KR20050006644A - 화학적 기계적 연마장치의 연마패드 - Google Patents

Abstract

정반에 부착되어 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마 패드가 개시되어 있다. 상기 연마 패드의 양면, 즉 상기 반도체 기판을 연마하기 위한 제1면과 상기 정반에 부착되는 제2면에는 각각 홈이 형성되어 있다. 상기 제2면에 형성된 홈은 상기 반도체 기판 연마시 완충 역할을 하게 되며 상기 홈이 형성된 부분의 경도를 조절한다. 따라서 상기 반도체 기판을 균일한 연마 속도로 연마할 수 있다. 나아가 상기 반도체 기판에 형성된 패턴의 형태에 따라 연마 속도를 부분적으로 조절할 수 있다.

Description

화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드{A polishing pad of chemical and mechanical polishing apparatus}

본 발명은 반도체 기판을 광역 평탄화하는 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 반도체 기판 상에 형성되는 산화막, 질화막 등의 절연막을 연마하기 위한 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 고속화 및 고집적화에 따라 다층 배선 구조에 있어서 배선 층수의 증가와 배선 패턴의 미세화에 대한 요구가 갈수록 높아져 다층 배선 기술이 서브 마이크론 공정에서 중요한 과제이다. 특히, 0.15㎛ 이하의 공정 시대에 들어서면서 미세 패턴 형성을 실현하기 위한 노광 장치의 초점 심도에 대한 공정 여유가 줄어듦에 따라 충분한 초점 심도를 확보하기 위하여 칩 영역에 걸친 광역 평탄화 기술이 요구된다.

이와 같은 광역 평탄화를 실현하기 위해, 현재 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polising, 이하 CMP)라고 하는 기술이 반도체 소자 제조 공정에 필수적으로 적용되고 있을 뿐만 아니라 차세대 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고, 화학 기계적 연마 기술은 소자의 고속화를 실현하기 위해 다층 배선이 요구되는 논리형 소자에 많이 적용되고 있으며, 또한 기억형 소자에서도 다층화 되어감에 따라 점차적으로 적용을 하고 있는 추세이다.

웨이퍼 표면을 평탄화 하는데 사용되는 화학적 기계적 연마 시스템은 크게 구분하여 웨이퍼 카세트의 장·탈착 장치, 웨이퍼 이동장치, 연마장치, 웨이퍼 세정장치와 이들의 제어장치로 구성된다. 이중에서 연마장치는 웨이퍼를 지지하면서 회전 가압하는 연마헤드, 연마패드가 부착된 정반, 및 그 구동기구, 연마패드의 드레싱 기구, 웨이퍼 척면의 세정 기구, 슬러리 공급기구로 구성된다.

화학 기계적 연마는 기존의 희생막의 전면 식각 공정과는 달리 특정 부위의 제거 속도를 조절함으로써 웨이퍼를 평탄화하는 기술이다. 도 1에서와 같이 정반(20)에 부착된 연마 패드(10)에는 슬러리의 유동을 용이하게 하기 위해 홈(12)이 형성되어 있다. 연마 패드(10)는 경도가 증가할수록 연마율이 증가한다.

도 2를 참조하면 연마 패드(10)의 경도가 증가할수록 상기 반도체 기판의 연마율이 증가하는 것을 알 수 있고, 또한 상기 반도체 기판의 중심 부위와 가장 자리 부위를 비교하면 연마율의 차이가 발생하는 것도 확인할 수 있다. 즉 상기 반도체 기판의 중심 부위의 연마 속도보다 가장 자리 부위의 연마 속도가 더 빠르다. 이러한 차이로 인하여 연마 균일도가 매우 나빠진다.

상기 중심 부위와 가장 자리 부위의 연마 속도 차이를 극복하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 연마 패드(14) 상에 형성된 홈(16)의 폭, 홈(16)의 깊이 및 홈(16)과 홈(16) 사이의 간격을 다양하게 변화시켜 연마 패드(14)의 연마 속도를 변경한다.

