KR20080109396A - 반도체 웨이퍼 연마 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 슬러리를 공급하고, 상기 웨이퍼와 연마패드를 접촉시킨 상태에서 상대 회전시켜 웨이퍼 표면을 연마처리하는 연마방법에 있어서, 연마공정 초기에 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 투입하여 산화막을 제거하는 단계; 및 상기 산화막 제거 후 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단하고, 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡(stock) 슬러리를 투입하여 상기 웨이퍼를 스톡 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법이 개시된다.
웨이퍼 연마장치, 산화막, 산화막 제거용 슬러리, 스톡 슬러리, 스톡 연마
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따라 연마공정 초기에 발생하는 산화막에 의한 연마속도 천이구간을 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 연마장치의 주요 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법을 수행하기 위한 공정방법 예를 도시한 테이블이다.
도 5 및 도 6은 대기시간 경과에 의해 발생하는 산화막에 의한 연마속도 천이구간을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 연마공정 초기에 산화막 제거용 슬러리를 투입한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 연마 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼의 제조공정 중에 웨이퍼의 표면에 형성되는 산화막 문제를 해결하고 연마효율을 향상시킬 수 있는 슬러리(slurry) 공급처리를 수행하는 반도체 웨이퍼 연마 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 웨이퍼는 웨이퍼 표면의 손상을 제거하고 평탄도를 향상시키기 위해 웨이퍼의 프론트 사이드(front side)와 백 사이드(back side)의 표면을 연마하는 랩핑(lapping) 공정과, 랩핑 공정에서 연마된 웨이퍼의 표면에 발생된 미세 균열이나 표면 결함을 제거하기 위해 화학적 반응을 이용하여 웨이퍼 표면을 에칭하는 에칭(etching) 공정과, 에칭 공정을 거친 웨이퍼의 표면 거칠기와 평탄도를 향상시키기 위해 웨이퍼의 표면을 폴리싱(polishing)하는 공정 등의 일련의 쉐이핑(shaping) 공정과 연마 및 세정 작업을 거쳐 제작된다. 각 단계에서 웨이퍼는 세정, 건조 및 대기 후 다음 공정을 거치게 되는데, 이 과정에서 형성되는 웨이퍼 표면의 산화막은 연마 단계에서 과도한 마찰력 발생의 원인이 되어 연마장치의 구동부에 과부하 및 진동을 초래하고, 연마 속도를 저하시킨다.
웨이퍼 제조 과정에서 연마 공정은 웨이퍼의 표면 변질층을 제거하고 두께 균일도를 개선시키는 스톡(stock) 연마와, 웨이퍼의 표면을 경면으로 가공하는 파이널(final) 연마로 나눠진다. 스톡 연마와 파이널 연마는 동일 장비에서 연속적으로 수행되는데, 스톡 연마에서는 통상 0.5~0.8㎛/분의 연마속도로 연마가 진행되 고, 파이널 연마에서는 정확한 연마속도 측정이 불가한 수준으로 미량의 연마가 진행된다. 이러한 연마공정은 연마 특성에 걸맞는 연마 슬러리와 연마패드를 선택하여 이루어지게 되며, 연마 슬러리는 웨이퍼에 대한 연마율, 마찰특성, 표면거칠기 등을 고려하여 선택된다.
전술한 바와 같이 연마 전(前)공정에서는 웨이퍼를 세정한 후 소정의 대기 시간을 가지는 등 일련의 연마 준비과정을 거치게 되는데, 이러한 과정에서 웨이퍼 표면에는 세정작업으로 인한 화학적 산화막이나 대기 중 노출로 인한 자연 산화막이 성장하게 되며, 이로 인해 연마 초기에는 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 과도한 마찰력 변화로 인해 연마 속도가 급격히 떨어지는 천이구간이 발생하게 된다.
일반적인 웨이퍼 제조 과정은 컨베이어 생산 형태로 각 공정이 연속적으로 진행되는 것이 아니라 최소 1카셋트 기준(25장/카셋트)으로 각 단위 공정에서 가공 및 세정을 완료한 후 다음 공정으로 이동하는 방식하는 진행되므로 연마 전공정의 세정 단계에서 산화막을 완전히 제거하여도 공정 이동 및 대기 시간에 의해 다시 산화막이 형성된다.
