KR20100034626A - 컨디셔닝 디스크를 포함하는 화학기계적연마 장비 - Google Patents

Abstract

웨이퍼의 연마에 사용되기 위해 플레이튼(platen) 상에 부착된 연마 패드, 연마 패드 상에 웨이퍼를 도입하는 웨이퍼 헤드(head)부, 및 연마 패드를 사용 기간에 따라 순차적으로 컨디셔닝(conditioning) 작용을 수행할 제1 및 제2다이아몬드(diamond)들이 상호 간에 다른 높이를 가지게 디스크(disk) 표면의 구분되는 제1 및 제2영역에 각각 부착된 컨디셔닝 디스크(disk)를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시한다.

CMP, 스크래치, 컨디셔닝, 연마 패드, 수명

Description

컨디셔닝 디스크를 포함하는 화학기계적연마 장비{Chemical mechanical polishing apparatus having conditioning disk}

본 발명은 반도체 소자 제조 장비에 관한 것으로, 특히, 300㎜ 대구경 웨이퍼(wafer) 연마 시 패드 컨디셔닝(conditioning) 효율을 개선할 수 있는 컨디셔닝 디스크(disk)를 포함하는 화학기계적연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 장비에 관한 것이다.

메모리(memory) 소자와 같은 반도체 소자가 급격히 고집적화되고 패턴 크기가 축소됨에 따라, 웨이퍼(wafer) 상에 크게 유발되는 단차를 완화하기 위해서 화학기계적연마를 이용한 평탄화 과정이 도입되고 있다. 이러한 화학기계적연마 과정은 층간절연층의 평탄화 과정뿐만 아니라 도전층의 패터닝(patterning)에도 도입되고 있다. 더욱이, 반도체 소자의 생산성 증대를 위해서 웨이퍼의 구경이 200㎜ 보다 큰 300㎜의 대구경 웨이퍼의 사용이 빈번해지며, CMP 과정 또한 더 많이 도입되고 있다.

200㎜ 웨이퍼에서 300㎜ 웨이퍼를 사용함에 따라, 반도체 소자를 제조하는 데 사용되는 장비들 또한 외관상 크기(size)가 대부분 1.5배 이상 커지고 있다. CMP 장비 또한 연마 플레이튼(platen)의 구경이 커지고 있으며, 이에 따라 연마 패드(polishing pad)의 구경 또한 커지고 있다. 이와 같이 CMP 장비의 구경 또는 크기가 커짐에 따라, 웨이퍼를 CMP하는 과정에 스크래치(scratch) 발생 빈도 및 발생 가능성 또한 커지고 있다. 이러한 스크래치는 연마 과정에 소모되는 슬러리(slurry)의 잔류물 및 연마 부산물이 연마 패드의 포어(pore)에 잔류하는 데 기인될 수 있다. 또한, 300㎜ 대구경 웨이퍼를 연마함에 따라, 웨이퍼 전체 영역에 걸쳐 균일한 연마 제거 속도(removal rate) 분포를 구현하기가 어려워지고 있다. 이에 따라, 산화물층과 같은 연마 대상층의 두께 균일도(thickness uniformity)가 급격히 저하되고 있다.

이와 같이 스크래치 발생이 증가 하고, 또한 두께 균일도가 감소되는 여러 원인 중의 하나로 연마 패드에 대한 컨디셔닝(conditioning) 효율의 상대적인 감소를 고려할 수 있다. 300㎜ CMP 장비는 200㎜ CMP 장비에 비해 상대적으로 커진 연마 패드 직경에도 불구하고, 대등한 컨디셔닝 디스크(conditioning disk)를 사용하고 있다. 300㎜ CMP 공정의 스크래치 발생 가능성이 증가되고, 또한 두께 균일도 저하가 극심하게 관측되므로, 컨디셔닝해야 할 패드 면적이 더 넓어지고, 또한 상대적으로 높은 압력으로 컨디셔닝 과정이 수행되고 있다. 이에 따라, 컨디셔닝 디스크에서 실질적으로 컨디셔닝 작용을 수행하는 다이아몬드(diamond)의 마모가 상대적으로 더 짧은 시간 내에 관측되고 있다. 이에 따라 컨디셔닝 효율이 급격히 감소되는 것으로 고려될 수 있다.

