KR20030040212A - Ｃｍｐ 장치 및 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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KR20030040212A
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이시카와아키라
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

연마 패드로서, (a)에 도시한 바와 같은 선단이 라운딩된 삼각형 형상의 것을 사용하였다. 이것은, 웨이퍼 외주에 있어서 연마 패드와 웨이퍼의 접촉 시간을 요동 속도에 의하지 않고 짧게 하기 위해서, 연마 패드 외주의 일부를 컷트한다고 하는 사상에 대응하는 것이다. 도면에 도시한 바와 같이, 이러한 연마 패드의 중심에는 직경 50 ㎜의 원형 통삭부가 형성되어 있다. 이러한 연마 패드를 이용하면, 실현 가능한 요동 조건하에서, 연마 패드를 이용하여 요동폭을 10분할하고, 각 요동폭 범위 내에서, 웨이퍼면내의 각 점에 있어서의 상대 선속의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 곱이 ±30% 이내가 되도록 할 수 있어 균일한 연마가 가능해진다.

Description

ＣＭＰ 장치 및 반도체 소자의 제조 방법{ＣＭＰ DEVICE AND PRODUCTION METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
주지의 CMP 장치(일본 특허 공개 평성 제6-21028호, 일본 특허 공개 평성 제7-266219호, 일본 특허 공개 평성 제8-192353호, 일본 특허 공개 평성 제8-293477호, 일본 특허 공개 평성 제10-173715호, 일본 특허 공개 평성 제11-156711호, 영국 공개 특허 제2331948호 공보 등)에 있어서는, 연마 패드가 접착된 정반(定盤)을 스핀들축으로 지지하여 회전시키는 동시에, 그것에 대면하는 척(chuck)에 연마 대상물을 유지하여 회전시키고, 연마 패드면에 연마제(슬러리)를 공급하면서 척에 유지된 연마 대상물을 압접시키며, 패드와 연마 대상물을 동일 방향 또는 반대 방향으로 상대 회전시키고, 또한 연마 패드를 요동시키면서 연마 대상물을 연마한다.
연마 패드의 소재로서는, 경질 발포 우레탄 시트, 폴리에스테르 섬유 부직포, 펠트, 폴리비닐알코올 섬유 부직포, 나일론 섬유 부직포, 이들 부직포 상에 발포성 우레탄 수지 용액을 흐르게 한 후, 발포·경화시킨 것 등이 사용되고 있다.
종래에는, 연마 패드의 형상이 연마되는 기판의 형상과 같은 원형이며, 두께 3∼7 ㎜인 알루미늄판이나 스테인레스판 등의 정반에 접착되어 사용되었다.
또한, 전에는 연마 패드로서 연마 대상물보다 큰 형상의 것을 사용하였지만, 그 주변부에서의 원주 속도와 중심부에서의 원주 속도와의 차가 커져서, 동일한 연마가 곤란하고, 큰 치수를 갖는 정반을 고속 회전시키기 곤란한 것 등 때문에, 최근에는 연마 대상물보다 작은 형상을 갖는 소위 소직경 패드를 사용하게 되었다.
일반적으로 연마량을 결정하는 식으로서, 아래와 같은 Preston의 식이 사용된다.
V= n·P·v·t
여기서, V는 연마 속도, n은 정수, P는 연마 패드와 연마 대상물의 접촉압, v는 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속, t는 연마 패드와 연마 대상물의 접촉 시간이다. 균일한 연마를 행하기 위해서는, 이 V로 결정되는 연마 속도가 연마 대상물의 각 점에서 거의 같지 않으면 안된다.
소직경 패드를 이용한 연마 방식의 경우, 어떤 일순간에 연마 대상물의 일부가 연마되기 때문에, 높은 연마 속도나 연마의 균일성을 확보하도록 연마 패드를 연마 대상물로부터 오버-행(over hang)시키는 요동 조건하에서 연마하는 방법이 채용되고 있다.
