KR20070001955A - 화학적 연마를 위한 다단계 패드 처리 시스템 및 방법 - Google Patents

화학적 연마를 위한 다단계 패드 처리 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20070001955A
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스태픈 제이. 베너
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Abstract

단일 스테이지 상에서 다단계 연마 공정을 수행하기 위한 장치가 개시된다. 화학 기계적 연마(CMP) 장치는 원위치 내 처리 작업을 이용하여 연마 패드의 표면으로부터 파편 및 다 쓴 연마 슬러리를 연속적으로 세정하고 제거한다. 각 평탄화 주기의 시작 단계에 깨끗하고 사실상 새로운 연마 패드 표면을 제공함으로써, 웨이퍼를 제거하여 연마 소스를 변경하거나 웨이퍼를 다른 CMP 연마 스테이션으로 이동할 이동시킬 필요 없이, 다양한 화학 물질, 형태, 온도, 등의 연마제가 사용될 수 있다. 다양한 연마 슬러리 및 처리/헹굼제를 포함하여 다양한 공정 유동체 도포를 제어하기 위하여 다중 위치 밸브를 사용할 수 있다. 다양한 처리 물질들을 사용하여, 연마 패드의 표면이 다양한 공정 조건들(예를 들어, 선행 연마 화학물의 중화, 패드 표면 온도 변경에 의한 연마율 처리, 패드 표면에 부착되는 입자 제거를 위한 계면 활성제 사용, 등)에 맞게 변경될 수 있다.
CMP, 연마패드, 슬러리, 다단계, 원위치 내(in-situ)

Description

화학적 연마를 위한 다단계 패드 처리 시스템 및 방법{Multi-step pad conditioning system and method for chemical planarization}
-관련출원에 대한 참조-
본 출원은 예비출원 60/539,162 (출원일: 2004년 1월 26일)에 기초한다.
본 발명은 화학 기계적 연마(CMP) 시스템에서 사용되는 연마 패드의 처리 시스템(conditioning system)에 관한 것으로, 특히 단일 스테이션(station)에서 연속적으로 (다양한 화학물질 및/또는 전해질을 이용하여) 복합적인 연마를 수행할 수 있는 원위치 내(in-situ) 처리 방법에 관한 것이다.
전자 산업은, 신뢰성 및 경제성을 향상시키면서 고기능성 소자를 구현하기 위하여 반도체 제조 기술의 진보에 의존해 오고 있다. 많은 응용들에서, 그러한 소자의 제조는 복잡하고, 품질을 유지 또는 향상시키면서 동시에 비용 효율적인 제조 공정을 유지한다는 것은 이루기 어려운 일이다. 소자의 성능 및 비용에 대한 요구가 증대됨에 따라, 성공적인 제조 과정의 실행은 더욱 어렵게 되었다.
실제로, 회로의 집적도가 높아짐에 따라, 장치는 소형화되고 고밀도화되며, 더 높은 수준의 포토리소그래피(photolithography)와 더 많은 공정 단계를 요구하 게 되었다. 실리콘 기반 웨이퍼(silicon starting wafer)상에 더 많은 층들이 적층됨에 따라, 표면의 비평탄도로 인한 문제들이 점점 심각해져 수율 및 칩 성능에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 사실상, 일반적으로 평탄화(또는, "연마")라고 불리는 공정에서 웨이퍼로부터의 잔여 물질을 제거할 필요성이 점점 커지고 있다.
실리콘 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 사용되는 일반적인 방법은 화학 기계적 연마(CMP)이다. CMP는 연마 테이블에 부착되는 연마 패드 및 패드 표면상에 실리콘 웨이퍼를 실리콘 웨이퍼의 표면이 아래를 향하도록 (face-down) 탑재하기 위한 별도의 홀더를 사용한다. 연마제 및 화학 첨가제가 포함된 슬러리(slurry)는 상기 연마 패드의 표면상에 도포되어, 기계적 화학적인 수단을 통해 웨이퍼의 표면의 요철을 제거하는 데에 사용된다. 이러한 CMP 공정에서 확장된, 소위 ECMP는, 전해질을 통해 음극을 사용하여 불필요한 물질을 제거하기 위하여 전기 에너지를 사용한다. 일반적으로 연마 패드 자체는 연마중인 웨이퍼 표면에 대해 필요한 기계적 힘을 제공하는 측면뿐만 아니라, 슬러리(또는 전해질)의 운반기로서의 역할을 고려하여 선택된다.
일반적으로 웨이퍼와 연마 패드는 상대 회전한다. 슬러리의 연마제 및 화학 첨가물과 함께, 회전 운동은 웨이퍼 표면으로부터 물질을 제거하는 연마 작용을 하게 된다. 표면상의 돌출부는 리세스된 영역보다 더 효율적으로 침식되어,웨이퍼의 표면을 평편화 또는 평탄화시키게 된다.
웨이퍼가 연마되는 시간이 길어지면서, 그리고/또는 연마되는 웨이퍼의 수가 증가되면서, 제거된 웨이퍼 물질, 화학 반응 부산물 및 슬러리의 연마제의 축적 결 과물로서, 파편들이 연마 패드에 채워지게 된다. 이렇게 채워진 파편들로 인해 연마 패드는 광택이 없어지고, 그리고/또는 불균일하게 마모되는데, 이는 또한 "글래이징 효과(glazing effect)"로 알려져 있다. 따라서, 연마 패드를 연속된 웨이퍼 연마에 적합한 상태로 회복시킬 필요가 있다.
