KR20050106904A - 연마장치의 연마패드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CMP 전후 웨이퍼의 중앙부분과 웨이퍼의 외곽에서 연마대상막의 두께 균일도를 확보할 수 있는 연마장치의 연마패드를 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 중앙부분에 비해 웨이퍼의 외곽에서 두꺼운 경우 그 부분이 접촉하는 연마패드의 접촉면적밀도를 다른 부분(웨이퍼의 중앙부분)에 비해 높게 해서 연마속도를 빠르게 하도록 연마패드의 그루브 가공을 달리하고, 반대로, 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 중앙부분에 비해 웨이퍼의 외곽에서 얇은 경우, 그 부분이 접촉하는 연마패드의 접촉면적밀도를 다른 부분(웨이퍼의 중앙부분)에 비해 낮게 해서 연마속도를 느리게 하도록, 연마패드의 그루브 가공을 다르게 한다.

Description

연마장치의 연마패드{POLISHING PAD FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING}
본 발명은 반도체 소자 제조 장치에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 연마장치용 연마패드에 관한 것이다.
최근에 소자가 보다 고집적화되면서 균일도의 중요성이 점점 커지고 있다. 그리고, 반도체 제조공정에서 웨이퍼내의 균일도는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 기인하는 바가 크다. 그러나, 현재의 CMP 공정에서 로컬 균일도(Local uniformity)는 충분히 확보되고 있으나 웨이퍼내의 글로벌 균일도(global uniformity)는 만족할만한 수준을 확보하고 있지 않다.
이러한 균일도 향상을 위해 장비 하드웨어적으로 접근하는 연구가 많이 진행되고 있으나, 대부분 웨이퍼를 고정하고 있는 헤드(Head) 또는 캐리어(Carrier) 부분의 멤브레인(Membrane)에 존(zone)을 나누어 따로 압력을 조절하여 연마균일도를 개선하는 개념을 도입하고 있다. 그러나, 이 경우에도 균일도 확보에는 한계가 있다.
CMP 공정에서 연마패드(Polishing pad)는 슬러리와 함께 가장 중요한 요소이다. 연마패드는 슬러리와 함께 웨이퍼 표면과의 기계적 마찰을 이용하여 연마를 유도하는 역할을 한다. 연마패드의 표면에는 그루브(Groove)라 일컫는 홈이 형성되어 있다.
그루브는 슬러리를 웨이퍼 표면내로 이송하는 기능과 반응물을 제거하는 역할을 하며, 주로 사용하고 있는 연마패드는 이러한 그루브가 연마패드 전면에 동일한 밀도로 형성되어 있다. 이는 웨이퍼 전면에서 동일한 연마량을 갖기 위한 것이다.
위와 같이, 연마패드가 형성됨에 따라 CMP 공정후의 균일도는 이전 공정의 영향을 직접적으로 받게 된다.
도 1은 종래기술의 제1예에 따른 CMP 전후의 두께프로파일을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래기술의 제2예에 따른 CMP 전후의 두께프로파일을 나타낸 도면이다.
도 1은 연마대상막이 웨이퍼의 바깥쪽에서 두꺼운 프로파일을 갖는 경우이고, 도 2는 연마대상막이 웨이퍼의 바깥쪽에서 얇은 프로파일을 갖는 경우이다.
