KR20090106886A

KR20090106886A - 화학기계적연마 장비

Info

Publication number: KR20090106886A
Application number: KR1020080032280A
Authority: KR
Inventors: 이재홍
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-10-12

Abstract

연마 패드가 올려지는 플레이튼(platen), 연마 패드 상에 웨이퍼가 도입되게 잡아주는 멤브레인(membrane) 및 멤브레인의 위치를 한정하는 보유링(retention ring)을 포함하는 캐리어 헤드(carrier head), 및 멤브레인 내에 냉매 유체를 공급하여 순환시켜, 웨이퍼를 냉각시키며 웨이퍼에 압력을 인가하거나 웨이퍼가 멤브레인에 흡착되게 유도하는 냉매 공급 및 회수부를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시한다.

CMP, 멤브레인, 냉매, 진공 흡착

Description

화학기계적연마 장비{Apparatus of chemical mechanical polishing}

본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로, 특히, 화학기계적연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 장비에 관한 것이다.

메모리(memory) 소자와 같은 반도체 소자가 급격히 고집적화되고 패턴 크기가 급격히 작아짐에 따라, 웨이퍼(wafer) 상에 상대적으로 크게 유발되는 단차를 완화하기 위해서 화학기계적연마를 이용한 평탄화 과정이 도입되고 있다. 이러한 화학기계적연마 과정은 층간절연층의 평탄화 과정뿐만 아니라 도전층의 패터닝(patterning) 과정에도 빈번히 도입되고 있다. 더욱이, 반도체 소자의 생산성 증대를 위해서 웨이퍼의 구경이 200㎜ 보다 큰 300㎜의 대구경 웨이퍼의 사용이 빈번해지며, 단차 유발을 억제하기 위한 화학기계적연마 과정의 도입이 보다 빈번해지고 있다.

CMP 과정은 연마 슬러리를 연마 패드 상에 공급하고, 연마 패드 및 웨이퍼를 회전시켜 웨이퍼 표면에 형성된 막질이 슬러리의 연마 작용에 의해서 연마되는 과정이다. 이때, 연마 슬러리는 실리카(silica) 또는 세리아(ceria)와 같은 연마 입자(abrasive)들이 분산된 화학액으로 공급되고 있다. 화학액은 탈이온수(deionized water)에 분산제 및 산화제 등을 포함하여 구성되며, 연마 입자들은 이러한 화학액에 분산되어 현탁액 상태로 슬러리가 이루어진다. 이러한 슬러리가 공급되는 연마 패드 상에 웨이퍼가 캐리어 헤드(carrier head)에 의해 잡혀 도입된다.

캐리어 헤드는 헤드 하우징(housing) 내에 설치된 보유링(retention ring)을 포함하여 구성되고, 보유링 내측에 멤브레인(membrane)이 도입되게 구성된다. 멤브레인에 웨이퍼의 후면이 밀착되고, 공기압을 회수하는 역압을 인가하면 멤브레인과 웨이퍼 후면 사이 부분에 부분적인 진공 상태가 유기된다. 이러한 진공 상태에 의해 웨이퍼는 멤브레인에 흡착되고, 멤브레인을 포함하는 캐리어 헤드가 이동하여 연마 패드 상에 웨이퍼가 도입되거나 이탈되게 된다. 연마 과정 중에 연마 패드 상에 올려진 웨이퍼의 후면에 밀착된 멤브레인 내에는 공기압이 인가되어 멤브레인에 압력을 가하게 되고, 이러한 공기압의 가압에 의해서 멤브레인에 밀착된 웨이퍼의 후면으로 압력이 인가된다. 이에 따라, 웨이퍼는 연마 패드에 밀착되게 되고, 이러한 인가 압력에 의해 연마 패드와 웨이퍼의 앞면인 경면(mirror side)에 물리적 연마가 이루어지게 된다.

이와 같이 캐리어 헤드는 멤브레인에 공기압을 제공하고 회수하도록 구성되어, 웨이퍼의 이동 및 연마 시 압력 인가를 수행하고 있다. 그런데, 공기압을 통한 압력 인가나 회수는 공기의 매질 밀도가 상당히 낮은 관계로 반응 속도가 상당히 늦어지고 있다. 즉, 멤브레인 내부에 공기압을 가하거나 역압을 걸 때에, 압력 전달의 매질인 공기는 상당히 낮은 밀도를 가지므로 상당히 많은 양의 자체 압축을 수반하게 된다. 이에 따라 압력이 공기를 통해 멤브레인 및 웨이퍼의 후면에 즉각 적으로 전달되지 않고, 공기의 압축에 소모되고 남은 압력만이 웨이퍼 상으로 전달되게 된다. 따라서, 웨이퍼의 이동 및 연마를 위한 제어에 따라 즉각적으로 캐리어 헤드의 동작이 이루어지지 않고, 상당한 지연 시간을 가지고 실제 웨이퍼의 이동 및 연마가 이루어지게 된다. 이는 웨이퍼에 인가되는 압력의 미세 조작 또는 제어가 실질적으로 어려운 결과를 도출하게 된다.

