KR20030032305A - 화학적 기계적 연마 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한평탄화방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연마 플래튼을 구성하는 금속 재료의 열팽창 계수 차이를 이용하여 반도체 웨이퍼의 CMP 공정시 균일도를 향상시키도록 한 CMP 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한 평탄화 방법에 관한 것으로서, 반도체 웨이퍼가 CMP 공정이 수행될 때 회동되면서 반도체 웨이퍼를 홀딩하는 패드를 지지하는 CMP 장치의 연마 플래튼에 있어서, 상기 연마 플래튼은 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판을 부착하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 장치 제조용 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하 CMP라고 함) 장치에 관한 것으로, 특히 연마 플래튼의 열팽창 계수를 이용하여 웨이퍼의 면내 균일성(Thickness Uniformity)을 향상시키는데 적당한 CMP 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한 평탄화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 웨이퍼는 사진, 이온확산, 식각, 화학 기상 증착 및 금속 증착 등의 공정을 반복적으로 수행하여 반도체 장치인 칩으로 제조된다.
상기의 공정들을 거친 웨이퍼 상에는 금속배선이 미세한 패턴을 이루며 형성되고, 반도체 장치가 점차로 고집적화, 고기능화 되어감에 따라 웨이퍼 상에는 금속배선과 절연막 및 층간배선 등이 다수개의 층을 이루는 다층 배선 구조가 형성되게 되었다.
따라서, 다층 배선 구조가 형성됨에 따라 웨이퍼의 공정 면을 평탄화하는 기술이 필요하게 되었는데, 이는 미세한 패턴의 요철(凹凸)부가 존재하는 웨이퍼 상에 연이어 다른 미세한 패턴층을 형성하는 경우, 요철부가 존재하는 웨이퍼와 패턴을 형성하도록 웨이퍼 상에 위치하는 마스크 사이의 간격이 불균일하게 되고, 투영렌즈의 초점이 잘 맞지 않게 되어 요구되는 미세한 패턴을 정밀하게 형성할 수 없기 때문이다.
따라서, 웨이퍼 상에 존재하는 미세한 패턴의 요철부를 평탄화함으로써 미세한 패턴의 정밀도를 향상시키게되며, 이를 위해서 일반적으로 웨이퍼의 공정 면을 연마(Polishing)하여 상기 웨이퍼의 공정 면에 평탄화 작업을 실시하고 있다.
평탄화 방법으로는 붕소와 인이 도우프된 BPSG(Borophospho Silicate Glass) 리플로우(reflow)방법, SOG(Spin On Glass) 에치백(etch-back) 방법, CMP 방법 등이 있다.
여기서 상기 BPSG 리플로우 방법은 반도체 기판 표면에 BPSG막을 적층한 후 열처리하여 평탄화하는 방법이며, SOG 에치백 방법은 회로패턴층이 형성된 절연층위에 SOG 막을 추가로 도포한 후 에치백하여 평탄도를 개선하는 방법이다.
또한, CMP 방법은 단차를 가진 웨이퍼를 패드 위에 밀착시킨 후 슬러리를 이용하여 웨이퍼를 연마함으로써 평탄화하는 방법으로서 낮은 온도에서 전체적인 평탄화를 실시할 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근의 256메가 및 1기가 메모리 소자의 평탄화 방법으로 주목받고 있다.
즉, CMP 공정에서 웨이퍼는 패드와 슬러리에 의해서 연마되어지며, 패드가 부착되어진 연마 연마 플래튼은 단순한 회전운동을 하고 헤드부는 회전운동과 요동운동을 동시에 행하며 일정한 압력으로 가압을 하여 준다.
상기 웨이퍼는 표면장력 또는 진공에 의해서 헤드부에 장착되어진다. 헤드부의 자체하중과 인가되는 가압력에 의해 웨이퍼 표면과 패드는 접촉하게 되고 이 접촉면 사이의 미세한 틈(패드의 기공부분) 사이로 가공액인 슬러리가 유동을 하여 슬러리 내부에 있는 연마 입자와 패드의 표면돌기 들에 의해 기계적인 제거 작용이 이루어지고 슬러리내의 화학성분에 의해서는 화학적인 제거작용이 이루어진다.
