KR20100036709A

KR20100036709A - 반도체 소자의 ｃｍｐ 장치

Info

Publication number: KR20100036709A
Application number: KR1020080096063A
Authority: KR
Inventors: 정성훈
Original assignee: 주식회사 동부하이텍
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-08

Abstract

실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치는 다수의 에어백이 구비되고, 웨이퍼를 장착하는 헤드; 상기 에어백으로 에어를 공급하는 다수의 에어공급관; 상기 에어공급관에 각각 설치된 다수의 에어밸브; 패드의 연마영역에 대응되도록 상기 패드 내부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 연마 정도를 감지하는 다수의 EPD센서; 상기 EPD센서로부터 감지신호를 전달받아 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 상기 에어밸브로 전달하는 제어부를 포함한다.

실시예에 의하면, EPD의 감지 신호를 이용하여 헤드의 압력을 부분적으로 조절할 수 있으므로 웨이퍼 영역, 금속 구조물의 종류, 패턴 밀도 등의 영향을 벗어나 평탄화도를 안정적으로 유지할 수 있다.

반도체 소자, 웨이퍼, CMP, 금속 패턴, EPD, 헤드, 패드

Description

반도체 소자의 ＣＭＰ 장치{Chemical Mechanical Polishing apparatus of semiconductor device}

실시예는 반도체 소자의 CMP 장치에 관한 것이다.

금속층을 다수의 적층 구조로 증착하는 경우 단차가 형성된 반도체 소자의 표면을 평탄화(leveling)하기 위해서 화학적 기계적 연마(CMP)방법이 많이 이용된다.

금속배선을 위한 다마신 공정을 처리하거나 비아홀, 컨택 플러그 등을 형성하기 위하여 CMP 공정을 진행하는 경우, 기판의 단차가 높은 부분은 많은 양이 연마되고 단차가 낮은 부분은 연마속도가 느리게 진행되는 점, 절연층 부분과 금속 패턴 부분의 연마율이 상이한 점(디싱 현상), 금속 패턴의 밀도에 따라 연마율이 상이한 점(에로젼 현상), 웨이퍼의 영역별로 연마속도가 달라지는 점 등으로 인하여 3％ 미만의 평탄화도를 이루기 어렵다.

또한, CMP 공정은 다음과 같은 문제점을 가진다.

첫째, 화학적 기계적 연마공정은 슬러리(Slurry)를 이용하여 실시하는데, 슬러리의 종류에 따라 연마 정도의 변수가 많아 연마 평가 및 최적의 연마 조건을 분 석하는데 많은 시간이 소요된다.

둘째, 화학적 기계적 연마공정시 공정 장비의 파라메타(parameter)에 대한 의존성이 강해 일관성있는 연마공정을 실시하기 어렵다.

셋째, 화학적 기계적 연막공정시 셀(cell) 및 주변영역의 단차가 큰 영역에서 디싱(dishing) 현상으로 인하여 후속 공정시 찌꺼기 등이 발생하여 후속공정에서 문제를 유발한다.

넷째, 화학적 기계적 연마공정은 기판을 이루고 있는 물질과 단차에 대한 의존성이 강하여 공정변수를 조절하기 힘들다. 특히, 반도체 소자의 층간절연막인 BPSG막은 붕소 및 인의 함유량에 따라 연마비의 변화 차이가 크게 발생한다.

다섯째, 화학적 기계적 연마공정은 패턴(pattern)에 따른 일관성 있는 연마가 어려워 고집적화로 갈수록 공정마진이 감소한다.

도 1은 일반적인 CMP 장비를 통한 웨이퍼의 연마 전후의 두께 분포를 측정한 그래프인데, (a) 도면은 연마 전의 상태로서 가운데가 볼록한 형상을 이루고, (b) 도면은 연마 후의 상태로서 주변부가 볼록한 도넛츠 형태를 이루며 평탄도가 상당히 저하되어 있음을 알 수 있다.

실시예는 웨이퍼 영역, 금속 구조물의 종류 및 밀도 등의 영향에 상관없이 평탄화도를 안정적으로 유지할 수 있는 반도체 소자의 CMP 장치를 제공한다.

실시예에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, EPD의 감지 신호를 이용하여 헤드의 압력을 부분적으로 조절할 수 있으므로 웨이퍼 영역, 금속 구조물의 종류, 패턴 밀도 등의 영향을 벗어나 평탄화도를 안정적으로 유지할 수 있다.

둘째, 평탄화 특성의 개선으로 인하여 후속 공정에 대한 마진을 증가시킬 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 동작 신뢰성을 확보할 수 있고, 공정 수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, EPD 장비를 이용하므로 별도의 장치를 도입할 필요가 없으며, 생산 비 용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

첨부된 도면을 참조하여, 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치에 대하여 상세히 설명한다.

이하, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되므로 본 발명의 기술적 사상과 직접적인 관련이 있는 핵심적인 구성부만을 언급하기로 한다.