또한, 공기는 상대적으로 열전달 효율이 낮은 매질이므로, 연마 패드와 웨이퍼의 마찰에 의해 발생되는 열이 신속하게 배출하지 못하고 있다. 즉, 멤브레인 내부에 제공된 공기는 열전도도가 낮은 매질이므로 효과적인 열전달을 기대하기 어렵다. 이에 따라, 웨이퍼에 유발된 열이 외부로 배출되기 어려워, CMP 연마 시에 웨이퍼의 온도가 원하지 않게 올라갈 수 있다. 이러한 웨이퍼의 온도 증가는 CMP 제거 속도에 영향을 미치게 되며, 이에 따라 CMP 연마 속도의 변화가 유발될 수 있다. 이러한 온도 변화에 따른 CMP 속도 변화는 연마 균일도를 저해하는 요소로 작용할 수 있다. 또한, 멤브레인은 수지 성분으로 이루어지므로, 열에 의해 부드러워지는 성질을 나타낼 수 있다. 따라서, 연마 공정 시 온도가 올라가게 되면, 멤브레인이 웨이퍼를 확고하게 지지하지 못하게 되어, 웨이퍼의 흔들림 등에 따른 연마 불균일이 유발될 수 있다.

본 발명은 웨이퍼의 화학기계적연마 시 마찰에 의한 열을 보다 신속하게 배출하여 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있는 웨이퍼 캐리어 헤드를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시하고자 한다.

본 발명의 일 관점은, 연마 패드가 올려지는 플레이튼(platen); 상기 연마 패드 상에 웨이퍼가 도입되게 잡아주는 멤브레인(membrane) 및 상기 멤브레인의 위치를 한정하는 보유링(retention ring)을 포함하는 캐리어 헤드(carrier head); 및 상기 멤브레인 내에 냉매 유체를 공급하여 순환시켜 상기 웨이퍼를 냉각시키며 상기 웨이퍼에 압력을 인가하거나 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인에 흡착되게 유도하는 냉매 공급 및 회수부를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시한다.

상기 냉매 유체는 물을 이용할 수 있다.

상기 냉매 공급 및 회수부는 상기 냉매 유체를 순환시키는 순환 펌프 및 상기 냉매 유체를 냉각시키는 콤프레셔를 포함할 수 있다.

상기 멤브레인의 온도를 측정하게 상기 멤브레인에 부착된 열전대; 상기 열전대에 의해 측정된 온도의 정보를 수집하는 온도 제어부; 상기 온도 제어부로부터 상기 온도 정보를 전달받아 상기 냉매의 순환 속도 및 압력을 제어하는 압력 제어부를 더 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시할 수 있다.

상기 멤브레인 내의 온도를 상승시키기 위해 상기 멤브레인 내에 설치된 히 터(heater); 및 상기 히터의 작동을 제어하는 온도 제어부를 더 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시할 수 있다.

상기 멤브레인 내부 공간을 여러 공간으로 분할하는 격벽을 더 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시할 수 있다.

상기 연마 패드 상에 슬러리(slurry)를 제공하는 공급 노즐(nozzle); 및 상기 캐리어 헤드를 회전시키는 회전축을 더 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시할 수 있다.

본 발명의 실시예는 웨이퍼의 화학기계적연마 시 마찰에 의한 열을 보다 신속하게 배출하여 웨이퍼의 온도를 조절할 수 있는 웨이퍼 캐리어 헤드를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 캐리어 헤드의 멤브레인과 헤드 사이에 압축에 상대적으로 약한 공기 대신 압축 계수가 상대적으로 상당히 적고 열 배출을 보다 신속하게 유도할 수 있는 물과 같은 냉매 유체를 사용한다. 이에 따라, 냉매 유체를 통해 압력을 웨이퍼 상에 전할 때, 압축에 의한 지연이 발생되는 것을 유효하게 억제할 수 있다. 이에 따라 미세한 압력의 변화를 웨이퍼 상에 전달하는 것이 가능하므로, CMP 연마 시 웨이퍼에 인가되는 압력을 미세하게 조절하는 것이 가능하여 보다 균일한 연마 결과를 얻을 수 있다. 즉, 캐리어 헤드의 미세한 동작을 구현하는 것이 가능하다.

