KR20100078129A - 연마 패드 및 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents

연마 패드 및 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 웨이퍼를 평탄하게 연마할 수 있는 연마 패드와 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 대한 것이다. 실시예에 따른 연마 패드는, 소정 방향으로 회전되는 연마 테이블 위에서, 웨이퍼를 연마시키기 위한 연마 패드로서, 슬러리를 저장하고 가압 압력에 따라 슬러리의 용출량을 조절할 수 있는 다수의 포어를 갖는 것을 특징으로 한다. 실시예는 화학적기계적연마장치의 연마 패드와 웨이퍼의 토폴로지에 따라 패드에 가해지는 압력의 차이를 이용하여 연마 패드와 웨이퍼 사이의 슬러리 량을 조절함으로써 빠른 시간에 평탄화를 이룰 수 있다.
슬러리, 연마 패드

Description

연마 패드 및 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법{Polishing pad and method for fabricating semiconductor device using the same}
실시예는 웨이퍼를 평탄하게 연마할 수 있는 연마 패드와 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 대한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 증가하면서 다층 배선 공정이 실용화됨에 따라, 포토 리소그라피 공정의 마진을 확보하고 있다. 배선 길이를 최소화하기 위하여 칩(chip) 상부의 물질층에 대한 글로벌 평탄화 기술이 요구되고 있다. 현재, 하부 구조물을 평탄화시키기 위한 방법으로는 보론-인-실리케이트 글라스(boro-phospho-silicate glass:BPSG) 리플로우(reflow), 알루미늄(Al) 플로우, 스핀-온 글라스(spin on glass:SOG) 에치백(etch back), CMP 공정등이 사용되고 있다.
이중에서, CMP 공정은 웨이퍼를 연마하기 위한 연마제로 슬러리(slurry) 용액내의 화학적 성분 및 웨이퍼를 연마하는 패트와 연마제의 물리적 성분에 의하여 칩의 표면을 화학 물리적으로 연마하여 평탄화를 실시하는 방법으로서, 리플로우 공정이나 에치백 공정으로 달성할 수 없는 넓은 공간 영역의 글로벌 평탄화 및 저온 평탄화를 달성할 수 있다는 장점 때문에 차세대 반도체 소자에서 유력한 평탄화 기술로 대두되고 있다.
실시예는 웨이퍼의 토폴로지에 따라 패드에 가해지는 압력의 차이를 이용하여 연마 패드와 웨이퍼 사이의 슬러리 량을 조절할 수 있는 연마 패드 및 상기 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 연마 패드는, 소정 방향으로 회전되는 연마 테이블 위에서, 웨이퍼를 연마시키기 위한 연마 패드로서, 슬러리를 저장하고 가압 압력에 따라 슬러리의 용출량을 조절할 수 있는 다수의 포어를 갖는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법은, 제1영역 및 제1영역보다 높이가 낮은 제2영역을 포함하는 연마 면이 형성된 웨이퍼와 상기 연마 면에 연마 패드를 접촉시키는 단계 및 상기 제1영역과 접촉하는 상기 연마 패드에 생성되는 슬러리의 양이 제2영역과 접촉하는 상기 연마 패드에 생성되는 슬러리의 양보다 많이 형성되어 상기 연마 면이 평탄화되는 단계를 포함한다.
실시예는 화학적기계적연마장치의 연마 패드와 웨이퍼의 토폴로지에 따라 패드에 가해지는 압력의 차이를 이용하여 연마 패드와 웨이퍼 사이의 슬러리 량을 조절함으로써 빠른 시간에 평탄화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
실시예는 웨이퍼에 토폴로지가 크게 있는 부분에만 선택적으로 연마율이 증대되는 연마 장치를 제공하므로 웨이퍼 상에 절연막을 최소의 두께로 형성할 수 있어 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 실시예는 평탄화 시간이 줄어들어 제조 수율이 향상되고 슬러리의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연마 패드의 교체시기가 늘어날 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예에 따른 연마 패드 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/위(on/over)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/위(on/over)는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMP 장치를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CMP 장치에는 웨이퍼(100)가 연마 패드(110)와 슬러리(120)에 의해서 연마된다.
