KR20030063945A - 화학기계적 연마장치 및 그를 이용한 웨이퍼 연마방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기계적 연마 장치에 의한 반도체 웨이퍼 연마방법에 관한 것으로, 화학기계적 연마 장치에 구비되어 있는 패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 일정한 간격을 가진 음각을 형성함으로써, 웨이퍼 연마 공정 시, 패드에 형성된 음각으로 인하여 음각 형성부분의 패드와 웨이퍼와의 마찰을 적게하여 웨이퍼의 연마량을 조절할 수 있어 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있는 기술이다.

Description

화학기계적 연마장치 및 그를 이용한 웨이퍼 연마방법{Method for polishing the semiconductor wafer by Chemical Mechanical Polishing device}

본 발명은 화학기계적 연마 장치에 구비되어 있는 패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 일정한 간격을 가진 음각구조를 형성하여 웨이퍼에 접촉하는 패드 표면밀도를 조절하여 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있도록 하는 화학기계적 연마장치에 의한 반도체 웨이퍼 연마방법에 관한 것이다.

최근 반도체 소자는 고집적화와 더불어 그 구조가 다층화되고 있다. 그 결과 각 층간의 패턴 유무에 따라 단차가 발생하므로, 반도체 소자의 제조공정 중에는 반도체 웨이퍼의 연마 공정이 필수적으로 포함된다. 이러한 연마공정에서는 주로 화학기계적 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing)방법이 사용되며, 이 방법은 국소적인 평탄화 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 평탄도 (uniformity)가 우수하므로 웨이퍼가 대구경화되어 가는 추세에 적합하다.

일반적인 화학기계적 연마방법은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼를 연마패드라는 연마용 판위에 올린 상태에서 소정의 하중을 가하며 회전시킴으로써 기계적 마찰에 의한 웨이퍼의 연마가 이루어지게 하며, 동시에 연마패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 슬러리(slurry)라는 화학적 연마제에 의한 웨이퍼의 연마가 이루어지게 하는 방법으로, 아주 미세한 연마를 가능하게 한다.

종래의 화학기계적 연마장치에 의한 반도체 웨이퍼 연마 공정 시 헤드의 왕복 운동에 따라 웨이퍼가 연마패드의 표면상에서 스위프되면서 슬러리 노즐 아암이고정된 상태에서 슬러리를 공급하며, 공급된 슬러리는 연마패드의 회전과 동시에 컨디셔너의 스위프에 의해 연마패드 전체에 퍼지게 된다.

그런데, 상기와 같은 방법은 연마패드가 회전되면서 원심력에 의해 웨이퍼의 중심부보다 가장자리가 받는 압력이 물리적, 구조적 요인에 의해 실질적으로 높으며, 화학적 연마제인 슬러리가 가장자리부에 우선 접촉되는 등의 요인으로 인해 도시에 도시된 바와 같이, 가장자리부의 단위 시간당 연마량이 중심부보다 많이 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 상기 헤드의 왕복 이동에 따라 웨이퍼의 중심부나 가장자리부가 연마패드와 접촉하는 시간은 동일하나, 실질적으로 단위 시간당 연마량이 많은 웨이퍼의 가장자리부가 중심부보다 더 많이 연마됨으로써 웨이퍼 전체의 평탄도가 나빠지고 연마 공정의 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 화학기계적 연마 장치에 구비되어 있는 패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 원하는 웨이퍼의 프로파일과 연마 전의 단면에 따라 수량, 위치 및 넓이를 조절하여 음각을 형성함으로써, 웨이퍼 연마 공정 시, 패드에 형성된 음각으로 인하여 음각 형성부분의 패드와 웨이퍼와의 마찰을 적게하여 웨이퍼의 연마량을 조절할 수 있어 웨이퍼의 평탄도를 향상시킬 수 있도록 하는 것이 목적이다.

도 1는 종래 화학기계적 연마 장치의 연마패드를 이용하여 연마된 웨이퍼의 연마량을 부위별로 나타낸 그래프이다.