이러한 현상은 연마공정 전의 웨이퍼 표면 상태나 슬러리 종류에 따라 차이를 보이나, 대체로 유사한 형태로 발생한다. 특히, 스톡 연마공정에서 아민(amine)이 없는 슬러리를 사용하는 경우에는 천이구간의 발생 정도가 심해진다.
종래에는 연마 속도를 높이고 연마패드 표면에 실리카 피막이 형성되는 글레이징 현상을 개선하기 위하여 아민을 포함한 슬러리를 사용하였으나, 최근에는 아 민에 의한 구리 오염이 문제가 되어 아민이 없는 연마 슬러리가 널리 사용되고 있다. 그러나, 아민이 없는 경우에는 산화막 제거가 더 힘들어지므로 연마 초기에 마찰력 증가 및 연마 속도가 떨어지는 현상이 악화된다. 또한, 웨이퍼의 양면을 연마하는 양면연마 시에는 마찰력 증가 및 진동 발생으로 인해 연마장치의 캐리어가 연마패드를 이상 마모시키는 현상이 발생하기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 반도체 웨이퍼에 대한 스톡 연마 이전에 산화막 제거용 연마를 선행하여 연마시 산화막에 의한 마찰력 상승과 연마속도 저하 문제를 개선하는 반도체 웨이퍼 연마 방법 및 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법에서는 산화막 제거용 슬러리를 투입하여 먼저 웨이퍼 표면의 산화막을 제거한 후 실리카 제거용 슬러리를 투입하여 스톡 연마를 수행한다.
즉, 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법은 연마공정 초기에 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 투입하여 산화막을 제거하는 제1단계; 및 상기 산화막 제거 후 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단하고, 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡(stock) 슬러리를 투입하여 상기 웨이퍼를 스톡 연마하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계 이전에는 상기 웨이퍼에 대하여 불산(HF) 세정 및 린스 공정을 수행하고, 그로부터 2시간 이내에 상기 제1단계를 진행하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계에서는, 상기 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단한 후에 상기 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 초순수를 공급하여 잔존하는 산화막 제거용 슬러리를 제거하는 린스 단계;를 더 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연마 대상 웨이퍼가 장착되는 캐리어; 상기 웨이퍼의 표면과 접촉한 채로 상기 캐리어와 상대 회전운동하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마패드가 장착된 정반; 연마공정 초기에 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 공급하기 위한 산화막 제거용 슬러리 공급유닛; 및 산화막 제거가 완료된 이후에 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡 슬러리를 공급하기 위한 스톡 슬러리 공급유닛;을 포함하는 반도체 웨이퍼 연마장치가 제공된다.
실리콘 웨이퍼의 경우, 상기 스톡 슬러리로는 실리카 제거용 슬러리가 채용된다.
상기 산화막 제거용 슬러리에 함유된 연마입자는 퓸드(fumed) 실리카 또는 콜로이달(colloidal) 실리카인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 웨이퍼 연마장치의 개략적인 주요 구성도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 웨이퍼 연마장치는 연마 대상이 되는 웨이퍼를 장착하기 위한 캐리어(10)와, 웨이퍼의 표면과 접촉한 채 캐리어(10)와 상대 회전운동하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마패드가 장착되는 정반(11)과, 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급수단 등으로 구성된다.
본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마장치에 있어서, 특히 슬러리 공급수단은 산화막 제거용 슬러리를 공급하는 산화막 제거용 슬러리 공급유닛(12)과, 스톡 슬러리를 공급하는 스톡 슬러리 공급유닛(13)을 포함한다. 산화막 제거용 슬러리 공급유닛(12)은 연마공정 초기에 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에, 예컨대 퓸드(fumed) 실리카나 콜로이달(colloidal) 실리카를 연마입자로 하는 산화막 제거용 슬러리를 투입한다. 또한, 스톡 슬러리 공급유닛(13)은 산화막의 제거가 완료된 이후에 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에, 예컨대 실리카 제거용 슬러리에 해당하는 스톡 슬러리를 투입한다.