이러한 컨디셔닝 효율의 급격한 저하는 연마 패드 상에 이물질의 누적을 야 기하고, 이물질의 누적은 연마 시 웨이퍼 상에 스크래치를 유발하고 있어, 반도체 소자의 수율 감소가 유발되고 있다. 이러한 반도체 소자의 수율 감소를 억제하기 위해서, 컨디셔닝 디스크 및 연마 패드의 사용 수명을 200㎜ CMP 장비에 비해 5배 정도 감소시켜 사용하고 있지만, 이러한 수명 감소는 연마 패드와 컨디셔닝 디스크의 사용 요구량을 증가시켜 결국 공정 단가 상승을 유발하고 있다.

따라서, 연마 패드 컨디셔닝 효율을 개선하여 연마 패드의 사용 수명을 연장시킬 수 있는 개선된 컨디셔닝 디스크(conditioning disk)를 가지는 CMP 장비의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 300㎜ 대구경 웨이퍼를 연마하는 연마 패드를 보다 높은 효율로 컨디셔닝하여 연마 패드 수명을 연장시킬 수 있는 개선된 컨디셔닝 디스크를 포함하는 화학기계적연마(CMP) 장비를 제시하고자 한다.

본 발명의 일 관점은, 웨이퍼의 연마에 사용되기 위해 플레이튼(platen) 상에 부착된 연마 패드; 상기 연마 패드 상에 상기 웨이퍼를 도입하는 웨이퍼 헤드(head)부; 및 상기 연마 패드를 사용 기간에 따라 순차적으로 컨디셔닝(conditioning) 작용을 수행할 제1 및 제2다이아몬드(diamond)들이 상호 간에 다른 높이를 가지게 디스크(disk) 표면의 구분되는 제1 및 제2영역에 각각 부착된 컨디셔닝 디스크(disk)를 포함하는 화학기계적연마 장비를 제시한다.

상기 웨이퍼는 300㎜ 구경을 가질 수 있다.

상기 제1 및 제2다이아몬드들은 상호 간에 적어도 20㎛의 높이 차이를 가지게 상기 디스크 표면에 부착된 컨디셔닝 디스크를 포함하게 화학기계적연마 장비를 구성할 수 있다.

상기 제1 및 제2다이아몬드들은 상호 간에 적어도 20㎛의 평균 입도 차이를 가질 수 있다.

상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 디스크의 제1영역은 상기 제2다이아몬드들이 부착된 상기 디스크의 제2영역에 비해 작은 면적으로 설정될 수 있다.

상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 제1영역은 상기 디스크의 전체 표면적의 15% 내지 25%로 설정될 수 있다.

상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 제1영역은 상기 디스크의 표면 중심에 교차되는 십자 형태로 설정될 수 있다.

본 발명의 실시예는 300㎜ 대구경 웨이퍼를 연마하는 연마 패드를 보다 높은 효율로 컨디셔닝하여 연마 패드 수명을 연장시킬 수 있는 개선된 컨디셔닝 디스크를 포함하는 화학기계적연마(CMP) 장비를 제시할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 300㎜ 웨이퍼를 연마하는 화학기계적연마(CMP) 장비에 구분되는 둘 이상의 영역에 서로 다른 높이로 컨디셔닝을 위한 다이아몬드(diamond)들이 배치된 컨디셔닝 디스크 구조를 제시한다. 예컨대, 디스크 영역 내의 십자 형태로 설정된 제1영역에 제1높이를 가지게 부착된 제1다이아몬드들이 배치되고, 제1영역 이외의 제2영역에 제1높이 보다 낮은 제2높이를 가지게 부착된 제2다이아몬드들이 배치된다. 이때, 제1높이와 제2높이의 차이는 적어도 20㎛ 정도가 되게 제1 및 제2다이아몬드들이 부착된다.