도 1을 참조하면, 연마대상막이 CMP전에 웨이퍼 외곽이 두꺼운 프로파일을 가지며, CMP 공정에서 제거되는 두께가 균일하여 CMP후에 두께 프로파일이 여전히 웨이퍼 외곽에서 두꺼운 것을 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1과 반대로 웨이퍼 외곽에서 연마대상막이 얇은 프로파일을 가지며 이것이 CMP 후에도 그대로 유지되는 것을 알 수 있다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 종래기술은 연마대상막의 두께 프로파일이 두껍거나 얇은 모든 경우에 CMP를 진행한다고 하더라도 CMP전의 두께프로파일을 그대로 유지하는 문제가 있다. 이러한 문제는 연마패드의 그루브가 연마대상막의 두께프로파일과 무관하게 일정한 형태로 형성되기 때문이다. 즉, CMP 공정진행전의 두께프로파일과 상관없이 균일한 형태의 그루브를 갖는 연마패드를 사용하므로써 연마량은 균일하게 유지하지만 CMP전의 두께프로파일이 CMP후에 그대로 유지되는 문제가 발생하는 것이다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, CMP 전후 웨이퍼의 중앙부분과 웨이퍼의 외곽에서 연마대상막의 두께 균일도를 확보할 수 있는 연마장치의 연마패드를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연마패드는 수평운동을 하는 웨이퍼 상의 연마대상막의 중앙부분과 소정 접촉면적밀도를 갖고 접촉하는 제1그루브영역, 및 상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도와 서로 다른 접촉면적밀도를 갖고 상기 연마대상막의 외곽과 접촉하는 상기 제1그루브영역 양측의 제2그루브영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 접촉면적밀도가 (x1-x2)/x1(x1은 이웃하는 그루브 사이의 거리, x2는 각 그루브의 폭)이라 할 때, 상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 크도록 상기 제1그루브영역의 x1을 상기 제2그루브영역의 x1보다 크게하고, 상기 제1그루브영역의 x2를 상기 제2그루브영역의 x2보다 작게 하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 접촉면적밀도가 (x1-x2)/x1(x1은 이웃하는 그루브 사이의 거리, x2는 각 그루브의 폭)이라 할 때, 상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 작도록 상기 제1그루브영역의 x1을 상기 제2그루브영역의 x1보다 작게하고, 상기 제1그루브영역의 x2를 상기 제2그루브영역의 x2보다 크게 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMP 장비의 정면도이다.
도 3을 참조하면, 연마패드(102)가 부착된 연마플래이튼(101)이 모터(103) 에 의해 한 방향으로 회전하며, 이 연마플래이튼(101)과 동일한 방향으로 웨이퍼(104)가 고정된 연마헤드(105)가 모터(106)에 의해 회전된다. 이 경우, 연마 플래이튼(101)의 회전속도는 연마헤드(105)의 회전속도와 거의 동일하다.
또한, 웨이퍼(104)의 후면은 연마헤드(105)의 저면에 고정된다. 그 후, 회전하는 연마헤드(105)가 서로 결합된 고정실린더(107a)와 이동실린더(107b)에 의해 수평방향으로 이동하면서, 회전하는 연마패드(102)상으로 푸시되면, 웨이퍼 (104) 상에 형성된 연마대상막의 전면이 연마된다.
위와 같은 CMP 장비는 연마패드(102)가 고정되어 있는 연마플레이튼(101)과 연마대상막(도시 생략)이 형성된 웨이퍼(104)를 고정하는 연마헤드(105) 사이에 연마재를 분산시킨 용액(슬러리, 도시생략)을 공급하면서 연마헤드(105)와 연마플레이튼(101)을 각각 독립적으로 회전시켜 빈틈없이 구석구석까지 연마대상막을 연마한다.
도 4는 도 3에 도시된 CMP 장비의 평면도로서, 연마패드와 웨이퍼를 도시한것이다. 이하, 도시되지 않은 부분은 도 3을 참조하기로 한다.
도 4를 참조하면, 연마플레이튼(101) 상의 연마패드(102)는 동심원의 형태를 갖고, 이 연마패드(102)의 상면에는 소정 폭, 깊이 및 형상을 갖는 그루브(Groove, 108)가 여러개 형성되어 그에 따른 패턴을 이루고, 이들 그루브(108)는 연마 과정에서 계속적으로 공급되는 슬러리의 유동과 분포 관계 및 연마대상막의 연마 정도를 결정하는 주요 요인으로 작용하게 된다.