미합중국 특허 제6,093,651호(Andideh, et al.)에는 반도체 기판과 접하는 면에 다양한 폭과 깊이를 가지는 홈이 형성된 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드가 개시되어 있다.

그러나 상기와 같이 홈(16)을 연마 패드(14)의 상부면에 걸쳐 다양한 형태로 분포시키면 연마 패드(14)의 상부면의 전체 면적에 대한 홈(16)을 제외한 면적의 비가 작아지게 된다. 상기 비율이 작아질수록 도 4에 도시된 바와 같이 연마 패드(14)의 마모율을 증가한다. 따라서 연마 패드(16)의 수명이 짧아지는 단점이 발생한다.

한편 도 1에 도시된 연마 패드(10)의 홈(12)에 슬러리가 침착된다. 그 이유는 홈(12)의 폭이 보통 0.25mm로 좁아 홈(12)을 통하여 슬러리가 원활하게 이동하지 못하기 때문이다. 도 5는 홈(12) 사이에 슬러리가 침착된 상태를 나타낸다. 상기와 같이 홈(12)에 침착된 슬러리는 상기 반도체 기판 연마시 상기 반도체 기판에도 6에서와 같이 스크래치를 발생한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연마 패드의 연마율을 균일하게 하고, 상기 연마 패드 상에 형성된 홈에 슬러리 등의 이물질이 침착되지 않는 연마 패드를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드의 경도에 따른 반도체 기판의 연마 속도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 다른 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 4는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드에서 표면의 비에 따른 마모율을 나타낸 그래프이다.

도 5는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드의 홈에 이물질이 끼인 상태를 설명하기 위한 상태도이다.

도 6은 도 5에 도시된 이물질에 의해 반도체 기판에 스크래치가 발생한 상태를 설명하기 위한 상태도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 연마 패드를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 8a와 도 8b는 각각 도 7에 도시된 연마 패드를 설명하기 위한 평면도와저면도이다.

도 9는 도 7에 도시된 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 10은 상기 제1실시예에 따른 연마 패드와 종래 기술에 따른 연마 패드를 이용한 반도체 기판의 연마 속도를 나타낸 그래프이다.

도 11은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 12a와 도 12b는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 연마 패드 를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110,113,116 : 연마 패드 111,114,117 : 제1홈

112,115,118 : 제2홈 120 : 정반

130 : 연마 헤드 140 : 슬러리 주입구

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 정반에 부착되어 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마 패드에 있어서, 상기 반도체 기판을 연마하기 위한 제1면에는 상기 반도체 기판과 상기 연마 패드 사이에 슬러리 공급을 원활하게 하기 위한 제1홈이 형성되고, 상기 정반에 부착되는 제2면에는 상기 반도체 기판의 연마 속도를 조절하기 위한 제2홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드를 제공한다.

상기 제1홈 및 제2홈은 동심원 형상이나 격자 형상으로 형성된다. 또한 상기 연마 패드의 연마율을 조절하기 위해 상기 제2홈은 상기 제2면 전체에 걸쳐 형성되거나 상기 제2면의 일부분에 형성될 수도 있다. 상기 제2면에 제2홈이 형성된 상태에서 상기 정반에 부착되므로 완충재 역할을 한다. 상기 제1면에 형성된 제1홈의 폭은 0.4 내지 0.8mm로 형성하여 상기 연마 패드 상에 공급되는 슬러리가 잘 유동될 수 있도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드는 상기 반도체 기판을 균일하게 연마할 수 있다. 상기 연마 패드 상에 제1홈을 최소로 형성할 수 있으므로 상기 연마 패드의 마모를 줄여 수명을 연장할 수 있다. 또한 상기 제1면에 형성된 제1홈에 슬러리 등의 이물질이 침착되지 않으므로 상기 반도체 기판 연마에 따른 결함을 최소화할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨이퍼 캐리어 고정 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 연마 패드를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 7을 참조하면, 상기 화학적 기계적 연마 장치는 크게 연마 헤드(130), 정반(120), 연마 패드(110) 및 슬러리 주입구(140)로 구성된다.