그러나, 연마 패드를 연마 대상물로부터 오버-행시키면, 요동에 의해 연마 패드와 연마 대상물의 접촉 면적이 변동하기 때문에, 단위 면적당의 하중이 변동한다. 또한, 다이어프램 방식의 가압 기구를 이용한 경우, 연마 대상물로부터의 오버-행에 의해 연마 패드의 기울기나 하중의 변동이 생긴다. 이 때문에, 연마 시간 내에서 상대 선속의 적분치와 하중의 적분치의 곱은, 연마 대상물면내의 각 점에서 같은 값이 되지 않는다. 즉, 불균일하게 연마된다.
그래서, 상기 값을 동일하게 하기 위해서, 요동 속도를 요동 위치에 따라 가변시키거나(연마 대상물과 패드의 접촉 시간에 따라 조정), 하중이 일정하게 되도록 제어하는 방법이 취해져 왔다.
그러나, 요동 속도를 요동 위치에 따라 가변속하는 경우, 균일 연마를 위한 가변속의 조건이 복잡하거나, 결정된 지령 속도에 기계 시스템이 따를 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 요동 위치에 따라 단위 면적당 하중이 일정하게 되도록 압력을 제어하는 경우, 가압에 이용하는 유체의 압축 등에 의해 제어에 지연이 생기는 문제가 있다. 이들 문제점 때문에, 소직경 패드를 이용한 연마 장치에서는 연마 대상물을 균일하게 연마하는 것이 곤란하다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 연마 패드와 연마 대상물 사이에 연마제(슬러리)를 공급하면서, 연마 패드와 연마 대상물을 상대 운동시키고, 화학적 연마와 기계적 연마를 병용하여 행하는 CMP 장치(화학 기계 연마 장치)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예인 CMP 장치의 일례를 도시하는 사시도.
도 2는 연마 패드의 이송 기구를 도시하는 사시도.
도 3은 연마 패드와 컨디셔닝 장치의 부분 단면도.
도 4는 연마 헤드의 단면도.
도 5는 실시예와 비교예에 있어서의 연마 패드의 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 요동 속도를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 웨이퍼의 연마 결과를 도시하는 도면.
도 8은 비교예에 있어서의 요동 속도를 도시하는 도면.
도 9는 비교예에 있어서의 웨이퍼의 연마 결과를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 연마 패드를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 웨이퍼의 연마 결과를 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 연마 패드를 도시하는 도면.
도 13은 반도체 소자의 제조 공정을 도시하는 도면.
발명의 개시
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 소직경 패드를 이용한 경우에 있어서도, 연마 대상물을 균일하게 연마하는 것이 가능한 CMP 장치와 이 CMP 장치를 사용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 발명은, 연마 대상물보다 작은 연마 패드를 연마 대상물에 상대적으로 압박하고, 연마 대상물과 연마 패드를 함께 양자 사이에서 상대 운동이 일어나도록 회전시키면서, 연마 패드를 요동하여 연마를 행하는 CMP 장치(화학 기계 연마 장치)로서, 연마 시간 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속도의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치 등의 3개의 곱이, 연마 대상물면상의 모든 점에 있어서, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내에 있는 형상의 연마 패드를 갖는 것을 특징으로 하는 CMP 장치이다.
본 발명에서는, 연마 패드의 형상을 연구함으로써, 상기 Preston의 식에 있어서 3개의 요소의 곱이 연마 대상물의 전표면에 걸쳐 소정 범위로 유지되도록 하고 있다. 즉, 연마 시간의 범위 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속도의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치 등의 3개의 곱이, 연마 대상물면상의 모든 점에서, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내에 있는 형상의 연마 패드를 사용하고 있다.
이러한 연마 패드의 형상은, 연마 패드와 연마 대상물의 크기의 비, 연마 패드의 요동 범위 등에 따라 달라지지만, 일반적으로는 원주 속도가 빨라지는 연마 패드의 외주부를 컷트함으로써, 연마 패드의 외주부로 갈수록 연마 대상물과 연마 패드의 접촉 시간이 짧아지는 형상이 되게 함으로써 실현된다. 상기 3개의 곱의 편차 범위를 평균치에 대하여 ±30% 이내가 되도록 하고 있는 것은, 발명자들의 실험에 의해 이 범위로 억제해 두면 CMP 장치에 있어서 실용상 문제가 없는 범위로 실리콘 웨이퍼를 균일하게 연마할 수 있는 것이 판명되었기 때문이다.