"패드 처리(pad conditioning)" 또는 "패드 드레싱"은 연마 패드의 표면을 회복시키고, 패드로부터 미립자 및 다 쓴 연마 슬러리를 제거함으로써 글래이징(glazing)을 제거하는 데에 사용되는 공지된 공정이다. 패드 처리는 또한 패드 물질을 선택적으로 제거하여 패드를 평탄화하고, 연마 패드의 표면을 거칠게 한다. 패드 처리는 "원위치 외(ex-situ)"(예를 들어, 웨이퍼 연마 주기 사이에 연마패드 처리을 수행)에서 또는 "원위치 내(in-situ)"(예를 들어, 웨이퍼 연마 주기와 동시에, 또는 웨이퍼 연마 주기 동안 수행)에서 수행될 수 있다. 일반적인 종래의 원위치 내 패드 처리 공정에서, 패드 표면을 따라 고정된 연마 디스크를 닦아내어, 소량의 패드 물질 및 파편들을 제거하고, 따라서 연마 슬러리가 자유롭게 흐를 수 있도록 하는 새로운 요철을 생성한다. 그러면 제거된 패드 물질 및 파편들은 연마 공정의 슬러리 유동 스트림과 결합하고, 전형적인 슬러리 운송 메커니즘에 의해, 연마중인 패드 및 웨이퍼로부터 수동적으로 운반된다. 결국, 이러한 물질들은 연마 주기의 마지막에 헹굼수로 헹구어지고, 연마기의 중앙 배수로에 모여진다.
집적 회로 제조에 다양한 물질들이 사용되기 시작하면서, CMP 공정은 이러한 다양한 물질들에 반응하여 평탄화할 수 있어야 한다. 예를 들어, 구리는 연결 금속으로 점점 좋은 평판을 받게 되었고, 특정 응용들에서 알루미늄 및/또는 텅스텐을 대신하기 시작하고 있다. 구리는 다른 금속들보다 도전성이 훨씬 더 높고, 저항 손실이 낮은 가느다란 배선을 형성할 수 있다. 구리가 알루미늄에 비해 유리함에도 불구하고, 적어도 하나의 중요한 단점이 있다. 즉, 구리는 쉽게 실리콘으로 확산되어 깊은 준위 결함을 초래하므로, 특히 실리콘에는 불리하다. 그러므로, 집적 회로 소자 형성시, 일반적으로 적절한 '배리어' 층 금속을 사용함으로써, 구리를 실리콘으로부터 분리하여야한다. 따라서, 금속 CMP 공정에서는, 다양한 표면 금속을 제거하기 위한 다양한 연마 슬러리 및/또는 파라미터를 사용하여, 다단계 연마 공정을 수행할 필요가 있다. 예를 들어, 구리 CMP에서는, 비평면 구리를 제거하기 위한 하나의 화학 물질과 배리어 물질을 제거하기 위한 또 다른 화학 물질이 요구된다. 단일 스테이션의 사용으로도 다양한 연마제로부터 교차 오염이 늘 발생하므로, 과거에는 벌크 구리를 제거하기 위한 제1 연마 스테이션, 배리어 물질을 제거하기 위한 제2 연마 스테이션, 및 최종 완충 작업을 수행하기 위한 제3 스테이션이 제안되었다.
종래의 유전체 CMP에 관하여, 어떤 제조자들은 각 스테이션에서 수행되는 "부분 연마" 공정들을 포함하는 복합 연마 스테이션의 이용을 제안한다. 예를 들어, 불필요한 벌크 물질을 제거하기 위한 (아마도 시간 의존적인) 최초 평탄화를 수행하기 위한 제1 스테이션, 상기 평탄화를 완료하기 위한 제2 스테이션 및 완충 작업을 수행하기 위한 제3 스테이션이 사용될 수 있다. 이들 각각의 스테이션은 동일한 연마 화학 물질을 이용할 수 있지만, 공정 제어 (다운포스, 속도, 종료점 탐지, 등)을 위한 다양한 방법을 채용할 수 있다. 이 경우, 각 연마 단계가 더 짧기 때문 에, 복합 스테이션의 이용은 CMP 시스템의 작업 처리량을 향상시키지만, 제조 공정에 동시에 포함될 필요가 있는 별도의 웨이퍼/연마 공급/스테이션을 희생하여 달성된다.