컨디셔닝 디스크의 초기 사용 시 상대적으로 높은 높이를 가지게 부착된 제1다이아몬드들이 연마 패드를 컨디셔닝하게 되고, 제1다이아몬드들의 마모가 진행된 후, 상대적으로 낮은 높이를 가지게 부착된 제2다이아몬드들이 실질적으로 연마 패드를 컨디셔닝하도록 유도한다. 이에 따라, 컨디셔닝 디스크가 더 오랜 기간 동안 컨디셔닝 작용을 유효하게 하도록 유도할 수 있어, 컨디셔닝 디스크의 수명 및 연마 패드의 수명을 연장시킬 수 있다.

제1다이아몬드와 제2다이아몬드가 서로 다른 높이로 디스크 표면에 부착되도록 유도하기 위해서, 서로 다른 평균 크기, 예컨대, 평균 입도를 가지는 제1다이아몬드와 제2다이아몬드들을 이용한다. 또한, 실질적으로 제1영역은 전체 컨디셔닝 디스크 표면적의 15% 내지 25%가 되게 유지하므로, 제1다이아몬드의 개수 또한 전체의 15% 내지 25% 정도로 유지한다. 실질적으로 유효한 컨디셔닝 작용은 전체 다이아몬드 개수의 10% 내지 15%에 의해 구현될 수 있음을 확인할 수 있으므로, 제1다이아몬드 개수가 전체의 15% 내지 25% 정도로 유지될 경우, 실질적으로 제1다이아몬드만으로 연마 패드에 대한 실질적으로 컨디셔닝 작용이 유효하게 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CMP 장비의 컨디셔닝 디스크는 서로 다른 높이로 부착된 다이아몬드들의 영역들을 가지게 구성되므로, 상대적으로 높은 높이를 가지게 배치된 제1다이아몬드에 의해서 우선적으로 연마 패드의 컨디셔닝 작용을 유도하고, 상대적으로 낮은 높이를 가지게 배치된 제2다이아몬드에 의해 순차적인 컨디셔닝 작용을 유도할 수 있다. 이에 따라, 컨디셔닝 작용의 유효한 효율을 증대시킬 수 있고, 순차적인 두 종류의 다이아몬드들의 작용에 의해서 유효한 컨디셔닝 작용이 유지되는 시간을 더 길게 확보할 수 있다. 따라서, 연마 패드의 사용 수명 및 컨디셔닝 디스크의 사용 수명의 유효한 증대를 구현할 수 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔닝 디스크를 포함하는 화 학기계적연마 장비를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마(CMP) 장비는, 300㎜ 웨이퍼의 연마에 사용될 연마 패드(100)가 부착되어 회전하는 플레이튼(platen: 101)을 포함하여 구성된다. 플레이튼(101) 상에 연마될 웨이퍼를 도입하는 웨이퍼 헤드부(wafer head: 200)가 도입되고, 웨이퍼 헤드부(200)는 웨이퍼의 균일한 연마를 위해서, 연마 패드(101)의 중심부에서 가장자리부 쪽 방향 또는 이의 역 방향으로 미세하게 움직이는 동작을 하게 된다. 웨이퍼의 연마를 위해서 슬러리 노즐(slurry nozzle: 300)이 도입되고, 노즐(300)을 통해 연마를 위한 슬러리가 제공된다. 이러한 슬러리와 연마 패드(101)에 의한 연마 작용에 의해서 웨이퍼는 화학적 및 기계적 연마되게 된다.

이러한 CMP 과정에서 손상을 받은 연마 패드(100)의 표면을 회복시키고, 연마 패드(100) 표면의 포어(pore) 내에 잔존하는 연마 부산물 또는 슬러리 잔류물 등을 긁어 제거하여, 웨이퍼의 연마 표면에 스크래치 등과 같은 결함 발생을 억제하기 위해서 컨디셔너가 도입된다. 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔너는 연마 패드(100) 상에 대면되게 도입되어 패드(100) 표면을 컨디셔닝(conditioning)하는 컨디셔닝 디스크(disk: 400)를 포함하고, 이들 디스크(400)를 연마 패드(100) 상에 도입하고 지지하는 바(bar) 형태의 가이드(guide: 410)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔닝 디스크(400)는, 원형의 디스크 몸체(401)의 일면 상에 연마 패드(도 1의 100)의 사용 기간에 따라 컨디셔 닝 작용을 순차적으로 수행하는 서로 다른 높이를 가지는 제1다이아몬드(diamond: 421) 및 제2다이아몬드(423)를 포함하는 컨디셔닝 부재(420)가 접착층(402) 등에 의해 부착된다. 제1 및 제2다이아몬드(421, 423)들은 상호 간에 높이 차이(D1)를 가지게 디스크 몸체(401)의 표면의 구분되는 제1영역(403) 및 제2영역(405)에 각각 부착된다. 이때, 높이 차이(D1)는 적어도 20㎛의 높이 차이를 가지게 한다. 이러한 높이 차이(D1)를 구현하기 위해서, 제1다이아몬드(421)와 제2다이아몬드(423)로 서로 다른 평균 입도를 가지는 다이아몬드를 사용할 수 있다. 예컨대, 제1다이아몬드(421)의 평균 입도가 160㎛ 정도일 때, 제2다이아몬드(423)는 대략 140㎛의 평균 입도를 가지게 사용할 수 있다.

