 재료의 적층으로 인해, 연마 패드의 연마 작용은 감소한다.
본 발명은 연마 패드 표면의 오염을 방지하기 위한 장치와 방법을 제공한다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 마모된 재료의 기계적 제거는 매우 비효율적이고 웨이퍼 표면을 오염시키는 입자를 생성할 수 있다.
그러므로, 마모된 재료의 분해에 의한 화학적 제거법이 사용된다. 통상적으로, 이러한 목적을 위해서는 (산성)에칭제가 사용되어야 한다. 그러나, 종래기술로부터 공지된 바와 같이 연마액은 그러한 에칭제의 특성을 강하게 가지면 않되는데, 그 이유는 웨이퍼 상의 구리 층이 어떠한 평탄화없이 등방성 에칭되기 때문이다. 본 기술분야의 당업자들에게 공지된 바와 같이, 웨이퍼 표면 상의 금속 구조물의 과 에칭은 상기 결과를 초래한다.
본 발명에 있어서, 전술한 종래기술의 문제점은 도 2에 도시된 장치에 의해 해결된다. 도 2는 CMP 장치 내에 배열되는 본 발명에 따른 예시적인 분배장치의 양호한 제 1 실시예를 개략적으로 도시한다. CMP 장치(3)는 연마 패드(4), 웨이퍼 홀더(5), 가압 수단(6), 에칭제 분배 튜브(7), 표면 안정화제 분배 튜브(8), 및 구동유닛(9)을 포함한다.
연마 패드(4)는 도 1a에 도시한 바와 같은 구조의 패드이다. 연마 패드(4)에는 연마 작업중의 회전을 위한 회전 구동 유닛(9)이 제공되어 있다. 연마 패드(4)는 회전 중심점(R) 주위를 회전한다. 회전방향은 화살표(ω1)로 표시되어 있다. 회전 중심점(R)으로부터 반경방향으로 위치된 홀더 위치(L0)에서, 웨이퍼 홀더(5)는 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 유지하도록 배열된다. 웨이퍼 홀더(5)에 연결된 것은 가압 수단(6)이다. 연마 공정 중에, 가압 수단(6)은 웨이퍼 홀더(5)내에 있는 웨이퍼(W)를 연마 패드(4)의 표면으로 예정된 힘(F)으로 가압한다. 가압 수단(6)은 연마중 웨이퍼 홀더(5)를 회전시키는 회전 구동유닛(9)과 관련하여 배열된다. 회전 방향은 화살표(ω2)로 표시되어 있다. CMP 장치(3)의 분배장치는 연마액의 별도 성분들을 연마 패드(4)에 분배하기 위한 2개의 분배 튜브(7, 8)를포함한다. 에칭제 분배 튜브(7)는 에칭제를 연마 패드(4)상의 제 1 튜브 위치(L1)에 분배한다. 제 1 튜브 위치(L1)는 화살표(ω1)로 표시한 회전방향에 대해 하류방향으로 제 1 하류거리(d1)를 지나쳐서 놓인 홀더 위치(L0) 근처에 위치된다. 에칭제는 도 1b를 참조로 설명한 바와 같이, 연마 패드면 상에 쌓인 마모된 재료를 분해할 수 있는 화학 성분을 함유한다. 표면 안정화제 분배 튜브(8)는 표면 안정화제와 연마입자로 이루어진 혼합물을 연마 패드(4)의 제 2 튜브 위치(L2)에 분배한다. 제 2 튜브 위치(L2)는 화살표(ω2)로 표시한 회전방향에 대해 하류 방향으로 제 1 하류 거리(d3)를 지나쳐서 놓인 홀더 위치(L0) 근처에 위치된다. 제 1 상류 거리(d3)는 하류 방향으로 측정한 제 2 하류 거리(d2)와 동등한데, 그 이유는 연마 패드상에서의 위치 이동이 폐루프를 이루기 때문이다. 본 발명에서, 제 2 튜브 위치(L2)를 설정하는 제 1 상류 거리(d3)는 제 2 하류 거리(d2)가 제 1 하류 거리(d1)보다 크도록 선택된다. 이러한 방식으로 분배 튜브(7, 8)를 위치선정함으로써, [제 1 튜브 위치(L1)로부터 제 2 튜브 위치(L2)로 측정한] 제 1 분배 튜브(7)와 제 2 분배 튜브(8) 사이의 궤적은 [제 2 튜브 위치(L2)로부터 제 1 튜브 위치(L1)로 회전방향으로 측정한] 제 2 분배 튜브(8)와 제 1 분배 튜브(7) 사이의 궤적보다 훨씬 더 크다. 이러한 장치에 있어서, CMP 공정에서 각각 상이한 기능을 하는 유리한 두 범위가 연마 패드상에 형성되는데, 이에 대해서는 더 상세히 후술될 것이다.