그리고, 상기 연마 패드(110)가 부착된 연마 테이블(130)은 회전운동을 하며, 상기 웨이퍼(100)의 소정 압력으로 가압하는 헤드부(140) 역시 회전운동을 하게 된다.
상기 헤드부(140)의 자체하중과 인가되는 가압력에 의해 상기 웨이퍼(100) 표면과 상기 연마 패드(110)는 접촉하게 되고, 이러한 접촉면 사이의 미세한 틈(패드의 기공부분) 사이로 가공액(연마액)인 슬러리(120)가 유동을 하여 슬러리(120) 내부에 있는 연마 입자와 연마 패드(110)의 표면의 돌기들에 의해 기계적인 연마작용이 수행된다.
그리고, 상기 슬러리(120) 내의 화학성분에 의해서는 화학적인 연마작용이 수행된다.
또한, 상기 연마 패드(110) 상에는 연마 부산물을 제거하여 일정한 연마 효율 및 연마 균일도를 얻기 위한 패드 컨디셔너(170)가 더 형성되며, 상기 패드 컨디셔너(170)는 상기 패드(110)의 상부에서 공압 실린더(미도시)에 의해 상하 구동되고, 상기 공압 실린더와 연결되는 원통 형상을 갖는 몸체와 상기 몸체의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 다이아몬드 디스크(Diamond Disk)로 구성될 수 있다.
실시예에 따른 연마 패드(110)는 포어 사이즈를 기존보다 크게 하여, 슬러리를 저장할 수 있고, 가압 압력에 따라 저장된 슬러리를 연마 패드 표면으로 용출시킬 수 있다.
따라서, 실시예는 화학적기계적연마장치의 연마 패드(110)와 웨이퍼(100)의 토폴로지에 따라 연마 패드(110)에 가해지는 압력의 차이를 이용하여 연마 패 드(110)와 웨이퍼(100) 사이의 슬러리 량을 조절함으로써 빠른 시간에 평탄화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
실시예는 웨이퍼(100)에 토폴로지가 크게 있는 부분에만 선택적으로 연마율이 증대되는 연마 장치를 제공하므로 웨이퍼(100) 상에 절연막을 최소의 두께로 형성할 수 있어 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 실시예는 평탄화 시간이 줄어들어 제조 수율이 향상되고 슬러리의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연마 패드의 교체시기가 늘어날 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연마 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 연마 패드(110)는 다공성 재질로 이루어진 폴레우레탄일 수 있다.
따라서, 연마 패드(110)는 표면 및 내부에 소정 깊이 함몰 형성되어 슬러리 입자가 안착될 수 있는 포어(112)로 이루어진다.
또한, 연마 패드(110)는 상기 표면의 포어에 의하여 소정 높이로 돌출된 평탄부(111)로 이루어진다.
특히, 상기 평탄부(111)는 웨이퍼(100)와 접하게 되는 영역으로서, 웨이퍼(100)와 연마 패드(110) 사이의 슬러리(120)에 의해 연마가 직접적으로 이루어지는 부분이다.
상기 연마 패드(110)의 포어(112)는 그 크기가 서로 다를 수 있으나, 평균 10~20nm의 직경(a)을 가지도록 형성한다.
따라서, 실시예에 따른 연마 패드(110)의 포어(112) 사이즈는 통상적인 수준보다 큰 것으로, 상기 포어(112) 내에 슬러리(120)를 저장한다.
상기 포어(112) 내에 저장된 슬러리(120)는 웨이퍼(100)의 토폴로지에 의하여 가압이 이루어질때 상기 포어(112) 내에서 연마 패드(110) 표면으로 용출된다.
이때, 상기 연마 패드(110) 전면에서 포어(112) 내에 균일하게 슬러리를 저장하고 있다 하더라도, 가압되는 정도에 따라 용출되는 양이 달라지게 된다.
즉, 웨이퍼(100)의 볼록한 부분과 오목한 부분이 있다면, 볼록한 부분이 연마 패드에 접촉시에 고압으로 가압하게 되고, 오목한 부분이 연마 패드(110)에 접촉시에 저압으로 가압하게 된다. 따라서, 상기 연마 패드(120)의 볼록한 부분은 포어에서 용출된 많은 양의 슬러리에 의하여 화학적기계적 연마가 활발히 이루어지고, 상기 연마 패드의 오목한 부분은 포어에서 용출된 적은 양의 슬러리에 의하여 화학적기계적 연마가 이루어진다.
도 3은 실시예에 따른 연마 패드를 이용하여 웨이퍼의 연마 과정을 보여주는 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(100) 상에는 연마가 필요한 막질들이 형성되어 있다. 이와 같은 막질들은 웨이퍼(100) 상에서 토폴로지를 가지고 형성되는데, 즉, 웨이퍼(100) 전면에서, 웨이퍼(100)에서부터 막질 상면까지의 높이가 다를 수 있다.
예를 들면, 상기 웨이퍼(100) 상에 금속배선(101)들이 형성되어 있다. 상기 금속배선(101)들은 제1영역에서는 금속배선(101)이 밀도가 높게 형성되고 있고, 제 2영역에서는 금속배선(101)이 밀도가 낮게 형성되어 있다.
