KR20050008231A - 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치 및헤드압력조절방법 - Google Patents

Abstract

화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치 및 방법을 제공한다. 이러한 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치 및 방법은 케리어헤드의 적어도 두 개로 된 가압 영역에 해당하는 연마종료시점을 개별적으로 체크하여 각 가압영역의 가압상태를 개별적으로 조절하여 웨이퍼 전면에 대한 웨이퍼 연마율을 균일하게 하도록 한다.

Description

화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치 및 헤드압력조절방법{HEAD PRESSURE ADJUSTMENT APPARATUS OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND THE HEAD PRESSURE ADJUSTMENT METHOD THERE OF}

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치 및 헤드압력조절방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연마공정이 진행될 때 피연마물(예컨대, 웨이퍼)에 가해지는 압력을 각 영역별로 조절하여 연마두께를 균일하게 하는 연마장치 및 연마방법에 관한 것이다.

반도체 기판상에 퇴적한 금속막(Cu, W, Al 등)을 평탄화하여 예를 들어 Cu 다마싱 등의 금속 매립 배선을 형성할 때, CMP(Chemical Mechanical Polishing : 화학적 기계적 연마)가 이용되고 있다.

그리고, 배선폭이 다른 상기 금속 매립 배선을 동시에 형성할 때, 폭이 다른 복수의 홈에 금속막을 퇴적시키면 금속막의 표면에 요철(단차)이 형성되는 것이 알려져 있다.

종래, 이 금속막의 단차를 완화하기 위해서, 연마 패드의 경도와 연마 패드의 회전 속도를 제어하여 연마(화학적 기계적 연마)를 행하고 있다.

상기 화학적 기계적 연마공정에서는 회전하고 있는 연마패드에 웨이퍼를 마찰시켜서 여러 가지 막질 들을 연마한다. 이때, 연마되는 양(식각량 : Removal Rate)은 연마패드와 웨이퍼간의 마찰력의 크기에 따라 변한다.

따라서 그 마찰력의 크기를 균일하게 하기 위한 것으로 일본공개특허공보(특개평8-155831호 발명의 명칭 : 연마장치 및 연마방법)에 개시된 바 있다.

그 구성을 살펴보면, 웨이퍼척테이블의 내부에 제1자기발생체와, 연마테이블의 내부에 제1자기발생체가 발생하는 자기와 대응해서 반발하는 자기를 발생시키는 제2자기발생체를 각각 설치하여 상기 제1자기발생체가 발생하는 자기와 제2자기발생체가 발생하는 자기에 의해 발생하는 척력에 의해 웨이퍼척테이블하면과 연마테이블의 상면간의 간격이 평행하게 유지되도록 하여 균일한 연마막을 형성하도록 하고 있다.

다음, 상술한 마찰력의 크기를 결정하는 요소 중 다른 하나는 웨이퍼의 뒷면에서 웨이퍼 상에 작용하는 압력이 있다.

상기 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 압력의 크기를 조절하기 위한 장치로 미국특허(특허번호 5,822,243, 발명의 명칭: 동적 콘트롤을 이용한 반도체 웨이퍼 연마방법)에 개시된 바 있다.

상기 발명은 모듈레이션유닛을 갖는 케리어헤드를 포함하며, 그 모듈레이션유닛은 가요성의 하부플레이트와 다수의 분할판으로 이루어지는 상부 분할 플레이트로 구성된 복수의 캐패시터를 포함하고 있다.

콘트롤러모니터는 소정의 정전용량에 대하여 각 상부분할플레이트와 하부플레이트간의 정전용량을 비교하며, 측정된 크기와 정해진 정전용량이 다를 경우 콘트롤러는 각각의 상부 분할 플레이트에 적절한 전압을 조절하여 정해진 정전용량에 맞춘다. 따라서, 웨이퍼 연마작업을 동적이면서 국부적으로 수행할 수 있도록 하고 있다.

또한, 종래에는 웨이퍼 뒷면에 가해지는 압력의 크기를 조절하기 위한 것으로 N₂가스 또는 공기의 압력을 변화시키는 것에 의하고 있다. 그 웨이퍼의 뒷면에 가해지는 가압 영역은 복수개의 독립적인 영역으로 나누어지는 가압헤드구조를 갖으며, 각 영역은 개별적인 압력조절이 가능하다

이와 같은 동작을 수행함에 있어서, 상기 연마포 상에는 각 영역의 연마종료시점을 감지하는 엔드포인트디텍터(End Point Detector)가 설치되어 각 영역이 모두 연마 완료됨이 감지되면, 연마공정을 마치게 된다.

그러나, 이와 같이 연마공정 종료시점을 각 영역이 모두 종료되는 시점을 기준으로 함에 따라 각 영역의 연마율이 달라 연마율이 높은 영역에서는 상대적으로 연마되는 정도가 높게 나타나는 문제점이 있다.