표면 안정화제(또는 패시베이터)는 에칭제로부터 금속 표면을 보호하는 표면 안정 층을 형성함으로써 웨이퍼 상의 금속 표면을 안정화할 수 있는 약품이다. 표면 안정화제는 표면 안정화 층으로서 금속 표면상에 금속 산화물 층을 형성하는 산화제(예를 들어, H2O2)를 함유할 수 있다. 또한, 표면 안정화제는 금속 표면상에 불용성 금속염 층을 형성하는 시약[예를 들어, 동-계열의 배선공정(metallization)일 경우에 프탈산]일 수 있다. 또한, 표면상에 단층 코팅을 형성하는 표면 안정화제나 계면활성제 특성을 갖는 표면 안정화제도 고려될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 장치에 있어서, 연마 패드(4)의 표면은 패드의 완전한 회전 중에 여러 조건에 노출된다. 예를 들어, 패드의 1 회전중에 패드 표면에 있는 특정 위치(L4)는 제 2 튜브 위치(L2)에 있는 표면 안정화제 분배 튜브(8) 아래를 1회 통과한다. 여기서, 상기 표면은 연마 입자와 혼합된 다량의 표면 안정화제를 수용한다.
다음에, 상기 위치(L4)는 홀더 위치(L0)의 웨이퍼 홀더(5)에 부착된 웨이퍼(W) 아래를 통과한다. 이 지점에서, 연마 패드의 표면에 매립된 연마 입자는 웨이퍼(W)의 금속 표면으로부터 표면 안정화층을 제거한다. 위치(L4)에서 연마 패드 표면에 분산된 표면 안정화제는 상기 금속에 밀착되어서 금속의 표면을 다시 안정화한다. 마모된 재료는 패드의 표면에 쌓여 연마 패드 상에 축적된다(도 1b). 웨이퍼와 연마 패드의 접촉영역에서, 표면 안정화 및 제거 공정이 동시에 그리고 연속적으로 발생된다. 이는 패드 상에 에칭제가 존재하기 때문에, 표면 안정화층의 제거 후 금속 층에 대한 약간의 에칭이 발생한다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명에 있어서 소량의 에칭제가 에칭제 분산 튜브에 분산된 (표면안정화제와 연마입자의)혼합물에 첨가될 수 있다. 이러한 방식으로, CMP 공정의 특성에 대한 더욱 양호한 제어가 제공된다.
연마 패드(4)의 회전으로 인해, 마모된 재료는 홀더 위치(L0)에서의 웨이퍼와 연마 패드 사이의 접촉 영역으로부터 이송된다.
계속해서, 위치(L4)는 제 1 튜브 위치(L1)에서 에칭제 분배 튜브(7) 아래를 통과한다. 표면은 이 지점에서 다량의 에칭제를 수용한다. 에칭제는 화학 작용에 의해 마모된 재료를 분해할 수 있다. 원심력으로 인해, 분해된 연마 재료를 함유하는 용액이 패드의 원주위로부터 흘러나가게 된다. 그러므로, 분해 단계 후에, 패드의 표면은 세정되어 실질적으로 마모된 재료가 사라지게 된다.
