KR20080010650A - 에어튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마 균일도를 개선하기 위한 에어튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드에 관한 것이다.

본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드는 웨이퍼와 접촉하는 상기 탑 링 헤드의 하부에 서로 다른 지름을 가지며 개별적으로 압력조절이 가능한 여러 개의 원형 에어 튜브가 상기 탑 링 헤드의 중심으로부터 방사선으로 일정한 간격을 가지고 설치되어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여 기존의 탑 링 헤드의 하부에 여러 개의 원형 에어 튜브를 만들어 추가함으로써 에어 튜브의 압력을 개별적으로 제어하여 웨이퍼 전체의 연마 균일도를 개선할 수 있다.

CMP, 화학적 기계적 연마, 연마 균일도, 에어튜브, 탑 링 헤드, 평탄화

Description

에어튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드 {Top ring head with air tube in Chemical mechanical planarization}

도 1은 화학적 기계적 연마 장비를 이용한 연마시 웨이퍼상의 스트레스 분포도,

도 2는 종래 탑 링 헤드의 일반적인 구조를 나타낸 개략도,

도 3은 화학적 기계적 연마 장치 중 기존의 탑 링 헤드(a)와 본 발명에 의한 탑 링 헤드(b)를 비교한 도면,

도 4는 로타리 타입(rotary type)의 화학적 기계적 연마 장비의 개략도,

도 5는 본 발명에 의한 탑 링 헤드의 운전 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 플래턴 2 : 패드

3 : 웨이퍼 4 : 캐리어

5 : 슬러리 6 : 캐리어 필름

10 : 탑 링 헤드 20 : 에어 튜브

30 : 바큠 홀(vacuum hole) 40 : 에어 피팅(air fitting)

50 : 바큠 라인(vacuum line) 60 : 리테이닝 링(retaining ring)

70 : 질소 공급 라인 80 : 진공라인

90 : 전공 압력 조절기 100 : 웨이퍼

110 : 로터리 조인트

본 발명은 웨이퍼를 연마시키는 화학적 기계적 연마(Chemical mechanical planarization, CMP) 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 연마 균일도를 개선하기 위한 에어튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드에 관한 것이다.

웨이퍼 제조에는 소자와 상호연결 구조를 형성하기 위한 반복되는 패터닝에 의해서 이루어지는 막의 증착 혹은 성장 공정이 포함된다. 진보된 반도체 소자는 층간절연막에 의해서 각 금속층이 여러층으로 분리된 다중 금속화 단계를 요구한다. 그러나 이러한 과정에서 생겨나는 기하학적 요철은 후속공정에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 표면의 요철이 증가하면 박막형성시 단차부에서는 막의 두께가 얇게 된다. 또한 배선의 단선으로 인해 개방되거나 배선층간의 절연불량으로 인해 단락되기도 한다. 그러므로 제품의 수율이 낮아지고 또한 초기에는 정상적으로 동작해도 장기간 사용시 신뢰성의 문제가 발생한다. 표면의 요철은 포토리소그래피공정에서도 큰 문제를 일으킨다. 즉 노광시 노광계의 초점이 부분적으로 맞지 않게 되어 미세패턴을 형성하기 어렵게 된다. 이러한 이유로 연마기술은 개발되었는데, 전통적인 방안으로 에치백(etchback), 유리환류(glass reflow), 스핀-온 필름(spin-on film)등이 제시되었다.

최근에는 이러한 방법들이 가지고 있는 단점을 보완하고자 화학적 기계적 연마방법이 많이 사용되고 있다. 화학적 기계적 연마 공정은 디바이스의 구조가 다층화되고 표면의 요철이 커지는 경향에 대응하고 고밀도 집적회로의 다층 배선의 층간 절연막을 서브 마이크론(Sub micron)이하의 표면 평탄화를 얻기 위해 대단히 중요한 공정이다.

화학적 기계적 연마 공정은 압력을 가하는 동안 슬러리의 표면에 있는 웨이퍼와 연마패드사이에 상대적인 운동에 의해서 웨이퍼 표면을 연마한다. 화학적 기계적 연마 방법은 웨이퍼 표면의 높은 부분을 제거하여 낮은 부분과 적절히 맞추어 줌으로써 웨이퍼의 연마를 수행한다. 그것은 필요한 두께와 연마균일도로 웨이퍼를 정확하고 균등하게 연마하는 방법으로 가장 널리 사용되고 있다. 화학적 기계적 연마 방법의 독특한 특징 중 한 가지는 적절히 고안된 슬러리와 패드 시스템을 사용하여 다층 금속화 연결구조내의 절연체와 금속층을 둘 다 연마하여 주는 것이다.