또한, 냉매를 압력 전달 매체로 이용함으로써, 일정 압력을 유지하는 냉매 순환을 통해 웨이퍼의 마찰에 따른 열을 강제 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼의 온도를 일정한 수준으로 낮게 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 웨이퍼의 온도 상승에 의해 화학기계적연마(CMP)의 속도가 변화되는 것을 억제할 수 있어, CMP 연마 제거 속도의 균일화를 구현할 수 있다. 이에 따라, 보다 균일한 CMP 결과를 얻을 수 있다. 더욱이, 멤브레인 내에 온도 측정을 위한 열전대를 설치하고, 이에 더해 가열을 위한 히터(heater)를 설치하여, 냉매에 의한 냉각 효과와 히터에 의한 가열 효과를 이용하여 웨이퍼의 온도를 공정 상 원하는 수준으로 유지할 수 있다. 따라서, 보다 균일한 연마량의 조절 및 연마 속도의 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마(CMP) 장비를 개략적으로 보여주고, 도 2는 캐리어 헤드를 통해 웨이퍼에 압력을 인가하는 작용을 개략적으로 보여주고, 도 3은 캐리어 헤드에 웨이퍼를 흡착시킬 때의 동작을 개략적으로 보여준다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마 장비의 변형예를 보여준다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 캐리어 헤드 모듈(module)을 개략적으로 보여준다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마(CMP) 장비는, 회전하는 플레이튼(platen: 100) 상에 연마 패드(polishing pad: 200)가 올려진다. 플레이튼(100)은 회전을 통해 CMP 과정이 웨이퍼(300) 상에 수행되도록 한다. 연마 패드(200) 상에는 슬러리 공급 노즐(slurry supplying nozzle; 110)이 도입되어, CMP 중에 요구되는 슬러리, 예컨대, 세리아(ceria) 계열이나 실리카(silica) 계열 의 슬러리(111)를 연마 패드(200) 상에 공급한다.

연마 패드(200) 상에 웨이퍼(300)를 도입하기 위해 캐리어 헤드(400)가 도입된다. 캐리어 헤드(400)는 하우징(housing: 401) 아래쪽으로 웨이퍼(300)를 잡고, 회전축(402)에 의해 잡은 웨이퍼(300)를 연마 패드(200) 상에서 회전시키는 작용을 하게 구성된다. 이때, 캐리어 헤드(400)는 연마 시에 웨이퍼(300)를 가압하여 물리적 연마가 구현되게 유도하는 역할도 한다. 이러한 캐리어 헤드(400)는, 도 2에 제시된 바와 같이, 하우징(401)에 보유링(retention ring: 410)이 설치되고, 보유링(410) 내측에 멤브레인(420)이 설치된다. 멤브레인(420)의 내부에는 멤브레인(420)의 형상을 유지하는 내부 지지대(421)가 더 설치될 수 있다. 내부 지지대(421)는 멤브레인(420)의 변형 시 웨이퍼(300)의 가장자리 부분에는 멤브레인(420)의 접촉이 유지되게 유도하는 일종의 고정축으로 작용한다.

멤브레인(420)의 외측 표면은 웨이퍼(300)의 후면에 밀착되며, 멤브레인(420)은 웨이퍼(300)의 후면을 잡아 연마 패드(200) 상에 도입되게 이동시키고, 또한 밀착되게 압력을 인가하는 역할을 한다. 이러한 멤브레인(420)의 작동을 위해, 멤브레인(420) 내부에 압력 전달 매질로 냉매 유체(425)가 공급된다. 이러한 냉매 유체(425)는 멤브레인(420)에 연결된 유체 배관(423)을 통해 멤브레인(425) 내부에 제공된다. 유체 배관(423)은 냉매 유체의 공급을 위한 공급 배관(421)과 공급된 냉매 유체가 순환하도록 회수하는 회수 배관(424)을 포함하여 구성될 수 있다.