제 1 튜브 위치(L1)에서의 에칭제 분배 튜브(7)와 제 2 튜브 위치(L2)에서의 표면 안정화제 분배 튜브(8) 각각을 통한 에칭제와 표면 안정화제의 분리 공급으로 인해, 에칭제와 표면 안정화제의 농도가 홀더 위치(L0)에 대한 연마 패드상의 상대 위치의 함수로서 변화한다. 패드 상의 분배 튜브(7, 8) 각각의 제 1 및 제 2 튜브 위치(L1, L2) 사이에서의 위치(L4)에 대한 궤적상에서, 패드 표면 상의 에칭제의 농도는 표면 안정화제의 농도에 비해서 상당히 높으며, 연마액은 우세한 에칭제 특성을 가진다. 그러나, 패드 상의 제 2 및 제 1 튜브 위치(L2, L1) 사이에서의 위치(L4)에 대한 궤적상에서, 상기 상황은 역전되며, 패드 표면 상의 에칭제의 농도는 표면 안정화제의 농도에 비해서 상당히 낮으며, 연마액은 우세한 표면 안정화제의 특성을 가진다. 결과적으로, 제 1 및 제 2 튜브 위치(L1, L2) 사이에 있는 고정된 홀더 위치(L0)의 웨이퍼 홀더(5)에 부착된 웨이퍼(W)는 우세한 표면 안정화제의 특성을 갖는 연마액에 노출된다. 위치(L1, L2) 사이에서 에칭제가 (제어가능하고 상당히 낮은 농도로)이용될 수 있으므로, CMP 공정의 에칭 단계는 웨이퍼(W)의 표면에서 양호하게 수행될 수 있다. 그러나, 에칭율은 표면 안정화제 보다 높은 농도와 그에 대응하는 웨이퍼(W) 표면의 표면 안정화 정도로 인해 낮다. 이는 에칭율이 낮아도 CMP 공정의 제거율이 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다. 동 배선공정을 위한 본 발명에 따른 CMP 공정에서, 제거율은 300 내지 500 nm/min이다.
또한, 에칭제와 표면 안정화제의 분배는 CMP 공정중에 계속됨을 의미한다. 따라서, CMP 공정중에 패드상의 에칭제와 표면 안정화제의 농도 분포가 안정한 상태로서 간주될 수 있다. 회전 연마 패드(4)는 위치(L1, L2) 사이의 궤적에 안정한 영역을 포함하며, 제 1 영역 내에 있는 패드의 영역이 에칭 및 세정 단계에 주로 노출되게 된다. 위치(L2, L1) 사이의 궤적에 있는 제 2 안정한 영역에서, 제 2 영역 내의 패드의 영역은 웨이퍼(W) 상의 금속 표면과 반응하는 표면 안정화제를 주로 함유한다.
상기 CMP 공정의 특징을 확인하기 위해서, 종래의 연마장치를 사용하여 실험이 수행되었다. 에칭제로서 국산 산성 완충제(pH = 3)가 사용되었다. 표면 안정화제로서 H2O2(산화제로서, H2O에서 35% 희석된)가 사용되었다. 이와 같은 에칭제와 표면 안정화제의 농도는 예로서 주어진 것이라고 이해해야 한다. 다른 표면 안정화제와 농도에 의해서도 만족할만한 유사한 결과를 도출할 수 있다.
1.2 ㎛의 두께로 애즈-증착된(as-deposited) 동 층에 의해 도포되어 있고 블랭킷 및 (SiO2로)패턴화된 웨이퍼가 본 발명에 따른 CMP 공정에 의해 연마되었다. 패턴화된 웨이퍼상의 테스트 다마신 구조물은 다양한 라인 폭과 다양한 패턴 밀도를 가진다. 테스트 패턴으로서, 0.2 내지 100 ㎛ 폭의 라인을 갖는 라인/스페이스 패턴이 사용되었다. 패턴 밀도는 ~ 25% 내지 ~ 80% 범위에서 변했다. 모든 테스트 구조물에서 트렌치의 깊이는 600 nm였다.
도 4a와 도 4b는 전술한 실험의 예시적인 결과치를 개략적으로 나타내며, 본 실험들에서 평탄화율은 각각, 무-슬러리 CMP 공정에서 측정되었고, 종래 기술로부터 공지된 종래의 공정에 따라 수행되었으며, 또한 본 발명에 따라 수행되었다. 도 4a의 그래프에서, 다양한 라인 폭을 갖는 단계별 높이 감소는 종래 기술에 따른 CMP 공정에서의 연마 시간의 함수로서 나타냈다. 명료하게 나타내기 위해서, 50%의 패턴 밀도에 대한 결과만을 나타냈다. 100, 50, 20 및 10 ㎛의 라인 폭을 갖는 라인들에 대한 결과치는 막힌 원, 빈 원, 막힌 삼각형 및 빈 삼각형으로 각각 나타냈다(패턴 밀도가 ~ 25% 내지 ~ 80%로 변화하는 경우에 대해서도 유사한 결과치를 얻을 수 있다.).
