KR20040036753A - 멀티 헤드 연마를 이용한 화학적기계연마 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 전 영역에 대해 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있는 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 개시한다. 개시된 본 발명의 화학적기계연마 공정은, 연마대상층을 구비한 웨이퍼를 헤드(head)에 지지시킨 상태로 연마패드가 구비된 플레이튼(platen) 상에 배치시킨 후 상기 헤드와 플레이튼을 회전시키면서 상기 연마패드에 슬러리를 뿌려주어 슬러리에 의한 화학반응과 연마패드에 의한 기계적 가공을 통해 상기 연마대상층을 평탄화시키며, 서로 상이한 연마 특성을 갖는 수 개의 헤드를 구비하여 각 헤드에 의한 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 하고, 각 헤드에 의한 단위 연마는 해당 연마대상층에 대해 설계된 전체 연마 시간을 헤드 수로 나눈만큼의 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 서로 상이한 특성의 헤드를 구비하여 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 함으로써 특정 헤드의 특성이 상호 상쇄되도록 할 수 있으며, 그래서, 웨이퍼의 전 영역에 대한 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있다.

Description

멀티 헤드 연마를 이용한 화학적기계연마 공정{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PROCESS USING MULTI HEAD POLISHING}
본 발명은 반도체 제조 공정에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼의 전 영역에 대해 균일한 연마가 이루어지도록 한 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라, 포토리소그라피 공정의 요구 조건에 부합하기 위해 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하, CMP) 공정을 이용한 층간절연막의 평탄화 공정이 필수적이 되었다.
이러한 CMP 공정은 슬러리(slurry)에 의한 화학반응과 연마패드(polishingpad)에 의한 기계적 가공이 동시에 수행되는 평탄화 공정으로서, 표면 평탄화를 위해 기존에 이용되어져 왔던 리플로우(reflow) 공정 또는 에치-백(etch-back) 공정 등과 비교해서 글로벌(Global) 평탄화를 얻을 수 있으며, 아울러, 저온에서 수행될 수 있다는 잇점을 갖는다.
또한, CMP 공정은 평탄화 공정의 일환으로 제안된 것이지만, 최근에 들어서는 얕은 접합 소자분리(Shallow Trench Isolation) 공정, 콘택 플러그 형성 공정 및 금속배선 형성 공정 등에 이용되고 있으며, 그 이용 분야가 점차 확대되고 있는 추세이다.
이하, 상기한 CMP 공정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 연마대상층을 구비한 웨이퍼를 일종의 암(arm)인 헤드(head)를 이용하여 표면에 연마패드가 구비된 플레이튼(platen) 상에 상기 연마대상층 형성면이 상기 연마패드와 접촉하도록 배치시킨다.
그런다음, 플레이튼의 회전을 통해 연마패드를 일 방향으로 회전시키면서 상기 연마패드에 슬러리를 뿌려주고, 이와 동시에 헤드의 회전을 통해 웨이퍼를 연마패드와 반대 방향으로 회전시켜 연마대상층의 소정 두께를 제거한다.
이어서, 헤드를 이동을 통해 1차로 연마된 웨이퍼를 다른 플레이튼 상에 배치시킨 후, 앞서와 마찬가지의 방법으로 연마대상층에 대한 2차 연마를 수행하고, 계속해서, 상기 과정들을 반복 수행하여 연마대상층에 대한 평탄화를 달성한다.
그러나, 종래의 CMP 공정은 하나의 헤드로 여러 플레이튼을 옮겨 다니며 연마를 수행하기 때문에 특정 헤드의 고유한 연마 특성, 예컨데, 센터 패스트(center fast), 에지 패스트(edge fast), 탑 패스트(top fast) 및 바텀 패스트(bottom fast) 등의 특성으로 인해 웨이퍼의 전 영역에 대해 연마 불균일이 발생된다.
또한, 연마대상층의 헤드별 제거 속도에 차이가 있기 때문에 CMP 잔막 두께 차이가 유발되며, 이로 인해, 후속 공정의 어려움이 초래된다.
여기서, 센터 패스트 특성을 갖는 헤드를 이용한 연마의 경우에 연마대상층의 제거 속도는 대략 2200Å/분 정도이고, 에지 패스트 특성을 갖는 헤드를 이용한 연마의 경우에 연마대상층의 제거 속도는 대략 2500Å/분 정도이며, 탑 패스트 및 바텀 패스트 특성을 갖는 헤드를 이용한 연마의 경우 연마대상층의 제거 속도는 각각 2400Å/분 및 2300Å/분 정도이므로, 센터 패스트 특성을 갖는 헤드를 이용한 연마와 에지 패스트 특성을 갖는 헤드를 이용한 연마를 비교하면, CMP 후의 잔막 두께가 300Å 정도 차이를 보이게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 웨이퍼의 전 영역에 대해 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있는 CMP 공정을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학적기계연마 공정을 설명하기 위한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 제1헤드 2 : 제2헤드
3 : 제3헤드 4 : 제4헤드
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연마대상층을 구비한 웨이퍼를 헤드에 지지시킨 상태로 연마패드가 구비된 플레이튼 상에 배치시킨 후 상기 헤드와 플레이튼을 회전시키면서 상기 연마패드에 슬러리를 뿌려주어 슬러리에 의한 화학반응과 연마패드에 의한 기계적 가공을 통해 상기 연마대상층을 평탄화시키며, 서로 상이한 연마 특성을 갖는 수 개의 헤드를 구비하여 각 헤드에 의한 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 하고, 각 헤드에 의한 단위 연마는 해당 연마대상층에 대해 설계된 전체 연마 시간을 헤드 수로 나눈만큼의 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정을 제공함에 그 목적이 있다.