따라서, 복합 연마 스테이션을 사용하여 CMP 시스템의 공정이 향상된다고 하더라도, 그러한 장치는 매우 시간 소비적이고 자본 집약적이며, 비경제적이다. 따라서, 종래 기술에 있어서, 단일 연마 스테이션만의 사용을 요구하는 CMP 시스템에서 다단계 연마 공정을 수행하기 위한 장치의 필요성이 여전히 남는다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 화학 기계적 연마(CMP) 시스템에 사용되는 연마 패드 처리 시스템에 관한 것으로, 특히, 단일 연마 스테이션에서 연속적으로 복합 연마 슬러리가 사용될 수 있는 원위치 내 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, CMP 시스템은 개구된 구조물을 가지는 연마 처리 (conditioning) 디스크를 이용하여, 웨이퍼 표면으로부터 마모되어 연마 패드의 상부 표면에 쌓여 있는 파편을 실시간으로 제거한다. 진공 소스는 처리 디스크에 결합되어, 상기 연마 패드로부터 처리 되어 제거된 파편(또는, 연마제가 관련되지 않은 경우, 패드 표면의 공극(pore)에 잔존하는 액체)을 흡입하는데에 사용된다. 따라서, 처리 공정의 최종 단계에서 청정하고 균일한 패드 표면이 생성된다. 이때, 추가적인 헹굼 기능이 추가되어 처리 공정을 보조할 수도 있다. 본 발명의 처리 공정은 모든 물질들(예를 들어, 연마 슬러리 및 파편)의 패드 표면을 완전히 세정하여, 교차 오염을 유발하지 않으면서 단일 연마 스테이션에 대안적인 연마 물질들이 도포되도록 한다. 또한, 패드 표면으로부터의 모든 폐 물질들을 즉각적으로 제거하여, 연마 공정의 부산물로서 생성되는 과잉수의 양을 최소화하는데, 만약 과잉수가 패드 표면상에 남아 있게 되면, 과잉수는 연마 슬러리의 불필요한 오염을 초래하게 된다.
본 발명의 장치에 따르면, 원위치 내 패드 처리 공정을 실시간으로 사용하여, 연마 스테이션을 개조하거나 연마중인 웨이퍼를 다른 연마 스테이션으로 이동시키지 않고, 평탄화 공정의 화학 물질에 다양한 변화가 즉각적으로 일어나도록 하는 데에 유리하다. 예를 들어, 다양한 연마 화학물들이 (예를 들어, 다양한 물질들을 연속적으로 제거하기 위하여) 연속적으로 적용될 수 있고, 다양한 미립자 크기 또는 농도가 (예를 들어, 연마 공정이 계속됨에 따라 펴센트 고체 농도가 감소되는) 연마 슬러리에 사용될 수 있고, 또는 처리 공정은 (예를 들어, 제거율을 변경하기 위하여) 다양한 처리 유동체 온도를 사용할 수 있고, (예를 들어, 액체 내에 구리를 유지하기 위하여) 다양한 복합제를 사용할 수 있고, 또는 화학적 상황을 관리하기 위하여 화학 중화제, 계면 활성제 및/또는 세정제를 사용할 수 있다. 상기 원위치 내 처리 장치를 사용하여 이러한 모든 변형 및 다른 변형들의 실현이 가능하다.
본 발명의 다른 장점 및 측면들은 첨부된 도면들을 참조하여 후술되는 논의에 의하여 명백해진다.
도 1은 네 개의 개별 단계(phase)를 포함하는 다단계 연마 공정에 요구되는 과다 구리 및 배리어 금속 제거율의 구성을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티 소스 CMP 연마를 수행하기 위한 장치를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 장치를 위에서 내려다 본 도면이다.
도 4는 본 발명의 다단계 연마/처리 공정에 사용되는 다양한 웨이퍼에 대한 표면 품질 이미지들을 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 처리 공정은, 연마 패드가 제거되자마자 그로부터 불필요한 잔여물을 제거함으로써 청정하고 균일한 패드 표면을 원위치 내로 제공하기 위해 고안된 것으로, 추가적인 헹굼 기능을 이용하며 진공을 보조적으로 사용하는 제거가 이루어지는데, 이에 대해서는 이하 상세히 후술하기로 한다. 본 발명의 장치에 따르면, 종래의 세정/처리 기능뿐만이 아니라, 연마된 웨이퍼 표면에서 표면 결함의 존재를 감소시키고, (다른 공정수로부터 독립된 연마 및 처리 공정 잔여 스트림을 수집함으로써) 무거운 폐 스트림 부피를 줄이고, 구리 및 배리어 금속 평탄화 공정을 단순화시킨다.
본 발명의 시스템은 어떤 CMP 공정에라도 응용 가능하나, 특히 무연 금속 (예를 들어, 구리) 및 다른 배리어 금속 물질이 웨이퍼 표면에서 제거될 필요가 있는 금속 CMP 공정에 매우 적합하다. 따라서, 하기의 논의는 금속 CMP에 초점을 맞추고 있지만, 본 발명은 모든 CMP 공정에 더 넓게 응용 가능하다는 것을 명백히 해 야할 것이다. 실제로, 처리 공정은 전기화학(electrochemical) CMP (ECMP) 시스템에도 동등하게 적용할 수 있으며, 표면 물질을 제거하는 데에 이용되는 전해질은 처리 공정이 완료되자마자 연마 패드 표면으로부터 비워질 수 있고, 이로 인해 전해질의 원위치 내 화학 물질의 향상된 관리를 통해 전기 화학적 제어를 향상시킬 수 있다.
금속 CMP에 관해서는, 처리된 실리콘 웨이퍼로부터 과다 구리 및 배리어 금속을 제거하기 위한 기술에는 수많은 평탄화 방법들이 알려져 있다. 이러한 방법들 중 하나는 구리에 대한 높은 제거율을 가지는 최초 연마 슬러리, 화학적 소프트 랜딩(chemical soft landing)에 대해 적당한 구리 제거율을 가지는 일시적 연마 슬러리, 및 배리어 금속을 제거하기 위한 (다양한 화학 조성물의) 배리어 연마 슬러리를 필요로 한다. 이러한 다양한 속도들은 도 1의 그래프에 도시되어 있다. 실제로, 도 1은 화학적 소프트 랜딩을 포함하는 하나의 가능한 평탄화 방법과 관련이 있으며, 이는 몇 가지 단계로 구분될 수 있다. 예를 들어, 단계 1 및 2는 벌크 구리 제거(각각 7000 A/min 및 3000 A/min의 제거율)와 관련이 있다. 단계 3은 구리 세척(단지 2000 A/min의 제거율)과 관련이 있고, 단계 4는 배리어 제거(약 200~500 A/min의 구리 제거율 및 약 500 A/min의 배리어 제거)와 관련이 있다.