정반(120)은 금속 재질의 두꺼운 평판 형태로 구성되고 회전 가능하다. 정반(120)의 상부면에는 연마 패드(110)가 부착된다. 정반(120)의 상부에는 상기 반도체 기판(W)을 지지한 상태에서 회전가능한 연마 헤드(130)가 구비된다. 연마 헤드(130)에 지지된 상기 반도체 기판(W)이 정반(120)에 부착된 연마 패드(110)와 마찰되면서 기계적으로 연마된다. 슬러리 주입구(140)에서 연마 패드(110) 상에 액상의 슬러리가 공급된다. 상기 슬러리는 상기 반도체 기판(W)을 화학적으로 연마하기 위한 것이다. 상기 슬러리의 종류는 크게 절연막 슬러리와 금속용 슬러리로 구분할 수 있다.

상부에 연마 패드(110)가 설치된 정반(120)을 회전시키고, 반도체 기판(W)을 파지한 연마 헤드(130)도 정반(110)의 회전 방향과 같은 방향으로 회전시킨다. 연마 헤드(130)에 일정한 하중을 가하여 연마 헤드(130)에 파지된 반도체 기판(W)을정반(120)에 부착된 연마 패드(110)에 밀착시킨다. 동시에 슬러리 공급관(140)을 통해 회전하는 반도체 기판(W)과 연마 패드(110) 사이에 액상의 슬러리를 투입한다. 반도체 기판(W)과 연마 패드(110)에 의한 기계적인 연마와 슬러리에 의한 화학적인 연마에 의해 반도체 기판(W)은 광역 평탄화한다.

일반적으로 연마 패드(110)는 경질 폴리우레탄(a foamed crosslinked polymer)이나 폴리우레탄이 함침 혹은 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트(non-woven polyester felt)가 주류를 이루고 있으며, 크게 두 가지 기능을 수행한다.

첫째, 연마 패드(110) 표면의 기공(open pores)은 슬러리의 유동을 원활하게 하며, 둘째, 발포융기(foam cell walls)는 웨이퍼 표면으로부터 반응물을 제거하는 기능을 각각 갖는다. 이와 같이 연마 패드(110)는 CMP의 화학 및 기계적 측면을 지원하게 된다.

일반적으로 CMP 가공 중에 연마 패드(110)는 바이스 패턴의 대소 조밀에 의해 응력 집중에 차이가 발생하여 탄성변형을 한다. 그리고 응력 집중이 큰 부위일수록 연마 속도는 상대적으로 크게 나타나게 된다.

연마패드의 경도는 연마제거속도의 균일성(uniformity)에 크게 영향을 주며, 일반적으로 경질의 연마 패드(10)는 칩 내부(within-the-die)에 대해서는 국소 평탄화 특성(local planarization)은 좋으나, 표면결함 등을 발생시키는 단점이 있다. 연질의 연마 패드(10)는 웨이퍼의 표면품위 특성은 좋으나, 패턴의 대소조밀에 따른 연마 속도의 편차를 발생시키는 단점이 있다(pattern sensitivity).

연마 패드(10)의 성능은 기본적으로 경도, 표면상태 및 압축 변형량에 의해결정된다. 우선 절연막 CMP용 연마 패드의 요구조건으로, 슬러리에 의해 화학적으로 에칭된 절연막 반응생성물을 제거하기 위해 단단하고 거친 표면(hard and porous)을 가질 필요가 있다.

금속 CMP용 패드의 조건은 연마될 금속에 크게 좌우된다. 알루미늄의 경우, 그 자체가 연질이며 더렵혀지고 손상되기 쉬우므로 연질 패드가 바람직하다. 경질금속인 텅스텐의 경우, 경질의 패드를 선정하는 것이 유리하다. 구리에 대해서는, 알루미늄과 텅스텐의 중간정도의 경도를 갖는 패드가 적절하다. 일반적으로 패드의 밀도가 낮을수록, 압축 변형량이 클수록 연마속도는 향상된다.

도 8a와 도 8b는 각각 도 7에 도시된 연마 패드를 설명하기 위한 평면도와 저면도이다.

