KR20030028482A - 화학 기계 연마 장치, 연마 패드 및 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

연마 패드와 기판 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마 패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치에 있어서, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 한다. 환상 연마 패드의 도려내어진 부분의 내경(li)은 연마 패드 외경(lo)의 길이의 5∼75%, 바람직하게는 30∼50%이다.

연마되는 금속막을 갖는 기판(w)의 외경에 대한 연마 패드의 외경은 원환형 패드일 때는 0.5∼0.75배, 타원 환상 패드일 때는 짧은 지름이 0.35∼0.40배, 긴 지름이 0.5∼0.75배이다.

Description

화학 기계 연마 장치, 연마 패드 및 반도체 소자의 제조 방법{CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING APPARATUS, POLISHING PAD, AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}

스핀들축에 축 지지된 연마 패드를 이용하고, 그 연마 패드면에 연마재 슬러리를 공급하면서 척에 유지된 웨이퍼를 압접하여, 패드와 웨이퍼를 동일 방향 또는 역방향으로 회전시켜 웨이퍼를 연마 또는 CMP 연마(Chemical Mechanical Polishing 또는 Chemical Mechanical Planarization)하는 연마 장치는 알려져 있다(일본 특허 공개 평6-21028호, 일본 특허 공개 평7-266219호 공보, 일본 특허 공개 평8-192353호 공보, 일본 특허 공개 평8-293477호 공보, 일본 특허 공개 평10-173715호 공보, 일본 특허 공개 평11-156711호 공보, 영국 공개 특허 제2331948호 공보 등).

패드 소재로서는 경질의 발포 우레탄 시트, 폴리에스테르 섬유 부직포, 펠트, 폴리비닐알콜 섬유 부직포, 나일론 섬유 부직포, 이들 부직포 상에 발포성 우레탄 수지 용액을 흐르게 한 후, 발포·경화시킨 것 등이 사용되고 있다.

종래, 패드는 그 형상이 연마되는 기판의 형상과 같이 원형이며, 두께가 1∼7 mm인 알루미늄판이나 스테인레스판 등의 부착판에 부착되어 사용되었다.

이러한 원형 패드를 이용하여 금속막을 갖는 기판을 CMP 연마하기 위해서는, 예컨대 일본 특허 공개 평10-173715호 공보, 일본 특허 공개 평11-156711호 공보에 개시된 바와 같이, 금속막을 갖는 기판을 금속막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리(遊離) 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시키고, 또한 연마 패드를 기판 표면에서 좌우 방향으로 20∼50 mm 요동시켜 기판 표면의 금속막의 적어도 일부를 제거하여 화학 기계 연마를 하였다.

이 연마 패드의 지름은 금속막을 갖는 기판의 지름의 대략 1/2이며, 연마 패드를 기판 표면에서 좌우 방향으로 20∼50 mm 요동시키는 동시에, 패드를 150∼800 rpm으로 고속 회전시켜 연마하고, 지름이 300 mm인 기판의 CMP 연마에 요구되는 고속 가공을 만족하지만, 고속 연마이므로 얻어지는 기판의 금속층에서 디싱이 200∼320 nm으로 크고, 절연층에 대한 금속막의 밀도가 높으면 침식도 60∼100 nm로 커서, 디바이스 웨이퍼에 있어서 디바이스층이 5∼10층으로 고집적화하는 용례에서는 디싱을 60 nm 이하로, 침식을 80 nm 이하로 할 것이 시장에서 요구되고 있다.

본 발명은 기판의 두께 분포의 균일성이 우수한 기판을 제조할 수 있는 화학 기계 연마 장치, 연마 패드 및 상기 화학 기계 연마 장치를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 연마 장치의 사시도이다.

도 2는 연마 장치의 사시도이다.

도 3은 연마 헤드와 컨디셔닝 기구의 위치 관계를 도시하는 단면도이다.

도 4는 연마 헤드의 단면도이다.

도 5는 연마 패드의 사시도이다.

도 6은 반도체 소자 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다.

도 7은 연마 패드의 회전수와 디싱의 관계를 보여주는 도표이다.