CMP 공정에서 패드와 웨이퍼간의 가압력에 의해 디바이스 돌출부의 상부에서부터 접촉이 이루어지고 이 부분에 압력이 집중되어 상대적으로 표면 제거 속도를 가지게 되며, 가공이 진행되어 갈수록 이러한 요출부는 줄어들어 전(全)면적에 걸쳐 균일하게 제거되어 진다.
한편, CMP 공정에서의 연마 대상으로는 산화막(SiO2), 폴리 실리콘, 금속 등 여러 종류가 있고, 연마제로는 화학적 식각 성분인 염기성 또는 산성 용액과 에칭 성분인 알루미나 또는 실리카를 혼합한 물질을 사용한다.
기본적으로 산화막 계열과 금속막 계열은 같은 시퀀스(sequence) 및 같은 장비로 CMP 공정이 진행되는데, 그 사용되는 슬러리(Slurry)는 각각 다르다.
즉, 산화막 CMP 공정에서의 연마제로는 KOH와 같은 알칼리성 용액에 콜로이달 실리카(colloidal silica) 등을 분산시킨 슬러리를 사용하고, 금속 CMP 공정에서의 연마제로는 KlO3, AlO3등의 슬러리를 사용한다.
보통 CMP 공정을 실시한 후 CMP 공정시 발생한 파티클(Particle) 및 슬러리로 인한 잔유물(Residue)을 DDS(Double Sidedbrush Scrubber)로 제거하는데, 이때 산화막에 대해서는 DDS로 파티클과 잔유물을 제거할 수 있는 데 비해 금속막은 충분히 제거되지 않아 반도체 기판상에 잔존하는 슬러리 및 금속오염물, 파티클 등을 제거할 수 있는 후세정이 필요하게 되었다.
이에 세정액으로는 탈 이온수(DI Water), NH4OH : H2O2: H2O의 조성물(이하 SC-1이라 한다.), HF용액 등을 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 반도체 장치 제조용 CMP 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2는 종래의 반도체 장치 제조용 CMP 장비를 나타낸 구성도이다.
즉, 도 1은 에어 홀을 이용한 에어 압력인가 방식을 갖는 CMP 장치를 나타낸도면이고, 도 2는 에어 멤브레인을 이용한 에어 압력인가 방식을 갖는 CMP 장치를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 회전하고 있는 연마 플래튼(platen)(11)위에 패드(12)를 부착하고, 웨이퍼 케리어(13)로 반도체 웨이퍼(14)를 부착하여 상기 패드(12)위에 장착한다.
여기서 상기 반도체 웨이퍼(14)는 표면장력 또는 진공에 의해 웨이퍼 케리어(13)에 부착된다.
상기 웨이퍼 케리어(13)에 부착된 반도체 웨이퍼(14)는 웨이퍼 케리어(13)가 회전하면서 상기 패드(12)와 마찰시켜 상기 반도체 웨이퍼(14)의 공정면을 연마한다.
여기서 상기 웨이퍼 캐리어(13)의 하부에는 반도체 웨이퍼(14)를 고정시키기 위한 웨이퍼 지지막(도시되지 않음) 및 지지링(도시되지 않음)이 구성되어 있다.
그리고, 상기 패드(12)상에 연마제인 슬러리(Slurry)(15)를 공급하여 상기 웨이퍼(14)를 정밀하게 연마하고, 상기 반도체 웨이퍼(14)의 연마가 끝난 후에는 상기 패드(12)상에 세정액을 공급함으로써 상기 패드(13) 및 상기 반도체 웨이퍼(14)를 세정하여 다음의 공정을 진행하게 한다.
