KR20090068640A - 반도체 소자 제조를 위한 ｃｍｐ 장치 및 이를 이용한ｃｍｐ 방법 - Google Patents

반도체 소자 제조를 위한 ｃｍｐ 장치 및 이를 이용한ｃｍｐ 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치 및 이를 이용한 CMP 방법에 관한 것으로서, 폴리싱 패드가 상면에 부착되며, 구동수단에 의해 회전 가능하도록 설치되는 폴리싱 플래튼과, 폴리싱 패드 상에 설치되고, 웨이퍼를 폴리싱 패드에 밀착시켜서 회전시킴으로써 폴리싱하는 폴리싱 헤드와, 폴리싱 패드 상에 웨이퍼의 폴리싱을 위한 슬러리를 공급하도록 설치되는 슬러리 공급 노즐과, 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 초순수를 공급하도록 설치되는 초순수 공급 노즐과, 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 케미컬을 공급하도록 설치되는 케미컬 공급 노즐을 포함한다. 따라서, 본 발명은 웨이퍼에 대한 폴리싱 후 연마 입자 등을 웨이퍼로부터 제거하기 위하여 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 웨이퍼를 폴리싱하여 세정함으로써 별도의 세정 장치를 사용한 여러 단계의 세정 공정을 생략하도록 하여 CMP 공정에 소요되는 시간을 감소시키고, CMP 장치 내에 다수의 세정 장치가 필요하지 않게 됨으로써 CMP 장치의 크기와 제작 비용을 감소시키며, LIC-3에 포함되는 HF와 H2SO4 및 H2O2에 의해 텅스텐 CMP 공정에 의해 발생되는 텅스텐 찌꺼기를 효율적으로 제거할 수 있는 효과를 가지고 있다.
폴리싱, 세정, 케미컬, LIC-3, HF, H2SO4, H2O2, 텅스텐 CMP

Description

반도체 소자 제조를 위한 ＣＭＰ 장치 및 이를 이용한 ＣＭＰ 방법{Chemical-mechanical polishing apparatus for manufacturing semiconductor devices and method thereof}
본 발명은 웨이퍼에 대한 폴리싱 후 슬러리에 포함된 연마 입자와 폴리싱에 의해 발생되는 부산물 등을 웨이퍼로부터 제거하기 위하여 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 웨이퍼를 폴리싱하여 세정함으로써 별도의 세정 장치를 사용한 여러 단계의 세정 공정을 생략하도록 하여 CMP 공정에 소요되는 시간을 감소시키는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치 및 이를 이용한 CMP 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 포토리소그래피 공정, 확산 공정, 식각 공정, 화학기상증착 공정 등 다양한 단위 공정에 의해 제조되는데, 특히, 포토리소그래피 공정은 반도체 소자 내에 패턴들이 디자인대로 정확하게 구현될 수 있는지를 결정하는 중요한 공정이다.
이러한 포토리소그래피 공정의 정확도를 높이기 위해서는 웨이퍼 표면의 평탄화가 필수적이며, 평탄화 방법으로 예전에는 리플로우(reflow), 에치 백(etch back) 공정 등에 의해 달성할 수 있었으나, 고집적화에 따라 패턴의 최소 선폭이 감소되고, 웨이퍼의 대구경화에 따른 웨이퍼의 넓어진 면을 평탄화하기 위한 방법으로 화학적인 제거가공과 기계적인 제거가공을 하나의 가공방법으로 혼합한 화학적 기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing; 이하, "CMP"라고 함) 공정이 이용되고 있다.
CMP 공정이란 단차를 가진 웨이퍼 표면을 폴리싱패드 위에 밀착시킨 후 연마제와 화학물질이 포함된 슬러리(slurry)를 웨이퍼와 폴리싱패드 사이에 주입시켜서 웨이퍼의 표면을 평탄화시키는 방식으로서, 평탄화 특성이 우수하여 널리 사용되고 있다.