도 8은 기판의 패턴 밀도와 침식의 관계를 보여주는 도표이다.

도 9는 기판의 패턴 폭과 디싱의 관계를 보여주는 도표이다.

도 10은 STI의 트렌치 폭과 침식의 관계를 보여주는 도표이다.

도 11은 STI의 트렌치 밀도와 침식의 관계를 보여주는 도표이다.

본 발명은 연마 패드와 기판 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 시장의 요구를 충족시키는 것을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 화학 기계 연마 장치에 사용되어, 상기 시장의 요구를 충족시키는 연마 패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연마 공정에서의 디싱 및 침식에 관한 시장의 요구를 충족시킴으로써 수율의 향상을 도모하고, 이에 따라 종래의 반도체 소자 제조 방법에 비해서 적은 비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 소자 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하, 본 발명의 내용을 설명한다.

청구항 1에 기재된 발명은, 연마 패드와 기판 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마 패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는, 중앙부를 도려낸 환상의 연마 패드를 이용하여 화학 기계 연마함으로써, 고속 연마 가공에서도 디싱 및 침식을 저감시키는 것이 가능해진다.

청구항 2에 기재된 발명은, 금속막을 갖는 기판을 금속막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 금속막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는, 중앙부를 도려낸 환상의 연마 패드를 이용하고, 또한 그 연마 패드를 연마시에 좌우 방향으로 왕복 요동시키면서 화학 기계 연마함으로써, 고속 연마 가공에 있어서도 디싱을 60 nm 이하로, 침식을 80 nm 이하로 억제하는 것이 가능하다.

청구항 3에 기재된 발명은, P-TEOS 막을 갖는 STI 기판을 P-TEOS 막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 P-TEOS 막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마 패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 해당 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 금속막의 패턴 모양 위에 절연층막이 마련된 기판을 절연층막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리 연마 입자를 매개로하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 절연층막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마 패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 해당 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 것이다.

청구항 3에 기재된 발명과 청구항 4에 기재된 발명에 있어서는, 금속막의 제거뿐만 아니라, 절연층의 제거, STI의 P-TEOS 막의 제거에 있어서도 디싱 및 침식을 억제할 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명은 청구항 2 내지 청구항 4에 기재된 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 이송 기구는 상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 위치에 따라서 상기 연마 패드의 좌우 방향 이동 속도를 변화시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는, 디싱 및 침식을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명은 연마 패드와, 최대 외경 치수가 상기 연마 패드의 최대 외경 치수보다 작거나 거의 같은 기판과의 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마 패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 형상은 환상체인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치이다.

청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 6에 기재된 화학 기계 연마 장치에 있어서, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치이다.

이들, 청구항 6 및 청구항 7에 기재된 발명에서는, 환상체의 연마 패드를 이용하여 화학 기계 연마함으로써, 고속 연마 가공에 있어서도 디싱 및 침식을 억제할 수 있다.

청구항 8에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 7에 기재된 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 연마 패드의 도려내어진 부분의 내경이 상기 연마 패드 외경의 5∼75%인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에서는, 상기 도려내어진 부분의 내경을 전술한 비율로 함으로써 디싱 및 침식을 효과적으로 억제할 수 있다.

청구항 9에 기재된 발명은, 형상이 환상체이며, 최대 치수는 연마되는 기판의 최대 치수보다 작거나 거의 같은 것을 특징으로 하는 연마 패드이다.

청구항 10에 기재된 발명은, 청구항 9에 기재된 연마 패드에 있어서, 형상이 원 또는 타원인 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 연마 패드이다.

청구항 9 또는 청구항 10에 기재된 연마 패드를 이용하는 화학 기계 연마 장치에서는, 고속 연마 가공에 있어서도 디싱 및 침식을 억제할 수 있다.

청구항 11에 기재된 발명은, 청구항 10에 기재된 연마 패드에 있어서, 상기 도려내어진 부분의 지름은 상기 연마 패드 외경의 5∼75%인 것을 특징으로 하는 연마 패드이다.