도 4b의 그래프에서, 다양한 라인 폭을 갖는 트레치의 단계별 높이 감소는 본 발명에 따른 CMP 공정에서의 연마 시간의 함수로 나타냈다. 100, 50, 20 및 10 ㎛의 라인 폭을 갖는 라인들에 대한 결과치는 막힌 사각형, 빈 사각형, 막힌 다이아몬드형 및 빈 다이몬드형으로 각각 나타냈다. 또한 패턴 밀도는 50%였다.
도 4a 및 도 4b로부터, 본 발명에 따른 CMP 공정이 종래 기술에 따른 CMP 공정보다 평탄화율이 높다는 것을 명확히 알 수 있다(연마 조건에 따라, 제거율은 본 발명에 따른 CMP 공정에 대해 300 내지 500 nm/min의 범위 내에 있다). 또한, 본 발명에 따른 CMP 공정에 대한 단계별 높이 감소는 패턴의 다양한 라인 폭에 대한 것과 거의 유사하다. 따라서, 본 발명에 따른 CMP 공정에 대한 평탄화율은 실제 패턴 라인 폭과 (거의)무관한 것으로 나타난다. 이는 본 발명에 따른 CMP 공정이 과연마 중에 보다 넓은 트레치로서의 디싱 작업을 감소시킨다. 웨이퍼(W)에 근접한 연마 패드 상에서의 표면 안정화제의 보다 높은 농도로 인해, 양호하게 형성된 표면 안정화 층이 모든 CMP 공정중에 웨이퍼 표면에 안정되게 형성된다. 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 표면 안정화 층의 형성에 의해 웨이퍼 표면의 낮은 오목 영역(305)을 효과적으로 보호하여 웨이퍼 표면의 돌출 영역(307, 308)에서만 재료를 제거하게 한다. 그러므로, 높고 안정된 평탄화율이 달성되어 패턴 밀도와 패턴 회로선폭에 대한 종속성이 매우 낮아진다.
요약하면, 표면 안정화제의 분배(및 그의 농도)에 대한 제어의 개선으로 CMP 공정중의 표면 안정화가 개선된다. 웨이퍼 패턴내의 오목 영역에 대한 표면 안정화의 개선으로 다마신 구조물의 평탄화가 개선된다. 또한, 상이한 회로선폭을 갖는 오목 영역의 양호한 표면 안정화로 인해 패턴 밀도에 대한 평탄화 종속성이 감소된다.
본 발명은 고정된 위치(L0)에 가압 수단(6)과 회전 연마 패드(4)를 갖는 CMP 장치(3)에만 한정되는 것은 아니라고 이해해야 한다. 본 발명은 본 기술분야에 공지된 다른 형태의 CMP 장치, 예를 들어 벨트형 연마 패드나 고정식 연마 패드에 대해 이동하는 가압 수단을 갖춘 CMP 장치에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 표면 안정화제 분배 튜브에서 연마 입자의 분배 필요성이 없는 고정식 연마 패드를 갖춘 CMP 장치에도 적용될 수 있다.
본 발명에서, 금속의 CMP 가공을 위한 신규한 구성이 설명되었다. 분배 튜브는 연마액의 2 주요 성분(에칭제와 표면 안정화제)이 연마 패드면의 상이한 영역에 별도로 공급되도록 배열된다. 따라서, 본 발명은 연마 슬러리의 조합상의 난점을 감소시키고 보다 양호한 공정의 최적화 기회를 부여한다. 표면의 에칭과 안정화 사이의 균형은 연마 패드로의 에칭제와 표면 안정화제의 흐름을 분리시킴으로써 개선된다. 상기 성분의 분리에 의해 연마 패드 표면의 상이한 영역에서의 금속 산화물(또는 금속염)의 상이한 분해율과 금속의 상이한 표면 안정화율을 초래한다. 결과적으로, 본 발명에 따른 CMP 공정은 우수한 제거율과 평탄화율을 달성한다.