도 3을 참조하면, 컨디셔닝 디스크(400)는 구분되는 제1영역(403) 및 제2영역(405)을 포함하게 구성될 수 있다. 이때, 제1다이아몬드(도 2의 231)들이 부착되는 제1영역(403)은 제2다이아몬드(235)들이 부착되는 제2영역(405)에 비해 작은 면적으로 설정될 수 있다. 제1영역(403)은 디스크(400)의 전체 표면적의 15% 내지 25%로 설정될 수 있다. 이때, 제1영역(403)은 디스크(400)의 표면 중심에 교차되는 십자 형태로 설정될 수 있다. 이와 같이 제1영역(403)과 제2영역(405)이 교번적으로 또는 상호 대칭적으로 순차 배치됨에 따라, 컨디셔닝 효율이 디스크(400) 전체에 걸쳐 균일하게 구현될 수 있다.

도 4를 참조하면, 이러한 컨디셔닝 디스크(400)를 연마 패드(100) 상에 도입하고 컨디셔닝 작용을 수행할 수 있다. 컨디셔닝 디스크(400)가 연마 패드(100) 상에 도입되어 커니셔닝을 할 때, 컨디셔닝 디스크(400)의 후면에는 일정 압력, 예컨 대, 6psi 정도의 압력이 인가된다. 이러한 컨디셔닝 압력 하에서 컨디셔닝 부재(420), 특히, 제1다이아몬드(421)는 연마 패드(100)의 탄성에 의해서 표면 아래로 일정 깊이(D2), 예컨대 대략 20㎛의 함침되며 우선적으로 컨디셔닝 작용을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1다이아몬드(421)가 제2다이아몬드(423) 보다 우선적으로 먼저 컨디셔닝 작용에 참여하도록, 높이 차이(D1)를 적어도 20㎛ 정도 유지한다. 이에 따라, 컨디셔닝 작용은 우선적으로 제1다이아몬드(421)에 집중되어 수행되게 된다.

컨디셔닝 작용에 의해 제1다이아몬드(421)는 마모되게 되며, 이러한 마모는 컨디셔닝 작용이 집중된 제1다이아몬드(421)에 집중적으로 유발된다. 마모에 의해 컨디셔닝 작용의 한계에 도달하게 되면 제1다이아몬드(421)에 의한 컨디셔닝 작용은 실질적으로 이루어지지 않게 된다. 이후에, 제2다이아몬드(423)의 컨디셔닝 작용이 우세해지게 된다. 이때, 제2다이아몬드(423)의 작용을 보다 우세하게 유도하기 위해서, 디스크(400) 후면에 작용하는 압력을 보다 증가시킬 수 있다.

제1다이아몬드(421)는 전체 디스크(400) 표면적의 15% 내지 25%로 설정된 제1영역(403)에 부착되고 있으므로, 전체 다이아몬드 개수 중 15% 내지 25%를 차지한다. 이러한 비율의 제1다이아몬드(421)에 의해서도 연마 패드(100)의 컨디셔닝 효율을 감소되지 않음을 실험적으로 관측할 수 있다. 또한, 제1 및 제2다이아몬드(421, 423)의 높이 차이(D1)가 20㎛일 때, 이러한 컨디셔닝 효율을 유지가 구현될 수 있음을 실험적으로 관측할 수 있다. 이러한 제1 및 제2다이아몬드(421, 423)에 의한 컨디셔닝 효율의 개선 및 연마 패드(100)의 수명 연장 효과는 도 5의 측정 그래프(graph)의 결과에 의해서 입증될 수 있다.

