KR20050070254A - Ｃｍｐ 공정에서의 연마 종말점 검출 장치 - Google Patents

Ｃｍｐ 공정에서의 연마 종말점 검출 장치

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KR20050070254A
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Abstract

본 발명은 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치에 관한 것으로, 특히 CMP 공정 장비로부터 연마 반응 물질을 공급받고 이 연마 반응 물질과 전해 용액을 혼합한 전해조와, 전해조의 용액내에 잠겨 있는 다수개의 전극들과, 다수개의 전극들 중에서 임의의 전극들에서 측정된 전극 사이의 전위 차이를 전기화학적으로 분석하는 전기화학적 분석기와, 전기화학적 분석기에서 분석된 값을 전달받아 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출하는 PC를 포함한다. 그러므로 본 발명에 따른 CMP 공정의 연마 반응 물질을 전해 용액과 혼합한 전해조에 넣고 전해조의 전극들에서 측정된 연마 대상막의 전기화학적 전위 변화량에 따라 CMP 공정의 연마 종말점을 검출할 수 있어 정확하게 반도체 소자의 평탄화 공정을 진행하는데 유용하다.

Description

ＣＭＰ 공정에서의 연마 종말점 검출 장치{END POINT DETECTING DEVICE FOR CMP PROCESS}
본 발명은 반도체 소자의 CMP 공정 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자의 평탄화를 위한 CMP 공정에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
현재, 반도체 소자의 고집적화 및 대용량화 추세에 따라 각 소자의 사이즈를 축소시키기 위해서 제한된 면적에 다층 구조를 형성하는 고집적화 기술이 개발되고 있다. 이러한 다층 구조의 반도체 소자에 따라 각 층간의 단차를 극복하기 위한 방안으로서 평탄화 공정이 사용되고 있다.
최근에는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하 'CMP'라 함) 기술을 이용하여 반도체 층을 평탄화시킴으로써 각 층간의 단차를 줄이고 있다. 예를 들어, 층간 절연막에서 금속 배선들이 형성된 부분은 높이 솟아 산을 형성하고 금속배선들 사이의 갭(gap) 부분에서는 함몰되어 골짜기를 형성하여 단차가 발생할 경우 이들 층간 절연막 표면을 CMP 방법으로 평탄화시키는 과정은 도 1의 CMP 공정 장비(10)를 참조하여 설명한다.
가공대상의 층간 절연막이 있는 웨이퍼(13) 표면을 웨이퍼 캐리어(14)에 고정시키고, 웨이퍼 캐리어(14)를 연마 패드(12) 쪽으로 하강시켜 연마 패드(12) 위에 웨이퍼(13)를 밀착시킨다. 그리고 연마 패드(13) 상에 용액 공급관(16)을 통해 초순수(deionized water)와 함께 슬러리(slurry)를 공급하고 연마 패드(14)가 설치된 연마 정반과 웨이퍼 캐리어(14)를 동일한 방향으로 회전시킨다. 그러면, 웨이퍼(13)와 연마 패드(12) 사이에 슬러리가 유입되어 골짜기보다 높게 형성된 층간 절연막 부분을 화학적, 기계적으로 연마함으로써 층간 절연막 표면을 평탄화시킨다. 그런데, 이때 층간 절연막의 연마 두께를 제어하여 층간 절연막의 연마를 멈춰야하는 연마 종말점(end point)을 검출하는 것이 매우 중요하다.
이러한 CMP 공정에서 연마 종말점을 검출하는 방법(EPD : End Point Detect)으로는 사용 원리에 따라 온도검출 방법과 모터 전류 검출 방법 및 광 검출 방법 등이 있다.
첫째 온도 검출 방법은 웨이퍼와 연마패드의 마찰력으로 인해 상승되는 연마 패드의 온도를 검출하여 연마 종말점을 결정하는 방법이고, 모터 전류 검출 방법은 연마정반과 웨이퍼 캐리어를 회전시켜주는 모터에 인가되는 전류를 검출하여 연마 종말점을 결정하는 방법이고, 광 검출 방법은 연마 대상막의 경계면에서 반사되어 되돌아온 빛의 파장에 의해 연마 종말점을 검출하는 것이다.