냉매 유체(425)는, 유체 배관(423)에 연결된 유압 펌프(pump) 또는 수압 펌 프와 같은 유체 순환 펌프 및 순환된 냉매를 냉각시키는 컴프레셔(compressor) 등을 포함하는 냉매 공급 및 회수부(500)에 의해, 멤브레인(420) 내로 공급되거나 회수된다. 이때, 냉매 유체(425)는 일정 압력을 가지게 순환됨으로써, 멤브레인(420)에 일정 압력을 인가하게 된다. 이에 따라, 멤브레인(420)에 접촉하고 있는 웨이퍼(300)의 후면에 압력이 인가되어 눌려지게 된다. 유체 배관(423)은 회전축(402) 내를 관통하게 설치될 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 멤브레인(420) 내부에 유체(425)가 공급되고, 순환 펌프를 통해 압력이 제공되면, 공급된 냉매 유체(425)를 통해 가압 압력이 멤브레인(420)에 전달되고, 이어 웨이퍼(300)의 후면에 전달된다. 이때, 냉매 유체(425)는 공기에 비해 압축 계수가 상당히 적은 물이나 다른 냉매일 이용할 수 있다. 물을 사용할 경우 펌프나 배관 등이 물에 대한 내식성을 가지게 설계되어야 한다. 이와 같이 냉매 유체(425)를 공기압 대신에 이용하므로, 인가되는 압력은 보다 신속하게 웨이퍼(300)의 후면에 전달될 수 있다. 또한, 가해진 압력을 회수할 때도 역시 이러한 압력 변화는 웨이퍼(300)의 후면에 보다 신속하게 전달될 수 있다. 이에 따라, CMP 과정에서 웨이퍼(300)의 후면에 인가되는 압력을 미세하게 조절하는 과정이 구현될 수 있다. 예컨대, CMP 과정 중에 웨이퍼(300)에 인가되는 압력을 변화시킴으로써, 웨이퍼(300) 표면에서 수행되는 CMP의 제거 속도나 속도 분포를 조절하는 것이 가능하다. 따라서, 보다 균일한 CMP 제거 속도 또는 제거 속도 분포를 구현할 수 있어, 보다 균일하고 평탄한 막질을 웨이퍼 상에 구현할 수 있다.

한편, 냉매 유체(425)의 순환 속도에 따라 냉매에 의한 냉각 효과의 정도는 달라질 수 있다. 따라서, 이러한 냉매 유체(425)의 순환 속도 및 압력을 조절하는 압력 제어부(501)를 더 도입할 수 있다. 이러한 압력 제어부(501)에 의한 냉각 제어를 위해서, 우선적으로 멤브레인(420)에 유발되는 온도 상승, 즉, 웨이퍼(300)의 연마 패드(200)와의 마찰에 의한 발열에 의한 온도 상승 정도를 측정하는 과정이 요구된다. 이를 위해서, 멤브레인(420) 내에 열전대(601)를 도입하고, 이러한 열전대(601)에 의해 측정된 온도를 수집하는 온도 제어부(600)를 도입한다. 온도 제어부(600)는 측정된 온도 정보를 압력 제어부(501)로 전달하고, 압력 제어부(501)는 온도 조절을 위한 냉각 정도를 연산하여, 냉각에 요구되는 냉매 순환 정도 추출하여 냉매 공급 및 회수부(500)의 순환 펌프를 가동시킨다.

이와 같이, 멤브레인(420) 내부에 압력 전달 매질로 냉매 유체(425)를 도입함으로써, 멤브레인(420)을 통한 웨이퍼(300)로의 압력 전달을 보다 신속하게 유도할 수 있고, 또한, CMP 시에 웨이퍼(300)의 냉각을 수행하여 웨이퍼(300)의 온도를 일정하게 요구되는 수준으로 유지시킬 수 있다.

한편, 필요에 따라 열전대(601)의 도입과 함께 히터를 열전대(601) 인근에 함께 도입할 수 있다. 이러한 히터는 열전대(601)와 마찬가지로 온도 제어부(600)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 경우, 온도 제어부(600)는 가열이 필요할 경우 열전대(601)에 의해서 얻어진 온도 정보에 따라 히터를 작동시켜 멤브레인(420)의 가열을 유도하고, 이에 따라, 웨이퍼(300)의 온도를 균일하게 상승시킬 수 있다. 이러한 히터의 도입에 의해 웨이퍼(300)의 냉각뿐만 아니라 가열 또한 구현할 수 있다. 따라서, CMP 시에 공정에 요구되는 온도 수준으로 웨이퍼(300)의 온 도를 제어하는 것이 가능하므로, 웨이퍼(300)의 보다 균일한 CMP 연마가 가능하다.