상술한 바와 같이, 이러한 다단계 평탄화 방법을 수행하는 데 있어서 실질적인 어려움은, 가장 간단한 접근법이, 각 스테이션에서 사용되는 다양한 연마 슬러리와 함께 복합적인 연마 스테이션을 필요로 한다는 점이다. 게다가, 배리어 제거 및/또는 완충 공정들은, 결과적으로 웨이퍼 표면의 더 부드러운 구리 영역에 결함 을 발생시킬 가능성이 있으므로, 종종 더 부드러운 연마 패드를 사용할 필요가 있다. 다른 방법으로, 단일 연마 스테이션만이 사용될 경우, 다양한 연마 방법들 사이에 교착 오염(및 더 낮은 제어 가능한 제거율, 선택성, 및 불량률)의 가능성이 여전히 큰 우려로 남는다.
본 발명에 따르면, 복합 연마 단계들은 하나의 작업으로 통합되어 단일 연마 스테이션에서 수행되므로, 연마 슬러리를 변경하기 위하여 운반기를 들어 다른 스테이션으로 이동시킬 필요가 없게 되었다. 또한, 즉각적인 파편 제거로 연마중 패드 표면이 웨이퍼 결함을 일으킬 가능성을 감소시키므로, 모든 연마 단계에 대하여 오직 하나의 패드만 사용하여도 된다. 다중 위치 밸브 및 진공 보조적 처리 시스템인 원위치 내를 사용함으로써, 다양한 연마 슬러리 물질들의 실행 제어는 현 기술 상태에 상당한 진보를 가져올 것으로 보인다.
도 2는 본 발명에 따라 원위치 내 진공 보조 처리으로 다단계 평탄화 공정을 수행하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 CMP 시스템(10)의 측면도이며, 도 3은 도 2를 위에서 내려다본 도면이다. 도 2를 참고하면, CMP 시스템(10)은 일반적으로 테이블(13)에 고정된 연마 패드(12)를 포함하여 구성된다. 테이블(13)은 원형인 것으로 도시되어 있지만, 다른 시스템에서는 직선형 테이블, 궤도형 테이블, 또는 반도체 웨이퍼 표면에 연마 공정을 수행하기에 적합한 다른 어떠한 구조를 사용할 수 있다. 웨이퍼 운반기(미도시)는 시스템(10)상에 하단 탑재로 연마될 웨이퍼(11)를 고정하기 위해 사용되며, 이와 함께 연마 헤드(미도시)는 연마 패드(12)의 상부 표면(12A)과 접촉함에 따라, 웨이퍼(11)의 표면(11A)상에 제어된 하향 압력을 가하기 위해 사용된다. 분배 배열체(14)를 통해 연마 패드 표면(12A)상에 연마 슬러리의 스트림이 공급되고, 도포된 슬러리는 일반적으로 산화제, 연마제 및/또는 초순수(UPW: ultrapure water)를 포함한다. 또 다른 장치에서, 전해질의 스트림은 벌크 구리 제거를 위해 전기 화학 보조적 CMP (ECMP)가 사용되는 제1 연마 단계에서 사용되며, 이후 배리어에 대한 종래의 CMP 및 다음 단계들이 뒤따른다. 일 실시예에서 분배 배열체(14)는 처리 장치의 일부로써 통합될 수 있다. 또는, 분배 배열체(14)는 개별적이고 독립된 모듈이거나 또는 기계적 연마 유닛의 부분으로서 통합될 수 있다. 어떠한 장치도 동일하게 본 발명의 작업을 수행시 사용하기에 적절하다.
다시 도 2를 참고하면, 본 발명의 처리 공정은 처리 장치(15)에 의해 수행되는데, 이는 또한 연마 패드(12)의 표면(12A)에 접하여 위치한다. 일반적으로, 처리 장치(15)는 연마 슬러리, 웨이퍼 파편, 침식 물질, 연마 작업의 화학적 부산물 등과 같이, 웨이퍼 연마 공정에서 축적되는 다양한 종류의 파편을 제거하는 기능을 한다. 본 발명의 출원인에게 양도되었으며 함께 계류중인 출원에 기재된 바와 같이, 처리 장치(15) 내의 처리 디스크는 연마제 물질로 형성되며, 상기 디스크를 관통하여 형성되는 다수의 홀/개구부를 포함한다. 연마제 물질은 연마 패드 표면(12A) 상에서 파편을 수집하면서 제거한다. (특별히 선택된 화학 물질뿐 아니라) 물 또는 다른 헹굼제와 같은 처리 "유동체"는, 분배 배열체(14)로부터 처리 장치(15)를 통해 연마 패드 표면(12A)상으로 도포되어, 파편 제거 및 패드 표면 관리 및/또는 중화 공정을 도울 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 처리 장치(15)는 엔진이 부착된 이펙터 암(16)에 장착되어, 처리 디스크에 소정의 하향 힘과 회전 운동을 제공하면서, 수집된 파편을 제거하기 위하여 (도 3에 호 AB로 표시된) 연마 패드(12)의 표면을 앞뒤로 쓸어내린다. 이러한 실시예에서는, 모터(17)가 사용되어 호 AB에 걸쳐 있는 이펙터 암(16)으로 하여금 고정축(18)을 중심으로 회전하도록(또는 다른 적절한 병진 운동을 하도록)하는데, 동시에 처리 디스크에 회전 운동을 제공하면서 하향 힘을 가한다. 또는 처리 장치(15) 내의 패드 컨디셔너는 전체 패드 반경을 덮도록 형성될 수 있으며, 교차 패드 처리을 제공하기 위하여 모터 또는 단 이펙터 암의 피봇을 사용하지 않아도 된다.