그러나, 상기와 같은 연마 종말점 검출 방법들은 CMP 공정의 고유한 단점인 연마 패드의 노화 및 슬러리의 안정성에 매우 민감하여 연마 종말점 검출에 실패율이 높으며 연마 속도의 불균일성 때문에 정확하게 반도체 소자의 평탄화 공정을 진행하는데 어려움이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 CMP 공정의 연마 반응 물질을 전해 용액과 혼합한 전해조에 넣고 전해조의 전극들에서 측정된 연마 대상막의 전기화학적 전위 변화량에 따라 CMP 공정의 연마 종말점을 검출할 수 있는 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자의 평탄화를 위한 CMP 공정의 연마 종말점 검출 장치에 있어서, CMP 공정 장비로부터 연마 반응 물질을 공급받고 이 연마 반응 물질과 전해 용액을 혼합한 전해조와, 전해조의 용액내에 잠겨 있는 다수개의 전극들과, 다수개의 전극들 중에서 임의의 전극들에서 측정된 전극 사이의 전위 차이를 전기화학적으로 분석하는 전기화학적 분석기와, 전기화학적 분석기에서 분석된 값을 전달받아 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출하는 PC를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 따른 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치(100)는 CMP 공정 장비(도 1)의 배출관(19)으로부터 연마 반응 물질을 공급받고 이 연마 반응 물질과 전해 용액을 혼합한 전해조(electrolytic bath)(102)와, 전해조(102)의 용액내에 모두 잠겨 있는 다수개의 전극들(104, 106, 108)과, 이들 다수개의 전극들(104, 106, 108) 중에서 임의의 전극들(104, 108)에서 측정된 전극 사이의 전위 차이를 전기화학적으로 분석하는 전기화학적 분석기(electronic potentiostat/galvanostate)(120)와, 전기화학적 분석기(120)에서 분석된 값을 전압값 또는 전류값으로 변환하는 전압/전류 측정기(130)와, 전압/전류 측정기(130)의 전압값 또는 전류값으로 전달받거나 전기화학적 분석기(120)의 분석값을 전달받아 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출하는 PC(Personal Computer)(140) 등으로 구성된다.
여기서 전해조(102)는 연마 반응 물질(슬러리를 포함한 용액)과 설정된 pH의 전해 용액을 혼합하여 저장하고 있다.
다수개의 전극들은 기준 전극(reference electrode)(104)과, 작동 전극(working electrode)(106)과, 카운터 전극(counter electrode)(108)으로 구성된다. 예컨대 기준 전극(104)은 작동 전극(106)의 전위를 측정 또는 제어하기 위한 기준이 되는 전극으로서, 일반적으로 은/염화은 전극, 포화 염화 제1수은 전극(SCE : Saturated Calomel Electrode), 수은/산화수은전극 등이 사용된다. 작동 전극(106) 및 카운터 전극(108)은 백금(Pt) 또는 로듐(Rh) 등의 와이어(wire) 전극을 사용한다. 작동 전극(106)은 분석을 위한 전기화학적인 반응이 전극 표면에서 일어나는 전극이며, 일정 전위를 제어하여 전류를 측정한다. 카운터 전극(108)은 작동 전극(106)에 흐르는 전류를 흐르게 하기 위한 보조적인 전극으로서 백금, 금, 탄소 등의 전기 분해에 의하여 재료자체의 변질, 용해되니 않는 재료를 사용한다.
전기화학적 분석기(120)는 일정 전위(전압)를 제어(potentiostat)하거나 일정 전류를 제어(galvanostat)하는 역할로서, 기준 전극(104)에 대한 전위를 제어하는 역할도 하고 이를 위하여 접지(ground) 전원(110)과도 연결되어 있다.
전압/전류 측정기(130)는 keithey2000 등의 멀티메터(multi meter) 장비를 이용하여 전기화학적 분석기(120)에서 분석된 값을 전압 또는 전류값으로 변환하여 이를 PC(140)에 제공한다. 대게 전기화학적 분석기(120)와 전압/전류 측정기(130)는 연결 케이블(122)로 연결되어 있으며 전압/전류 측정기(130)와 PC(140)는 GPIB( General Purpose Interconnect Bus) 인터페이스(I/F : Interface)로 연결되어 있다.
PC(140)는 전기화학적 분석기(120)를 제어하여 작동 전극(106)의 전위를 조정할 수 있다. PC(140)는 기준 전극(104)과 카운터 전극(108) 사이의 전위 차이를 정하도록 전기화학적 분석기(120)에 지시하여 작동 전극(106)에 원하는 전위 값을 갖도록 조정한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치는 다음과 같이 작동한다.