도 2는 일반적인 화학기계적 연마 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 3는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법을 설명하기 휘한 연마패드를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 4은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법에 의한 웨이퍼의 연마량을 부위별로 나타낸 그래프이다.

-- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --

100 : 연마패드 110 : 슬러리 노즐 아암

120 : 컨디셔너 130 : 헤드

140 : 헤드축 지지틀

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화학기계적 연마장치는 웨이퍼를 장착할 수 있는 원판 형상의 연마패드와, 상기 웨이퍼를 홀딩하여 연마패드의 상면에 밀착시키는 헤드와, 상기 헤드를 회전시키는 회전축과, 상기 헤드축이 장착되어 전후로 이동할 수 있도록 하는 헤드축 지지틀로 구성된 화학기계적연마 장치에 있어서,

상기 연마패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 원하는 웨이퍼의 프로파일과 연마 전 웨이퍼의 단면상태 및 표면재질에 따라 수량, 위치 및 넓이를 조절하여 음각구조를 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치를 제공한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 웨이퍼를 헤드축 지지틀에 장착된 헤드에 로딩시키는 단계와, 상기 웨이퍼를 연마패드의 표면에 밀착시킨 상태로 상기 헤드와 상기 연마패드를 회전시키는 동시에 상기 연마패드에 영역을 구분하고 슬러리 노즐 아암을 스위프하여 슬러리를 공급하는 단계와, 상기 웨이퍼를 화학적 및 기계적으로 연마하는 연마단계와, 상기 웨이퍼를 상기 헤드로부터 언로딩하는 단계를 포함하는 화학기계적 연마장치를 이용한 웨이퍼 연마방법을 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법에 의하면, 웨이퍼의 중심부와 가장자리부의 연마량이 동일하도록 조절 할 수 있으므로 웨이퍼의 평탄도를 향상 시킬 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 2는 일반적인 화학기계적 연마 장치를 개략적으로 나타낸 평면도이며, 도 3는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법을 설명하기 휘한 연마패드를 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼를 장착할 수 있는 원판 형상의 연마패드(100)와 상기 연마패드가 그 상면에 장착되는 연마 테이블(미도시함) 및 연마 테이블을 회전시키는 테이블 회전축(미도시함)으로 이루어진 연마패드 회전부가 있다.

그리고, 웨이퍼 회전부로 웨이퍼를 홀딩하여 헤드(130)를 이용하여 연마패드 (100)의 상면에 밀착시킨 후, 상기 헤드(130)를 회전축(미도시함)에 의해 회전시키며, 헤드축 지지틀(140)을 이용하여 헤드축이 전후로 이동할 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연마패드(100)의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 원하는 웨이퍼의 프로파일과 연마 전 웨이퍼의 단면상태 및 표면재질에 따라 수량, 위치 및 넓이를 조절하여 음각구조를 형성한다.

상기 연마패드의 음각구조는 연마패드의 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 불연속적으로 형성하거나 원형으로 연결하여 형성한다.

이때, 상기 연마패드의 음각구조가 동심원상에 불연속적으로 형성될 경우, 음각구조와 음각구조의 원호상거리(A)는 0.5mm ~ 20mm 내에 형성하고, 음각구조의 자체 원호길이(B)는 0.5mm ~ 20mm 내에 형성하고, 음각구조 내의 너비(C)는 0.5mm~ 50mm 내에 형성하며, 음각구조의 기울기(D)는 0 ~ 90℃ 범위로 형성한다.

이때, 상기 연마패드의 음각구조는 패드 중심에서 2mm ~ 패드 반지름 사이의 위치에 하나 이상 형성하며, 음각구조의 내부 너비는 2mm ~ 웨이퍼 반지름의 20% 사이의 너비를 갖게 하고, 음각구조가 한 개 이상일 경우 음각구조와 음각구조 사이의 거리는 0.5m ~ 50m를 갖게 한다.