이러한 CMP 공정은 장비뿐만 아니라 폴리싱 패드(polishing pad), 슬러리(slurry) 등과 같은 소모성 부품이 공정의 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 이들 중에서 연마율(removal rate)을 결정하는 슬러리는 특정의 화학액에 연마입자가 분산되어 있으며, 화학액이 웨이퍼 표면 물질과 화학적으로 반응하고, 분산되어 있는 연마 입자가 웨이퍼 표면의 반응 물질을 제거함으로써 평탄화가 이루어지도록 한다.
종래의 반도체 소자를 제조하기 위한 평탄화 공정에 사용되는 CMP 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술에 따른 반도체 소자 제조용 CMP 장치를 도시한 개략도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 CMP 장치(10)는 폴리싱 패드(11a)가 상면에 부착된 폴리싱 플래튼(11)과, 웨이퍼(W)의 배면이 장착되는 폴리싱 헤드(12) 와, 폴리싱 패드(11a) 표면에 연마를 위한 슬러리를 투입하기 위한 슬러리 공급부(13)를 포함한다.
이와 같은, 종래의 기술에 따른 CMP 장치(10)는 폴리싱 헤드(12)가 웨이퍼(W)를 진공으로 척킹하여 폴리싱 플래튼(11)으로 로딩하여 폴리싱 패드(11a)에 일정 압력으로 밀착시켜서 회전시키면, 폴리싱 플래튼(11)의 회전에 의해 웨이퍼(W)와 폴리싱 패드(11a)사이에 기계적인 연마가 이루어지고, 슬러리 공급부(13)로부터 폴리싱 패드(11a)로 공급되는 슬러리가 웨이퍼(W) 표면에 오버필된 메탈층과 같은 평탄화의 대상물과 반응함으로써 화학적인 연마도 동시에 이루어지도록 한다.
한편, 슬러리에 포함된 연마 입자는 크기가 30∼150 nm 정도이고, 대표적으로 실리카(SiO2), 세리아(CeO2), 알루미나(Al2O3)가 있으며, 폴리싱 후에는 웨이퍼 표면에 잔존해서는 안 되므로 세정 공정 등을 통해서 웨이퍼 표면으로부터 완전히 제거된다.
폴리싱에 의해 평탄화 과정을 마친 웨이퍼(W)는 트랜스퍼에 이송되어 포스트 클리닝 공정에 의해 별도로 세정 공정을 수행하는데, 이러한 포스트 클리닝 공정은 초순수 또는 특정 화학액을 웨이퍼에 분사하거나 이들이 채워진 배스에 잠기도록 한 상태에서 초음파를 가하여 웨이퍼 표면에 부착된 연마 입자를 제거하는 방식과, PVA 브러쉬를 이용하여 초순수 또는 특정 화학액를 분사하면서 웨이퍼 표면에 부착되어 있는 연마 입자를 마찰력을 이용하여 제거하는 방식이 있는데, 이러한 두 가 지 방식을 병행하여 사용하는 경우도 있다.
이와 같이, 연마 입자를 제거하기 위하여 상기한 두 가지 방식을 사용하는 경우, 슬러리를 이용한 웨이퍼의 폴리싱 후 초순수를 이용한 웨이퍼의 폴리싱에 의해 웨이퍼를 세정하고, 트랜스퍼에 의해 제 1 세정 장치로 로딩된 웨이퍼를 롤 브러쉬(roll brush)를 이용하여 파티클과 브러쉬 사이에 수막을 형성시킴과 아울러 오염물을 회전에 의한 끄는 힘을 이용하여 제거하고, 다시 트랜스퍼에 의해 제 2 세정 장치로 로딩된 웨이퍼를 펜슬 브러쉬(pencil brush)를 이용하여 파티클과 브러쉬 사이에 수막을 형성시킴과 아울러 오염물을 회전에 의한 원심력으로 제거하며, 웨이퍼(W)를 트랜스퍼에 의해 린스 및 건조 장치로 이송시켜서 린스 및 건조 과정을 실시하게 된다.