본 발명에 있어서는, 연마 패드의 형상을 이러한 조건이 충족되도록 하고 있기 때문에, 복잡한 요동을 행할 필요가 없고, 기계 시스템이 따를 수 있는 범위의 요동으로 충분하기 때문에, 연마 대상물의 모든 표면을 균일하게 연마할 수 있다. 연마 패드 외형의 대칭성은 반드시 필요한 것은 아니다.
상기 목적을 달성하기 위한 제2 발명은, 상기 제1 발명에 있어서, 연마 패드의 하나 이상의 지점에 통삭(通削; mortising) 부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
통삭 부분은 회전 원주 속도가 느린 중심부에 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 회전 원주 속도가 느린 부분에서 연마가 행해지는 일이 없게 되고, 연마 패드에 맞닿은 각 부분에 있어서의 연마 대상 부재와 연마 패드와의 상대 속도의 분포가 작아지기 때문에, 상기 제1 발명에 있어서의 조건을 만족시키는 것이 용이해진다. 통삭의 형상은 반드시 대칭일 필요는 없다. 또한, 통삭 위치는 연마 패드 외형의 중심이나, 연마 패드를 고정하여 회전하는 정반의 회전 중심에 대하여 반드시 대칭으로 배치할 필요는 없다.
상기 목적을 달성하기 위한 제3 발명은, 상기 제2 발명에 있어서, 통삭된 부분의 면적이 패드 전체의 면적에 대하여 80% 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제2 발명에 있어서, 통삭된 부분의 면적을 지나치게 크게 하면, 오히려 연마의 균일성이 유지되지 않을 뿐만 아니라, 연마 효율이 나빠진다. 발명자의 실험에 따르면, 이 면적이 80%를 초과하면 연마 균일성과 연마 효율이 급속히 악화되므로, 80% 이하로 한정한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제4 발명은, 상기 제2 발명 또는 제3 발명에 있어서, 통삭된 부분으로부터 슬러리를 공급하는 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
CMP 장치에서는, 연마 패드와 연마 대상물 사이에 연마제인 슬러리를 공급하지만, 연마 패드의 외측에서 공급하면 연마 대상물의 회전에 따른 원심력으로 비산(飛散)되어 버리고, 연마 패드와 연마 대상물 사이에 잘 들어가지 않는 경우가 있다. 본 발명에 있어서는, 연마 패드의 통삭된 부분으로부터 슬러리를 공급하므로, 연마제가 비산되지 않고 연마 패드와 연마 대상물 사이에 공급된다.
상기 목적을 달성하기 위한 제5 발명은, 상기 제2 발명에서 제4 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 통삭 부분의 형상이 원 이외의 형상인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는, 연마 패드의 회전 중심이 통삭 부분과 일치하는 경우에도, 통삭 부분과 나머지 부분의 경계 위치가 연마 패드의 회전에 따라 변화되기 때문에, 경계 부분에서 연마가 불균일하게 되는 것을 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제6 발명은 상기 제1 발명에 있어서, 연마 패드의 중심에 원형의 통삭 부분이 형성되고, 그 반경을 r이라고 할 때, 상기 연마 패드의 중심으로부터 소정 거리에 있는 원주상에 있어서 유효한 연마 패드부의 길이가 상기 연마 패드의 단부를 제외하고 0.5 πr ∼ 4 πr 범위에 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서 "단부"란 연마 패드를 구성하는 부재의 코너부로부터 5 ㎜ 이내의 거리에 있는 부분, 또는 연마 패드의 가장자리를 구성하는 선을 연장하여 이루어진다각형의 정점으로부터 5 ㎜ 이내의 거리에 있는 부분을 말한다.
본 발명에서는, 연마 패드의 형상을 이러한 조건이 충족되도록 하고 있기 때문에, 복잡한 요동을 행할 필요가 없고 기계 시스템이 따를 수 있는 범위의 요동으로 충분하다. 따라서, 연마 대상물의 모든 표면에 있어서 균일한 연마를 행하는 것이 가능하다. 연마 패드의 외형은 반드시 대칭일 필요는 없다.
