KR20080062054A - 화학적 기계적 연마 장치 및 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자의 화학적 기계적 연마 장치 및 방법이 개시된다. 본 화학적 기계적 연마 장치, 연마패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 CMP 장치로서, 케미칼을 이용하여 상기 연마패드 상에서 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프패드(Buff Pad)와, 상기 버프패드를 컨디셔닝하기 위한 다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)와, 수소환원수를 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어있는 케미칼을 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 반도체 소자의 화학적 기계적 연마 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1에서 버프부(60)를 도시한 개요도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 절단선을 따라 도시한 절단면도이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조 공정 중에서 CMP(화학적 기계적 연마; Chemical Mechanical Polishing) 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이물질에 의한 웨이퍼 표면 손상을 방지할 수 있는 구리 다마신(Cu Damascene) 금속 배선 형성을 위한 CMP 장치 및 방법에 관한 것이다.
근래, 대규모 집적회로의 미세화, 고밀도화, 고집적화에 의한 고속화가 더욱 요구되고 있으며, 이에 따라 배선의 다층화에 관한 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 배선의 다층화를 위해서는 배선 피치 폭의 축소 및 배선간 용량의 감소 등이 이루어져야 하며, 이에 대한 해결책으로서 종래의 금속배선 재료인 알루미늄 및 텅 스텐보다 저항율이 낮은 구리(Cu) 배선공정에 대한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
구리배선 형성에 있어서는, 상감기법에 의한 다마신(Damascene) 공정이 주류가 되고 있다. 다마신 방법에 있어서 구리 배선의 평탄화는 소위 CMP(chemical Mechanical Polishing) 방법에 의해 이루어진다.
이러한 구리 CMP 공정은 웨이퍼를 연마하는 폴리싱 공정 및 세정 공정으로 구성된다. 폴리싱 공정은 연마패드를 이용하여 연마 테이블에 안착된 웨이퍼를 소정의 두께만큼 갈아낸 다음 세정공정으로 넘겨 연마된 웨이퍼의 오염물질을 세정 제거하게 된다.
한편, 폴리싱 공정에서는 연마 후 적절한 케미칼을 공급하면서 웨이퍼를 버프 패드(Buff Pad)에 가압 및 마찰시켜 폴리싱 공정에서 발생된 웨이퍼 상의 슬러리 입자, 구리 찌꺼기(Cu Residue) 등을 효과적으로 제거시키는 버핑(Buffing) 공정을 진행하게 된다. 버핑 공정에 사용하는 버프 패드는 버핑 진행 후에 패드 표면을 원래 상태로 되돌리기 위해 컨디셔닝을 하게 된다. 이 때, 버프 패드의 컨디셔닝 공정은 초순수를 공급하면서 다이아몬드 미세입자를 니켈과 같은 금속모재에 고정시킨 버프 드레서(Dresser)를 이용하여 버프 패드를 컨디셔닝한다.
버핑 공정은 일반적으로 슬러리 입자와 구리 찌꺼기 제거에 적합한 케미칼(Cu 혹은 Cu 화합물과 쉽게 결합하여 킬레이트를 구성하는 물질, 구연산 등의 유기산)을 버프 패드에 공급하면서 연마된 웨이퍼를 버프 패드에 가압 마찰시키면서 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거한다. 이 때, 버프 드레서를 이용한 버프 패드의 컨디셔닝 진행 동안 버프 드레서의 사용 시간 증가에 따라 다이아몬드 입자 고정 금속모재가 점점 부식하여 버프 드레서에서 금속입자, 다이아몬드 입자 등이 탈락하게 된다. 즉, 버핑 공정에서 다량의 유기산과 같은 산성 케미칼을 사용하므로 버드 패드의 컨디셔닝 진행시 버프 패드의 잔류 케미칼과 버프드레서의 금속 모재가 반응하여 부식되고 반복적인 마찰에 의해 금속 입자가 버프 드레서로부터 떨어지게 되며 고정된 다이아몬드 입자도 모재가 열화됨에 따라 모재로부터 떨어져 나오게 된다. 이에 따라, 버프 패드의 컨디셔닝 진행시 탈락된 금속 입자, 다이아몬드 입자 등이 버프 패드에 잔류하고 있다가 버핑 진행시 웨이퍼 표면에 스크래치를 발생시키게 된다.
따라서, 종래의 반도체 장치의 CMP 방법에서는 웨이퍼 표면에서 발생되는 스크래치가 후속 공정에 영향을 미쳐 패턴 불량을 유발하여 반도체 장치의 수율 및 신뢰성을 감소시키게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출한 것으로서, 본 발명의 목적은 연마패드 내의 이물질에 의한 웨이퍼 표면의 손상을 방지할 수 있는 반도체 장치의 CMP 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 CMP 장치는, 연마패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 CMP 장치로서, 케미칼을 이용하여 상기 연마패드 상에서 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프패드(Buff Pad)와, 상기 버프패드를 컨 디셔닝하기 위한 다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)와, 수소환원수를 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어있는 케미칼을 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 수소환원수는 초순수에 수소를 용존수소의 형태로 용해시킨 기능수를 지칭하는 것으로서, 용존수소의 농도는 특별히 제한하지는 않지만, 0.1∼2.0mg/Liter의 범위인 것을 특징으로 한다. 수소환원수는 산화환원전위(ORP)를 낮추어 금속의 산화 부식을 방지하고, 오염입자와 웨이퍼 표면의 마이너스(minus) 표면전하를 강하게 하여 입자의 탈착 및 재부착을 방지하는 효과가 있다.
