KR20030056341A - 반도체 소자의 폴리싱 패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조 장치에서 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 연마 패드를 복합 재질로 형성하여 연마 대상층 및 언더 패턴에 대한 영향을 최소화할 수 있도록한 반도체 소자의 폴리싱 패드에 관한 것으로, 캐리어(Head)를 통해 연마하고자 하는 웨이퍼를 고정시켜 패드에 슬러리를 공급하면서 회전을 통한 원운동의 힘을 받아 연마 대상막을 연마하는 연마 장치에서, 패드를,서로 재질이 다른 최소한 하나 이상의 물질을 사용하여 연마 동작시에 상기 웨이퍼와 접촉하는 전면(前面) 전체에서 상기한 물질이 모두 위치되도록 복합 구성하는 것이다.

Description

반도체 소자의 폴리싱 패드{Polishing pad of semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 제조 장치에 관한 것으로, 구체적으로 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 연마 패드의 전면을 부분적으로 나누어 복합 재질로 형성하여 연마 대상층 및 언더 패턴에 대한 영향을 최소화할 수 있도록한 반도체 소자의 폴리싱 패드에 관한 것이다.

반도체 집적 회로는 기판 내의 영역 및 기판 위의 층을 패턴화함으로써 기판에 화학적 및 물리적으로 집적된다.

그 층은 일반적으로 전도성, 절연성 또는 반전도성을 갖는 재료로 형성된다.

소자가 고수율을 갖도록 하기 위해서는 편평한 반도체 웨이퍼로 시작하는 것이 중요하며, 따라서 종종 반도체 웨이퍼를 연마할 필요가 있다.

소자 제작의 공정 단계가 평면상이 아닌 웨이퍼 표면 상에서 수행된다면, 각종 문제가 발생하여 많은 소자가 실행불가능하게 될 수 있다.

반도체 집적 회로를 제작할 때에, 미리 형성된 구조체 위에 반도체 라인 또는 유사한 구조체를 형성할 필요가 있다.

그러나 이전의 표면 형성이 종종 웨이퍼의 상부 표면 형태를 고르지 못한 높이의 융기가 있는 아주 불규칙한 면, 트러프(trough), 트렌치 (trench) 및 다른 유사한 유형의 표면 불규칙성을 남게 두게 된다.

그러한 표면의 전체적인 평탄화는 제작 공정의 일련의 단계 중에 임의의 불규칙성 및 표면 결함을 제거하는 것뿐만 아니라 사진 평판 중에 초점 깊이를 적절하게 하는 것을 필요로 한다.

이하에서 종래 기술의 반도체 소자의 CMP 공정에 관하여 설명한다.

도 1은 일반적인 CMP 공정의 원리를 나타낸 구성도이고, 도 2a내지 도 2e는 종래 기술의 CMP 공정의 불균일 폴리싱 형태를 나타낸 단면도이다.

웨이퍼 표면을 평탄하게 하는 공정에서 화학 물리적 평탄화 또는 연마 기술을 이용하는 방법이 수율, 성능 및 신뢰성을 개선시키기 위해 소자 제작의 각종 단계 중에 웨이퍼의 표면을 평탄화하는데 폭넓게 사용되어 왔다.

일반적으로 화학 기계적 연마 ("CMP")는 전형적으로 도 1에서와 같이, 화학적으로 활성이 있는 연마 슬러리로 포화된 연마 패드에 의한 제어된 하향 압력 하의 웨이퍼의 원 운동을 포함한다.

CMP와 같은 연마 용도에 이용 가능한 전형적인 연마 패드는 연질 및 경질의 패드 재료를 이용하여 제조된다.

반도체 소자의 제조 공정에 있어 각 층별 또는 셀,주변(peri) 회로 지역의 서로 다른 패턴 형성 및 필름 적층의 영향으로 반도체 소자의 토폴로지(topology)가 형성된다.

이와 같은 토폴로지를 완화시키기 위해 열공정(Reflow) 및 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이 요구/적용 되어지고 있으며, 소자가 고집적화 될수록 평탄도가 향상된 CMP 공정이 더욱 요구되어 지고 있는 추세이다.

CMP 공정을 이용한 평탄화의 경우 웨이퍼 전면에 대한 평탄화(Global CMP) 또는 웨이퍼의 특정부분에 대한 선택적 연마가(Partial CMP) 가능하다.

그러나 CMP 공정은 슬러리(slurry)에 의한 화학적 작용과 CMP 패드와 웨이퍼 캐리어(head)에 의한 기계적 작용에 의해 연마가 이루어져 CMP 장비에 대한 평탄화 정도의 의존성이 매우 높다.