그와 같이 상대적으로 연마정도가 높게 된 부분은 슬러리 등이 정체되어 리세스(recess)를 유발하거나, 디싱(dishing), 부식(erosion)등의 결함을 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은 각 영역별로 피 연마물의 엔드포인트(End Point)를 감지하여 그 엔드포인트 감지상태를 기초로 각 영역에 가해지는 압력을 개별적으로 조절하도록 된 연마장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 피 연마물의 후면에 가해지는 후면 압력을 각 영역별로 조절하여 피 연마물의 연마두께를 균일하게 하는 연마방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 화학적 기계적 연마장치 헤드압력조절장치의 구성을 도시한 도면,

도 2는 상기 도 1의 구성에 의해 연마공정을 실시하는 과정을 도시한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연마포 3 : 연마테이블

10 : 케리어헤드 15a,15b,15c : 제1,2,3영역

30 : 유압공급유닛 50 : 제어기

61,63,65 : 제1,2,3엔드포인트디텍터

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1관점에 의하면, 소정의 방향으로 회전가능한 연마테이블과; 상기 연마테이블의 상측에 회전가능하게 설치되되 그 저면에 웨이퍼가 설치되며 적어도 두 개의 가압영역을 갖는 케리어헤드와; 상기 가압영역으로 소정의 압력으로 조절된 유체를 공급하는 유체공급유닛과; 상기 연마테이블측에 배치되되 상기 가압영역에 각각 대응하는 위치로 설치되어 각 영역별 연마종료시점을 감지하는 적어도 두 개의 엔드포인트디텍터와; 상기 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받아 상기 유체공급유닛으로 각 영역에 해당되는 압력을 조절하기 위한 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치가 제공된다.

상기 제어기는 임의의 한 영역을 감지하는 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받으면 그 해당영역에 대하여 가압력을 해제시키는 신호를 유압공급유닛으로 출력하도록 된 것으로 함이 바람직하다.

상기 제어기는 임의의 한 영역에 해당하는 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받으면 연마종료시점이 감지되지 않은 나머지 영역에 대한 가압력을 증대시키는 신호를 출력하도록 된 것으로 함이 바람직하다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2관점에 의하면, 소정의 연마공정을 실시하는 단계와; 각 영역별 엔드포인트를 감지하는 단계와; 엔드포인트 감지결과에 따라 각 영역별 가압력을 개별적으로 조절하는 단계와; 모든 영역에 엔드포인트가 감지되었는지 여부를 판단하는 단계와; 모든 영역에 엔드포인트가 감지되었을 경우 연마공정을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력 조절방법이 제공된다.

상기 가압력 조절단계에 있어서, 엔드포인트가 감지된 영역은 그 가압력을 해제시키는 것으로 함이 바람직하다.

상기 가압력조절단계에서는 적어도 하나의 영역에서 엔드포인트가 감지되면, 주위의 영역에 대한 가압력을 상대적으로 높여주는 것으로 함이 바람직하다.

다음, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 의한 연마장치의 구성 및 작용에 대해서 좀더 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 일 실시 예에 의한 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 상기 도 1의 구성에 의하여 헤드압력조절이 진행되는 과정을 도시한 순서이다.

도 1에 도시된 바와 같이 상면에 연마포(1)를 붙인 회전하는 연마테이블(3)과, 회전 및 가압 가능하게 연마대상물인 웨이퍼(W)를 유지하는 케리어헤드(10 : Carrier Head)와, 상기 케리어헤드(10)의 각 영역별 가압력을 조절하여 유압을 제공하는 유압공급유닛(30)과, 상기 연마테이블(3)상에 마련되며 웨이퍼(W)의 각 영역별 연마 종료 시점을 감지하는 제1,2,3엔드포인트디텍터(61,63,65)와, 상기 제1,2,3엔드포인트디텍터(61,63,65)의 신호를 전달받아 상기 유압공급유닛(30)으로 압력 조절신호를 출력하는 제어기(50)로 구성된다.

상기 케리어헤드(10)는 샤프트(11)에 연결되어 있으며, 상기 케리어헤드(10)는 연마 중에 피연마물(이하 “웨이퍼“라 칭함)(9)이 케리어헤드(10)의 하면으로부터 벗겨지지 않도록 하기 위하여 원통형상의 가이드링(13)을 바깥 둘레 가장 자리부에 구비하고 있으며, 가이드링(13)은 케리어헤드(10)에 대하여 고정되어 있고, 그 하단면은 케리어헤드(10)의 유지면으로부터 돌출하도록 형성되어 웨이퍼(9)가 유지면내에 유지되고, 연마 중에 연마포(1)와의마찰력에 의해서 케리어헤드(10)밖으로 튀어나가지 않도록 되어 있다.

상기 케리어헤드(10)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이 그 내부로 에어가 공급되는 베럴부(15)가 마련되며, 상기 베럴부(15)는 동심원 형태를 이루며 소정의 공간(15a,15b,15c: 설명의 용이성을 위하여 이하, “제1,2,3영역”이라 칭함)으로 구획 형성된다.

각 구획된 제1,2,3영역(15a,15b,15c)에는 다수개의 에어공급구(16a,16b,16c)가 돌출 마련되고, 상가 에어공급구(16a,16b,16c)에 연결관(17a,17b,17c)을 매개로 에어공급관(19a,19b,19c)들이 끼워져서 도시되지 않은 에어공급장치로부터 에어가 공급되도록 구성된다.

