KR20100098010A

KR20100098010A - 화학적기계적연마장비

Info

Publication number: KR20100098010A
Application number: KR1020090016961A
Authority: KR
Inventors: 이대희; 윤효근
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-06

Abstract

본 발명의 화학적기계적연마장비는, 연마 처리될 웨이퍼가 배치된 연마 패드를 구비한 플래튼; 플래튼과 마주하는 위치에 배치된 연마 처리될 웨이퍼를 제1 압력으로 눌러 고정하는 멤브레인부; 멤브레인부의 가장자리에 배치되고, 멤브레인부와 동일한 제1 압력으로 웨이퍼를 고정하는 제1 리테이너 링; 및 제1 리테이너 링의 내측에 배치되고, 제1 리테이너 링보다 상대적으로 높은 제2 압력이 가해지는 제2 리테이너 링을 구비한 연마 헤드를 포함한다.

연마 균일도, 리테이너 링, 연마 패드 리바운드

Description

화학적기계적연마장비{Apparatus for chemical mechanical polishing process}

본 발명은 반도체 소자 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학적기계적연마장비에 관한 것이다.

반도체 소자의 집적도가 높아지면서 막질을 평탄화하는 방법으로 화학적기계적연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing) 공정이 도입되고 있다. 특히 반도체 소자의 집적도가 높아지면서 패턴의 크기가 미세화되고, 웨이퍼의 크기는 300mm 이상으로 대구경화되면서 됨에 따라 웨이퍼 가장자리 부분(wafer edge)의 막질을 평탄화하는 기술의 중요도가 높아지고 있다. 이는 웨이퍼 가장자리 부분에서 차지하는 다이(die) 비율이 300mm 크기의 웨이퍼를 기준으로 10% 내지 15% 비율을 차지한다는 점에서 매우 중요한 문제라 할 수 있다. 화학적기계적연마장비는 표면에 연마 패드(polishing pad)를 구비한 플래튼(platen), 연마 패드 상에 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마 헤드(polishing head) 그리고 웨이퍼 상에 연마 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부를 구비한다. 연마 헤드는 웨이퍼에 직접적으로 압력을 가하는 멤브레인 영역(membrane zone)과 연마 공정시 웨이퍼가 연마 헤드 밖으로 미끄러지지 않 게 잡아주는 리테이너 링(retainer ring)으로 크게 구분된다.

이러한 화학적기계적연마장비를 이용한 화학적기계적연마(CMP) 공정은 웨이퍼가 연마 헤드에 의해 눌려진 상태로 플래튼의 연마 패드와 접촉하여 배치되고, 슬러리 공급부로부터 연마 패드에 슬러리가 공급된다. 이 상태에서 연마 헤드의 회전에 따라 웨이퍼가 회전되고, 플래튼이 회전되면서 연마 패드와 접촉한 웨이퍼에 대한 연마가 진행된다. 웨이퍼에 대한 연마는 연마 슬러리(slurry)의 화학 반응과 연마 슬러리와 연마 패드(polishing pad)의 접촉에 의한 기계적 연마가 동시에 이루진다. 화학적기계적연마(CMP) 공정은 웨이퍼 표면을 평탄화하거나, 표면의 각기 다른 막질 부분을 분리(isolation)시키기 위한 패터닝 과정에 사용되고 있다.

한편, 웨이퍼 가장자리 부분을 평탄화하기 위해 연마 공정을 진행하는 과정에서 멤브레인 영역과 리테이너 링 영역의 압력 차이로 연마 패드 부분이 되튀는(rebounding) 문제가 발생하고 있다. 연마 패드가 되튀는 문제는 웨이퍼 가장자리 부분의 연마 속도가 웨이퍼 안쪽 부분의 연마 속도보다 급격히 빠르거나 느린 연마량으로 이어진다. 연마량이 웨이퍼 위치에 따라 불균일해지면 자기정렬불량(SAC fail; Self Align Contact fail) 또는 식각 공정에서 노출되어야 하는 부분이 노출되지 않는 불량의 원인이 되어 웨이퍼 가장자리 부분에서 수율이 저하되고 있다.

본 발명에 따른 화학적기계적연마장비는, 연마 처리될 웨이퍼가 배치된 연마 패드를 구비한 플래튼; 플래튼과 마주하는 위치에 배치된 연마 처리될 웨이퍼를 제1 압력으로 눌러 고정하는 멤브레인부; 멤브레인부의 가장자리에 배치되고, 멤브레인부와 동일한 제1 압력으로 웨이퍼를 고정하는 제1 리테이너 링; 및 제1 리테이너 링의 내측에 배치되고, 제1 리테이너 링보다 상대적으로 높은 제2 압력이 가해지는 제2 리테이너 링을 구비한 연마 헤드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 멤브레인부는 ±1psi 내지 3psi의 제1 압력이 인가된다.

상기 제1 리테이너 링은 상기 멤브레인부와 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치되고, 상기 제2 리테이너 링은 상기 제1 리테이너 링과 별도로 움직이게 상기 제1 리테이너 링과 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치된다.