이것에 관해 설명하면, 상기 연마 패드의 중심으로부터 소정 거리에 있어서의 유효한 연마 패드부의 길이가 0.5 πr∼4 πr 범위에 있지 않은 경우는, 복잡한 요동을 행하지 않으면 안되고, 기계 시스템이 따를 수 없다. 또한, 상기 단부에서 상기 조건을 벗어나 있는 것은, 단부가 연마에 기여하는 비율이 작아서, 이 부분을 무시하여도 상관없기 때문이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제7 발명은, 상기 제1 발명 내지 제6 발명 중 어느 하나에 있어서, 연마 패드의 외형의 중심과 연마 패드가 접착되는 정반의 회전 중심이 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
연마 패드의 외형의 중심과 연마 패드가 접착되는 정반의 회전 중심이 일치하면, 연마 패드의 외주측은 항상 선속이 빠른 상태로 회전하고, 중심부는 항상 선속이 느린 상태로 회전한다. 따라서 선속의 차가 커져 바람직하지 못하다. 또한, 상기 제2 발명에 있어서, 중심부에 통삭 부분이 형성되어 있는 경우는, 요동의 단부에서 통삭부와 나머지 부분에 불연속 부분이 나타나게 되고, 이에 따라 연마가 불균일하게 되는 경우가 있다.
본 발명에서는, 연마 패드의 외형의 중심과 연마 패드가 접착되는 정반의 회전 중심을 편심시키고 있기 때문에, 연마 패드내에서의 선속의 차가 작아지고, 연마 대상물의 연마량을 더욱 균일하게 하는 것이 가능해진다. 또한, 실질적으로 복잡한 요동을 부여하게 되기 때문에, 연마 패드의 중심부가 통삭되어 있는 경우에 있어서도, 요동 단부에서 통삭부와 나머지 부분에 불연속 부분이 나타나는 것을 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제8 발명은, 상기 제1 발명 내지 제7 발명 중 어느 하나인 CMP 장치를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법이다.
본 발명에 있어서는, 웨이퍼의 연마를 균일하게 행할 수 있기 때문에, 미세한 선폭을 갖는 반도체 소자를 수율 좋게 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 것이라고 여겨지는 실시예를 도면을 이용하여 설명하지만, 본 발명의 범위는 설명되는 실시예에 의해 제한을 받지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예인 CMP 장치의 일례를 도시하는 사시도, 도 2는 연마 패드의 이송 기구를 도시하는 사시도, 도 3은 연마 패드와 컨디셔닝 장치의 부분 단면도, 도 4는 연마 헤드의 단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 3에 도시하는 인덱스형 CMP 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, 5c는 보호 커버, 6은 회전 가능한 세정 브러시, 7은 연마 헤드의 이송 기구, 7a는 레일, 7b는 이송 나사이다. 7c는 이송 나사에 나사 결합된 이동체로서 연마 헤드를 유지한다.
7d, 7e는 톱니바퀴, 7f는 모터, 8은 헤드의 승강 기구인 에어 실린더, 9는웨이퍼(W)의 수납 카세트, 10은 로딩 반송(搬送)용 로봇, 11은 웨이퍼 임시 적재대이다. 12는 축(12e)을 축심으로 하여 동일 원주상에 등간격으로 설치된 회전 가능한 4개의 웨이퍼 척 기구(12a, 12b, 12c, 12d)를 구비하는 인덱스 테이블로, 인덱스 테이블(12)은 웨이퍼 로딩 영역(s1), 거친 연마 영역(s2), 웨이퍼 마무리 연마 영역(s3), 웨이퍼 언로딩 영역(s4)으로 분류되어 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 유지되어 있다. 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, 파이프(24)의 선단은 연마 패드(4)의 중앙 통삭부(4a)를 피하여 연마 패드 환상체 이면을 향하며, 환상체를 경유하여 기판의 표면에 연마액이 공급된다. 또한, 이와 같이 하지 않고, 연마 패드(4)의 중앙 통삭부(4a) 내에 연마액을 공급하도록 하여도 좋다.
연마 패드 소재로는, 경질 발포 우레탄 시트, 폴리에스테르 섬유 부직포, 펠트, 폴리비닐알코올 섬유 부직포, 나일론 섬유 부직포, 이들 부직포상에 발포성 우레탄 수지 용액을 흐르게 한 후, 발포·경화시킨 것 등이 사용된다. 두께는 1∼7 ㎜이다. 또한, 이들의 적층체도 이용할 수 있다.