본 발명에서는, 상기 도려내어진 부분의 지름을 전술한 비율로 함으로써 디싱 및 침식을 효과적으로 억제할 수 있다.

청구항 12에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 8에 기재된 발명 중 어느 한 화학 기계 연마 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법이다.

CMP 공정에 청구항 1 내지 청구항 8에 기재된 발명 중 어느 한 화학 기계 연마 장치를 이용함으로써, 디싱 및 침식에 관한 시장의 요구를 충족시킬 수 있기 때문에, 수율의 향상을 도모하고, 이에 따라 종래의 반도체 소자 제조 방법에 비해서 적은 비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 환상 연마 패드를 구비한 연마 장치, 즉 본 발명의 연마 장치를 이용하여 화학 기계 연마를 행함으로써, 디싱 및 침식이 억제되고, 패턴의 두께가 균일한 디바이스 웨이퍼를 얻을 수 있다. 또한, 절연층 상에 금속막이 마련된 기판 위를 좌우 방향으로 요동하는 속도를 기판에 대한 연마 패드의 위치에 따라 바꿔 화학 기계 연마를 실시함으로써, 디싱 및 침식이 더욱 억제된다.

또한, 금속 패턴 위에 절연층막이 형성된 기판의 절연층막의 제거, STI의 P-TEOS 막층의 제거에 있어서도 디싱 및 침식을 억제하여 행할 수 있다.

또한, 본 발명은 CMP 공정에서의 디싱 및 침식에 관한 시장의 요구를 충족시킴으로써 수율의 향상을 도모하고, 이에 따라 종래의 반도체 소자 제조 방법에 비해서 적은 비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 소자 제조 방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해서, 첨부한 도면에 따라 본 발명의 가장 바람직한 실시 형태라고 생각되는 것을 설명하지만, 그 내용은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아님은 물론이다.

우선, 도 1∼도 4를 이용하여, 본 발명이 적용되는 일반적인 화학 기계 연마 장치의 예의 개요를 나타낸다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시하는 인덱스형 화학 기계 연마 장치(1)에 있어서,2는 연마 헤드, 2a는 거친 연마용 연마 헤드, 2b는 마무리 연마용 헤드, 3은 회전축, 3a는 모터, 3b는 톱니바퀴, 3c는 풀리, 3d는 톱니바퀴, 4는 연마 패드, 5는 패드 컨디셔닝 기구, 5a는 드레싱 디스크, 5b는 분사 노즐, 5c은 보호 커버, 6은 회전 가능한 세정 브러시, 7은 연마 헤드의 이송 기구, 7a는 레일, 7b는 이송 나사, 7c는 이송 나사에 나사 결합된 이동체로서 연마 헤드(2)를 유지한다. 7d, 7e는 톱니바퀴, 7f는 모터, 8은 헤드의 승강 기구인 에어실린더, 9는 웨이퍼(기판)(w)의 수납 카세트, 10은 로딩 반송(搬送)용 로봇, 11은 웨이퍼 임시 적재대, 12는 축(12e)을 축심으로 하여 동일 원주 상에 등간격으로 설치된 회전 가능한 4개의 웨이퍼 척 기구(12a, 12b, 12c, 12d)를 구비하는 인덱스 테이블로, 테이블(12)은 웨이퍼 로딩 영역(s1), 거친 연마 영역(s2), 웨이퍼 마무리 연마 영역(s3), 웨이퍼 언로딩 영역(s4)으로 구분되어 있다.

13은 언로딩용 반송 로봇, 14a는 척 드레서, 14b는 척 세정 기구, 15는 웨이퍼 임시 적재대, 16은 벨트 컨베이어, 17은 웨이퍼 세정 기구이다.