도 9는 도 7에 도시된 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 8a, 도 8b 및 도 9를 참조하면 연마 패드(110)는 상부면 전체에 걸쳐 동심원 형태의 제1홈(111)이 형성되어 있다. 연마 패드(110)의 하부면에도 상기 상부면과 같이 동심원 형태의 제2홈(112)이 형성되어 있다. 제1홈(111)과 제2홈(112)은 상기 도면에 도시된 바와 같이 서로 대응하는 위치에 형성될 수도 있지만, 제1홈(111)과 제2홈(112)이 서로 엇갈리도록 형성될 수도 있다.

제1홈(111)은 슬러리 주입구(140)에서 공급된 슬러리를 상기 반도체 기판(W)의 표면과 접촉하도록 이동시키기 위한 통로이다. 상기 슬러리는 상기 반도체 기판(W)과 접촉하면서 상기 반도체 기판(W)을 화학적으로 연마한다. 연마 패드(110) 상에 공급되는 상기 슬러리가 상기 반도체 기판(W)과 접촉해야 화학적연마가 이루어지는데 상기 반도체 기판(W)을 지지한 연마 헤드(130)가 상기 반도체 기판(W)을 누르는 압력으로 인해 슬러리가 상기 반도체 기판(W)과 잘 접촉하지 못한다. 따라서 연마 패드(110)의 상부면에 제1홈(111)을 형성하여 상기 슬러리의 공급을 원활하게 한다.

상기 제1홈(111)의 폭이 좁을 경우 상기 슬러리의 공급 속도가 감소되어 제1홈(111)에 이물질이 침착되게 된다. 제1홈(111)에 이물질이 침착되면 상기 반도체 기판(W)과 연마 패드(110) 사이에 상기 슬러리 공급이 줄어들게 된다. 따라서 상기 반도체 기판(W)의 화학적 연마가 잘 이루어지지 않게 되고, 또한 제1홈(111)에 침착된 이물질에 의해 상기 반도체 기판(W)에 스크래치가 발생하게된다. 따라서 제1홈(111)의 폭을 0.4 내지 0.8mm로 형성하여 상기 슬러리의 흐름을 원활하게 하고 제1홈(111)에 이물질이 침착되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

제2홈(112)은 내부에 공기가 충전된 상태에서 정반(120)에 부착된다. 즉 정반에 부착된 연마 패드(110)의 제2홈(112)에는 공기가 충전되어 있다. 따라서 제2홈(112)은 완충 역할을 하게 되며, 연마 패드(110)에서 제2홈(112)이 형성된 부위의 경도를 조절하게 된다.

연마 패드(110)에 압력이 크게 가해지는 부위에서는 제2홈(112)이 크게 수축하게 되고, 연마 패드(110)에 압력이 작게 가해지는 부위에서는 제2홈(112)이 작게 수축하게 된다. 즉 연마 속도가 상대적으로 큰 상기 반도체 기판(W)의 가장자리 부위가 연마되는 부분의 경도는 낮추고, 연마 속도가 상대적으로 낮은 상기 반도체 기판(W)의 중앙 부위가 연마되는 부분의 경도는 높이게 된다. 그러므로 전체적으로상기 반도체 기판(W)의 연마 속도가 균일해진다.

도 10은 상기 제1실시예에 따른 연마 패드와 종래 기술에 따른 연마 패드를 이용한 반도체 기판(W)의 연마 속도를 나타낸 그래프이다.

종래 기술에 따른 연마 패드(10)를 이용하여 반도체 기판(W)을 연마하는 경우 상기 그래프에 나타난 바와 같이 반도체 기판(W)의 중심 부위의 연마 속도와 가장자리 부위의 연마 속도의 차이가 크다. 그러나 상기 제1실시예에 따른 연마 패드(110)를 이용하여 반도체 기판(W)을 연마하는 경우 반도체 기판(W)의 중심 부위의 연마 속도와 가장자리 부위의 연마 속도가 거의 비슷하다.