연마제액은 (a) 콜로이달 알루미나, 훈연된 실리카, 산화세륨, 티타니아 등의 고형 숫돌을 0.01∼20 중량%, (b) 질산구리, 시트르산철, 과산화망간, 에틸렌디아민테트라아세트산, 헥사시아노철, 플루오르화수소산, 플루오로티탄산, 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 평성 제6-313164호, 일본 특허 공개 평성 제8-197414호, 일본 특허 공표 평성 제8-510437호, 일본 특허 평성 제10-67986호, 일본 특허 공개 평성 제10-226784호 등에 기재되어 있음).
구리, 구리-티탄, 구리-텅스텐, 티탄-알루미늄 등의 금속 연마에 알맞은 연마제 슬러리는 주식회사 후지미 인코퍼레이티드, 로델·닛타주식회사, 미국의 캬봇사, 미국 로델사로부터 입수할 수 있다.
상기 CMP 장치를 이용하여 절연층상에 금속막을 갖는 웨이퍼를 연마하는 공정은 다음과 같이 행해진다.
1) 웨이퍼(w1)(도면에서 웨이퍼는 W로 도시되어 있지만, 제1 웨이퍼를 w1, 제2 웨이퍼를 w2 등이라 칭하는 것으로 함)는 반송 로봇(10)의 아암에 의해 카세트(9)에서 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 회전 방향으로 회동시켜 웨이퍼(w1)를 제1 연마 영역(s2)으로 유도하고, 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 사이, 새로운 웨이퍼(w2)가 임시 적재대 상에 적재되고, 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되며, 척 기구(12d)에 의해 흡착된다.
CMP 가공중, 연마 패드를 볼 나사로 웨이퍼의 중심점으로부터 좌우 방향(X축 방향)으로 왕복 요동시킨다. 연마 패드의 왕복 요동은 연마 패드의 외주가 웨이퍼의 중심점과 외주 사이에 위치할 때를 기준 속도라고 하면, 연마 패드가 웨이퍼 중심점부에서는 요동 속도를 천천히 하고, 웨이퍼 외주부에서는 요동 속도를 빠르게 하여 디싱(dishing)이 균일하게 행해지도록 한다.
제1 연마 영역(s2)에서의 화학 기계 연마가 소망 시간 행해지면, 스핀들축(3)을 상승시켜, 우측 방향으로 후퇴시키고, 패드 세정 기구(5)상으로 유도하며, 여기서 고압 제트 수류를 노즐(5b)로부터 분출하면서 회전 브러시(6)로 겉 패드면에 부착된 숫돌, 금속 연마 부스러기를 제거하고, 다시 좌측 방향으로 연마 패드를 이송하여, 연마 영역(s2)상에 대기시킨다.
3) 인덱스 테이블을 시계 회전 방향으로 90°회동시켜, 연마된 웨이퍼(w1)를 제2 연마 영역(s3)으로 유도하고, 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 화학 기계 마무리 연마를 행한다. 마무리 연마 종료 후에는 스핀들축(3)을 상승시키고, 우측 방향으로 후퇴시켜, 헤드(2b)에 부착된 연마 패드를 세정 기구(5)로 세정하고, 다시 좌측 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 화학 기계적 거친 연마가 실시된다.
4) 인덱스 테이블(12)을 시계 회전 방향으로 90° 회동시켜, 연마된 웨이퍼(w1)를 언로딩 영역(s4)으로 유도한다. 이어서, 언로딩 반송 로봇(13)으로 마무리 연마된 웨이퍼를 임시 적재대(15)로 반송하고, 이면을 세정한 후, 또한 반송 로봇(13)을 벨트 컨베이어를 이용한 이송 기구로 유도하며, 연마된 웨이퍼의 패턴면에 세정액을 노즐(17)로부터 분출하여 세정하고, 웨이퍼를 다음 공정으로 유도한다.