종래의 CMP 장치는 웨이퍼의 균일도를 향상하기 위하여 CMP 공정 진행시 반도체 웨이퍼(14)가 부착되는 웨이퍼 케리어(13) 부분에 에어 홀(air hole)(도시되지 않음)을 통한 공기 압력(16)(도 1)이나 멤브레인(membrane)(17)(도 2)을 설치하여 에어 압력을 웨이퍼 백사이드에 전달하여 반도체 웨이퍼(14)를 연마한다.
한편, 상기 연마 플래튼(11)은 내부식성이 강한 스테인레스강(stainless steal)이나 알루미늄(Aluminum)과 같은 금속으로 만들어진다.
즉, 종래의 CMP 장치는 에어 홀을 통한 에어 압력(16)이나 멤브레인(17)을 통해 에어 압력을 웨이퍼 백사이드에 인가하여 반도체 웨이퍼를 연마함으로서 평탄화시키고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 CMP 장치에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 에어 압력을 일정 범위 이상 올리면 웨이퍼가 웨이퍼 케리어 밖으로 빠져나가 웨이퍼 파괴(wafer broken)가 발생한다.
둘째, 에어 압력을 이용하는 한계 때문에 특정 부분에만 연마 압력을 증가시키는 것이 불가능하다. 즉, 웨이퍼 전면에 거의 비슷한 연마 압력이 적용되어 효과적인 웨이퍼 균일도 제어가 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 연마 플래튼을 구성하는 금속 재료의 열팽창 계수 차이를 이용하여 웨이퍼의 CMP 공정시 웨이퍼 균일도를 향상시키도록 한 CMP 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한 평탄화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 반도체 장치 제조용 CMP 장비를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼에서 공정 진행 전 상태를 나타낸 단면도
도 4a와 도 4b 및 도 5a와 도 5b는 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼의 모양 변형 및 웨이퍼 균일도 제어 원리를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼을 나타낸 구조 단면도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 상부 금속판 30 : 하부 금속판
40 : 반도체 웨이퍼 50 : 열선 및 냉각선
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼은 반도체 웨이퍼가 CMP 공정이 수행될 때 회동되면서 반도체 웨이퍼를 홀딩하는패드를 지지하는 CMP 장치의 연마 플래튼에 있어서, 상기 연마 플래튼은 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판을 부착하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 CMP 장치의 평탄화 방법은 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 케리어를 통해 패드위에 진공 흡착하고, 상기 웨이퍼 케리어를 회전시킴과 동시에 공기 압력 또는 멤브레인을 이용하여 상기 패드와 반도체 웨이퍼를 마찰시켜 반도체 웨이퍼의 공정면을 연마하는 CMP 장치의 평탄화 방법에 있어서, 상기 패드의 하부에 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판으로 이루어진 연마 플래튼을 부착하는 단계와, 상기 연마 플래튼을 구성하는 상부 금속판과 하부 금속판에 각각 온도차를 주면서 상기 패드상에 슬러리를 공급하여 상기 반도체 웨이퍼를 연마하는 단계와, 상기 반도체 웨이퍼의 연마가 끝난 후에는 상기 패드상에 세정액을 공급하여 상기 패드 및 상기 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한 평탄화 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래의 동일한 구성을 갖으면서 연마 플래튼의 모양을 변형시키기 위해 열팽창 계수가 다른 두 금속을 붙여 연마 플래튼을 만들고, 반도체 웨이퍼의 CMP 공정 중에 연마 플래튼의 상 ·하부 금속판의 온도를 서로 다르게 제어함으로서 연마 플래튼의 모양을 변형하여 반도체 웨이퍼의 에지 부분 또는 중심 부분을 선택적으로 연마할 수 있는 기술이다.