그러나 이러한 화학적 기계적 연마 방법의 가장 큰 문제점은 웨이퍼 표면이 전체적으로 비균일하게 제거되는 것이다. 특히 화학적 기계적 연마 장치에서 웨이 퍼가 회전하는 경우 웨이퍼의 중앙부보다 가장자리부분의 회전속도가 빨라서, 가장자리부가 중앙부보다 더욱 많이 제거되어 웨이퍼의 중앙부분과 가장자리 부분의 연마정도가 차이가 나서 웨이퍼 전체의 연마 균일도가 떨어지는 경우가 있다. 도 1은 탑 링 헤드를 이용한 연마시 웨이퍼상의 스트레스 분포도인데, 도 1에서 보는 바와 같이 웨이퍼의 연마시 웨이퍼의 위치에 따라 그 스트레스의 분포가 일정하지 않은 점을 보더라도 웨이퍼 전체의 연마균일도가 일정하지 않음을 예상할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드(top ring head)를 개선하려는 여러가지 시도가 있었다. 도 2는 종래의 탑 링 헤드의 구조도이다. 종래의 탑 링 헤드는 제작 회사마다 조금의 차이가 있으나 대부분은 Retaining Ring Pressure, Flexible Membrane Pressure, Carrier Film Pressure, Hole Position(Carrier Film)으로 연마 균일도를 개선하려고 노력하고 있다.

이러한 노력에도 불구하고 기존의 탑 링 헤드로 연마하는 경우 웨이퍼의 가장자리와 중앙부분의 연마정도 차이에 의한 웨이퍼 전체의 연마균일도가 떨어지는 현상을 완전히 제거할 수 없었다.

본 발명은 상기된 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서 화학적 기계적 연마 공정에서 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리 부분의 연마정도의 차이를 없애서 웨이퍼 전체의 연마 균일도 개선을 위한 에어 튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드는 웨이퍼와 접촉하는 상기 탑 링 헤드의 하부에 서로 다른 지름을 가지며 개별적으로 압력조절이 가능한 여러개의 원형 에어 튜브가 상기 탑 링 헤드의 중심으로부터 방사선으로 일정한 간격을 가지고 설치되어진 것을 특징으로 한다.

이하 예시도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 다만 이러한 설명은 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시하게 하기 위함이지, 이로써 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장비의 탑 링 헤드에 대해 살펴본다. 도 3는 화학적 기계적 연마 장치 중 기존의 탑 링 헤드(a)와 본 발명에 의한 탑 링 헤드(b)를 비교한 도면이다. 본 발명에 의한 탑 링 헤드(b)는 서로 다른 지름을 가지는 다수의 에어 튜브(20)를 일정한 간격으로 설치하여 개별적으로 각각의 에어튜브의 에어 압력을 조절할 수 있어 웨이퍼 전체의 연마 균일도를 개선할 수 있는데, 이는 탑 링 헤드의 전체면에 압력을 가하게 되어 웨이퍼의 특정부분이 다른 부분에 비하여 연마가 덜되거나 더 되더라도 이를 조절할 수 없었던 기존의 탑 링 헤드(a)의 문제점을 개선한 것이다. 만약 웨이퍼의 중앙부분에서 연마정도(Removal Rate) 가 낮으면 중앙부분에 높은 압력을 가하여 연마 균일도를 웨이퍼 전체에 걸쳐 일정하게 제어하는 것이다. 상기 에어 튜브의 갯수는 웨이퍼의 크기를 감안하여 200mm 웨이퍼에서는 5개의 에어 튜브가 적당하고, 300mm 웨이퍼에서는 7개의 에어 튜브가 적당할 것이다.

본 발명에 의한 화학적 기계적 연마 장비의 탑 링 헤드의 운전 형태에 대해 살펴보기 위해, 먼저 일반적인 화학적 기계적 연마 장비에 대해 살펴본다. 도 4는 로타리 타입의 화학적 기계적 연마 장치의 개략도이다. 화학적 기계적 연마 장치는 웨이퍼를 폴리싱(polishing)하기 위한 패드(2), 상기 패드(2)를 고정하면서 상기 패드(2)를 회전시키는 플래턴(platen)(1), 웨이퍼를 전송하거나 고정시키기 위한 캐리어(4)가 부착된 탑 링 헤드(10)로 구성되어 있다.