상기 금속배선(101)들이 형성된 상기 웨이퍼(100) 상에 절연막(103)을 증착하면, 상기 절연막(103)은 제1영역에서는 높은 토폴로지를 갖게 되고, 제2영역에서는 낮은 토폴로지를 갖게 된다.
상기 절연막(103)의 울퉁불퉁한 면을 평탄화하기 위하여 실시예에 따른 화학적기계적연마 장치를 이용한다.
상기 화학적기계적연마 장치는 도1을 참조하여 설명한 바와 같은 구조로 이루어지며, 웨이퍼(100)의 연마 면을 연마 패드에 접촉시키고 고속으로 회전시킴으로써 제공되는 슬러리에 의하여 연마가 이루어진다.
이때, 상기 연마 패드(110) 내의 다수의 포어(112) 내에 슬러리(120)를 저장하고 있으며, 상기 웨이퍼(100)가 가압하여 회전시에 상기 포어(112) 내에 저장된 슬러리(120)들이 용출됨으로써 웨이퍼(100) 전면에서의 슬러리(120) 량이 차이가 있게 된다.
즉, 상기 웨이퍼(100)의 제1영역에서는 연마 패드(110)와의 압력이 높으므로 이 부분과 연마 패드(110) 사이에는 많은 양의 슬러리(120)가 존재하게 된다. 또한, 상기 웨이퍼(100)의 제2영역에서는 연마 패드(110)와의 압력이 낮으므로 이 부분과 연마 패드(110) 사이에는 적은 양의 슬러리(120)가 존재하게 된다.
웨이퍼는 회전에 의하여 제1영역과 맞닿는 연마 패드(110)의 부위가 연속적으로 변하게 되며, 상기 제1영역이 배치되는 부분의 연마 패드(110)는 그 아래의 포어로부터 용출된 슬러리에 의하여 지속적으로 많은 슬러리가 형성되게 된다.
상기 제1영역과 대응하던 연마 패드(110)의 일부는 웨이퍼(100)가 지나간 다음, 그 슬러리(120)가 다시 연마 패드(110) 내의 포어(112) 내에 저장이 된다.
이와 같이, 웨이퍼(100)의 토폴로지가 높은 부분은 다른 부분보다 연마 패드(110)에 높은 압력을 주게 되고, 이때, 연마 패드(110)와 웨이퍼(100) 사이에는 패드가 받는 압력에 따라 슬러리의 량이 달라지게 되어 높은 압력을 받는 영역에서의 연마 속도를 높여 빠른 평탄화가 이루어지게 된다.
이는 압력에 따라 연마 패드(110) 내의 포어(112) 사이즈 및 포어(112) 개수를 조절함으로써 평탄화의 속도 및 연마율을 조절할 수 있다.
실시예는 웨이퍼(100)의 토폴로지가 높은 부분은 우선적으로 빠르게 연마되고 토폴로지가 낮은 부분은 느리게 연마됨으로써 평탄화가 빠르게 이루어질 뿐만 아니라 평탄화가 이루어지기까지 웨이퍼(100)의 전체적인 연마량도 기존보다 적게 된다.
따라서, 화학적기계적 연마 공정 전에 웨이퍼(100) 상에 형성되는 피연마 막질의 두께를 최소한으로 형성할 수 있으므로, 반도체 소자 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 웨이퍼(100) 상에 피연마 막질의 형성 시간도 줄어들게 되고, 웨이퍼(100)가 피연마 막질을 형성하는 동안 받는 스트레스 또는 공정 불량 위험성을 개선할 수 있으므로 제조 수율을 증대시킬 수 있으며 공정 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CMP 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연마 패드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 연마 패드를 이용하여 웨이퍼의 연마 원리를 보여주는 단면도이다.

Claims (5)

  1. 소정 방향으로 회전되는 연마 테이블 위에서, 웨이퍼를 연마시키기 위한 연마 패드로서,
    슬러리를 저장하고 가압 압력에 따라 슬러리의 용출량을 조절할 수 있는 다수의 포어를 갖는 연마 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포어 사이즈는 10~20nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  3. 제1영역 및 제1영역보다 높이가 낮은 제2영역을 포함하는 연마 면이 형성된 웨이퍼와 상기 연마 면 연마 패드를 접촉시키는 단계; 및
    상기 제1영역과 접촉하는 상기 연마 패드에 생성되는 슬러리의 양이 제2영역과 접촉하는 상기 연마 패드에 생성되는 슬러리의 양보다 많이 형성되어 상기 연마 면이 평탄화되는 단계를 포함하는 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연마 패드는 다공질로 이루어진 폴리우레탄 재질인 것을 특징으로 하는 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연마 패드의 포어 사이즈는 10~20nm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 연마 패드를 이용한 반도체 소자의 제조 방법.
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