상기한 바와 같은 종래의 CMP 공정은 연마 입자와 폴리싱에 의해 발생되는 부산물을 제거하기 위하여 별도의 세정 장치에 의해 여러 단계의 세정 공정을 실시하게 됨으로써 폴리싱에 소요되는 시간에 비하여 세정에 소용되는 시간이 증가하여 생산성을 저하시키며, CMP 장치 내에 다수의 세정 장치가 구비됨으로써 CMP 장치의 크기와 제작 비용을 상승시키는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 웨이퍼에 대한 폴리싱 후 슬러리에 포함된 연마 입자와 폴리싱에 의해 발생되는 부산물 등을 웨이퍼로부터 제거하기 위하여 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 웨이퍼를 폴리싱하여 세정함으로써 별도의 세정 장치를 사용한 여러 단계의 세정 공정을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치에 있어서, 폴리싱 패드가 상면에 부착되며, 구동수단에 의해 회전 가능하도록 설치되는 폴리싱 플래튼과, 폴리싱 패드 상에 설치되고, 웨이퍼를 폴리싱 패드에 밀착시켜서 회전시킴으로써 폴리싱하는 폴리싱 헤드와, 폴리싱 패드 상에 웨이퍼의 폴리싱을 위한 슬러리를 공급하도록 설치되는 슬러리 공급 노즐과, 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 초순수를 공급하도록 설치되는 초순수 공급 노즐과, 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 케미컬을 공급하도록 설치되는 케미컬 공급 노즐을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법은 반도체 소자 제조를 위한 CMP 공정에 있어서, 폴리싱 패드 상에서 웨이퍼를 슬러리로 폴리싱하는 단계와, 폴리싱을 마친 웨이퍼를 폴리싱 패드 상에서 초순수로 1차 세정하는 단계와, 1차 세정을 마친 웨이퍼를 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 2차 세정하는 단계와, 2차 세정을 마친 웨이퍼를 초순수로 린스하여 건조시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 웨이퍼에 대한 폴리싱 후 슬러리에 포함된 연마 입자와 폴리싱에 의해 발생되는 부산물 등을 웨이퍼로부터 제거하기 위하여 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 웨이퍼를 폴리싱하여 세정함으로써 별도의 세정 장치를 사용한 여러 단계의 세정 공정을 생략하도록 하여 CMP 공정에 소요되는 시간을 감소시켜서 생산성을 증대시키고, CMP 장치 내에 다수의 세정 장치가 필요하지 않게 됨으로써 CMP 장치의 크기와 제작 비용을 감소시키며, LIC-3에 포함되는 HF와 H2SO4 및 H2O2에 의해 텅스텐 CMP 공정에 의해 발생되는 텅스텐 찌꺼기를 효율적으로 제거하는 효과를 가지고 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치를 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치(100)는 폴리싱 패드(111)를 가지는 폴리싱 플래튼(110)과, 폴리싱 패드(111) 상에 설치되는 폴리싱 헤드(120)와, 폴리싱 패드(111)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 노즐(130)과, 폴리싱 패드(111)에 초순수를 공급하는 초순수 공급 노즐(140)과, 폴리싱 패드(111)에 케미컬을 공급하는 케미컬 공급 노즐(150)을 포함한다.
폴리싱 플래튼(110)은 웨이퍼(W)에 대한 폴리싱이 실시되기 위한 장소를 제공하는 폴리싱 패드(111)가 상면에 부착되고, 하측에 회전축(112)이 마련되며, 미도시된 구동수단이 모터의 회전력을 회전축(112)으로 전달함으로써 회전 가능하도록 설치된다.
폴리싱 헤드(120)는 하부에 웨이퍼(W)가 폴리싱되고자 하는 면을 하측으로 향하여 진공으로 척킹되고, 웨이퍼(W)의 폴리싱시 웨이퍼(W)를 회전하는 폴리싱 패드(111)에 일정 압력으로 밀착시킴과 아울러 회전시킴으로써 폴리싱되도록 한다.
슬러리 공급 노즐(130)은 폴리싱 패드(111)의 상측에 설치되고, 외부의 슬러리 공급부로부터 슬러리를 공급받아 폴리싱 패드(111)로 공급함으로써 웨이퍼(W)가 폴리싱에 의해 평탄되도록 한다.