또한, 표면 안정화제 분배 튜브(8)에서 표면 안정화제를 분배함에 있어서 소량의 에칭제가 표면 안정화제에 제어가능하게 추가될 수 있어서 웨이퍼 홀더의 위치(L0)에서 웨이퍼(W)를 처리하는 동안에 연마 및 표면 안정화 작용과 동시에 약간 적은 에칭 작용이 발생하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 CMP 공정은 동계열의 배선공정에만 사용되는 것이 아니라 기타 배선공정에도 사용될 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 CMP 처리는 텅스텐 층의 패턴화와 관련하여 양호한 결과를 제공한다.
또한, 패드의 기계적 최적화에 대한 요건이 에칭제의 장치내 세정(in-situ cleaning) 작용에 의해 현저히 감소되므로 연마 패드의 수명이 증가한다.
본 발명의 장치와 방법이 반도체 소자들의 제조에 유용하게 적용될 수 있다는 것은 당업자들에게 자명하다.

Claims (37)

  1. 연마 패드(4), 구동 유닛(9), 가압 수단(6), 웨이퍼 홀더(5), 제 1 분배 수단(7) 및 제 2 분배 수단(8)을 포함하며, 웨이퍼(W)를 유지시키는 상기 웨이퍼 홀더가 홀더 위치(L0)에 배열되며, 상기 가압 수단(6)이 웨이퍼 홀더(5)를 연마 패드(4)에 가압하도록 배열되며, 제 1 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 1 분배 수단(7)이 제 1 분배 수단 위치(L1)에 배열되며, 제 2 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 2 분배 수단(8)이 제 2 분배 수단 위치(L2)에 배열되며, 상기 연마 패드가 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마 표면을 구비하며, 상기 연마 패드(4)가 상기 홀더 위치(L0)에 대한 제 1 방향(ω1)으로 연마 표면을 이동시키는 상기 구동 유닛(9)에도 연결되어 있는, 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치에 있어서,
    상기 제 1 분배 수단(7)의 제 1 분배 수단 위치(L1)는 제 1 하류 거리(d1)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 하류 방향으로 배열되며, 상기 제 2 분배 수단(8)의 제 2 분배 수단 위치(L2)는 제 1 상류 거리(d3)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 상류에 배열되며, 상기 하류 방향은 상기 제 1 방향(ω1)에 대해 하류이고 상기 상류 방향은 상기 제 1 방향(ω1)에 대해 상류인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 분배 수단(7)은 상기 제 1 분배 수단 위치(L1)에서, 웨이퍼(W) 표면 및 연마 패드(4)의 연마 표면으로부터의 마모된 재료를 분해하도록 연마 패드(4) 상에 에칭제를 분배하며, 상기 제 2 분배 수단(8)은 상기 제 2 분배 수단 위치(L2)에서, 웨이퍼(W)의 표면을 안정화하도록 연마 패드(4) 상에 연마 입자와 표면 안정화제의 혼합물을 분배하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분배 수단(7, 8)은 분배 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분배 수단(7, 8)은 복수의 근접 이격된 분배 개구를 갖춘 분배 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼(W)의 표면은 금속 층의 표면인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 층은 동 층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 층은 텅스텐 층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층을 위한 산화제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층 상에 불용성 금속염 층을 형성하는 시약인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  10. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층 상에 얇은 필름 피막을 형성하는 시약이며, 상기 얇은 필름 피막은 단층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  11. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 계면활성화제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화제는 H2O2인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 프탈산인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  14. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에칭제는 마모된 금속/금속 산화물/금속염 재료용 분해제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 에칭제는 마모된 금속/금속 산화물/금속염 재료를 분해시키기 위한 산성 완충제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    웨이퍼 홀더(5)를 회전시키는 회전 수단을 더 포함하며, 상기 회전 수단에 연결된 상기 웨이퍼 홀더(5)는 제 2 회전 방향(ω2)으로 회전되도록 배열되는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 패드(4)의 웨이퍼(W) 연마 표면은 고정식 연마 패드로서 배열되며, 상기 제 2 분배 수단(8)은 상기 표면 안정화제를 분배하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 분배 수단(8)은 소량의 에칭제도 분배하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치.