도 2는 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치의 구성요소를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치 중 헤드(200)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치는 제어부(100), 패드(200), 헤드(300), EPD(End Point Detect)센서(205, 210, 215, 220, 225), 에어공급관(410, 420, 430), 에어밸브(510, 520, 530), 에어탱크(600)를 포함하여 구성된다.

실시예에서, 상기 헤드(300)는 하우징 내부에 구비된 세부분의 에어백(310, 320, 330)을 포함한다.

상기 헤드(300)의 중심부에 위치된 제1 에어백(310)은 원형태를 이루고, 상기 제1 에어백(310)의 주위에 배치된 제2 에어백(320)과 제3 에어백(330)은 링형태를 이룬다. 그리고, 상기 에어백(310, 320, 330)의 밑으로 웨이퍼(W)가 장착된다.

도 3을 참조하면, 웨이퍼(W)를 장착한 상기 헤드(300)가 이동되어 상기 패드(200)의 연마 영역(A)에 접촉되고, 상기 헤드(300)와 상기 패드(200)는 반대 방향으로 회전된다.

이때, 상기 제1 에어백(310), 상기 제2 에어백(320), 상기 제3 에어백(330)이 상기 웨이퍼(W)를 상측으로부터 압박함으로써 상기 웨이퍼(W)의 전체면이 고르게 연마될 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 컨디셔너(800)는 하우징, 블레이드, 다이아몬드 스트립 등으로 구성되며, 상기 패드(200)의 윤모를 고르게 살려주어 연마 효율을 높이는 기능을 수행한다.

슬러리 공급관(700)으로부터 슬러리 공급액이 분사되면, 상기 패드(200)의 결 사이로 슬러리 공급액이 스며들고 화학적 기계적 연마가 진행된다.

상기 EPD센서(205, 210, 215, 220, 225)는 상기 헤드(300)가 위치되는 연마 영역(A)에 대응되는 상기 패드(200)의 내부에 설치되는데, 실시예에서는 5개로 구비된 것으로 한다.

이하, 상기 제1 에어백(310)에 대응되는 영역에 설치된 EPD센서를 "제1 EPD센서(205)"라 하고, 상기 제2 에어백(320)에 대응되는 영역에 설치된 EPD센서를 "제2 EPD센서(210), "제3 EPD센서(215)"라 한다.

또한, 상기 제3 에어백(330)에 대응되는 영역에 설치된 EPD센서를 "제4 EPD센서(220)", "제5 EPD센서(225)"라 한다.

일반적으로, 연마량을 측정하기 위하여 여러가지 EPD 시스템이 사용되는데, 가령, 연마량에 따른 헤드의 회전속도를 감지하는 방법, 연마량에 따른 헤드의 회 전 토크 전류의 변화를 감지하는 방법, 연마두께에 따른 임피던스 전류의 변화를 감지하는 방법 등이 있다.

상기 제1 EPD센서(205) 내지 상기 제5 EPD센서(225)는 임피던스 전류의 변화를 감지하는 방법을 이용한 것으로서, 가령 코일의 형태로 구현되어 상기 웨이퍼(W)를 통하여 흐르는 전류의 임피던스 변화를 감지할 수 있다.

상기 제어부(100)는 상기 제1 EPD센서(205)와 연결된 제1 제어부(130), 상기 제2 EPD센서(210), 상기 제3 EPD센서(215)와 연결된 제2 제어부(120), 상기 제4 EPD센서(220), 상기 제5 EPD센서(225)와 연결된 제3 제어부(110)를 포함한다.

상기 제1 에어공급관(410)은 상기 제1 에어백(310)과 상기 에어탱크(600)에 연결되고, 상기 제1 에어공급관(410)에는 에어량을 조절하는 제1 에어밸브(510)가 설치된다.

상기 제2 에어공급관(420)은 상기 제2 에어백(320)과 상기 에어탱크(600)에 연결되고, 상기 제2 에어공급관(420)에는 에어량을 조절하는 제2 에어밸브(520)가 설치된다.

상기 제3 에어공급관(430)은 상기 제3 에어백(330)과 상기 에어탱크(600)에 연결되고, 상기 제3 에어공급관(430)에는 에어량을 조절하는 제3 에어밸브(530)가 설치된다.

또한, 상기 제1 제어부(130)는 상기 제1 에어밸브(510)와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 제어부(120)는 상기 제2 에어밸브(520)와 전기적으로 연결되며, 상기 제3 제어부(110)는 상기 제3 에어밸브(530)와 전기적으로 연결된다.

상기 에어밸브(510, 520, 530)는 상기 제어부(100)의 제어신호에 의하여 개페동작을 이룰 수 있도록, 가령 솔레노이드 밸브로 구현될 수 있다.

연마가 진행됨에 따라 상기 웨이퍼(W)의 두께가 상이해지고 상기 웨이퍼(W)의 각 영역은 연마 정도가 상이해진다. 따라서, 상기 제1 EPD센서(205) 내지 제5 EPD센서(225)는 감지되는 임피던스의 변화량에 따라 각각의 감지신호를 출력한다.