본 발명에 따르면, 처리 장치(15)의 진공 배출구(22)에 제1 호스(21)가 부착되어 있다. 여기서, 가해진 진공력은, 파편, 다 쓴 연마 유체, 및 (일반적으로 "폐수"라고 칭하는) 어떠한 처리 작용제든 그것들이 생성되자마자 (또는 처리 공정중 다른 어떠한 소정의 제어된 시점에서) 연마 패드(12)에서 제거하여 진공 설비(미도시)로 흡입시키기 위해 사용될 수 있다. 파편을 제거하기 위하여 패드 표면에 연마제를 도포할 필요 없이, 헹굼제의 조합 및 진공 제거로 연마 패드를 세정하는 데에 충분한 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우, 연마 패드(12)의 표면(12A)에 관해서, 연마제 처리 디스크가 상승된 위치에 (또는 "0" 하향 힘으로 유지되어) 남게 된다.
도 3을 참조하면, 제2 호스(23)가 처리 장치(15)의 유입구(19)에 부착되어 있다. 여기서, 상기 제2 호스(23)는 처리 장치(15)의 상부를 관통하여, 연마 패드(12)의 표면(12A)상에 추가적인 처리 물질을 주입한다. 도시된 바와 같이, 제2 호스(23)로의 주입은, 분배 배열체(dispensing arrangement)(14) 내의 복수개의 연마 및 처리 소스(25-1 내지 25-I)에 연결된 다중 위치 밸브(24)를 통해 제어될 수 있다. 다양한 소스들(25-1 내지 25-I)은 다양한 연마 슬러리를 포함할 수 있는데, 여기에서 특정 연마 슬러리의 적용은 다중 위치 밸브(24)를 통해 제어되어 공급 호스(27)로 향할 수 있다. 분배 배열체(14) 내의 다른 다양한 소스들은, 도시된 바와 같이, 다중 위치 밸브(24)를 통하여 제2 호스(23)와 처리 장치(15)에 연결된 처리 작용제들을 포함할 수 있다. 따라서, 다중 위치 밸브(24)의 위치를 제어함으로써, 연마 소스(및 다른 어떤 처리 유동제)는 (예를 들어, 선행 기술에서처럼, 다른 연마 스테이션으로 웨이퍼를 전이시킬 때와 같은) 어떠한 정지 시간도 초래하지 않고 변경될 수 있다. 나아가, 웨이퍼 표면의 연마가 진행될 때, 연마 슬러리의 유동 속도를 조정하도록 분배 배열체(14)가 계량될 수 있다.
본 발명에 따른 처리중 폐수가 생성되자마자 연마 패드 표면(12A)으로부터 제거하는 단계에 있어서, 단일 연마 스테이션에 채용되는 연마 공정에 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 소스들을 바꿈으로써 연마 슬러리의 화학 물질이 변경될 수 있고(다양한 물질들이 웨이퍼 표면으로부터 제거될 필요가 있는 금속 CMP 공정에 특히 유용하다), 실온 소스에서 가열된 소스로 (또는 그 반대로) 바꿈으로써(따라서 화학적 제거율을 바꿈으로써), 연마 슬러리(또는 처리 작용제)의 온도를 변경할 수 있으며, 소스들을 바꾸거나 계량함으로써 슬러리의 입자 크기(또는 농도)가 변경될 수도 있다. 따라서, 도 1의 그래프를 참조하면, 평탄화 공정을 중단하고 또 다른 연마 스테이션으로 옮겨야 할 필요 없이, 단계 4에서 배리어 금속 제거에 적 절한 다른 슬러리가 도입될 수 있다. 본 발명에 따라 폐수를 제거하지 않으면, 연마 패드 표면에 잔류된 다 쓴 물질들 때문에 이러한 변형들은 상대적으로 효과가 없을 것이다.