상기 제2 리테이너 링은 많아야 10psi의 제2 압력으로 인가된다.

상기 제1 및 제2 리테이너 링은 상기 연마 패드와 접촉하는 면에 소정 간격으로 배치된 그루브(groove)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 의한 화학적기계적연마장비를 설명하기 위해 나타내보인 도면이다. 도 2는 도 1의 연마 헤드부의 일부를 확대하여 나타내보인 도면이다. 도 3 및 도 5는 웨이퍼 위치에 따른 연마율을 나타내보인 그래프이다. 그리고 도 4는 일반적인 화학적기계적연마장비를 나타내보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 화학적기계적연마장비는 연마 처리될 웨이퍼(W)가 배치된 연마 패드(105)를 구비한 플래튼(platen, 100)과, 플래튼(100)과 마주하는 위치에 배치된 연마 처리될 웨이퍼(W)를 지지하는 연마 헤드(125)를 포함하여 구성된다. 여기서 플래튼(100)은 회전축(미도시함) 상에 장착되어 일 방향으로 회전 가능하며, 플래튼(100) 위에 놓인 연마 패드(105)는 연마 공정시 웨이퍼(W)와 접촉되어 웨이퍼(W)의 표면을 기계적으로 연마한다.

연마 헤드(125)는 플래튼(100)과 마주하는 위치에 배치되면서 다른 회전축(미도시함)에 부착되어 연마 공정 동안 회전 가능하다. 연마 헤드(125)는 웨이퍼에 직접적으로 제1 압력을 가하는 멤브레인부(110)와 연마 공정시 웨이퍼가 연마 헤드(125) 밖으로 미끄러지지 않게 잡아주는 리테이너 링(115, 120)을 포함하여 구성된다. 여기서 멤브레인부(membrane zone, 110)는 연마 공정 동안 ±1psi 내지 3psi의 제1 압력으로 직접적으로 웨이퍼(W)에 압력을 가한다.

리테이너 링(retainer ring)(115, 120)은 멤브레인부(110)의 가장자리에 배치되고, 연마 공정시 웨이퍼(W)가 연마 헤드(125) 밖으로 미끄러지지 않게 고정하여 지지하는 역할을 한다. 리테이이너 링은 제1 리테이너 링(115) 및 제2 리테이너 링(120)으로 이루어지는데, 제1 리테이너 링(115)은 멤브레인부(110)에 가하는 압력과 동일한 압력, 예를 들어 ±1psi 내지 3psi의 압력을 가압하여 웨이퍼를 고정 하고, 멤브레인부(110)와 인접하여 배치된다. 제2 리테이너 링(120)은 제1 리테이너 링(115)의 내측에 웨이퍼(W)와 인접하여 배치되고, 제1 리테이너 링(115)보다 상대적으로 높은 제2 압력, 예컨대 0psi 내지 10psi의 압력을 가한다. 제1 리테이너 링(115)은 멤브레인부(110)의 최외곽과 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치하고, 제2 리테이너 링(120)은 제1 리테이너 링(115)과는 별도로 움직이게 제1 리테이너 링(115)으로부터 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치한다. 제1 리테이너링(115) 및 제2 리테이너 링(120)의 두께는 멤브레인부(110)의 최외곽에서 각각 5mm 내지 50mm의 두께를 갖게 형성한다. 여기서 제1 리테이너 링(115) 및 제2 리테이너 링(120)은 연마 패드(105)와 접촉하는 면에 소정 간격으로 배치된 그루브(groove, 130)를 더 포함하여 형성한다. 제1 및 제2 리테이너 링(115, 120) 상에 형성된 그루브(130)는 연마 공정시 화학적 연마를 위해 공급하는 연마 슬러리를 웨이퍼 상에 원활하게 공급하고 배출하는 역할을 한다.