이 사이, 새로운 웨이퍼(w4)가 임시 적재대 위에 적재되고, 웨이퍼 로딩 영역(s1)으로 이송되며, 척 기구(12b)에 의해 흡착된다. 또한, 제1 연마 영역(s2)에서는 웨이퍼(w3)의 화학 기계적 거친 연마가 실시되고, 제2 연마 영역(s3)에서는 웨이퍼(w2)의 화학 기계적 마무리 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 처리량 시간을 단축하기 위한 것이지만, CMP 가공을 1단에서 행하여도 좋고, 거친 연마, 중간 마무리 연마, 마무리 연마의 3단계로 나눠, 처리량 시간을 보다 단축하여도 좋다. 3단계의 CMP 가공 공정을 취할 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 CMP 장치는 금속 패턴 위에 절연층막이 형성된 기판의 절연층막의 제거, STI의 P-TEOS막층의 제거에도 물론 이용할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예 중, 가장 바람직한 것이라고 생각되는 것에 대해서 설명한다.
(실시예 1)
이상 설명한 바와 같은 CMP 장치를 이용하여, 1 ㎛의 열산화막이 성막된 8인치 웨이퍼를 이하의 조건으로 연마하였다. 상기 CMP 장치에서는 2단계 연마를 행하고 있지만, 실험이기 때문에 제1 연마 영역(s2)에서는 연마하지 않고, 제2 연마 영역(s3)에서만 연마한다. 연마 조건은 아래와 같이 설정하였다.
패드 회전수: 400 rpm
웨이퍼 회전수: -200 rpm(패드와 역회전)
하중: 200 gf/cm2
연마 시간: 120 sec
슬러리: 캬봇사의 SS25를 2배 희석, 75 ml/min
요동 개시 위치: 연마 패드의 중심이 웨이퍼의 중심에서 25 ㎜
요동폭 : 개시 위치로부터 웨이퍼 외주를 향하여 40.0 ㎜
요동 속도: 10분할로 가변속, 하나의 분할 부분의 폭은 4.0 ㎜
실시예의 연마 패드로서, 도 5(a)에 도시한 바와 같은 선단이 라운딩된 삼각형 형상의 것을 사용하였다(또한, 이하에 나타내는 연마 패드의 치수 단위는 ㎜임). 이것은, 웨이퍼 외주에서 연마 패드와 웨이퍼의 접촉 시간을 요동 속도에 의지하지 않고 짧게 하기 위해서, 연마 패드 외주를 일부 깎는다고 하는 사상에 대응하는 것이다. 도면에 도시한 바와 같이, 이러한 연마 패드의 중심에는 직경 50 ㎜의 원형 통삭부가 형성되어 있다.
비교예용 연마 패드로서, 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 직경 150 ㎜의 원형 연마 패드의 중심에 직경 50 ㎜의 원형 통삭부를 형성한 것을 사용하였다.
이들 연마 패드를 이용하여 요동폭을 10분할하고, 각 요동폭내에 있어서, 웨이퍼면내의 각 점에서 연마 시간 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 곱이, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내가 되도록 요동의 각 위치에 있어서의 각각의 요동 속도를 계산에 의해 구하였다. 도 5(a)에 도시하는 연마 패드에 대한 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에 있어서, 실선은 계산된 지시 속도이고, ○표는 실제로 얻어진 속도이다. 이에 따르면, 실제로 얻어진 요동 속도는 지시 속도에 따르고 있고, 목적으로 하는 연마 상태를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
도 7에, 이 연마에 있어서 얻어진 연마량(Å)을 나타낸다. 이에 따르면, 측정 위치에 상관없이 거의 일정한 연마량를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 연마균일성(σ)은 12.3%였다.
도 8은 도 5(b)에 도시한 바와 같은 연마 패드를 이용하여 요동폭을 10분할하고, 각 요동폭내에 있어서, 웨이퍼면내의 각 점에서 연마 시간 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 곱이, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내가 되도록 요동의 각 위치에 있어서의 각각의 요동 속도를 계산에 의해 구한 결과를 나타낸다.
도 6과 도 8을 비교하면, 도 8의 경우, 요동 속도의 변화가 커지고 있는 것 을 알 수 있다. 그리고, ○표로 나타내는 실제 측정 속도는 지시 속도에 따르지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 실제의 연마에 있어서는, 웨이퍼면내의 각 점에서 연마 시간 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 곱이 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내가 된다고 하는 조건이 충족되지 않는다.