도 4에 도시하는 연마 헤드(2)에 있어서, 연마 헤드(2)는 기판(21)의 돌출 가장자리(21a)가 가압 실린더(20)의 플랜지 부분(20a)에 지지되고, 연마 패드(환상 연마포)(4)는 연마포 부착판(22)을 통해 기판(21)에 유지된다. 가압 실린더(20) 안쪽의 가압실(20b) 내부에 다이어프램(23)이 걸쳐져 있고, 스핀들축(3)의 안을 통하여 가압실(20b) 내부로 압축 공기가 압입되며, 그 압력에 의해 기판(21)은 3차원(X, Y, Z) 방향으로 요동 가능하게 지지되고, 연마 패드(4)는 웨이퍼 표면에 대하여 평행하게 유지된다.

헤드(2)의 중앙에 연마액 또는 세정액 공급 파이프(24)가 설치되고, 파이프의 선단은 연마 패드의 중앙 도려내기부(4a)를 피하여 연마 패드 환상체 이면을 향하며, 환상체를 경유하여 기판의 금속층 표면에 연마액 또는 에칭액이 공급된다.

다음에, 본 발명에 이용되는 연마 패드의 예를 도시한다. 도 5에 도시된 연마 패드(4)에 있어서, (a)는 본 발명에 이용되는 원환형 연마 패드, (b)는 본 발명에 이용되는 타원형 환상 연마 패드이다. 환상 연마 패드의 도려내어진 부분의 내경(li)은 연마 패드 외경(lo) 길이의 5∼75%, 바람직하게는 30∼50%이다.

연마되는 금속막을 갖는 기판(w)의 외경에 대한 연마 패드의 외경은, 원환형 패드일 때는 0.5∼0.75배, 타원형 환상 패드일 때는 짧은 지름이 0.35∼0.40배, 긴 지름이 0.5∼0.75배이다.

패드 소재로서는, 경질의 발포 우레탄 시트, 폴리에스테르 섬유 부직포, 펠트, 폴리비닐알콜 섬유 부직포, 나일론 섬유 부직포, 이들 부직포 상에 발포성 우레탄 수지 용액을 흐르게 한 후, 발포·경화시킨 것 등이 사용된다. 두께는 1∼7 mm이다. 또한, 이들의 적층체도 이용할 수 있다.

연마제액은 (a) 콜로이달 알루미나, 퓸드 실리카, 산화세륨, 티타니아 등의 고형 연마 입자를 0.01∼20 중량%, (b) 질산구리, 시트르산철, 과산화망간, 에틸렌디아민테트라아세트산, 헥사시아노철, 플루오르화수소산, 플루오로티타늄산, 디퍼설페이트, 불화암모늄, 이불화수소암모늄, 과황산암모늄, 과산화수소 등의 산화제 1∼15 중량%, (c) 계면활성제 0.3∼3 중량%, (d) pH 조정제, (e) 방부제 등을 함유하는 슬러리가 사용된다(일본 특허 공개 평6-313164호 공보, 일본 특허 공개 평8-197414호 공보, 일본 특허 공표 평8-510437호 공보, 일본 특허 공개 평10-67986호 공보, 일본 특허 공개 평10-226784호 공보 등 참조).

구리, 구리-티탄, 구리-텅스텐, 티탄-알루미늄 등의 금속 연마에 알맞은 연마제 슬러리는 주식회사 후지미 인코퍼레이티드, 로델·닛타 주식회사, 미국 캬봇사, 미국 로델사에서 입수할 수 있다.

상기 화학 기계 연마 장치를 이용하여 절연층 위에 금속막을 갖는 웨이퍼를 연마하는 공정은 다음과 같이 행해진다.

1) 웨이퍼(w1)는 반송 로봇(10)의 아암에 의해 카세트(9)로부터 꺼내어져 임시 적재대(11) 상에 금속막면을 상향으로 하여 적재되고, 여기서 이면이 세정되며, 이어서 반송 로봇에 의해 인덱스 테이블(12)의 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되고, 척 기구(12a)에 의해 흡착된다.

2) 인덱스 테이블(12)을 90°시계 방향으로 회동시켜 웨이퍼(w1)를 제1 연마 영역(s2)으로 인도하고, 스핀들축(3)을 하강시켜 헤드(2a)에 부착된 연마 패드(4)를 웨이퍼(w1)에 압박하며, 스핀들축(3)과 척 기구의 축을 회전시킴으로써 웨이퍼의 화학 기계 연마를 행한다. 그 사이에, 새로운 웨이퍼(w2)가 임시 적재대 위에 적재되고, 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되며, 척 기구(12b)에 의해 흡착된다.