즉, 본 발명은 종래의 도 1 및 도 2에서와 같이, 반도체 웨이퍼(14)를 웨이퍼 케리어(13)를 통해 패드(12)위에 진공 흡착하고, 상기 웨이퍼 케리어(13)를 회전시킴과 동시에 공기 압력(16) 또는 멤브레인(17)을 이용하여 상기 패드(12)와 반도체 웨이퍼(14)를 마찰시켜 반도체 웨이퍼(14)의 공정면을 연마하는 CMP 장치에서, 패드(12)가 부착되는 연마 플래튼(11)을 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판을 부착하여 구성함으로서 온도차에 의한 반도체 웨이퍼의 중심부 또는 에지부를 중점적으로 연마하도록 하는데 있다.
도 3은 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼에서 공정 진행 전 상태를 나타낸 단면도이다.
도 3에서와 같이, 열팽창 계수가 다른 상부 금속판(20)과 하부 금속판(30)을 서로 부착하여 연마 플래튼을 구성하고 있다.
한편, 상기 상부 금속판(20)과 하부 금속판(30)은 접착제 또는 나사 등을 이용하여 부착하고 있다.
여기서 상기 상부 금속판(20)은 하부 금속판(30)보다 열팽창 계수가 큰 금속으로 형성할 수 있고, 상기 상부 금속판(20)이 상기 하부 금속판(30)보다 열팽창 계수가 작은 금속으로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 상부 금속판(20)은 스테인레스강 또는 알루미늄으로 형성하고, 상기 하부 금속판(30)은 주철로 형성한다.
반대로 상기 하부 금속판(30)을 스테인레스강 또는 알루미늄으로 형성하고, 상기 상부 금속판(20)은 주철로 형성할 수도 있다.
도 4a와 도 4b 및 도 5a와 도 5b는 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼의 모양 변형 및 웨이퍼 균일도 제어 원리를 나타낸 단면도이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼은 도 4a에서와 같이, 상부 금속판(20)을 하부 금속판(30)보다 열팽창 계수가 높은 금속으로 구성한다.
따라서 도 4b에서와 같이, 상부 금속판(20)의 온도를 높게 하고, 하부 금속판(30)의 온도를 낮게 할 경우 연마 플래튼은 위로 볼록한(convex) 모양을 갖게 된다.
반대로 도 5a에서와 같이, 하부 금속판(30)을 상부 금속판(20)보다 열팽창 계수가 높은 금속으로 구성한다.
따라서 상기 하부 금속판(30)의 온도를 높게 하고, 상부 금속판(20)의 온도를 낮게 유지하면 연마 플래튼은 오목한(concave) 모양을 갖게 된다.
한편, CMP 장치의 연마 플래튼이 도 4b에서와 같이, 볼록한 모양을 갖게 되면 반도체 웨이퍼(40) 중앙 부위의 연마 압력이 증가하여 반도체 웨이퍼(40) 중심 부분의 제거 비(removal rate)가 증가하게 된다.
반대로 CMP 장치의 연마 플래튼이 도 5b에서와 같이, 오목한 모양을 갖게 되면 웨이퍼 에지(edge) 부위의 연마 압력이 증가하여 반도체 웨이퍼(40) 에지 부위의 제거 비가 증가하게 된다.
한편, 상기 상부 금속판(20)과 하부 금속판(30)의 내부에 각각 열선과 냉각 선을 넣어서 온도 제어가 가능하도록 한다.
따라서 반도체 웨이퍼의 CMP 공정 진행시 연마 플래튼을 구성하는 상부 금속판(20)과 하부 금속판(30)의 온도차를 유발하여 연마 플래튼 모양을 변형시킴으로서 웨이퍼 중심부와 에지부의 연마 압력을 조절하여 균일도를 조절할 수 있다.
즉, 상부 금속판(20)의 온도를 높이고 하부 금속판(30)의 온도를 낮추면 연마 플래튼이 볼록한 모양을 하게 되고 그렇게 되면 연마 중의 웨이퍼 중심부의 연마압력이 증가하여 웨이퍼 중심부의 제거 비가 증가한다.