즉, 도 5(b)에 있어서와 같은 형상의 연마 패드는, 연마 시간 내에서의 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속도의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 3개의 곱이, 연마 대상물면상의 모든 점에 있어서, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내가 된다고 하는 조건을 충족시키지 못하게 된다.
도 9는 도 5(b)에 도시한 연마 패드를 사용하여, 도 8에 도시한 바와 같은 요동 패턴으로 연마를 행한 결과를 나타낸다. 도 7과 도 9의 연마량(Å)을 비교하면, 비교예인 도 9에 있어서 연마량의 변동이 커지고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 웨이퍼 외주부에서의 요동의 가변속이 유효하게 작용하지 않아서, 웨이퍼 주변에서의 연마 속도가 크기 때문이다. 연마 균일성(σ)은 17.3%였다.
(실시예 2)
도 7을 보면, 웨이퍼 중심으로부터 50 ㎜ 부근에 연마의 불균일이 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 도 5(a)의 패드의 직경 50 ㎜의 통삭부의 영향이다. 즉, 패드의 중심으로부터 25 ㎜ 위치에 구멍의 단부가 존재하고, 이 부분에서 불연속 부분이 나타나기 때문에, 그 영향을 받아 불균일부가 발생한다. 이것을 막기 위해서, 도 10과 같이, 중심부의 통삭부가 정육각형이며, 그 밖에는 도 5(a)와 동일한 형상을 갖는 연마 패드를 작성하여, 도 6에 도시한 것과 동일한 요동 조건으로 연마를 행하였다. 연마 조건은 실시예 1과 동일하다.
그 결과를 도 11에 도시한다. 도 11에 따르면, 도 7에 나타났던 웨이퍼 중심으로부터 50 ㎜ 부근에 보여진 연마의 불균일 부분이 해소되고 있다. 연마 균일성(σ)은 6.3%가 되었다. 이는 중심부의 통삭부를 정육각형으로 함으로써, 통삭부와 나머지 부분의 경계의 회전 중심으로부터의 거리가 패드의 회전과 함께 변화되기 때문에, 경계가 되는 부분이 평활화되기 때문이라고 생각된다. 따라서, 이 통삭부의 형상을 원 이외의 형상으로 하면 동일한 효과를 얻을 수 있다. 동일한 사고 방식에 따르면, 통삭부의 중심을 패드의 회전 중심으로부터 편심시켜도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 3)
도 12는 본 발명의 제3 실시예인 연마 패드의 평면도이다. 이 연마 패드는 도 5에 도시한 것과 같은 구조를 하고 있고, 코너가 라운딩된 정삼각형의 중심부에 원형의 통삭부가 마련되어 있다. 이 원형의 통삭부의 반경을 r로 한다. 그 때, 이 연마 패드의 중심 ○에서 r1만큼 떨어진 장소, 즉 반경 r1의 원주상에 있어서의 연마에 기여하는 부분의 길이가 0.5 πr ∼ 4 πr 범위에 있도록 되어 있다.
도 12의 경우, 반경 r1의 원이 정삼각형에 내접할 때, 그 원주상에 있어서의 연마에 기여하는 부분의 길이가 최대가 된다. 따라서, 내접원의 반경이 통삭 부분의 반경의 2배 이내가 되도록 하면 좋다.
반경이 내접원의 반경보다 큰 부분에서는, 반경이 커짐에 따라 연마 패드에 덮이지 않는 부분의 길이가 커지기 때문에, 연마에 기여하는 부분의 길이가 감소한다. 따라서, 단부, 즉 연마 패드의 가장자리(삼각형의 변)를 구성하는 선을 연장하여 이루어진 정삼각형의 정점 A, B, C로부터 5 ㎜ 이내에 있는 부분을 제외한 부분까지 반경을 확대한 경우, 그 범위에 있어서 연마에 기여하는 부분의 길이가 0.5 πr 이상이 되도록 하면 좋다.