도 3 및 도 4에서, 연마패드(102)가 고정된 연마플레이튼(101)과 웨이퍼(104)가 고정된 연마헤드(105)는 같은 방향으로 회전(Rotation, 109)을 하고, 이때 연마헤드(105)는 연마플레이튼(101)의 반경(radial) 방향으로 수평운동(Sweep, 110)을 한다.
도 5는 웨이퍼의 상면도이다.
따라서, 도 4에서 보듯이 웨이퍼(104)가 거리 'D'만큼 수평 운동(110)을 하면 A와 A'으로 나타낸 연마패드(102)의 영역은 웨이퍼(104)의 바깥부분(도 5의 'E')만이 접촉하게 되고 연마패드(102)의 영역 'B'는 웨이퍼(104)의 중앙과 에지가 모두 접촉하게 되지만 주로 웨이퍼(104)의 중앙(도 5의 'C')에서 연마가 일어난다.
상기한 바에 따르면, 웨이퍼(104)의 특정한 위치의 연마가 일어나는 연마패드(102)의 영역을 파악하여 그 부분의 웨이퍼(104)와의 접촉면적의 밀도를 조절하면 원하는 부분의 연마량을 조절가능하다.
여기서, 접촉면적의 밀도 조절은 연마패드(102)의 그루브(108) 형성시 결정하는데, 그루브(108)은 위에서 설명했듯이 연마패드(102)의 표면에 형성된 홈으로서 슬러리를 웨이퍼(104) 표면내로 이송하는 기능과 반응물을 제거하는 역할을 한다.
도 6는 연마패드의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 연마패드(102)는 복수개의 그루브(108)가 규칙적으로 배열되어 형성되어 있다. 여기서, 그루브(108)는 이웃한 그루브(108)와 'x1'의 거리를 두고 배열되며, 각 그루브(108)는 'x2'의 폭과 'x3'의 깊이를 갖고 형성되어 있다.
상기한 연마패드(102)에서 웨이퍼(104) 상의 연마대상막과의 접촉면적밀도는 (x1-x2)/x1로 나타낼 수 있으며, 연마대상막의 증착균일도에 맞게 x 1와 x2의 값을 조절하므로써 접촉면적밀도를 변환시킬 수 있다.
예컨대, 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 중앙부분에 비해 웨이퍼의 외곽에서 두꺼운 경우, 그 부분이 접촉하는 연마패드의 접촉면적밀도를 다른 부분(웨이퍼의 중앙부분)에 비해 높게 해서 연마속도를 빠르게 하여 연마후 웨이퍼의 균일도를 좋게 한다. 즉, 중앙부분에 형성되는 그루브의 x1을 외곽에 형성되는 그루브의 x1보다 작게하고, 중앙부분에 형성되는 그루브의 x2를 외곽에 형성되는 그루브의 x2보다 크게 한다.
반대로, 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 중앙부분에 비해 웨이퍼의 외곽에서 얇은 경우, 그 부분이 접촉하는 연마패드의 접촉면적밀도를 다른 부분(웨이퍼의 중앙부분)에 비해 낮게 해서 연마속도를 느리게 하여 연마후 웨이퍼의 균일도를 좋게 한다. 즉, 중앙부분에 형성되는 그루브의 x1을 외곽에 형성되는 그루브의 x1보다 크게하고, 중앙부분에 형성되는 그루브의 x2를 외곽에 형성되는 그루브의 x 2보다 작게 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 그루브 사이의 거리 및 그루브의 폭이 조절된 연마패드의 제1예를 나타낸 도면으로서, 웨이퍼 상의 연마대상막이 도 2와 같이 웨이퍼의 외곽에서 얇은 증착프로파일을 갖는 경우에 적용하기 위한 연마패드이다.
도 7에서, 연마패드(102)는 수평운동을 하는 웨이퍼 상의 연마대상막의 중앙부분과 소정 접촉면적밀도를 갖고 접촉하는 제1그루브영역과 제1그루브영역의 접촉면적밀도와 서로 다른 접촉면적밀도를 갖고 연마대상막의 외곽과 접촉하는 제1그루브영역 양측의 제2그루브영역을 포함한다.