웨이퍼의 CMP 가공시, 스핀들축(3)의 중공부에 설치한 공급관(24)으로부터 환상체(4) 이면에 연마제액이 10∼100 ml/분의 속도로 공급된다. 척 테이블에 흡착된 웨이퍼의 회전수는 200∼800 rpm, 바람직하게는 300∼600 rpm, 연마 패드의 회전수는 400∼3000 rpm, 바람직하게는 600∼1000 rpm이다.

CMP 가공중, 볼 나사로 연마 패드를 웨이퍼의 중심점에서 좌측으로 10∼60 mm 간 점과, 웨이퍼의 외주에서 우측으로 10∼60 mm 간 점 사이의 거리를 좌우 방향(X축 방향)으로 왕복 요동시킨다. 연마 패드의 왕복 요동은 연마 패드 외주가 웨이퍼의 중심점과 외주 사이에 위치할 때를 기준 속도로 하면, 연마 패드가 웨이퍼 중심점부에서는 요동 속도를 천천히 하고, 웨이퍼 외주부에서는 요동 속도를 빠르게 하여 디싱이 균일하게 이루어지도록 한다. 예컨대, 요동 폭이 40 mm이고, 연마 패드 외주가 웨이퍼의 중심점과 외주 사이에 위치할 때의 요동 속도를 300 mm/분으로 할 경우에는, 웨이퍼 중심점부에서의 연마 패드의 요동 속도를 260 mm/분, 웨이퍼 외주부에서의 연마 패드의 요동 속도를 320 mm/분으로 한다.

웨이퍼면에 대해 연마 패드를 50∼150 g/cm²으로 압박한다.

제1 연마 영역(s2)에서의 화학 기계 연마가 원하는 시간 동안 이루어지면, 스핀들축(3)을 상승시켜, 우측 방향으로 후퇴시키고, 패드 세정 기구(5) 상으로 인도하여, 여기서 고압 제트수를 노즐(5b)로부터 분출하면서 회전 브러시(6)로 겉 패드면에 부착된 연마 입자, 금속 연마 부스러기를 제거하며, 다시 우측 방향으로 연마 패드를 이송하여, 연마 영역(s2) 상에 대기시킨다.

3) 인덱스 테이블을 시계 방향 방향으로 90°회동시켜, 연마된 웨이퍼(w1)를 제2 연마 영역(s3)으로 인도하고, 스핀들축(3)을 하강시켜 헤드(2b)에 부착된 연마 패드(4)를 거칠게 연마된 웨이퍼(w1)에 압박하며, 스핀들축(3)과 척 기구의 축을 회전시킴으로써 웨이퍼의 마무리 화학 기계 연마를 행한다. 마무리 연마 종료후에는 스핀들축(3)을 상승시키고 우측 방향으로 후퇴시켜, 헤드(2b)에 부착된 연마 패드를 세정 기구(5)로 세정하고, 다시 우측 방향으로 이송하여, 제2 연마 영역(s3) 상에 대기시킨다.

이 사이, 새로운 웨이퍼(w3)가 임시 적재대 위에 적재되어, 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되고, 척 기구(12c)에 의해 흡착된다. 또한, 제1 연마 영역(s2)에서는 웨이퍼(w2)의 거친 화학 기계 연마가 실시된다.

4) 인덱스 테이블(12)을 시계 방향으로 90°회동시켜, 연마된 웨이퍼(w1)를 언로딩 영역(s4)으로 인도한다. 이어서, 언로딩 반송 로봇(13)으로 마무리 연마된 웨이퍼를 임시 적재대(15)로 반송하고, 이면을 세정한 후, 또한 반송 로봇(13)으로 벨트 컨베이어를 이용한 이송 기구로 인도하며, 연마된 웨이퍼의 패턴면에 세정액을 노즐(17)로부터 분출하여 세정하고, 웨이퍼를 다음 공정으로 인도한다.