  19. 연마 패드(4), 구동 유닛(9), 가압 수단(6), 웨이퍼 홀더(5), 제 1 분배 수단(7) 및 제 2 분배 수단(8)을 포함하며, 웨이퍼(W)를 유지시키는 상기 웨이퍼 홀더가 홀더 위치(L0)에 배열되며, 상기 가압 수단(6)이 웨이퍼 홀더(5)를 연마 패드(4)에 가압하도록 배열되며, 제 1 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 1 분배 수단(7)이 제 1 분배 수단 위치(L1)에 배열되며, 제 2 유체를 연마 패드(4)에 분배하는 상기 제 2 분배 수단(8)이 제 2 분배 수단 위치(L2)에 배열되며, 상기 연마 패드가 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 연마 표면을 구비하며, 상기 연마 패드(4)가 상기 홀더 위치(L0)에 대한 제 1 방향(ω1)으로 연마 표면을 이동시키는 상기 구동 유닛(9)에도 연결되어 있는, 웨이퍼 표면을 화학-기계적으로 연마하기 위한 화학-기계적 연마 장치의 실행 방법에 있어서,
    상기 제 1 분배 수단(7)의 제 1 분배 수단 위치(L1)를 제 1 하류 거리(d1)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 하류 방향이고 상기 제 1 방향에 대해 하류인 방향으로 배열하는 단계와,
    상기 제 2 분배 수단(8)의 제 2 분배 수단 위치(L2)를 제 1 상류 거리(d3)에 상기 홀더 위치(L0)에 대해 상류 방향이고 상기 제 1 방향에 대해 상류인 방향으로 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 웨이퍼(W)의 표면은 금속 층의 표면인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 웨이퍼(W)의 금속 표면과 상기 연마 패드의 연마 표면으로부터 발생된 마모된 재료를 분해시키도록 상기 연마 패드상의 제 1 분배 수단 위치(L1)에 에칭제를 제 1 분배 수단에 의해 분배하는 단계와,
    상기 웨이퍼(W)의 금속 표면을 안정화시키도록 상기 연마 패드상의 제 2 분배 수단 위치(L2)에 표면 안정화제를 제 2 분배 수단에 의해 분배하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분배 수단(7, 8)은 분배 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  23. 제 19 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 근접 이격된 개구를 갖춘 분배 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  24. 제 20 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 층은 동 층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  25. 제 20 항 내지 제 23 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 층은 텅스텐 층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  26. 제 20 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층을 위한 산화제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  27. 제 20 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층 상에 불용성 금속염의 층을 형성하는 시약인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  28. 제 20 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 상기 금속 층 상에 얇은 필름 피막을 형성하는 시약이며, 상기 얇은 필름 피막은 단층인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  29. 제 20 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 계면활성제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 산화제는 H2O2인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 표면 안정화제는 프탈산인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  32. 제 20 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에칭제는 마모된 금속/금속 산화물/금속염 재료용 분해제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 에칭제는 마모된 금속/금속 산화물/금속염 재료를 분해시키기 위한 산성 완충제인 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  34. 제 19 항 내지 제 33 항중 어느 한 항에 있어서,
    웨이퍼 홀더(5)를 회전시키는 회전 수단을 더 포함하며,
    상기 웨이퍼 홀더(5)를 제 2 회전 방향(ω2)으로 회전시키도록 상기 회전 수단을 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  35. 제 19 항 내지 제 34 항중 어느 한 항에 있어서,
    고정식 연마 패드로서의 연마 패드(4)에 의해 웨이퍼(W)를 연마하도록 연마 표면을 배열하는 단계와,
    상기 제 2 분배 수단(8)에 의해 표면 안정화제를 분배하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  36. 제 19 항 내지 제 35 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 분배 수단(8)에 의해 소량의 에칭제를 분배하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
  37. 제 19 항 내지 제 36 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학-기계적 연마 처리는 반도체 소자인 반도체 재료로 형성된 기판을 포함하는 웨이퍼(W)의 제조에 사용되는 것을 특징으로 하는
    화학-기계적 연마 장치의 실행 방법.
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