상기 제어부(100)는 상기 감지신호를 전달받고, 이를 해석하여 각각의 에어밸브(510, 520, 530)로 제어신호를 전달한다.

상기 제1 에어밸브(510) 내지 상기 제3 에어밸브(530)는 상기 제어신호에 따라 상기 제1 에어백(310) 내지 제3 에어백(330)에 공급되는 에어량을 조절한다.

따라서, 상기 제1 에어백(310) 내지 상기 제3 에어백(330)의 공기압은 상이해지고, 상기 웨이퍼(W)의 영역은 전체적으로 고른 평탄도를 유지하면서 연마될 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치에서 사용되는 EPD 신호를 측정한 그래프이다.

도 4에서, x축은 감지신호를 생성하는 시간을 의미하고, y축은 임피던스 전류를 의미한다.

또한, 감지신호 "a"는 상기 제1 EPD센서(205)의 감지신호이고, 감지신호 "b"는 상기 제2 EPD센서(210) 및 상기 제3 EPD센서(215)의 감지신호이며, 감지신호 "c"는 상기 제4 EPD센서(220) 및 상기 제5 EPD센서(225)의 감지신호를 의미한다.

예를 들어, 상기 웨이퍼(W)의 가운데 부분으로부터 가장자리 부분으로 갈수 록 상기 웨이퍼(W)가 빠르게 연마된다면, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 제1 제어부(130), 상기 제2 제어부(120), 상기 제3 제어부(110)의 순서대로 EPD 감지신호(a, b, c)를 전달받는다.

상기 제1 제어부(130) 내지 상기 제3 제어부(110)는 상기 제1 에어백(310) 내지 상기 제3 에어백(330)의 공기압을 순차적으로 최초의 약 20％ 가량으로 낮춤으로써 상기 웨이퍼(W)의 전체면이 보조를 맞추어 연마율을 유지할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 CMP 장비를 통한 웨이퍼의 연마 전후의 두께 분포를 측정한 그래프.

도 2는 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치의 구성요소를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치 중 헤드의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

도 4는 실시예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치에서 사용되는 EPD 신호를 측정한 그래프.

Claims

다수의 에어백이 구비되고, 웨이퍼를 장착하는 헤드;

상기 에어백으로 에어를 공급하는 다수의 에어공급관;

상기 에어공급관에 각각 설치된 다수의 에어밸브;

패드의 연마영역에 대응되도록 상기 패드 내부에 설치되고, 상기 웨이퍼의 연마 정도를 감지하는 다수의 EPD센서;

상기 EPD센서로부터 감지신호를 전달받아 제어신호를 생성하고, 상기 제어신호를 상기 에어밸브로 전달하는 제어부를 포함하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제1항에 있어서, 상기 에어백은

상기 헤드의 중심부에 위치된 제1 에어백;

상기 제1 에어백의 주위에 배치된 제2 에어백; 및

상기 제2 에어백의 주위에 배치된 제3 에어백을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제2항에 있어서, 상기 EPD센서는

상기 패드의 연마영역 중 상기 제1 에어백과 대응되는 영역에 설치된 제1 EPD센서;

상기 패드의 연마영역 중 링형태를 이루는 상기 제2 에어백과 대응되는 영역 에 설치되는 제2 EPD센서 및 제3 EPD 센서;

상기 패드의 연마영역 중 링형태를 이루는 상기 제3 에어백과 대응되는 영역에 설치되는 제4 EPD센서 및 제5 EPD센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제3항에 있어서,

상기 제2 EPD센서 및 상기 제3 EPD센서 또는 상기 제4 EPD센서 및 상기 제5 EPD센서는 상기 패드의 링형태의 영역에서 상호 대향하게 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제3항에 있어서,

상기 에어공급관은 상기 제1 에어백과 연결된 제1 에어공급관; 상기 제2 에어백과 연결된 제2 에어공급관; 상기 제3 에어백과 연결된 제3 에어공급관을 포함하고,

상기 에어밸브는 상기 제1 에어공급관에 연결된 제1 에어밸브; 상기 제2 에어공급관에 연결된 제2 에어밸브; 상기 제3 에어공급관에 연결된 제3 에어밸브르르 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제5항에 있어서, 상기 제어부는

상기 제1 EPD센서와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 에어밸브를 제어하는 제1 제어부;

상기 제2 EPD센서와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 에어밸브를 제어하는 제2 제어부; 및

상기 제3 EPD센서와 전기적으로 연결되고, 상기 제3 에어밸브를 제어하는 제3 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제1항에 있어서, 상기 EPD센서는

상기 웨이퍼의 연마 정도에 따른 임피던스 전류의 변화를 감지하는 EPD 장치의 센서인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제7항에 있어서, 상기 EPD센서는

코일, 인덕터 중 하나 이상의 소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.
제1항에 있어서, 상기 에어밸브는

상기 제어부의 제어신호에 따라 개폐 동작이 제어되는 솔레노이드 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 CMP 장치.