그리고, 제1그루브영역에는 제1그루브(108a)가 여러개 형성되고, 제2그루브영역에는 제2그루브(108b)가 여러개 형성되어 있으며, 제1그루브(108a)와 제2그루브(108b)는 그 형태가 서로 다르다.
위와 같은 서로 다른 그루브를 갖는 연마패드(102)는 웨이퍼 상의 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 외곽에서 중앙부분에 비해 상대적으로 얇은 경우에 적용하기 위한 것이다.
자세히 살펴보면, 연마대상막의 외곽이 주로 접촉하는 제2그루브영역에서는 제2그루브(108b) 사이의 거리 'x11'값은 작게 하고 제2그루브(108b)의 폭 'x21'값은 크게 하여 접촉면적을 작게하여 연마량을 작게하고, 연마대상막의 중앙부분이 주로 접촉하는 제1그루브영역에서는 제1그루브(108a) 사이의 거리 'x12'값을 크게하고 'x22'값은 작게 하여 접촉면적을 크게하여 연마량을 크게해준다. 여기서, 각 그루브의 깊이(x3)는 동일하다.
도 7과 같이, 연마대상막이 웨이퍼의 중앙부분에서 외곽보다 두꺼운 증착프로파일을 갖는 경우, 연마패드(102)의 그루브 가공시 x11을 x12보다 작게하고, x 21을 x22보다 크게하여 연마대상막의 잔막 두께를 균일하게 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그루브 사이의 거리 및 그루브의 폭이 조절된 연마패드의 제2예를 나타낸 도면으로서, 웨이퍼 상의 연마대상막이 도 1과 같이 웨이퍼의 외곽에서 두꺼운 증착프로파일을 갖는 경우에 적용하기 위한 연마패드이다.
도 8에서, 연마패드(102)는 수평운동을 하는 웨이퍼 상의 연마대상막의 중앙부분과 소정 접촉면적밀도를 갖고 접촉하는 제1그루브영역과 제1그루브영역의 접촉면적밀도와 서로 다른 접촉면적밀도를 갖고 연마대상막의 외곽과 접촉하는 제1그루브영역 양측의 제2그루브영역을 포함한다.
그리고, 제1그루브영역에는 제1그루브(108c)가 여러개 형성되고, 제2그루브영역에는 제2그루브(108d)가 여러개 형성되어 있으며, 제1그루브(108c)와 제2그루브(108d)는 그 형태가 서로 다르다.
위와 같은 서로 다른 그루브를 갖는 연마패드(102)는 웨이퍼 상의 연마대상막의 증착프로파일이 웨이퍼의 중앙부분에서 외곽에 비해 상대적으로 얇은 경우(즉, 외곽에서 두꺼운 경우)에 적용하기 위한 것이다.
자세히 살펴보면, 연마대상막의 외곽이 주로 접촉하는 제2그루브영역에서는 제2그루브(108d) 사이의 거리 'x13'값은 크게 하고 제2그루브(108d)의 폭 'x23'값은 작게 하여 접촉면적을 크게하여 연마량을 크게하고, 연마대상막의 중앙부분이 주로 접촉하는 제1그루브영역에서는 제1그루브(108c) 사이의 거리 'x14'값을 작게하고 'x24'값은 크게 하여 접촉면적을 작게하여 연마량을 작게 해준다. 여기서, 각 그루브의 깊이(x3)는 동일하다.
도 8과 같이, 연마대상막이 웨이퍼의 외곽에서 중앙부분보다 두꺼운 증착프로파일을 갖는 경우, 연마패드(102)의 그루브 가공시 x13을 x14보다 크게하고, x 23을 x24보다 작게하여 연마대상막의 잔막 두께를 균일하게 한다.
도 7 및 도 8에서, 연마패드의 그루브들은 직사각형 형태의 홈으로 설명하였으나, 그루브의 형태를 V자형, U자형 등 가공가능한 모든 모양이 가능하고, 그루브가 연마패드의 표면 상에서 동심원(circle)을 형성하고 있으나, 나선형 등 가공가능한 다른 모양도 가능하다.