CMP 공정시 CMP 공정 장비(도 1)의 배출관(19)으로부터 연마 반응 물질이 본 발명의 연마 종말점 검출장치(100)의 전해조(102)로 공급된다. 전해조(102)는 CMP 공정 장비에서 공급된 연마 반응 물질과 특정 pH의 전해 용액을 혼합한다. 전해조(102)의 혼합된 용액내에 잠겨져 있는 전극들(104, 106, 108) 중에서 작동 전극(106)에는 PC(140)에서 조정된 전위가 인가된다. 즉, PC(140)는 기준 전극(104)과 카운터 전극(108) 사이의 전위 차이를 정하도록 전기화학적 분석기(120)에 지시하여 작동 전극(106)에 원하는 전위 값을 갖도록 조정하도록 한다. 이에 작동 전극(106)은 PC(140)에서 조정한 전위를 갖게 된다.
전해조(102)의 용액에 잠겨 있는 전극들(104, 106, 108)에서는 H+ 또는 OH-와 같은 수소 이온에 의해 산화 반응과 환원 반응이 일어나게 된다.
전기 화학적 분석기(120)는 이러한 산화/환원의 전기 화학적 반응이 일어나는 기준 전극(104)과 카운터 전극(108) 사이의 전위 변화를 분석한다.
분석된 값은 직접 PC(140)로 전달되어 디지털로 신호처리된다. 혹은 전압/전류 측정기(130)를 통해서 전기화학적 분석기(120)에서 분석된 값이 전압 또는 전류값으로 변환된 후에 PC(140)에 전달된다.
PC(140)는 전기화학적 분석기(120)의 분석값 또는 전압/전류 측정기(130)의 전압/전류값을 전달받아 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출한다. 즉, 동일한 연마 대상막이 연마될 동안은 전기화학적 분석기(120)의 분석값, 전압/전류 측정기(130)에서 측정된 전압/전류값이 동일한 값을 유지하게 되지만, 연마 대상 물질이 변경될 경우에는 전해조(102)의 전기 화학적 반응에 따라 전기화학적 분석기(120) 또는 전압/전류 측정기(130)에서의 값이 달라지게 된다. 그러므로 본 발명은 이러한 전해조의 전기화학적 측정값의 변화량을 검출하여 연마 대상막의 연마 종말점을 찾게 된다.
한편 본 발명에서는 다른 2가지 이상의 연마 대상막들, 예컨대 연마 대상막과 이의 연마 정지막 또는 확산 방지막들을 동시에 평탄화하는 과정에서도 전해조에서 일어나는 전기화학적 반응에 의해 얻어지는 측정값의 변화량이 크게 달라지는 값에 따라 이들 막의 연마 종말점을 검출하게 된다. 따라서 연마 대상막보다 얇은 연마 정지막 또는 확산 방지막의 선택적 연마가 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 CMP 공정의 연마 반응 물질을 전해 용액과 혼합한 전해조에 넣고 전해조의 전극들에서 측정된 연마 대상막의 전기화학적 전위 변화량에 따라 CMP 공정의 연마 종말점을 검출할 수 있다.
따라서 본 발명은 CMP 공정의 연마 패드의 노화 및 슬러리, 또는 연마 속도의 불균일성에 상관없이 연마 종말점을 검출할 수 있어 정확하게 반도체 소자의 평탄화 공정을 진행하는데 유용한 발명이다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 일반적인 CMP 장비의 개략적 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치를 나타낸 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 연마 종말점 검출 장치
102 : 전해조
104 : 기준 전극
106 : 작동 전극
108 : 카운터 전극
120 : 전기화학적 분석기
130 : 전압/전류 측정기
140 : PC

Claims (4)

  1. 반도체 소자의 평탄화를 위한 CMP 공정의 연마 종말점 검출 장치에 있어서,
    상기 CMP 공정 장비로부터 연마 반응 물질을 공급받고 이 연마 반응 물질과 전해 용액을 혼합한 전해조와,
    상기 전해조의 용액내에 잠겨 있는 다수개의 전극들과,
    상기 다수개의 전극들 중에서 임의의 전극들에서 측정된 전극 사이의 전위 차이를 전기화학적으로 분석하는 전기화학적 분석기와,
    전기화학적 분석기에서 분석된 값을 전달받아 상기 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출하는 PC
    를 포함하는 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다수개의 전극들은 기준 전극, 작동 전극, 카운터 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기화학적 분석기에서 분석된 값을 전압 또는 전류값으로 변환하여 상기 PC에 전달하는 전압/전류 측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 PC는 상기 전기화학적 분석기 또는 전압/전류 측정기에서 전달된 값의 변화량에 따라 상기 CMP 공정 장비에서의 연마 대상막의 연마 종말점을 검출하는것을 특징으로 하는 CMP 공정에서의 연마 종말점 검출 장치.
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