또한, 상기 연마패드의 음각구조의 형태는 각진 형태 또는 곡성형태로 형성하며, 이때, 각진 형태의 음각구조의 각은 15 ~ 90℃ 범위로 형성한다.

도 4은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법에 의한 웨이퍼의 연마량을 부위별로 나타낸 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 그래프의 X축은 웨이퍼 상의 위치를 나타내고, Y축은 각 위치별로 연마된 양을 부위별로 나타낸 그래프이다.

이때, 상기 그래프에서 볼 수 있다시피 웨이퍼 연마 공정 시, 연마패드에 형성된 음각구조로 인하여 웨이퍼와의 마찰을 적게하여 웨이퍼의 연마량을 조절함으로써 웨이퍼의 중앙부와 가장자리부의 연마되는 양을 균일하게 한다.

따라서, 상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학기계적 연마장치에 의한 반도체 웨이퍼 연마방법을 이용하게 되면, 화학기계적 연마 장치에 구비되어 있는 패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 일정한 간격을 가진 음각을 형성함으로써, 웨이퍼 연마 공정 시, 패드에 형성된 음각으로 인하여 음각 형성부분의 패드와 웨이퍼와의 마찰을 적게하여 웨이퍼의 연마량을 조절할 수 있어 웨이퍼의 평탄도를 향상시키며, 그 결과, 반도체 소자의 특성, 신뢰성 및 수율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 웨이퍼를 장착할 수 있는 원판 형상의 연마패드와, 상기 웨이퍼를 홀딩하여 연마패드의 상면에 밀착시키는 헤드와, 상기 헤드를 회전시키는 회전축과, 상기 헤드축이 장착되어 전후로 이동할 수 있도록 하는 헤드축 지지틀로 구성된 화학기계적연마 장치에 있어서,

   상기 연마패드의 표면에 패드 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 원하는 웨이퍼의 프로파일과 연마 전 웨이퍼의 단면상태 및 표면재질에 따라 수량, 위치 및 넓이를 조절하여 음각구조를 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조는 패드 중심에서 2mm ~ 패드 반지름 사이의 위치에 하나 이상 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조는 2mm ~ 웨이퍼 반지름의 20% 사이의 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
4. 제 1항 내지 제 2항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조가 한 개 이상일 경우 음각구조와 음각구조 사이의 거리는 0.5mm ~ 50mm를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조의 형태는 각진 형태 또는 곡성형태로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 각진 형태의 음각구조의 각은 15 ~ 90℃ 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조는 연마패드의 중심에서 일정한 거리를 가진 동심원상에 원형으로 연결하거나 불연속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조가 동심원상에 불연속적으로 형성될 경우, 음각구조와 음각구조의 원호상거리는 0.5mm ~ 20mm 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
9. 제 7항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조가 동심원상에 불연속적으로 형성될 경우, 음각구조의 자체 원호길이는 0.5mm ~ 20mm 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
10. 제 7항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조가 동심원상에 불연속적으로 형성될 경우, 음각구조 내의 너비는 0.5mm ~ 50mm 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
11. 제 7항에 있어서, 상기 연마패드의 음각구조가 동심원상에 불연속적으로 형성될 경우, 음각구조의 기울기는 0 ~ 90℃ 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마장치.
12. 반도체 웨이퍼를 헤드축 지지틀에 장착된 헤드에 로딩시키는 단계와;

    상기 웨이퍼를 연마패드의 표면에 밀착시킨 상태로 상기 헤드와 상기 연마연마패드를 회전시키는 동시에 상기 연마패드에 영역을 구분하고 슬러리 노즐 아암을 스위프하여 슬러리를 공급하는 단계와;

    상기 웨이퍼를 화학적 및 기계적으로 연마하는 연마단계와;

    상기 웨이퍼를 상기 헤드로부터 언로딩하는 단계를 포함하는 화학기계적 연마장치를 이용한 웨이퍼 연마방법.