특히, CMP 패드의 물질 및 패드의 모양에 평탄화 정도, 시간당 연마량 등이 다르게 나타나게 된다.

종래 기술에서는 단순히 하드 패드 또는 소프트 패드를 그냥 사용하거나 하드/소프트가 단순 적층된 스택 패드를 사용한다.

그러나 스택 패드(stack Pad) 이용시에 패드 전면이 하드 또는 소프트 물질로 이루어져 다음과 같은 평탄화 불량이 발생되어 지는 경우가 많았다.

도 2a내지 도 2e에서와 같이, CMP 헤드에서 가해지는 압력이 CMP 패드를 통해 연마하고자하는 웨이퍼 전면에 골고루 가해지지 않아 발생되는 얼룩(국부적 연마정도 차이가 심해서 발생), 평판 연마시 웨이퍼 에치의 연마량과 웨이퍼 센터의 연마 정도가 달라 다음과 같은 문제가 발생한다.

먼저, Wedge(Taper) 현상(도 2a) 또는 Bull's Eye(도 2b), 언더 레이어 패턴에 영향을 그대로 CMP 후에도 전사되어 나타나는 이루어지는 라운딩 현상 (Rounding)(도 2c), 디싱 현상(dishing)(도 2d), 디싱 및 라운딩이 복합적으로 나타나는(dishing & rounding)(도 2e)등의 문제가 발생한다.

그러나 이와 같은 종래 기술의 반도체 장치의 연마 패드는 다음과 같은 문제가 있다.

단순히 하드 패드 또는 소프트 패드를 그냥 사용하거나 하드/소프트가 단순 적층된 스택 패드를 사용하여 연마 대상층의 물질, 연마 정도, 언더 패턴등에 의해 발생하는 불규칙적으로 연마되는 문제가 발생한다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 반도체 장치의 연마 패드 및 연마 공정의문제를 해결하기 위한 것으로, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 연마 패드의 전면을 부분적으로 나누어 복합 재질로 형성하여 연마 대상층 및 언더 패턴에 대한 영향을 최소화할 수 있도록한 반도체 소자의 폴리싱 패드를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 일반적인 CMP 공정의 원리를 나타낸 구성도

도 2a내지 도 2e는 종래 기술의 CMP 공정의 불균일 폴리싱 형태를 나타낸 단면도

도 3a내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리싱 패드의 구성도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

31. 소프트 패드 32. 하드 패드

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리싱 패드는 캐리어(Head)를 통해 연마하고자 하는 웨이퍼를 고정시켜 패드에 슬러리를 공급하면서 회전을 통한 원운동의 힘을 받아 연마 대상막을 연마하는 연마 장치에서, 패드를, 서로 재질이 다른 최소한 하나 이상의 물질을 사용하여 연마 동작시에 상기 웨이퍼와 접촉하는 전면(前面) 전체에서 상기한 물질이 모두 위치되도록 복합 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리싱 패드에 관하여 상세히 설명한다.

도 3a내지 도 3f는 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리싱 패드의 구성도이다.

본 발명은 CMP 패드의 구성에 있어 하드 패드와 소프트 패드를 혼합한 복합(Complex) 패드 구성하여 연마 균일도를 향상시킬 수 있도록한 것이다.

즉, CMP 공정 진행시 연마 대상 물질 및 언더 패턴의 영향을 최소화하면서 연마시 패드에서 웨이퍼로 전달되어지는 힘을 보다 균일하게 웨이퍼에 전달하여 실질적으로 연마 균일도를 향상시키는 방법이다.

연마 공정은 캐리어(Head)를 통해 연마하고자 하는 웨이퍼를 고정시켜 패드에 슬러리를 공급하면서 회전을 통한 원운동의 힘을 받아 연마 대상막을 연마하는 원리를 가지고 있으며 이러한 평탄화 공정에서 선택되어진 웨이퍼의 연마도는 다음과 같다.

연마도(polishing rate)=△H/△t=KpP(△s/△t)

여기서, △H : 표면 고저 변화값(change in height of the surface), P:압력(pressure)이고, △t :elapsed time이고, Kp : 프레스톤 상수(preston coefficient)이고, △s/△t : 단위 시간에서의 패드의 회전 속도이고, P=L/A(L : applied load, A : area of the polish surface contacting the pad)이다.

위 식에 따르면 연마도는 패드의 속도와 압력에 비례하며, 압력은 패드에 접하는 웨이퍼 표면에 가해지는 힘을 나타낸다.