또한, 수소수의 영역에서는 금속 산화에 의한 부식이 방지되고 금속의 상태로서 안정적으로 존재하기 때문에 금속 모재 부식에 의한 이물질 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 CMP 장치에서 상기 버프패드는 상기 케미칼이 공급되는 복수의 구멍들을 구비할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 CMP 장치는 수소환원수를 상기 드레서 세정부에 공급하는 노즐을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 CMP 방법은, 연마패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 소정의 두께로 연마하는 단계와, 버프패드(Buff Pad)에 공급되는 케미칼을 이용하여 연마된 웨이퍼의 이물질을 제거하는 단계와, 다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)를 이용하여 상기 버프패드를 컨디셔닝(Conditioning)하는 단계와, 수소환원수를 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어있는 케미칼을 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 CMP 장치는, 복수의 웨이퍼(12)가 수납된 카세트(14)를 로딩(Loading)시키거나 언로딩(Unloading)시키는 로딩 및 언로딩부(10)로부터 공급되는 웨이퍼(12)에 대하여 CMP 공정을 진행하는 연마장치(20)와, 연마장치(20)에 의해 연마된 웨이퍼(12)를 세정하는 세정장치(30)와, 연마장치(20)와 세정장치(30)에 웨이퍼를 공급하는 반송장치(32, 34, 36)을 구비한다.
로딩/언로딩부(10)는 외부로부터 복수의 웨이퍼(12)가 수납된 복수의 카세트(14)와, 카세트(14)에 수납된 웨이퍼(12)를 반송장치(32, 34, 36)로 반송하는 제1 로봇(22)을 구비한다.
반송장치(32, 34, 36)는 제1 로봇(22)에 의해 카세트(14)로부터 반송되는 웨이퍼(12)를 대기시키는 버퍼부(36)와, 버퍼부(36)로부터 웨이퍼(12)를 반전시켜 연마장치(20)에 공급하는 웨이퍼 반전부(32)와, 버퍼부(36)의 웨이퍼(12)를 반전부(32)로 반송하는 제2 로봇(34)를 구비한다.
연마장치(20)는 나란히 설치되어 CMP 공정에 의해 반전부(32)로부터의 웨이퍼(12)를 연마하는 제1 및 제2 폴리싱부(50, 52)를 구비한다. 제1 및 제2 폴리싱부(50, 52) 각각은 CMP 공정에 의해 반전부(32)로부터 공급되는 웨이퍼(12)를 연마하는 연마패드(40)와; 버프패드(Buff Pad)를 이용하여 웨이퍼(12) 표면의 이물질을 제거하며, 버프 드레서(120, 도 2 참조)을 이용하여 버프패드를 컨디셔 닝(Conditioning)함과 아울러 수소환원수를 이용하여 버프 드레서(120)을 세정하는 버프부(60)을 구비한다. 연마패드(40) 상에 연마제 슬러리를 공급하여 반전부(32)로부터 공급되는 웨이퍼(12)를 소정의 두께만큼 연마하게 된다.
버프부(60)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 도시하지 않은 버프 테이블(Buff Table)과, 버프 패드(100)와, 버프 패드(100)를 컨디셔닝하는 버프 드레서(120)와, 수소환원수(112)를 이용하여 버프 드레서(120)를 세정하는 버프 드레서 세정부(110)와, 버프 드레서 세정부(110)에 수소환원수(112)를 공급하는 노즐(130)을 구비한다. 버프 테이블에는 연마패드(40)에서 연마공정이 완료된 웨이퍼(12)가 안착된다.
버프 패드(100)는 매트릭스 형태로 배치되는 다수의 구멍(102)을 구비한다. 이러한 다수의 구멍(102)에는 웨이퍼(12)의 연마 공정시 웨이퍼 표면의 슬러리 입자, 구리 찌꺼기(Cu Residue) 등의 이물질 제거에 적합한 케미컬(Cu 혹은 Cu 화합물과 쉽게 결합하여 킬레이트를 구성하는 물질, 구연산 등의 유기산)이 공급된다. 버프 드레서(120)는 니켈 모재에 고정된 다이아몬드를 이용하여 버프패드를 컨디셔닝하게 된다.
버프 드레서 세정부(110)는 버프 드레서(120)가 수납된 상태에서 노즐(130)로부터 분사되는 수소환원수(112)를 이용하여 버프 패드(100) 컨디셔닝 공정에 의해 버프드레서(120)에 묻어 있는 케미컬을 제거한다.