그 운전 방법을 살펴보면, 먼저 웨이퍼(3)가 캐리어(4)에 의해 패드(2)위에 고정이 되고, 이어 슬러리(5)가 공급되면서 플패턴(1)이 반시계방향으로 회전하고, 상기 패드(2)도 플래턴(1)과 함께 반시계방향으로 회전하게 된다. 동시에 탑 링 헤드(10)는 웨이퍼의 연마를 돕기 위하여 웨이퍼(3)를 수직방향으로 누르면서 플래턴(1)과 반대방향으로 회전하면서 요동운동을 동시에 행하여 웨이퍼(3)의 표면을 연마시킨다. 웨이퍼(3)는 표면장력 또는 진공에 의해서 탑 링 헤드부(10)에 장착되어 진다. 탑 링 헤드부(10)의 자체하중과 인가되는 가압력에 의해 웨이퍼(3) 표면과 패드(2)는 접촉하게 되고 이 접촉면 사이의 미세한 틈(패드의 기공부분) 사이로 가공액인 슬러리(5)가 유동을 하여 슬러리(5) 내부에 있는 연마입자와 패드(2)의 표면돌기들에 의해 기계적인 제거작용이 이루어지고 슬러리(5) 내의 화학성분에 의해서는 화학적인 제거작용이 이루어진다.

화학적 기계적 연마의 메카니즘을 좀 더 자세히 살펴보면, 첫째, 슬러리 화학물질에 의한 화학반응은 웨이퍼 표면층을 제거되기에 상대적으로 쉬운 상태로 만들고, 둘째, 이렇게 반응된 웨이퍼 표면층은 웨이퍼를 연마하기 위해서 필요한 슬러리의 연마용 화학적 기계적 연마 동작에 의해서 웨이퍼의 표면으로부터 기계적으로 제거된다.

다음으로 본 발명에 의한 탑 링 헤드의 구조 및 운전 방법에 대해 살펴본다. 도 5는 본 발명에 의한 탑 링 헤드의 운전 개략도이다. 본 발명에 의한 탑 링 헤드(10)는 그 재질이 일반적으로 세리믹이고, 상기 탑 링 헤드의 세라믹 틀에 에어튜브(20)나 바큠 홀(Vacuum Hole)(30)이 설치되는 구조이다. 상기 에어 튜브(20)는 웨이퍼의 연마균일도를 개선하기 위한 것이고, 에어튜브(20) 사이에는 바큠 홀(30)이라는 작은 구멍을 여러 개 만들어 웨이퍼를 진공으로 잡고 반송하는 구조이다. 리테이닝 링(Retaining Ring)(60)은 폴리싱 중에 웨이퍼가 빠지는 것을 방지하는 역할을 한다.

한편 탑 링 헤드의 상부에는 로터리 조인트(Rotary Joint)(110)를 설치하여 회전하는 탑 링 헤드에 에어를 공급하거나 진공을 유지시켜 주는 역할을 한다. 그리고 전공 압력조절기(Pressure Regulator)(90)를 설치하여 압력을 제어하며, 제어 가 된 압력은 로터리 조인트(110)를 통하여 탑 링 헤드의 각 에어튜브(20)로 연결되는 구조이다.

상기 탑 링 헤드의 운전형태를 보면 화학적 기계적 연마 장비에 의해 웨이퍼가 연마되는 동안에 광학종료점 검출(optical endpoint detection)등의 방법으로 웨이퍼의 연마 정도를 웨이퍼의 여러 곳에서 감지하여 웨이퍼의 특정부분이 다른 부분에 비하여 연마가 덜 되었다면, 전공 압력조절기(90)에 의해 질소가 공급이 되고, 공급된 질소는 로터리조인트(110)를 통하여 해당 질소 공급라인(70)을 통하여 해당 에어튜브(20)로 공급된다. 질소가 공급된 에어튜브(20)는 다른 에어튜브보다 부풀어져서 웨이퍼상의 연마가 비교적 덜 된 부분에 상대적으로 높은 압력을 가하게 된다. 압력을 받은 부분은 다른 부분보다 화학적 기계적 연마 장비의 패드(2)와 더욱 밀착하게 되어, 웨이퍼의 다른 부분보다 연마가 잘 이루어져서, 웨이퍼의 전면에 걸쳐 연마가 균일하게 이루어져, 웨이퍼의 연마 균일도가 개선된다.

본 발명에 의하여 기존의 탑 링 헤드의 하부에 여러 개의 원형 에어튜브를 만들어 추가함으로써 에어 튜브의 압력을 개별적으로 제어하여 웨이퍼 전체의 연마 균일도를 개선할 수 있다.

Claims (3)

1. 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드에 있어서, 웨이퍼와 접촉하는 상기 탑 링 헤드의 하부에 서로 다른 지름을 가지며 개별적으로 압력조절이 가능한 여러개의 원형 에어 튜브가 상기 탑 링 헤드의 중심으로부터 방사선으로 일정한 간격을 가지고 설치되어진 것을 특징으로 하는 에어튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 원형 에어튜브가 5개 설치되어 200mm 웨이퍼를 연마하는 것을 특징으로 하는 에어 튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드.
3. 제1항에 있어서, 상기 원형 에어튜브가 7개 설치되어 300mm 웨이퍼를 연마하는 것을 특징으로 하는 에어 튜브를 구비한 화학적 기계적 연마 장치의 탑 링 헤드.

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