종래의 처리 공정 및 시스템에 비하여, 본 발명의 장치는 훨씬 더 효율적인 처리 및 관련된 평탄화 공정을 제공한다. 특히, 본 발명의 장치는 평탄화. 처리 및 세정 작업을 수행하기 위하여 매우 적은 물질들(예를 들어, 연마 슬러리, 세정/연마/헹굼 처리 물질들)을 사용한다. 반응된 슬러리의 일부는 연마 패드의 스펀지 같은 포어(pore)에 남게 되므로, 안정된 평탄화를 제공하기 위하여 종래 기술의 일반적인 웨이퍼 평탄화 공정은, 어느 곳에서도 약 140~250 ml/minute의 연마 슬러리 도포를 필요로 한다. 원위치 내로 수행되며 진공 처리을 사용하는 본 발명의 멀티 소스 장치를 사용하면, 연마 패드의 공극들에 포함된 반응된 슬러리는 계속 세정되며, 다른 연마 슬러리를 도입시키기 위하여 청정하고 흡수력이 더 좋은 "스폰지"처럼 방금 컨디션닝한 패드가 제공된다. 따라서, 연마 공정에서 더 적은 양의 연마 슬러리로 동일한 안정성을 제공할 수 있다. 산소 연마에 대한 연마 속도가 75-250 ml/minute의 다양한 슬러리 공급률에서 안정적이라는 연구가 수행되어 확인되었다. 실제로, 표준 CMP 공정의 하나의 부산물이 물이므로, 즉각적인 폐수의 제거는 선행 기술에서 필연적으로 발생하는 연마 슬러리 희석량을 제한한다. 게다가, 패드 표면에 공정 물질이 거의 남지 않으므로, 본 발명에 관련된 상대적으로 일정한 파편 제거로 인해, CMP 시스템이 연마 슬러리 유동률의 변동에 덜 민감하게 된다.
한 예시적 공정에서, 다중 위치 밸브(24)의 배치는, (도 1의 단계 1과 같이) 연마 패드(12)에 특정 화학 물질의 제1 "미완성" 연마 슬러리를 적용하는 데에 사용될 수 있는데, 여기서 연마 소스(25-1)는 밸브(24) 및 공급 호스(27)를 통해서 연마 패드 표면(12A)과 연결되고, 따라서 웨이퍼(11)의 표면(11A)으로부터 큰 미립자들을 제거할 수 있다. 이러한 연마 단계를 수행한 연마 패드(12)의 부분이 처리 장치(15) 밑면으로 이동함에 따라, 헹굼제/진공이 적용되어(예를 들면, 소스(25-2)로부터 다중 위치 밸브(24)를 통해서 헹굼제가 처리 장치(25)로 도포됨) 다 쓴 슬러리 및 연마 나온 미립자를 제거하고 다음 평탄화 주기를 위한 깨끗한 연마 패드 표면(12A)을 제공한다. 아마도 더 낮은 입자 농도를 포함하며 연마 소스(25-3) 내에 저장된 다른 연마 슬러리는, 분배 배열체(14)의 공급 호스(27)를 통해 연마 패드(12)로 운반되어, 그 전 슬러리로부터 오염될 우려 없이 웨이퍼 표면(11A)에서 (단계 2와 같이) 훨씬 더 세밀한 연마 공정을 수행하는 데에 사용될 수 있다. 제거된 웨이퍼 물질 및 다 쓴 연마제는, 연마 패드(12)가 처리 장치(15) 밑으로 이동할 때 다시 연마 패드(12)의 표면(12a)으로부터 제거된다(여기서 소스(25-2) 내의 헹굼제가 파편 제거 공정에서 보조적으로 사용될 수 있다). 그 후 아마도 연마 소스(25-4)에 저장된 다른 화학작용(단계 4와 같이)의 연마 슬러리를 사용하여 또 다른 평탄화가 수행될 수 있다. 전에 사용된 연마 슬러리 및 다른 파편이 처리 작업중 표면(12A)으로부터 완전히 제거되므로, 연마 슬러리들 간에 교차 오염이 예방된다.
본 발명의 장치는 각 처리 단계 동안, 연마 공정과 반응하거나 접촉하자마자 파편 및 다 쓴 슬러리를 제거하는 방법을 제공하기 위해 개발되었다. 상술한 바와 같이 하나의 슬러리 소스에서 다른 소스로 바꾸는 것의 제공뿐 아니라, 본 발명의 시스템으로, 처리 작용제로서 도포되는 "중화" 물질이 또한 다양한 연마 슬러리 소스로부터 화학 물질의 교차 오염 가능성을 줄일 수 있고, 여기서 중화제는 또 다른 소스(25-H)에 저장되고 밸브(24)를 통해 제어되어 처리 장치(15)로 들어갈 수 있다. 또 다른 변형에서, 본 발명의 원위치 내 처리 공정중 연마 패드 표면상에 (또 다른 소스(25-I)로부터) 하나 또는 그 이상의 계면 활성제가 제공될 수 있다. 특정 계면 활성제(s)의 제공은, 현재 pH 레벨과 관련하여 표면(12A)의 최종 표면 전하(제타 전위)를 변경하는 역할을 한다. 전하 변경은 연마된 표면과 입자들 간의 인력 반전을 초래할 수 있는데, 이는 차례로 후속 CMP 세정 공정의 단순화를 초래할 수 있다. 즉, 계면 활성제(s)는 연마 패드(12)(및/또는 웨이퍼 표면(11A))가 그 표면에 남아 있는 채워진 파편 입자들을 없애도록 해주기 때문에, 사실상 모든 입자 파편들이 제거되게 된다. 이러한 폐수 제거로 또한, 전형적인 다단계 웨이퍼 세정 화학 물질들이 패드 표면에 적용되고 원위치 내 웨이퍼 세척에 이용될 수 있다.
본 발명의 장치의 장점은, 각 테이블에서 다단계 연마를 가능하게 하여, 연마 단계들 간에 다루어지는 중간 생성물을 사실상 제거할 수 있다는 점이다. 이로써 다음의 "소프트 랜딩" 또는 종료점 근처에서 사용되는 더 세밀한 연마제/화학적-선택적 슬러리 소스들로 더 활발한 제1 연마 단계를 가능하게 함으로써 처리량을 증가시킬 수 있다. 게다가, 복합적인 슬러리 소스들이 교차 오염 없이 동일한 유입 시스템을 통해 연결될 수 있고, 패드가 상향 스트림 화학 물질로 세정되므로, 구리 CMP 및 배리어 금속 CMP에도 동일한 CMP 시스템이 사용될 수 있다.