도 2를 참조하면, 리테이너 링(115, 120) 가운데 멤브레인부(110)와 접하고 있는 제1 리테이너 링(115)은 멤브레인부(110)와 동일한 압력, 예컨대 ±1psi 내지 3psi의 제1 압력(P1)을 인가한다. 그리고 제1 리테이너 링(115)의 외측에 배치된 제2 리테이너 링(120)은 연마 공정 도중 연마 패드(105)의 웨이퍼(W) 방향으로 되튀는 리바운드(rebound) 현상이 웨이퍼(W) 가장자리에서 발생하지 않게 하기 위해 제1 압력(P1)보다 1psi 내지 5psi 높은 제2 압력(P2), 예컨대 0psi 내지 10psi의 압력을 인가한다. 이와 같이 제1 리테이너 링(115)과 제2 리테이너 링(120)에 압력을 각각 다르게 인가하여, 동일한 압력이 인가되는 경우 웨이퍼 가장자리 부분에서 일어나는 연마 패드 리바운드 현상(A)이 멤브레인부(110)와 제1 리테이너 링(115)의 경계면이 아닌 제1 리테이너 링(115)과 제2 리테이너 링(120)의 경계면으로 이동하여 연마 균일도에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 웨이퍼 중심부로부터 가장자리부로 갈수록 연마 균일도가 저하되는 문제를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 화학적기계적연마장비를 이용하여 연마 공정시 웨이퍼의 위치에 따른 제거율(removal rate)을 나타내보인 도 3을 참조하면, 웨이퍼 중심부로부터 가장자리 전체에 걸쳐 균일한 제거율을 구현하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 웨이퍼 가장자리부 1mm 이하에서 웨이퍼 중심부 대비 연마량이 99% 이상 일이하고, 1% 이하의 연마 균일도를 구현할 수 있다. 리테이너 링을 단일 구조로 적용하는 일반적인 화학적기계적연마장비를 이용한 연마 공정시 제거율을 나타내보인 도 5를 참조하면, 웨이퍼 중심부에 대해 웨이퍼 가장자리 3mm 부근(X)에서 연마량이 급격하게 저하된다. 이 경우 웨이퍼 가장자리부위 0mm 내지 3mm의 연마량이 웨이퍼 중심부와 대비하여 30% 내지 70%의 연마량이 저하되고, 10%를 상회하는 연마 균일도 문제가 발생한다. 일반적인 화학적기계적연마장비를 이용한 연마 공정시 웨이퍼 가장자리부에서 연마량이 저하되고, 연마 균일도가 저하되는 것은 연마 공정시 단일 구조로 적용한 리테이너 링(215, 도 4참조)이 멤브레인부(210)의 연마 압력에 비해 1psi 내지 3psi 더 높게 가압하는 과정에서 생기는 연마 패드(205) 리바운드 문제가 그 원인으로 작용하고 있다. 도 4를 참조하면, 리테이너 링(215)을 단일 구조로 적용한 경우, 연마 패드 리바운드(B) 현상은 멤브레인부(210)와 리테이너 링(215)의 경계면에서 발생하여 웨이퍼(W) 가장자리부의 연마량에 영향을 미친 다.

이에 대해 본원 발명의 화학적기계적연마장비는 리테이너 링을 멤브레인부(110)와 접하는 제1 리테이너 링(115)과, 제1 리테이너 링(115)의 외측에 배치된 제2 리테이너 링(120)의 듀얼(dual) 구조로 배치하면서 제1 리테이너 링(115)과 제2 리테이너 링(120)에 압력을 각각 다르게 인가한다. 이에 따라 단일 구조의 리테이너 링이 구비된 화학적기계적연마장비에서 연마 패드 리바운드 현상이 멤브레인부와 리테이너 링의 경계면에서 발생하여 웨이퍼 가장자리부분이 웨이퍼 중심부보다 급격히 빠르거나 느린 연마 속도를 나타내는 반면, 본원 발명은 연마 패드 리바운드 현상이 제1 리테이너 링과 제2 리테이너 링의 경계면으로 이동하여 연마 균일도에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 화학적기계적연마장비를 설명하기 위해 나타내보인 도면이다.

도 2는 도 1의 연마 헤드부의 일부를 확대하여 나타내보인 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 화학적기계적연마장비를 적용시 웨이퍼 위치에 따른 연마율을 나타내보인 그래프이다.

도 4는 일반적인 화학적기계적연마장비를 나타내보인 도면이다.

도 5는 도 4의 화학적기계적연마장비를 적용시 웨이퍼 위치에 따른 연마율을 나타내보인 그래프이다.

Claims

연마 처리될 웨이퍼가 배치된 연마 패드를 구비한 플래튼;

상기 플래튼과 마주하는 위치에 배치된 연마 처리될 웨이퍼를 제1 압력으로 눌러 고정하는 멤브레인부;

상기 멤브레인부의 가장자리에 배치되고, 상기 멤브레인부와 동일한 제1 압력으로 웨이퍼를 고정하는 제1 리테이너 링; 및

상기 제1 리테이너 링의 내측에 배치되고, 상기 제1 리테이너 링보다 상대적으로 높은 제2 압력이 가해지는 제2 리테이너 링을 구비한 연마 헤드를 포함하는 화학적기계적연마장비.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인부는 ±1psi 내지 3psi의 제1 압력으로 인가하는 화학적기계적연마장비.
제1항에 있어서,

상기 제1 리테이너 링은 상기 멤브레인부와 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치된 화학적기계적연마장비.
제1항에 있어서,

상기 제2 리테이너 링은 상기 제1 리테이너 링과 별도로 움직이게 상기 제1 리테이너 링과 0.1mm 내지 3mm의 간격을 가지게 배치된 화학적기계적연마장비.
제1항에 있어서,

상기 제2 리테이너 링은 많아야 10psi의 제2 압력으로 인가하는 화학적기계적연마장비.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 리테이너 링은 상기 연마 패드와 접촉하는 면에 소정 간격으로 배치된 그루브(groove)를 더 포함하는 화학적기계적연마장비.