초순수 공급 노즐(140)은 폴리싱 패드(111)의 상측에 설치되고, 폴리싱을 마친 웨이퍼(W)의 1차 세정을 위하여 외부의 초순수 공급부로부터 공급되는 초순수를 폴리싱 패드(111) 상으로 공급되도록 한다.
케미컬 공급 노즐(150)은 폴리싱 패드(111) 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼(W), 구체적으로는 폴리싱을 마치고 초순수로 1차 세정을 마친 웨이퍼(W)에 대한 2차 세정을 위하여 케미컬을 공급하도록 폴리싱 패드(111)의 상측에 설치된다.
케미컬 공급 노즐(150)은 외부의 케미컬 공급부로부터 케미컬을 공급받아 폴리싱 패드(111)로 공급하는데, 이러한 케미컬로서 LIC-3(Low temp inorganic chemical mixture-3) 용액이 사용된다.
LIC-3 용액은 5∼12wt%의 H2SO4와 3∼8wt%의 H2O2가 혼합된 100∼300ppm의 HF 용액으로서 웨이퍼(W)에 부착된 연마 입자와 함께 폴리싱으로 인해 발생되는 부산물 등을 웨이퍼(W)로부터 분리 및 제거되도록 한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치(100)의 작용은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법과 함께 상세히 설명하기로 하겠다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법을 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법은 웨이퍼를 슬러리로 폴리싱하는 단계(S10)와, 웨이퍼를 초순수로 1차 세정하는 단계(S20)와, 웨이퍼를 케미컬로 2차 세정하는 단계(S30)와, 웨이퍼를 린스 및 건조시키는 단계(S40)를 포함한다.
웨이퍼를 슬러리로 폴리싱하는 단계(S10)는, 폴리싱 헤드(120)에 진공으로 척킹된 웨이퍼(W)가 폴리싱 패드(111) 상에 위치하면 슬러리 공급 노즐(130)을 통 해서 슬러리를 공급함과 아울러 폴리싱 패드(111)의 회전 및 폴리싱 헤드(120)에 의한 웨이퍼(W)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 폴리싱에 의해 패턴 형성면에 대해서 평탄화되도록 한다.
웨이퍼를 초순수로 1차 세정하는 단계(S20)는 폴리싱을 마친 웨이퍼(W)를 폴리싱 패드(111) 상에서 초순수로 세정하게 되는데, 이를 위해 초순수 공급 노즐(140)로부터 초순수가 폴리싱 패드(111)로 공급됨과 아울러 폴리싱 패드(111)와 웨이퍼(W)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 폴리싱에 의해 1차 세정된다.
웨이퍼를 케미컬로 2차 세정하는 단계(S30)는 초순수로 1차 세정을 마친 웨이퍼(W)를 폴리싱 패드(111) 상에서 케미컬로 세정하게 되는데, 이를 위해 케미컬 공급 노즐(150)로부터 케미컬이 폴리싱 패드(111)로 공급됨과 아울러 폴리싱 패드(111)와 웨이퍼(W)의 회전에 의해 웨이퍼(W)가 폴리싱에 의해 2차 세정된다.
이 때, 케미컬은 LIC-3(Low temp inorganic chemical mixture-3) 용액이 사용되며, LIC-3 용액으로 5∼12wt%의 H2SO4와 3∼8wt%의 H2O2가 혼합된 100∼300ppm의 HF 용액이 사용된다.
웨이퍼(W)의 2차 세정에 LIC-3 용액이 사용됨으로써 특히, 텅스텐 CMP 공정의 경우 텅스텐 찌꺼기를 제대로 제거되도록 함으로써 텅스텐 스트링거(W stringer)에 의한 브리지 페일(bridge fail)을 효과적으로 방지한다.