반대로 상부 금속판(20)의 온도를 낮게 하고 하부 금속판(30)의 온도를 높게하면 연마 플래튼이 오목한 모양으로 변형되어 웨이퍼 에지부의 연마압력이 증가되어 웨이퍼 에지부의 제거 비가 증가하게 된다.
여기서 상기 반도체 웨이퍼(40)의 연마가 끝난 후에는 세정액을 공급함으로써 반도체 웨이퍼(40)를 세정하여 다음의 공정을 진행하게 한다.
도 6은 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼을 나타낸 구조 단면도이다.
도 6에서와 같이, 상부 금속판(20)과 하부 금속판(30)의 내부에 열선 및 냉각선(50)을 구성함으로서 온도를 자유롭게 조절할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 CMP 장치의 연마 플래튼 및 그를 이용한 평탄화 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 기존 장비와 달리 연마가 이뤄지는 웨이퍼 프론트사이드와 접촉하는 면의 연마압력을 제어할 수 있어 보다 효과적인 균일도를 이룰 수 있다.
둘째, 금속의 열팽창계수를 이용하므로 에어 압력을 이용하는 장비보다 장비 구성이 간단하고 보다 정확한 연마압력을 조절할 수 있다.
셋째, 웨이퍼 백사이드에 에어 압력을 인가하여 웨이퍼 균일도를 조절하는 장비의 경우 에어 압력을 과도하게 올렸을 때 웨이퍼가 웨이퍼 케리어 밖으로 빠져나갈 수 있으나 본 발명에서는 이러한 위험을 방지할 수 있다.
Claims (13)
- 반도체 웨이퍼가 CMP 공정이 수행될 때 회동되면서 반도체 웨이퍼를 홀딩하는 패드를 지지하는 CMP 장치의 연마 플래튼에 있어서,상기 연마 플래튼은 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판을 부착하여 구성하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 금속판과 하부 금속판의 내부에 열선 또는 냉각선을 구성하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 금속판이 하부 금속판보다 열팽창 계수가 큰 금속으로 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 금속판이 상부 금속판보다 열팽창 계수가 큰 금속으로 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 금속판은 스테인레스강 또는 알루미늄으로 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 금속판은 주철로 이루어짐을 특징으로 하는CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 금속판은 스테인레스강 또는 알루미늄으로 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 금속판은 주철로 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부 금속판과 하부 금속판은 접착제 또는 나사로 부착됨을 특징으로 하는 CMP 장치의 연마 플래튼.
- 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 케리어를 통해 패드위에 진공 흡착하고, 상기 웨이퍼 케리어를 회전시킴과 동시에 공기 압력 또는 멤브레인을 이용하여 상기 패드와 반도체 웨이퍼를 마찰시켜 반도체 웨이퍼의 공정면을 연마하는 CMP 장치의 평탄화 방법에 있어서,상기 패드의 하부에 열팽창 계수가 다른 상부 금속판과 하부 금속판으로 이루어진 연마 플래튼을 부착하는 단계;상기 연마 플래튼을 구성하는 상부 금속판과 하부 금속판에 각각 온도차를 주면서 상기 패드상에 슬러리를 공급하여 상기 반도체 웨이퍼를 연마하는 단계;상기 반도체 웨이퍼의 연마가 끝난 후에는 상기 패드상에 세정액을 공급하여상기 패드 및 상기 반도체 웨이퍼를 세정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 CMP 장치의 평탄화 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 상부 금속판과 하부 금속판의 내부에 각각 열선 및 냉각선을 형성하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치의 평탄화 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 중심부를 평탄화할 때 상부 금속판의 온도를 높게 하고 상기 하부 금속판의 온도를 낮추면서 반도체 웨이퍼의 공정면을 연마하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치의 평탄화 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼의 에지부를 평탄화할 때 하부 금속판의 온도를 높게 하고 상부 금속판의 온도를 낮추면서 반도체 웨이퍼의 공정면을 연마하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치의 평탄화 방법.
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