여기서, 상기 헤드는 센터 패스트(center fast), 에지 패스트(edge fast), 탑 패스트(top fast) 및 바텀 패스트(bottom fast)의 특성을 가지며, 각 헤드는 독립적으로 동작한다.
또한, 상기 멀티 헤드 연마는 하나의 플레이튼 상에서 수행하거나, 또는, 둘 이상의 플레이튼 상에서 수행한다.
본 발명에 따르면, 서로 상이한 특성의 헤드를 구비하여 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 함으로써 특정 헤드의 특성이 상호 상쇄되도록 할 수 있으며, 그래서, 웨이퍼의 전 영역에 대한 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있다.
(실시예)
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMP 공정을 설명하기 위한 도면으로서, 이를 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 CMP 공정은 고유 특성을 갖는 하나의 헤드를 이용하여 연마대상층에 대한 연마를 수행하는 것이 아니라, 서로 상이한 고유 특성을 갖는 수 개의 헤드, 예컨데, 4개의 헤드(1, 2, 3, 4)를 이용하여 연마대상층에대한 연마를 수행한다.
즉, 일반적으로 CMP 공정은 센터 패스트, 에지 패스트, 탑 패스트 또는 바텀 패스트 중 어느 하나의 특성을 갖는 하나의 헤드를 사용하여 각 플레이튼 상으로 웨이퍼를 이동시켜 연마대상층에 대한 연마를 수행한다. 이 경우, 헤드가 갖는 고유 특성으로 인해 웨이퍼의 센터부, 에지부, 탑부 또는 바텀부 중의 어느 한 부분이 상대적으로 많이 연마되고, 그래서, 웨이퍼 전체로 볼 때, 연마 불균일이 일어나게 된다.
이에 반해, 본 발명의 CMP 공정은 서로 상이한 특성을 갖는 4개의 헤드들(1, 2, 3, 4)을 이용하여 연마대상층에 대한 멀티 헤드 연마를 수행하므로 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있다.
예를들어, 연마대상층에 대한 1차 연마는 센터 패스트 특성을 갖는 제1헤드 (1)를 사용하여 수행하고, 2차 연마는 에지 패스트 특성을 갖는 제2헤드(2)를 사용하여 수행하며, 그 다음, 3차 및 4차 연마는 각각 탑 패스트 및 바텀 패스트의 특성을 갖는 제3 및 제4헤드(3, 4)를 사용하여 차례로 수행하는 경우, 웨이퍼의 전 영역에 대해 센터부와 에지부, 그리고, 탑부와 바텀부간에 연마대상층의 제거 속도 차이를 줄일 수 있으며, 그래서, 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있다.
한편, CMP 장치의 헤드는 독립적으로 작동하기 때문에 연마대상층의 제거 속도 차이가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명은 연마대상층에 대해 수 개의 헤드(1, 2, 3, 4)를 이용한 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 하되, 각 헤드(1, 2, 3, 4)의 독립적인 작동에 의한 단위 연마는 해당 연마대상층에 대해 이미 설계되어져 있는 전체 연마 시간을 헤드 수만큼으로 나눈 후, 나뉘어진 시간 동안만 각 헤드(1, 2, 3, 4)에 의한 단위 연마가 수행되도록 한다. 예컨데, 설계된 연마대상층의 전체 연마 시간이 80초 이고, 4개의 헤드를 이용한 멀티 헤드 연마라면, 각 헤드에 의한 단위 연마는 각각 20초 동안 수행한다.
이렇게 하면, 각 헤드(1, 2, 3, 4)의 특성이 서로 상쇄되어 연마 균일도를 향상시킬 수 있게 되며, 아울러, 헤드별 연마대상층의 제거 속도 차이에 따른 CMP 잔막 차이도 제거됨으로써 후속 공정의 신뢰성도 확보할 수 있게 된다.
한편, 상기 각 헤드에 의한 멀티 헤드 연마는 하나의 플레이튼 상에서 수행하거나, 또는, 둘 이상의 플레이튼 상에서 수행할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명은 연마대상층에 대한 연마를 수 개의 헤드를 이용한 멀티 헤드 연마로 수행함으로써 특정 헤드의 고유 특성으로 인한 연마 불균일을 제거할 수 있으며, 또한, CMP 잔막 두께의 차이로 최소화시킬 수 있다.
따라서, 웨이퍼의 전 영역에 대한 균일한 연마가 이루어지도록 할 수 있는 바, CMP 공정 자체의 신뢰성을 확보할 수 있음은 물론 후속 공정의 신뢰성도 확보할 수 있다.
기타, 본 발명은 그 요지가 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (4)

  1. 연마대상층을 구비한 웨이퍼를 헤드(head)에 지지시킨 상태로 연마패드가 구비된 플레이튼(platen) 상에 배치시킨 후 상기 헤드와 플레이튼을 회전시키면서 상기 연마패드에 슬러리를 뿌려주어 슬러리에 의한 화학반응과 연마패드에 의한 기계적 가공을 통해 상기 연마대상층을 평탄화시키며,
    서로 상이한 연마 특성을 갖는 수 개의 헤드를 구비하여 각 헤드에 의한 멀티 헤드 연마가 이루어지도록 하고,
    각 헤드에 의한 단위 연마는 해당 연마대상층에 대해 설계된 전체 연마 시간을 헤드 수로 나눈만큼의 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 공정.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 헤드는
    센터 패스트(center fast), 에지 패스트(edge fast), 탑 패스트(top fast) 및 바텀 패스트(bottom fast)의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 공정.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 헤드는 독립적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 공정.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티 헤드 연마는 하나의 플레이튼 상에서 수행하거나, 또는, 둘 이상의 플레이튼 상에서 수행하는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 공정.
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