이 사이, 새로운 웨이퍼(w4)가 임시 적재대 위에 적재되고, 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되며, 척 기구(12d)에 의해 흡착된다. 또한, 제1 연마 영역(s2)에서는 웨이퍼(w3)의 거친 화학 기계 연마가, 제2 연마 영역(s3)에서는 웨이퍼(w2)의 마무리 화학 기계 연마가 실시된다.

5) 인덱스 테이블(12)을 시계 방향으로 90°회전시켜, 이하 상기 2)에서 4)의 공정과 동일한 조작을 반복하여, 웨이퍼의 화학 기계 연마를 행한다.

상기 예에 있어서, 화학 기계 연마 가공을 제1의 거친 연마와 제2의 마무리 연마로 나눈 것은, 작업 처리 시간을 단축하기 위한 것이지만, CMP 가공을 1단계로 행하여도 좋고, 거친 연마, 중간 마무리 연마, 마무리 연마의 3단계로 나눠, 작업처리 시간을 보다 단축하여도 좋다. 3단계의 CMP 가공 공정을 채택할 때는, s1을 웨이퍼 로딩과 웨이퍼 언로딩의 겸용 영역으로 하고, s2를 제1 연마 영역, s3을 제2 연마 영역, s4를 제3 연마 영역으로 한다.

또한, 연마 패드 소재는 제1 연마 패드와 제2 연마 패드의 소재를 바꾸어도 좋다.

본 발명의 화학 기계 연마 장치는 금속 패턴 위에 절연층막이 형성된 기판의 절연층막의 제거, STI의 P-TEOS 막층의 제거에도 물론 이용할 수 있다.

도 6은 반도체 소자 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 반도체 소자 제조 프로세스를 개시하여, 우선 단계 S200에서 다음에 예로 드는 단계 S201∼S204 중에서 적절한 처리 공정을 선택한다. 선택에 따라 단계 S201∼S204 중 어느 하나로 진행한다.

단계 S201은 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화 공정이다. 단계 S202는 CVD 등에 의해 웨이퍼 표면에 절연막을 형성하는 CVD 공정이다. 단계 S203은 증착 등의 공정에 의해 웨이퍼 상에 전극을 형성하는 전극 형성 공정이다. 단계 S204는 웨이퍼에 이온을 주입하는 이온 주입 공정이다.

CVD 공정 또는 전극 형성 공정 후에, 단계 S205로 진행한다. 단계 S205는 CMP 공정이다. CMP 공정에서는 본 발명에 따른 연마 장치에 의해, 층간 절연막의 평탄화나, 반도체 소자 표면 금속막의 연마에 의한 다마신(damascene)의 형성 등이 행해진다.

CMP 공정 또는 산화 공정 후에 단계 S206으로 진행한다. 단계 S206은 포토리소그래피 공정이다. 포토리소그래피 공정에서는, 웨이퍼에 레지스트 도포, 노광 장치를 이용한 노광에 의한 웨이퍼에의 회로 패턴의 베이킹, 노광한 웨이퍼의 현상이 행해진다. 또한, 다음 단계 S207에서는 현상한 레지스트상 이외의 부분을 에칭에 의해 깎아내고, 그 후 레지스트 박리하며, 에칭이 완료되어 불필요하게 된 레지스트를 제거하는 에칭 공정이다.

다음에 단계 S208에서 필요한 전 공정이 완료되었는지를 판단하고, 완료되지 않았으면 단계 S200으로 되돌아가, 이전의 단계를 반복하여 웨이퍼 상에 회로 패턴이 형성된다. 단계 S208에서 전 공정이 완료되었다고 판단되면 종료된다.

본 발명에 따른 반도체 소자 제조 방법에서는, CMP 공정에서 본 발명에 따른 화학 기계 연마 장치를 이용하고 있기 때문에, CMP 공정에서의 디싱 및 침식에 관한 시장의 요구를 충족시킴으로써 CMP 공정에서의 수율이 향상된다. 이에 따라, 종래의 반도체 소자 제조 방법에 비하여 적은 비용으로 반도체 소자를 제조할 수 있다고 하는 효과가 있다.