도 5의 측정 그래프는 160㎛의 평균 입도의 다이아몬드가 부착된 비교 컨디셔닝 디스크와, 본 발명의 실시예에 따라 십자형의 제1영역(도 3의 403)에 제1다이아몬드(도 2의 421)가 부착되고, 제2영역(405)에 제2다이아몬드(423)가 부착된 측정 컨디셔닝 디스크를 사용하여 CMP 과정을 수행할 때, 연마 패드의 사용 시간(h) 및 연마 제거 속도(removal rate : Å/분)를 측정한 결과이다. CMP 연마 시 연마 패드의 수명은 연마 제거 속도의 임계 속도, 예컨대 1200 Å/분으로 설정될 수 있는 데, 비교 컨디셔닝 디스크의 측정 결과(510)는 대략 25 시간 정도의 연마 패드 사용 수명을 보이고 있다. 이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 측정 컨디셔닝 디스크를 사용하는 경우 대략 50 시간 정도의 연마 패드 사용 수명을 보이고 있다.

본 발명의 실시예는 제1영역(403) 및 제2영역(405)이 상호 대칭적으로 배치되는 한 십자형에서 빗살무늬 형태나 수레바퀴의 빗살 형태로 변형될 수 있다. 또한, 제1 및 제2다이아몬드(421, 423)의 높이 차이(D1)는 컨디셔닝 작용 시 연마 패드(100)에 함침되는 정도에 의존하여 변형될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔닝 디스크(400)는 컨디셔닝 효율을 지속적으로 유지시키는 것이 가능하다. 따라서, 300㎜ 웨이퍼용 연마 패드를 이용한 CMP 연마 공정을 수행할 때, 연마 패드의 수명을 유효하게 연장시킬 수 있다. 이에 따라, 웨이퍼 표면에의 스크래치 발생을 보다 신뢰성 있게 오랜 시간 동안 억제할 있는 CMP 과정을 제공할 수 있고, 연마 패드 및 컨디셔닝 디스크의 수명을 연장시킬 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 수율을 개선할 수 있으며, 공정 단가의 증가를 유효하게 억제할 수 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 컨디셔닝 디스크를 포함하는 화학기계적연마 장비를 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 도면들이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적연마 장비에서의 연마 패드 사용 수명 연장 효과를 설명하기 위해서 제시한 측정 그래프이다.

Claims (7)

1. 웨이퍼의 연마에 사용되기 위해 플레이튼(platen) 상에 부착된 연마 패드;

   상기 연마 패드 상에 상기 웨이퍼를 도입하는 웨이퍼 헤드(head)부; 및

   상기 연마 패드를 사용 기간에 따라 순차적으로 컨디셔닝(conditioning) 작용을 수행할 제1 및 제2다이아몬드(diamond)들이 상호 간에 다른 높이를 가지게 디스크(disk) 표면의 구분되는 제1 및 제2영역에 각각 부착된 컨디셔닝 디스크(disk)를 포함하는 화학기계적연마 장비.
2. 제1항에 있어서,

   상기 웨이퍼는 300㎜ 구경을 가지는 화학기계적연마 장비.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2다이아몬드들은 상호 간에 적어도 20㎛의 높이 차이를 가지게 상기 디스크 표면에 부착된 화학기계적연마 장비.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2다이아몬드들은 상호 간에 적어도 20㎛의 평균 입도 차이를 가지는 화학기계적연마 장비.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 디스크의 제1영역은 상기 제2다이아몬드들이 부착된 상기 디스크의 제2영역에 비해 작은 면적으로 설정된 화학기계적연마 장비.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 제1영역은 상기 디스크의 전체 표면적의 15% 내지 25%로 설정된 화학기계적연마 장비.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1다이아몬드들이 부착된 상기 제1영역은 상기 디스크의 표면 중심에 교차되는 십자 형태로 설정된 화학기계적연마 장비.

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