그러므로 캐리어(head)에서 웨이퍼로 전해지는 힘이 균일하게 전달되어야 연마되어지는 웨이퍼의 연마도가 균일하게 이루어지며, 특히 패턴 웨이퍼의 연마시 패턴 라운딩 및 디싱도 완화되는 경향을 갖게된다.

본 발명에서는 단순 패드 또는 단순 적층이 아닌 새로운 복합 패드를 이용하여 연마 대상막의 종류 및 언더 패턴의 영향을 최소화하여 결과적으로 연마 평탄화도를 향상 또는 선택적 연마를 할수 있게 한다.

전체적으로 원하는 부위에서의 연마가 속도를 조절하여 원하는 연마 균일도로 진행시킬 수 있게 된다.

또한 CMP 패드와 연마 대상막 사이의 화학적 연마 작용을 하는 슬러리의 분포보다 균일하게 연마 대상막에 접촉시켜 연마도/연마량의 조절이 용이하게 되며, CMP 중 발생되는 부산물과 CMP 패드에서 기인되는 CMP 스크래치 발생수 및 깊이가 보다 완화되는 효과가 있다.

기타 여러 패턴이 형성되어져 여러 종류의 필름이 노출되는 경우(특히 LPP/SN CMP) CMP중 노출되어지는 비연마막의 데미지 및 손실을 보다 최소화 시키면서 원하는 연마 평탄도를 얻을 수 있다.

본 발명의 복합 패드는 패드 바닥의 전면에서의 구성이 소프트 패드(31)와 하드 패드(32)가 교대로 위치되는 4조각 반호 형태의 파이형(도 3a), 4 동심원 형태의 동심원형(도 3b),13 원기둥 형태를 갖는 원기둥형(도 3c), 삼각 또는 마름모 형태 또는 사각 형태의 구조가 반복되는 조각도형(도 3d), 4 원호 형태를 갖는 원호형(도 3e), 도 3a의 파이형의 상면에 소프트 패드 또는 하드 패드를 적층 구성하는 복합 적층 구조(도 3f)로 구성된다.

이와 같은 본 발명에 따른 연마 패드를 이용하여 CMP 대상막 및 언더 패턴의 종류에 따라 원하는 연마도로 진행할 수 있다.

본 발명의 복합 패드의 구성에 있어 하드 또는 소프트 패드의 혼합은 필요에 따라 바뀌어 구성될 수 있으며, 복합적층(complex-stack) 패드 역시 소프트/하드 패드 위치가 필요에 따라 바뀔 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 반도체 소자의 폴리싱 패드는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에서는 단순 패드 또는 단순 적층이 아닌 새로운 복합 패드를 이용하여 연마 대상막의 종류 및 언더 패턴의 영향을 최소화하여 결과적으로 연마 평탄화도를 향상 또는 선택적 연마를 할수 있게 하는 효과가 있다.

둘째, 패턴이 형성되어진 토폴로지를 갖는 웨이퍼의 연마에 있어 1차적으로 노출되어지는 레이어의 보호 및 슬러리 연마 선택비를 향상시키는 효과가 있다.

셋째, LPP(landing Plug Poly) CMP의 경우 워드 라인의 베리어 나이트라이드가 들어나도록 CMP가 진행되어 워드라인에 손상이 가해지는 경우가 발생되고 있는데, 복합 패드의 사용으로 워드 라인의 손상을 방지할 수 있다.

넷째, 연마 효율을 항상시킬 수 있어 소모품으로 사용되고 있는 슬러리의 사용량을 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 캐리어(Head)를 통해 연마하고자 하는 웨이퍼를 고정시켜 패드에 슬러리를 공급하면서 회전을 통한 원운동의 힘을 받아 연마 대상막을 연마하는 연마 장치에서, 패드를,

   서로 재질이 다른 최소한 하나 이상의 물질을 사용하여 연마 동작시에 상기 웨이퍼와 접촉하는 전면(前面) 전체에서 상기한 물질이 모두 위치되도록 복합 구성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리싱 패드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기한 물질층의 배열을 파이형, 동심원형, 원기둥형, 삼각 또는 마름모 형태 또는 사각 형태의 구조가 반복되는 조각도형, 원호형의 어느 하나의 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리싱 패드.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 웨이퍼와 접촉하는 전면에서 상기한 물질이 모두 위치되도록 복합 구성하고, 후면(後面)에 상기 물질의 어느 하나를 사용하여 전면(全面)에 구성하여 적층하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 폴리싱 패드.