또한, 상기한 반도체 소자 제조 프로세스 이외의 반도체 소자 제조 프로세스의 CMP 공정에 본 발명에 따른 연마 장치를 이용하더라도 좋다.

(실시예 1)

기판으로는 300 mm 지름의 산화규소 절연막 상에 구리막을 형성한 실리콘 기판을 이용하고, 연마제로는 A사의 구리막 연마용 슬러리를 50 ml/분의 양으로 이용하며, 연마 패드로는 폴리우레탄 수지를 소재로 하고 외경이 150 mm인 원반의 중앙부를 50 mm의 지름으로 도려낸 원환형 패드를, 연마 장치로서는 도 1에 도시된 자동 화학 기계 연마 장치를 이용하여 기판을 연마했다.

기판 척 테이블의 회전수를 400 rpm, 연마 패드의 회전수를 700 rpm, 기판에 걸리는 연마 패드의 압력을 1.4 psi(100 g/cm²)로 하고, 좌우 요동 폭을 54 mm(요동 시작점은 기판 외경에서 왼쪽 내측으로 27 mm, 기판 중심점에서 오른쪽 내측으로 27 mm)으로 하고, 요동 속도를 기판 외경에서 왼쪽 내측으로 27 mm 간 지점으로부터 기판 외주측까지는 260 mm/분, 기판 중심점에서 오른쪽 내측으로 27 mm 간 지점으로부터 기판 중심점까지는 320 mm/분, 그 사이에서는 300 mm/분으로 연마를 하여(작업 처리 시간 3.0분), 패턴 폭이 150 ㎛인 웨이퍼를 얻었다. 그 결과, 디싱은 18 nm이었다.

(비교예 1)

연마 패드로서 폴리우레탄 수지를 소재로 하고 중앙부를 도려내지 않은 외경 150 mm의 원반형 패드를 이용한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 기판을 연마하여, 패턴 폭이 150 ㎛인 웨이퍼를 얻었다. 그 결과, 디싱은 241 nm이었고, 실시예에 비해 훨씬 컸다.

(비교예 2)

연마 패드로서 폴리우레탄 수지를 소재로 하고 중앙부를 도려내지 않은 긴 지름 160 mm, 짧은 지름 80 mm의 타원반형 패드를 이용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 패턴 폭이 150 ㎛인 웨이퍼를 얻었다.

그 결과, 디싱은 124 nm이며, 비교예 1에 비해서는 작았지만, 실시예 1에 비해서는 훨씬 컸다.

실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에 있어서, 각각 그 밖의 조건을 동일하게 하고, 연마 패드의 회전수만을 바꿔 연마를 했을 때에 얻어진 웨이퍼의 디싱과 연마 패드의 회전수의 관계를 도 7에 보여준다. 실시예 1에서는 연마 패드의 회전수를 약 350 rpm 이상으로 하면, 디싱은 시장의 요구 범위에 포함되지만, 비교예 1과 비교예 2는 모두 연마 패드의 회전수를 700 rpm까지 올리더라도, 디싱은 시장의 요구 범위에 포함되지 않는다.

각각 실시예 1 및 비교예 1의 조건으로, 절연층에 대한 패턴 밀도가 다른 기판의 연마를 한 경우 절연층에 대한 패턴 밀도와 침식의 관계를 도 8에 나타낸다.

이에 의하면, 패턴 밀도가 커지더라도, 침식은 비교예 1에 비해서 실시예 1이 작게 억제되고 있음을 알 수 있다.

각각 실시예 1 및 비교예 1의 조건으로, 패턴 폭이 다른 기판의 연마를 한 경우 패턴 폭과 디싱의 관계를 도 9에 나타낸다. 도 9에 의하면, 150∼600 ㎛의 패턴 폭에 대하여, 실시예 1의 경우에는 디싱은 모두 시장의 요구치 이하로 되고 있는데, 비교예 1의 경우는 디싱은 시장의 요구 범위에 포함되지 않음을 알 수 있다.