또한, LIC-3 용액의 HF는 옥사이드(oxide), TEOS, BPSG 등과 같은 산화막류를 식각하는 성질을 가지고 있어 이러한 산화막에 흡착되어 제거되지 않는 텅스텐 찌꺼기나 결함을 식각에 의해 제거되도록 하고, H2SO4와 H2O2의 혼합액은 텅스텐과 같은 메탈의 스트립에 효과가 있어서 비아 부위의 텅스텐 손실을 최소화하는 조건에서 산화막에 남아 있는 텅스텐 찌꺼기를 일부 식각시켜서 브리지 페일(bridge fail)을 방지하도록 한다.
웨이퍼를 린스 및 건조시키는 단계(S40)는 2차 세정을 마친 웨이퍼(W)를 폴리싱 패드(111)로부터 언로딩시켜서 린스 및 건조 장치로 이송시켜서 초순수에 의한 린스 공정과 건조 공정을 실시하도록 한다.
이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면, 웨이퍼에 대한 폴리싱 후 슬러리에 포함된 연마 입자와 폴리싱에 의해 발생되는 부산물 등을 웨이퍼로부터 제거하기 위하여 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 웨이퍼를 폴리싱하여 세정함으로써 별도의 세정 장치를 사용한 여러 단계의 세정 공정을 생략하도록 하여 CMP 공정에 소요되는 시간을 감소시켜서 생산성을 증대시키고, CMP 장치 내에 다수의 세정 장치가 필요하지 않게 됨으로써 CMP 장치의 크기와 제작 비용을 감소시키며, LIC-3에 포함되는 HF와 H2SO4 및 H2O2에 의해 텅스텐 CMP 공정에 의해 발생되는 텅스텐 찌꺼기를 효율적으로 제거할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하며, 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다할 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치를 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치를 도시한 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법을 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 폴리싱 플래튼 111 : 폴리싱 패드
112 : 회전축 120 : 폴리싱 헤드
130 : 슬러리 공급 노즐 140 : 초순수 공급 노즐
150 : 케미컬 공급 노즐

Claims (6)

  1. 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치에 있어서,
    폴리싱 패드가 상면에 부착되며, 구동수단에 의해 회전 가능하도록 설치되는 폴리싱 플래튼과,
    상기 폴리싱 패드 상에 설치되고, 웨이퍼를 상기 폴리싱 패드에 밀착시켜서 회전시킴으로써 폴리싱하는 폴리싱 헤드와,
    상기 폴리싱 패드 상에 웨이퍼의 폴리싱을 위한 슬러리를 공급하도록 설치되는 슬러리 공급 노즐과,
    상기 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 초순수를 공급하도록 설치되는 초순수 공급 노즐과,
    상기 폴리싱 패드 상에 폴리싱을 마친 웨이퍼의 세정을 위한 케미컬을 공급하도록 설치되는 케미컬 공급 노즐
    을 포함하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케미컬 공급 노즐은,
    상기 케미컬로서 LIC-3(Low temp inorganic chemical mixture-3) 용액을 공급하는 것
    을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 LIC-3 용액은,
    5∼12wt%의 H2SO4와 3∼8wt%의 H2O2가 혼합된 100∼300ppm의 HF 용액인 것
    을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 장치.
  4. 반도체 소자 제조를 위한 CMP 공정에 있어서,
    폴리싱 패드 상에서 웨이퍼를 슬러리로 폴리싱하는 단계와,
    상기 폴리싱을 마친 웨이퍼를 상기 폴리싱 패드 상에서 초순수로 1차 세정하는 단계와,
    상기 1차 세정을 마친 웨이퍼를 상기 폴리싱 패드 상에서 케미컬로 2차 세정하는 단계와,
    상기 2차 세정을 마친 웨이퍼를 초순수로 린스하여 건조시키는 단계
    를 포함하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 세정 단계는,
    상기 케미컬이 LIC-3(Low temp inorganic chemical mixture-3) 용액인 것
    을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 LIC-3 용액은,
    5∼12wt%의 H2SO4와 3∼8wt%의 H2O2가 혼합된 100∼300ppm의 HF 용액인 것
    을 특징으로 하는 반도체 소자 제조를 위한 CMP 방법.
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