처리 공정의 온도 관리는 본 발명의 또 다른 중요한 측면으로 여겨진다. 연마 패드 표면에서 열을 발생시키게 되는 CMP 공정의 다양한 측면들이 있다. 예를 들어, 연마 슬러리와 웨이퍼 표면 물질 사이의 특정한 화학적 반응들은 부산물로서 열을 발생하게 된다. 연마 슬러리, 연마 패드 및 웨이퍼 간의 연마 작용/마찰력은 기계적으로 열을 발생시키게 된다. 따라서, 처리 공정중 (UPW와 같은) 특정한 온도의 물질들의 도포로, 연마 패드 표면 온도를 안정화시킬 수 있다.
구리 제거 슬러리 및 배리어 제거 슬러리를 하나의 공정으로 통합할 가능성을 설명하기 위하여, 세 개 한 세트로 이루어진 원위치 내 처리 실험이 실시되었다. 종래의 파라미터를 사용하는 첫 번째 처리 실험은, 처리 동안 비진공 및 비헹굼을 적용하여 수행되었다. 구리 제거율은 3000 A/min로 설정되었다. 다음 두 처리 실험은 각각 진공/비헹굼 및 진공/헹굼으로 진행되었다. 이러한 두 경우, 물질 제거율은 각각 3000 A/min 및 2100 A/min으로 확인되었다. 이는 비헹굼 적용시 진공 여부가 물질 제거율에 거의 영향을 끼치지 않는다는 것을 나타낸다. 이러한 실험들에 대한 표면 품질 결과가 도 4에 도시되어 있는데, 도 4A는 비진공 및 비 중성(DI) 헹굼수가 적용된 원위치 내 처리을 나타내고, 도 4B는 진공 및 비 DI 헹굼수가 적용된 원위치 내 처리을 나타내며, 도 4C는 진공 및 DI 헹굼수가 적용된 원위치 내 처리을 나타낸다. 광학 프로파일미터(profilemeter) 이미지들은, 연마 공정중 슬러리 화학물질을 변경함으로써 단일 스테이션에서 다단계 연마 공정을 수행하여도 어떠한 부식 스팟(corrosion spot) 이나 뚜렷한 결함이 생성되지 않는다는 사실을 보여준다. 실제로, 진공 및 헹굼수를 포함하는 처리 공정으로 연마가 수행 될 때, 표면 품질의 근소한 향상이 관찰되었다. 도 4의 이미지들은 세 가지 다른 조건에 대하여 표면 품질에 큰 변화가 없다는 것을 보여준다.
상술한 연구를 기반으로, 도 1에 도시된 단계들에 따라 연마 결과가 확립될 수 있다. 이러한 가능성 연구에서, 단계 1은 무시되고, 구리와 배리어 물질 간의 전이 단계중 제거율 대 대상물을 평가하기 위한 두 가지 테스트가 설정된다. 첫 번째 테스트의 주요 초점은 단계 2~4에 맞춰지며, 단계 4에서는 두 가지 다른 조건들이 사용된다. 단계 2의 연마는, 종래의 원위치 내 처리(진공 오프, 헹굼수 오프)으로, 단계 1에 사용된 슬러리보다 더 낮은 슬러리 강도로 수행되었다. 구리 슬러리는 단계 3의 종료점에서 스위칭 오프되었고, 배리어 슬러리는 단계 4를 시작하기 위해 제공되었다. 단계 4 동안, 진공과 헹굼수 모두 "온" 상태였다. 표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 통합 방법은 연마 결과를 향상시키는 데에 유용하다. 더욱 상세히, (단계 2 내지 도 4로부터) 구리 제거의 총량은, 조합된 모든 단계들과 거의 동일하다. 이는 구리 및 배리어 제거를 한 공정으로 통합하는 것이 전체적인 연마율의 최적화로서 가능하다는 것을 명백히 나타낸다.
실험 진공 헹굼수 대상물 제거율(A/min) 실제 제거율 (A/min) 연마 시간(min)
단계 2 오프 오프 3000 2920 1
단계 3 온 온 2000 2414 1
단계 4 온 온 50 323 1
총 물질 제거(네 단계) 가변 가변 6000 6098 4
총 물질 제거(한 단계) 가변 가변 6000 6055 4
표 1 - 통합 방법을 설명하는 실험의 구리 물질 제거
이상 본 발명을 특정 실시예를 참조하여 설명하였으나, 여러 가지 변형이 가능하다는 것이 당업자에게는 명확할 것이다. 실제로, 본 발명의 취지는 첨부되는 청구항의 범주에 의하여 제한되어야 할 것이다.