(실시예 2)

웨이퍼로는 300 mm 지름의 실리콘 기판의 표면에 15 nm의 산화규소 절연층과, 그 위에 200 nm의 질화규소 절연층과, 그 위에 800 nm의 P-TEOS 층을 형성한 STI 기판(트렌치 폭 250 μm, 트렌치 밀도 50%)을 이용하고, 연마제로는 B사의 산화세륨 연마 입자를 1 중량% 함유한 연마제 슬러리를 이용하는 것 외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 4분간 연마를 했다.

그 결과, 트렌치의 침식은 41 nm이고, 제거된 SiN은 12 nm였다. 동일한 조건으로 트렌치 폭을 바꿔 연마를 한 경우 트렌치 폭과 침식의 관계를 도 10에, 동일한 조건으로 트렌치 밀도를 바꿔 연마를 한 경우 트렌치 밀도와 침식의 관계를 도 11에 나타낸다.

이로부터, 트렌치 침식이 발생하더라도, 트렌치 폭 250 μm, 트렌치 밀도 50%의 패턴에서는, 산화규소막을 노출하는 일 없이 질화규소 절연층 내에서 연마를 정지할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 트렌치 침식이 더 진행되는 트렌치 폭이 큰 영역이나 트렌치 밀도가 작은 영역에서도, 산화규소막을 노출하는 일 없이, 질화규소 절연막 내에서 연마를 정지할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 화학 기계 연마 장치 및 연마 패드는 절연층 위에 형성된 금속막의 제거, 금속막의 패턴 모양 위에 절연층막이 실시된 기판 표면의 절연층막의 제거, STI(Shallow Trench Insulator)의 P-TEOS 층의 제거에 유용하다. 또한, 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법은 미세한 패턴을 갖는 반도체 소자를 제조하는 데 유용하다.

Claims (12)

1. 연마 패드와 기판 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마 패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 형상이, 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
2. 금속막을 갖는 기판을 그 금속막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 금속막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마 패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
3. P-TEOS 막을 갖는 STI 기판을 그 P-TEOS 막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을 유리 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 P-TEOS 막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마 패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
4. 금속막의 패턴 모양 위에 절연층막이 마련된 기판을 그 절연층막면을 상향으로 하여 척 테이블에 유지하고, 축심이 연직 방향으로 있는 스핀들축에 축 지지된 부착판에 부착된 연마 패드면을, 유리 연마 입자를 매개로 하여 상대적으로 상기 기판에 압박하며, 그 기판과 연마 패드를 미끄럼 이동시켜 기판 표면의 절연층막의 적어도 일부를 제거하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 승강 기구와, 상기 연마 패드를 좌우 방향으로 왕복 이동시키는 이송 기구를 구비하고, 상기 연마 패드의 형상은 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체이며, 연마 패드의 지름은 기판의 지름보다 작은 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
5. 재2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이송 기구는 상기 기판에 대한 상기 연마 패드의 위치에 따라서 상기 연마 패드의 좌우 방향 이동 속도를 변화시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
6. 연마 패드와, 최대 외경 치수가 상기 연마 패드의 최대 외경 치수보다 작거나 거의 같은 기판과의 사이에 연마액을 개재시킨 상태에서 상기 연마 패드와 상기 기판을 상대 이동시켜 상기 기판을 연마하는 화학 기계 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 형상이 환상체인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 연마 패드의 형상이, 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 패드의 도려내어진 부분의 내경은 상기 연마 패드 외경의 5∼75%인 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 장치.
9. 형상이 환상체이며, 최대 치수는 연마되는 기판의 최대 치수보다 작거나 거의 같은 것을 특징으로 하는 연마 패드.
10. 제9항에 있어서, 형상이 원 또는 타원의 중앙부를 보다 작은 지름의 원형 또는 타원형으로 도려낸 환상체인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
11. 제10항에 있어서, 상기 도려내어진 부분의 지름은 상기 연마 패드 외경의 5∼75%인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
12. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 기재된 화학 기계 연마 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.