상술한 바와 같이 구성된 종래의 연마장치는 웨이퍼(9)를 케리어헤드(10) 하면에 유지하고, 연마테이블(3)상의 연마포(1)에 웨이퍼(9)를 케리어헤드(10)에 의하여 가압함과 동시에, 연마테이블(3) 및 케리어헤드(10)를 회전시켜 연마포(1)와 웨이퍼(9)를 상대 운동시켜 연마한다. 이때, 연마액이 상기 연마테이블(3)상에 마련된 연마액공급홀(미도시)을 통하여 공급된다. 연마액(S)은 예를 들어 알칼리용액에 미립자로 이루어지는 미립자를 현탁시킨 것을 사용하고, 알칼리액에 의한 화학적 연마작용과, 미립자에 의한 기계적 연마작용의 복합작용에 의하여 웨이퍼를 연마한다.

상기 웨이퍼(9)가 케리어헤드(10)에 의해 가압됨은 상기 에어공급관(19a,19b,19c)을 통해 공급되는 에어가 제1,2,3영역(15a,15b,15c)으로 각각 유입되어 가압되는 것에 의해 웨이퍼(9)가 눌러지게 된다. 이에 따라웨이퍼(9)는 적정 수준의 접촉력을 유지하여 연마공정을 수행(S100)한다. 이때, 각 영역(15a,15b,15c)에 가압되는 압력은 개별적으로 설정되어 진행한다.

다음, 이와 같은 공정을 실시함에 있어서, 케리어헤드(10)의 제1,2,3영역(15a,15b,15c)에 대응된 위치로 설치된 제1,2,3엔드포인트디텍터(End Point Detector : 61,63,65)는 각 영역별 연마종료시점(엔드포인트)를 감지(S300)한다.

그후, 각 영역별 가압력을 조절(S500)한다. 그에 대하여 좀더 상세히 설명하면, 먼저, 제1엔드포인트디텍터(61)로부터 엔드포인트가 감지되면 제어기(50)를 이를 전달받아 유압공급유닛(30)으로 제1영역(15a)에 공급되는 에어를 차단하여 상기 제1영역(15a)에 해당하는 가압력을 0압력 상태로 만든다. 그러면, 주위의 제2,3영역(15b,15c)이 연마공정을 계속 실시함에 있어서, 상기 제1영역(15a)은 연마가 되지 않게 된다.

한편, 그 가압력 조절에 있어서, 다른 예로 엔드포인트가 감지된 제1영역(15a)의 압력을 해제시키는 것과는 달리 제2,3영역(15b,15c)의 압력을 상대적으로 높여 주여 제2,3영역(15b,15c)이 좀더 빠르게 연마되도록 함으로써 웨이퍼(W) 전체 연마율을 고르게 하도록 할 수도 있다.

다음, 상기와 같은 방법에 의하여 엔드포인틀 감지하는 과정이 완전히 수행되어 전 영역에 걸쳐 엔드포인트가 감지(S700)되면 연마공정을 종료(S900)한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 케리어헤드의 압력을 영역별로 조절하여 웨이퍼전면에 대한 연마율을 고르게 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 소정의 방향으로 회전가능한 연마테이블;

   상기 연마테이블의 상측에 회전가능하게 설치되되 그 저면에 웨이퍼가 설치되며 적어도 두 개의 가압영역을 갖는 케리어헤드;

   상기 가압영역으로 소정의 압력으로 조절된 유체를 공급하는 유체공급유닛;

   상기 연마테이블측에 배치되되 상기 가압영역에 각각 대응하는 위치로 설치되어 각 영역별 연마종료시점을 감지하는 적어도 두 개의 엔드포인트디텍터;

   상기 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받아 상기 유체공급유닛으로 각 영역에 해당되는 압력을 조절하기 위한 신호를 출력하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제어기는 임의의 한 영역을 감지하는 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받으면 그 해당영역에 대하여 가압력을 해제시키는 신호를 유압공급유닛으로 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제어기는 임의의 한 영역에 해당하는 엔드포인트디텍터로부터 연마종료시점에 대한 신호를 전달받으면 연마종료시점이 감지되지 않은 나머지 영역에 대한 가압력을 증대시키는 신호를 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력조절장치.
4. 소정의 연마공정을 실시하는 단계;

   각 영역별 엔드포인트를 감지하는 단계;

   엔드포인트 감지결과에 따라 각 영역별 가압력을 개별적으로 조절하는 단계;

   모든 영역에 엔드포인트가 감지되었는지 여부를 판단하는 단계;

   모든 영역에 엔드포인트가 감지되었을 경우 연마공정을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력 조절방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 가압력 조절단계에 있어서, 엔드포인트가 감지된 영역은 그 가압력을 해제시키는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력 조절방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 가압력조절단계에서는 적어도 하나의 영역에서 엔드포인트가 감지되면, 주위의 영역에 대한 가압력을 상대적으로 높여주는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 헤드압력 조절방법.