Claims (24)

  1. 화학 기계적 연마 (CMP:chemical mechanical polishing) 공정에 사용되는 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법에 있어서,
    상기 원위치 내 처리 공정은,
    a) 상기 연마 패드 표면을 처리하여 상기 CMP 공정과 관련하여 발생된 오염 물질을 제거하는 단계;
    b) 상기 연마 패드로부터 상기 제거된 오염 물질을 비워내어, 세정된 연마 패드 표면을 마련하는 단계; 및
    c) 후속 평탄화 작업에 사용하기 위하여 상기 세정된 연마 패드 표면을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    단계 a) 및 b)는 각 평탄화 작업의 후속으로 수행되어, 오염 물질을 제거하고 평탄화 작업들 간의 교차 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    단계 a)를 수행할 때, 상기 연마 패드의 표면이 연마되어, 상기 오염 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 b)는 상기 처리 공정을 보조하기 위하여 상기 연마 패드 표면상에 처리 작용제를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 처리 작용제로 초순수(UPW:ultra-pure water)가 도포되는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 도포된 처리 작용제의 온도는 상기 연마 패드 표면의 온도에 영향을 끼치도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 도포된 처리 작용제의 화학 물질은, 사전에 도포된 CMP 공정 물질과 웨이퍼 표면의 반응을 중화시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 사전 도포된 CMP 공정 물질은 연마 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    단계 b)를 수행할 때, 상기 제거된 오염 물질을 비워내기 위하여 진공력이 가해지는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세정된 연마 패드를 제공하는 단계에 후속하여, 상기 세정된 연마 패드상에 연마 슬러리가 도포되어, 사전 적용된 CMP 물질들의 화학 물질로 교차 오염 효과가 일어나지 않도록 하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 사전 적용된 CMP 물질들은 사전 도포된 연마 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    후속하는 연마 슬러리는 상기 사전 도포된 연마 슬러리와 다른 화학적 특성들을 나타내는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    후속하는 연마 슬러리는 상기 사전 도포된 연마 슬러리와 다른 연마 미립자 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    후속하는 연마 슬러리는 상기 사전 도포된 연마 슬러리와 다른 연마 미립자 크기를 나타내는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 사전 도포된 CMP 물질은 사전 도포된 처리 작용제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방 법.
  16. 제1항에 있어서,
    단계 a)를 수행할 때, 다이아몬드 표면 처리 디스크가 상기 연마 패드 표면상에서 회전되어, 상기 연마 패드 표면으로부터 상기 오염 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면을 처리하기 위한 원위치 내(in-situ) 공정 제공 방법.
  17. 반도체 웨이퍼 표면과 상호작용하여 그 표면으로부터 불필요한 물질을 제거하기 위한 연마 패드;
    상기 연마 패드의 적어도 일부분에 위치하며, 상기 연마 패드를 침식시켜 파편을 제거하기 위한 홀이 형성된 연마용 처리 디스크, 및 제거된 파편이 생성되자마자 비워내기 위한 진공 보조적인 요소를 포함하는 처리 장치; 및
    상기 세정된 연마 패드상에 제어된 방식으로 복수의 연마 슬러리를 도포하기 위한 분배기(dispenser)를 포함하며,
    상기 처리 장치에 의해 수행된 처리는 각 연마 작업 간에 연마 패드로부터 오염 물질을 제거하는 역할을 하고, 따라서 각 평탄화 작업을 위한 깨끗한 연마 패드 표면을 제공하며, 연마 슬러리들 간의 교차 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는, 단일 연마 스테이션에서 다단계 연마를 수행하기 위한 화학 기계적 연마 (CMP) 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분배기는 또한 상기 처리 장치에 다양한 처리 작용제를 도포하여 상기 연마 패드 표면에서 상기 세정 작업을 보조할 수 있는 것을 특징으로 하는, CMP 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 분배기는 적어도 중화 처리 작용제를 포함하여 다양한 화학 물질의 연마 슬러리들 간의 교차 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는, CMP 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    성가 분배기는 상기 연마 패드 표면에서 원하는 작업 온도 유지와 관련하여 소정의 온도를 나타내는 처리 작용제를 포함하는 것을 특징으로 하는, CMP 시스템.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 분배기는 파편 입자들과 상기 연마 패드 표면간의 전기적 인력을 감소시키기 위한 계면 활성제를 포함하는 처리 작용제를 포함하는 것을 특징으로 하는, CMP 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 분배기는 복합적인 소스들로부터 연마 슬러리들을 도포하는 것을 특징으로 하는, CMP 시스템.
  23. 반도체 웨이퍼 표면과 상호 작용하여 그 표면으로부터 불필요한 물질을 제거하기 위한 연마 패드; 및
    상기 연마 패드의 적어도 일부분에 배치된 처리 장치를 포함하며,
    상기 처리 장치는,
    상기 연마 패드 표면상에 제어된 방식으로 연마 또는 처리 물질들을 도포하는 분배기;
    상기 연마 패드를 침식시켜 파편을 제거하고 연마 패드 표면을 세정하기 위한 홀이 형성된 연마용 처리 디스크; 및
    상기 홀이 형성된 처리 디스크를 통하여 파편이 생성되자마자 상기 제거된 파편을 비워내는 진공 보조적 요소를 포함하며, 이 때 상기 처리 장치가 각 연마 작업 간에 오염을 제거하는 것을 특징으로 하는, 단일 연마 스테이션에서 다단계 연마를 수행하기 위한 화학 기계적 연마 (CMP) 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 다단계 연마 공정에서 각 후속 단계를 위하여 깨끗한 연마 패드 표면을 제공하는 역할을 하여, 상기 연마 패드 표면상에 도포된 상기 연마 또는 처리 물질들 간의 교차 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는, 화학 기계적 연마 (CMP) 시스템.
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