도 11은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 11을 참조하면, 연마 패드(113)의 상부면에는 전체에 걸쳐 제1홈(114)이 형성되어 있고, 하부면에는 일부, 즉 가장자리 부위에 제2홈(115)이 형성되어 있다. 연마 패드(113)에 형성되는 제1홈(114)은 상기 제1실시예와 동일하게 형성된다.

연마 패드(113)에 형성되는 제2홈(115)의 위치에 따라 그 부분의 경도를 조절할 수 있다. 따라서 반도체 기판(W)의 부위에 따라 연마 속도를 조절할 수 있다.

상기 도면에서는 상기 제2홈(115)이 연마 패드(113)의 가장자리 부위에 형성되어 있지만 상기 연마 패드(113)의 중앙 부위 등 연마 속도를 조절하기 위한 위치에 다양하게 형성될 수 있다.

현재의 반도체 기판(W) 연마 공정은 연마하여야 하는 막의 두께가 증착 설비에 따라서 부분적으로 달라지게 되고, 또한 반도체 기판(W) 상의 패턴의 형태에 따라서 부분적인 연마 속도의 조정이 요구되고 있다. 따라서 상기와 같이 부분적인 연마 속도의 조절은 반드시 필요하다.

도 12a와 도 12b는 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 연마 패드를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 12a는 상기 반도체 기판(W)을 연마하기 위한 연마 패드의 상부면을 나타내고, 도 12b는 정반(120)에 부착되기 위한 연마 패드의 하부면을 나타낸다. 상기 상부면에는 격자 형태의 제1홈(117)이 형성되어 있고, 상기 하부면에도 격자 형태의 제2홈(118)이 형성되어 있다. 상기 제1홈(117)은 상기 제1실시예에서와 같이 상기 반도체 기판(W)과 상기 연마 패드(116) 사이로 슬러리 공급을 원활하게 하기 위한 것으로 그 폭을 0.4 내지 0.8mm로 형성하여 상기 제1홈(117)에 이물질이 침착되지 않도록 한다.

상기 제2홈(118) 역시 상기 제1실시예에서와 같이 상기 연마 패드(116)의 하부면 전체에 걸쳐 형성되고, 내부에 공기가 충전된 상태에서 정반(120)에 부착되어 상기 반도체 기판(W)의 연마 속도를 균일하게 한다.

도면에 도시된 바와 달리 상기 제2홈(118)은 외부와 개방된 상태로 형성될 수도 있다. 또한 상기 제2홈(118)은 상기 제2실시예에서와 같이 상기 연마 패드(116)의 하부면 일부에 형성되어 부분적으로 상기 반도체 기판(W)의 연마 속도를 조절할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드는 반도체 기판과 접하는 제1면과 정반에 부착되는 제2면에 각각 홈이 형성되어 있다. 상기 제1면에 형성된 홈은 0.4 내지 0.8mm로 형성되어 슬러리의 유동을 원활하게 하고, 상기 홈에 이물질이 침착되는 것을 방지한다. 상기 제2면에 형성된 홈은 상기 제2면 전체에 형성되어 상기 반도체 기판을 연마 속도를 균일하게 하거나, 상기 제2면의 일부에 형성되어 상기 반도체 기판의 연마 속도를 부분적으로 변화시킨다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 정반에 부착되어 반도체 기판을 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마 패드에 있어서,

   상기 반도체 기판을 연마하기 위한 제1면에는 상기 반도체 기판과 상기 연마 패드 사이에 슬러리 공급을 원활하게 하기 위한 제1홈이 형성되고, 상기 정반에 부착되는 제2면에는 상기 반도체 기판의 연마 속도를 조절하기 위한 제2홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1홈 및 제2홈은 각각 동심원 형상 또는 격자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2면에 형성되는 제2홈은 상기 제2면 전체에 걸쳐 형성되어 상기 반도체 기판의 연마 속도를 균일하게 하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2면의 일부분에 형성되어 상기 반도체 기판의 연마 속도를 부분적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1면에 형성된 제1홈은 상기 슬러리의 유동을 원활히 하여 이물질의 침착을 억제하기 위해 0.4 내지 0.8mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 연마 패드.