도 3을 참조하면, 냉매 공급 및 회수부(500)의 순환 펌프를 통해 냉매 유체(425)를 회수하면, 냉매 유체(425)가 멤브레인(420) 내부로부터 회수되게 된다. 이러한 냉매 유체(425)의 회수에 의해 멤브레인(420)과 밀착된 웨이퍼(300)의 후면 사이 부분(426)에 진공으로 인한 흡착력(427)이 유발된다. 이러한 진공 흡착력(427)에 의해 웨이퍼(300)는 멤브레인(420)에 잡힌 상태가 되며, 캐리어 헤드(400)의 이동에 의해 웨이퍼(300)가 이동되게 된다. 이와 같이 냉매 유체(425)를 회수할 때도 냉매 유체(425) 회수에 따른 압력 전달이 상당히 신속하게 이루어질 수 있다. 따라서, 웨이퍼(300)의 이동 제어가 보다 정확하게 이루어질 수 있다.

한편, 도 2 및 도 3에서 멤브레인(420)의 내부는 단일한 공간으로 도시되었지만, 도 4에 제시된 바와 같이, 멤브레인(420)의 내부에 다수의 격벽(429)들을 설치할 수 있다. 각각의 격벽(429)에 의한 공간들에 서로 독립적으로 냉매 유체(425)를 공급하게 유체 배관(423)을 구성할 수 있다. 이에 따라, 각각의 격벽(429)으로 나눠지는 멤브레인(420)의 영역 별로 다른 압력 및 순환 속도가 구현될 수 있다. 즉, 각각의 격벽 내부에 냉매 유체(425)가 독립적으로 공급되어, 다른 압력 및 순환 속도로 냉매 유체(425)가 공급될 수 있다.

이와 같이 냉매 유체(425)가 독립적으로 공급되어 냉매 유체(425) 공급 및 순환에 따른 압력 인가가 달라짐에 따라, 웨이퍼(300)의 후면 위치 별로 다른 압력을 인가할 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼(300)의 후면에 다양한 압력 분포를 인가할 수 있어, 보다 균일한 CMP 결과를 얻을 수 있다. 또한, 격벽(429) 별로 냉매 유 체(425)가 서로 다른 순환 속도로 순환되게 공급되어, 웨이퍼(300)의 영역 별로 다른 냉각 효과를 구현할 수 있다. 따라서, 웨이퍼(300)의 전체 영역에 걸쳐 균일한 온도 조절이 가능하고, 또한, 웨이퍼(300) 영역 별로 다른 온도 분포를 구현할 수 있다. 이때, 열전대(601) 및 히터는 각 격벽(429) 내측에 서로 독립되게 설치될 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예는 도 5에 제시된 바와 같이 다수의 캐리어 헤드(400)들이 모듈(404)을 이루어 구성될 때, 압력 제어부(501)와 온도 제어부(600)의 도입에 의해, 멤브레인(420) 냉각 또는 냉각 및 가열에 의해 웨이퍼(300)의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 이에 따라, 웨이퍼(300)의 연마 균일도를 구현하는 것이 가능하다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마 장비를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마 장비의 변형예를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 캐리어 헤드 모듈(module)을 개략적으로 보여주는 도면이다.

Claims

연마 패드가 올려지는 플레이튼(platen);

상기 연마 패드 상에 웨이퍼가 도입되게 잡아주는 멤브레인(membrane) 및 상기 멤브레인의 위치를 한정하는 보유링(retention ring)을 포함하는 캐리어 헤드(carrier head); 및

상기 멤브레인 내에 냉매 유체를 공급하여 순환시켜 상기 웨이퍼를 냉각시키며 상기 웨이퍼에 압력을 인가하거나 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인에 흡착되게 유도하는 냉매 공급 및 회수부를 포함하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 냉매 유체는 물을 이용하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 냉매 공급 및 회수부는 상기 냉매 유체를 순환시키는 순환 펌프 및 상기 냉매 유체를 냉각시키는 콤프레셔를 포함하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인의 온도를 측정하게 상기 멤브레인에 부착된 열전대;

상기 열전대에 의해 측정된 온도의 정보를 수집하는 온도 제어부; 및

상기 온도 제어부로부터 상기 온도 정보를 전달받아 상기 냉매의 순환 속도 및 압력을 제어하는 압력 제어부를 더 포함하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인 내의 온도를 상승시키기 위해 상기 멤브레인 내에 설치된 히터(heater); 및

상기 히터의 작동을 제어하는 온도 제어부를 더 포함하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인 내부 공간을 여러 공간으로 분할하는 격벽을 더 포함하는 화학기계적연마 장비.
제1항에 있어서,

상기 연마 패드 상에 슬러리(slurry)를 제공하는 공급 노즐(nozzle); 및

상기 캐리어 헤드를 회전시키는 회전축을 더 포함하는 화학기계적연마 장비.