그리고, 그루브의 형태를 부분적으로 조절하거나 그루브의 밀도를 조절함에 있어 단계적 또는 연속적으로 한다. 즉, 그루브 영역을 여러 영역으로 나누어 접촉면적밀도의 변화를 보다 세밀하게 조절한다.
상술한 실시예에 따르면, 본 발명은 연마패드의 그루브 가공시 웨이퍼상의 연마대상막의 증착프로파일에 따라 부분적으로 그루브의 밀도를 조절하여 연마대상막과의 접촉면적을 다르게 하고, 이처럼 밀도가 조절된 연마패드를 이용하여 연마대상막의 연마량을 웨이퍼내의 위치에 따라 조절하므로써 CMP 공정 전후의 연마대상막의 두께 균일도를 확보한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 연마패드의 그루브를 연마대상막의 증착균일도에 맞게 형태를 변경해주므로써 연마후 웨이퍼의 외곽 및 중앙부분에서 연마대상막의 균일도를 균일하게 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼상에서 연마대상막의 두께 균일도를 확보하므로써 고집적화된 소자의 수율을 향상시켜 원자경쟁력을 높일뿐만 아니라 두께균일도의 영향을 받는 공정(예컨대, 콘택식각공정)을 안정화시키므로써 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술의 제1예에 따른 CMP 전후의 두께프로파일을 나타낸 도면,
도 2는 종래기술의 제2예에 따른 CMP 전후의 두께프로파일을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CMP 장비의 정면도,
도 4는 도 3에 도시된 연마패드와 웨이퍼를 도시한 평면도,
도 5는 도 4에 도시된 웨이퍼의 평면도,
도 6는 도 4에 도시된 연마패드의 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 그루브 사이의 거리 및 그루브의 폭이 조절된 연마패드의 제1예를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그루브 사이의 거리 및 그루브의 폭이 조절된 연마패드의 제2예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 연마플래이튼 102 : 연마패드
104 : 웨이퍼 108 : 그루브

Claims (6)

  1. 연마장치의 연마패드에 있어서,
    수평운동을 하는 웨이퍼 상의 연마대상막의 중앙부분과 소정 접촉면적밀도를 갖고 접촉하는 제1그루브영역; 및
    상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도와 서로 다른 접촉면적밀도를 갖고 상기 연마대상막의 외곽과 접촉하는 상기 제1그루브영역 양측의 제2그루브영역
    을 포함하는 연마장치의 연마패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마대상막의 중앙부분이 상기 연마대상막의 외곽에 비해 연마량이 커져 연마후 균일한 두께를 갖도록 상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 연마장치의 연마패드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접촉면적밀도는,
    (x1-x2)/x1(x1은 이웃하는 그루브 사이의 거리, x2 는 각 그루브의 폭)이며,
    상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 크도록 상기 제1그루브영역의 x1을 상기 제2그루브영역의 x1보다 크게하고, 상기 제1그루브영역의 x2를 상기 제2그루브영역의 x2보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 연마장치의 연마패드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마대상막의 외곽이 상기 연마대상막의 중앙부분에 비해 연마량이 커져 연마후 균일한 두께를 갖도록 상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 연마장치의 연마패드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접촉면적밀도는,
    (x1-x2)/x1(x1은 이웃하는 그루브 사이의 거리, x2 는 각 그루브의 폭)이며,
    상기 제1그루브영역의 접촉면적밀도가 상기 제2그루브영역의 접촉면적밀도보다 상대적으로 작도록 상기 제1그루브영역의 x1을 상기 제2그루브영역의 x1보다 작게하고, 상기 제1그루브영역의 x2를 상기 제2그루브영역의 x2보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 연마장치의 연마패드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1그루브영역의 각 그루브의 깊이와 상기 제2그루브영역의 각 그루브의 깊이는 동일한 것을 특징으로 하는 연마장치의 연마패드.
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