이와 같이, 버프부(60)는 연마패드(40) 상에서의 웨이퍼 연마 공정 수행 후 적합한 케미컬을 웨이퍼(12) 상에 공급하면서 연마 공정에서 발생한 슬러리 입자, 구리 찌꺼기 등을 효과적으로 제거시키는 버핑(Buffing) 공정을 진행하게 된다. 다시 말하면, 버프부(60)에서의 버핑 공정은 슬러리 입자, 구리 찌꺼기 제거에 적합한 케미컬을 버프패드(100)의 구멍(102)에 공급함과 동시에 연마가 끝난 웨이퍼(12)를 버프패드(100)에 가압, 마찰시키면서 웨이퍼(12) 표면의 이물질을 제거한다.
또한, 버퍼부(60)는 연마 공정에서 웨이퍼(12)를 연마하는 동안 버핑 공정에서 사용되는 버프패드(100)를 컨디셔닝하게 된다. 구체적으로, 버프패드(100)의 컨디셔닝 공정은 버프 드레서(120)를 이용하여 버프패드(100)를 컨디셔닝하게 된다. 버프패드(100)의 컨디셔닝 공정시 버프패드(100)에 공급되는 케미컬이 버프 드레서(120)에 묻게 됨으로써 케미컬과 다이아몬드 부착 모재인 금속 니켈(Ni)이 화학적 반응 등에 의해 부식되어 버프 드레서(120)에서 니켈 입자, 다이아몬드 입자 등이 탈락되는 현상이 발생하게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위해 버퍼부(60)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 버프패드(100)를 컨디셔닝하는 시간 외에는 버프 드레서(120)를 버프 드레서 세정부(110)의 내부에 수납하고, 수납된 버프 드레서(120)에 노즐(130)을 통해 수소환원수(112)를 분사하여 버프 드레서에 묻어있는 케미컬을 세정하게 된다. 이에 따라, 버프 드레서(120)에 묻어있는 케미컬이 수소환원수로 희석, 세정되면서 수소환원수의 특성인 낮은 산화환원전위(ORP)로 인하여 다이아몬드 부착 모재인 금속 니켈의 산화 부식을 방지하여 니켈 부식 입자 및 다이아몬드 입자의 탈락을 방지하게 된다.
이와 같이, 제1 및 제2 폴리싱부(50, 52)에 의해 연마되고, 버프부(60)에 의해 이물질이 제거된 웨이퍼(12)는 반전부에 공급되고, 반전부(32)에 공급된 웨이퍼(12)는 제2 로봇(34)에 의해 세정장치(30)로 공급된다. 세정장치(30)는 나란하게 설치되어 연마장치(20)에 의해 연마된 웨이퍼(12)를 세정하기 위한 제1 및 제2 세정건조부(70, 72)를 구비한다. 제1 및 제2 세정건조부(70, 72)는 세정액을 이용하여 제2 로봇(34)에 의해 공급되는 웨이퍼(12)를 세정하고 건조하여 로딩/언로딩부(10)에 공급한다.
본 발명의 반도체 장치의 CMP 장치 및 방법은 수소환원수를 이용하여 버프 드레서에 묻어 있는 케미컬을 세정함으로써, 버프 드레서의 다이아몬드 부착 모재인 금속의 부식 손상을 방지하게 된다. 이에 따라, 본 발명은 버프 드레서의 금속 손상에 의해 탈락되는 니켈 부식 입자, 다이아몬드 입자에 의해 웨이퍼 표면에 발생되는 스크래치를 방지함으로써, 반도체 장치의 패턴 불량을 방지하여 반도체 장치의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 본 발명은 버프 드레서의 손상을 방지하여 고가인 버프 드레서의 수명을 연장시켜 교체 비용을 절감할 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등 한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (6)
- 연마패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 화학적 기계적 연마 장치에 있어서,케미칼을 이용하여 상기 연마패드 상에서 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프패드(Buff Pad)와,상기 버프패드를 컨디셔닝하기 위한 다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)와,수소환원수를 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어있는 케미칼을 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
- 제1항에 있어서,상기 수소환원수는 초순수에 수소를 용존수소의 형태로 용해시킨 기능수인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
- 제2항에 있어서,상기 용존수소의 농도가 0.1∼2.0 mg/Liter의 범위인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
- 연마패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 소정의 두께로 연마하는 단계와,버프패드(Buff Pad)에 공급되는 케미칼을 이용하여 연마된 웨이퍼의 이물질을 제거하는 단계와,다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)를 이용하여 상기 버프패드를 컨디셔닝(Conditioning)하는 단계와,수소환원수를 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 케미칼을 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학적 기계적 연마 방법.
- 제4항에 있어서,상기 수소환원수는 초순수에 수소를 용존수소의 형태로 용해시킨 기능수인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학적 기계적 연마 방법.
- 제5항에 있어서,상기 용존수소의 농도가 0.1∼2.0mg/Liter의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학적 기계적 연마 방법.
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