본 발명에 있어서, 캐리어(10)와 정반(11) 등을 비롯하여 슬러리를 저장 및 투입하기 위한 구체적인 구조는 통상의 연마장치에 구비된 구성이 동일하게 채용될 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이러한 반도체 웨이퍼 연마장치는 웨이퍼를 캐리어(10)에 장착한 후, 산화막 제거용 슬러리 공급유닛(12)에서 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 투입하고, 웨이퍼와 연마패드를 접촉시킨 상태에서 상대 회전시켜 웨이퍼 표면에 대한 산화막 제거처리를 진행한다. 웨이퍼 표면의 산화막을 제거한 이후에는, 스톡 슬러리 공급유닛(13)에서 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡 슬러리를 투입하여 웨이퍼 표면에 대한 스톡 연마를 수행한다.
도 3에는 상기 반도체 웨이퍼 연마장치에 의해 수행되는 공정 단계들이 구체적으로 정리되어 있다. 도 3을 참조하면, 공정구간을 3단계(#1~#3)로 구분할 때, 연마공정 초기 단계인 #1에서는 산화막 제거용 슬러리를 웨이퍼의 표면과 연마패드 사이에 투입하여 웨이퍼 표면에 존재하는 산화막을 제거하고, 이후 단계 #2 및 #3에서는 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단한 상태에서 스톡 슬러리를 투입하여 웨이퍼 표면에 대한 스톡 연마를 진행한다.
반도체 웨이퍼가 실리콘 웨이퍼인 경우, 스톡 슬러리로는 실리카 제거용 슬러리가 사용된다. 또한, 산화막 제거용 슬러리로는 연마속도가 다른 연마입자에 비해 상대적으로 빠른 퓸드(fumed) 실리카를 원료로 하는 슬러리가 사용되는 것이 바람직하다. 대안으로, 산화막 제거용 슬러리로는 입자가 수 ㎚ 크기로 매우 작은 콜로이달(colloidal) 실리카를 연마입자로 하는 슬러리가 사용되어 웨이퍼 표면에 대한 스크래치 위험을 줄일 수 있다.
스톡 슬러리는 리사이클 탱크(recycle tank)(14)를 통한 회수과정을 거침으로써 반복 사용이 가능하다. 여기서, 연마 초기에 사용된 산화막 제거용 슬러리는 사용 후 바로 드레인(drain) 하되 장치 내부에 잔존하는 슬러리가 배수될 때까지 단계 #2까지 지연시간을 설정하여 리사이클 탱크 내부에서 스톡 슬러리와 혼입되는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
한편, 도 4에 도시된 공정방법에서는 공정구간을 4단계(#1~#4)로 구분하여, 연마공정 초기 단계인 #1에서는 산화막 제거용 슬러리를 웨이퍼의 표면과 연마패드 사이에 투입하여 웨이퍼 표면에 존재하는 산화막을 제거하고, 이후 단계 #2에서 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단한 상태에서 초순수(DIW)를 이용해 린스(rinse)작업을 수행하고, 단계 #3 및 #4에서 스톡 슬러리를 투입하여 웨이퍼 표면에 대한 스톡 연마를 진행한다. 특히 본 공정방법에서는 단계 #2에서 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 초순수를 공급하여 잔존하는 산화막 제거용 슬러리를 제거함으로써 웨이퍼 표면에 대한 스크래치 발생을 방지하고 연마속도를 보다 향상시킬 수 있다.