(실시예 4)
도 13은 반도체 소자 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 반도체 소자제조 프로세스를 개시하여, 우선 단계 S200에서 다음에 예를 드는 단계 S201∼S204 중에서 적절한 처리 공정을 선택한다. 선택에 따라 단계 S201∼S204 중 어느 하나로 진행한다.
단계 S201은 실리콘 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화 공정이다. 단계 S202는 CVD 등에 의해 실리콘 웨이퍼 표면에 절연막을 형성하는 CVD 공정이다. 단계 S203은 증착 등의 공정에 의해 실리콘 웨이퍼 상에 전극을 형성하는 전극 형성 공정이다. 단계 S204는 실리콘 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 CMP 장치에 의해 층간 절연막의 평탄화나 반도체 소자의 표면 금속막의 연마에 의한 상감(damascene)의 형성 등이 행해진다.
CMP 공정 또는 산화 공정 후에 단계 S206으로 진행한다. 단계 S206은 포토 리소 공정이다. 포토 리소 공정에서는, 실리콘 웨이퍼에 레지스트 도포, 노광 장치를 이용한 노광에 의한 실리콘 웨이퍼에의 회로 패턴의 베이킹, 노광한 실리콘 웨이퍼의 현상이 행해진다. 또한 다음 단계 S207은 현상한 레지스트상 이외의 부분을 에칭에 의해 깎아내고, 그 후 레지스트를 박리하며, 에칭이 완료되어 불필요해진 레지스트를 제거하는 에칭 공정이다.
다음에 단계 S208에서 필요한 전 공정이 완료되었는지를 판단하고, 완료되지 않았으면 단계 S200으로 되돌아가, 이전의 단계를 반복하여 실리콘 웨이퍼 상에 회로 패턴이 형성된다. 단계 S208에서 전 공정이 완료되었다고 판단되면 종료된다.
본 발명에 따른 반도체 소자 제조 방법에서는, CMP 공정에서 본 발명에 따른 CMP 장치를 이용하고 있기 때문에, CMP 공정에서의 연마의 균일성이 향상된다. 이에 따라, 종래의 반도체 소자 제조 방법에 비하여 미세한 패턴을 갖는 반도체 소자를 저비용으로 제조할 수 있다고 하는 효과가 있다.
또한, 상기한 반도체 소자 제조 프로세스 이외의 반도체 소자 제조 프로세스의 CMP 공정에 본 발명에 따른 CMP 장치를 이용하여도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 CMP 장치는 예컨대 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, 웨이퍼의 표면을 연마하는 데 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 소자의 제조 방법은 패턴 밀도가 높은 반도체 소자를 제조하는 데 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 연마 대상물보다 작은 연마 패드를 연마 대상물에 상대적으로 압박하고, 연마 대상물과 연마 패드를 함께 양자 사이에서 상대 운동이 일어나도록 회전시키면서, 연마 패드를 요동하여 연마를 행하는 CMP 장치(화학 기계 연마 장치)로서,
    연마 시간의 범위 내에서 연마 패드와 연마 대상물의 상대 선속도의 적분치, 압력의 적분치, 및 접촉 시간의 적분치의 3개의 곱이, 연마 대상물면상의 모든 점에 있어서, 이들 3개의 곱의 연마 대상물면상의 모든 점의 값의 평균치에 대하여 ±30% 이내에 있는 형상의 연마 패드를 갖는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  2. 제1항에 있어서, 연마 패드의 하나 이상의 지점에 통삭 부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 통삭된 부분의 면적은 패드 전체의 면적에 대하여 80% 이하인 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 통삭된 부분으로부터 슬러리를 공급하는 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 통삭 부분의 형상이 원 이외의 형상인 것을 특징으로하는 CMP 장치.
  6. 제1항에 있어서, 연마 패드의 중심에 원형의 통삭 부분이 형성되고, 그 반경을 r이라 할 때, 상기 연마 패드의 중심으로부터 소정 거리에 있는 원주상에 있어서 유효한 연마 패드부의 길이가 상기 연마 패드의 단부를 제외하고 0.5 πr ∼ 4 πr 범위에 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 연마 패드의 외형의 중심과 연마 패드가 접착되는 정반의 회전 중심이 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재한 CMP 장치를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  9. 제7항에 기재한 CMP 장치를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
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