리사이클 탱크(recycle tank)(14)를 통해 스톡 슬러리를 회수하여 재사용하는 경우, 연마 초기에 사용된 산화막 제거용 슬러리는 사용 후 바로 드레인하되 장치 내부에 잔존하는 슬러리가 배수될 때까지 단계 #3까지 지연시간을 설정하여 리사이클 탱크 내부에서 스톡 슬러리와 혼입되는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 본 발명은 단계 #1 이전에 웨이퍼에 대하여 불산(HF) 세정 및 린스 공정을 수행하고, 그로부터 2시간 이내에 단계 #1을 진행함으로써 산화막에 의한 영향을 최소화 할 수 있다. 즉, 불산(HF)을 이용해 웨이퍼에 존재하는 산화막을 제거하고 린스 및 건조시킨 상태에서 2시간 이내의 대기시간을 가진 후 #1~#3 또는 #1~#4의 연마공정이 진행된다. 도 5 및 도 6에는 대기시간별 마찰력과 연마성능을 측정한 결과가 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 2시간을 초과하는 대기시간을 가질 경우에는 웨이퍼 표면에 산화막이 재형성되어 연마속도가 급격히 저하되는 천이구간(T)이 발생하게 됨을 확인할 수 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 실시예((a) 내지 (c))에서는 연마공정 초기(Ts)에 상용의 산화막 제거용 슬러리(ILD 2500/Rohm & Haas사)를 사용함에 따라 천이구간이 발생하지 않는 측정결과를 얻을 수 있었다. 도 7에서 그래프 (a), (b), (c) 및 (d)는 구동속도/연마압력이 각각 120rpm/280g, 120rpm/160g, 60rpm/160g 및 60rpm/160g으로 설정된 경우에 해당한다. 도 7의 (a) 내지 (d)에 나타난 바와 같이 산화막 제거용 슬러리가 투입됨에 따라 Ts에서 천이구간이 발생하지 않으며, 산화막 제거용 슬러리의 투입에 따라 (a)와 (b)의 경우 마찰력 증가 피크가 발생하긴 하였으나, 저속/저압의 조건인 (c)의 경우에는 마찰력 증가현상과 천이구간 모두 발생하지 않았다. 한편, 산화막 제거용 슬러리와 스톡 슬러리를 동시에 투입한 (d)의 경우에는 10~20sec의 구간동안 미세하게 천이구간(Tt)이 발생하는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마방법은 연마공정 초기에 산화막 제거용 슬러리를 투입하여 산화막을 제거한 다음, 스톡 슬러리를 투입하여 웨이퍼를 스톡 연마함으로써 산화막에 의한 웨이퍼의 연마속도 저하 문제를 해 결할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하면 산화막에 의해 연마 특성이 저하되는 천이구간이 없어지면서 마찰력 증가 및 진동 발생 현상을 억제하여 연마 패드의 이상 마모와 장비 손상 및 정밀도 저하를 방지하고, 연마공정 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (8)
- 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 슬러리를 공급하고, 상기 웨이퍼와 연마패드를 접촉시킨 상태에서 상대 회전시켜 웨이퍼 표면을 연마처리하는 연마방법에 있어서,연마공정 초기에 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 투입하여 산화막을 제거하는 제1단계; 및상기 산화막 제거 후 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단하고, 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡(stock) 슬러리를 투입하여 상기 웨이퍼를 스톡 연마하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1단계 이전에 상기 웨이퍼에 대하여 불산(HF) 세정 및 린스 공정을 수행하고, 그로부터 2시간 이내에 상기 제1단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제2단계에서, 상기 산화막 제거용 슬러리의 투입을 중단한 후에 상기 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 초순수를 공급하여 잔존하는 산화 막 제거용 슬러리를 제거하는 린스 단계;를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
- 제1항에 있어서,상기 스톡 슬러리는 실리카 제거용 슬러리인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
- 제1항에 있어서,상기 산화막 제거용 슬러리에 함유된 연마입자는 퓸드(fumed) 실리카 또는 콜로이달(colloidal) 실리카인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마방법.
- 연마 대상 웨이퍼가 장착되는 캐리어;상기 웨이퍼의 표면과 접촉한 채로 상기 캐리어와 상대 회전운동하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마패드가 장착된 정반;연마공정 초기에 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 산화막 제거용 슬러리를 공급하기 위한 산화막 제거용 슬러리 공급유닛; 및산화막 제거가 완료된 이후에 상기 웨이퍼의 표면과 연마패드의 연마면 사이에 스톡 슬러리를 공급하기 위한 스톡 슬러리 공급유닛;을 포함하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
- 제6항에 있어서,상기 스톡 슬러리는 실리카 제거용 슬러리인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
- 제6항에 있어서,상기 산화막 제거용 슬러리에 함유된 연마입자는 퓸드(fumed) 실리카 또는 콜로이달(colloidal) 실리카인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
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