KR20100115076A - 화학적 기계적 연마장치의 상부링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마공정에서 비용절감을 위해 슬러리의 투입량을 감소시켜 연마공정을 진행함에 있어서 웨이퍼 표면 전체의 연마 균일도를 향상시킬 수 있도록 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 화학적 기계적 연마장치의 상부링은, 화학적 기계적 연마장치에서 하측으로 웨이퍼를 진공 흡착하거나 압축공기를 공급받아 웨이퍼를 일정한 압력으로 폴리싱 패드에 밀착시키는 상부링에 있어서, 상기 상부링의 저면 가장자리부에는 상기 웨이퍼와 접촉되는 방향으로 돌기부가 돌출 형성되어, 상기 웨이퍼의 가장자리부와 상기 폴리싱 패드 간의 가압력이 증대되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼를 폴리싱 패드에 밀착시킬 때 웨이퍼 가장자리부에 폴리싱 패드를 향하는 방향으로 보다 큰 가압력이 작용되므로 적은 양의 슬러리를 투입하고 연마공정을 진행하더라도 웨이퍼의 중앙부와 가장자리부 간에 연마 균일도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

CMP, 상부링, 연마 균일도, 레지듀, 돌기부.

Description

화학적 기계적 연마장치의 상부링{Top ring of chemical mechanical polishing apparatus}

본 발명은 화학적 기계적 연마장치의 상부링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화학적 기계적 연마공정에서 비용절감을 위해 슬러리의 투입량을 감소시켜 연마공정을 진행함에 있어서 웨이퍼 표면 전체의 연마 균일도를 향상시킬 수 있도록 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링에 관한 것이다.

반도체소자의 고집적화가 진행됨에 따라 반도체소자의 설계 룰(design rule)이 미세화되면서 모스(MOS) 트랜지스터의 소스/드레인의 사이즈 및 게이트 전극의 선폭과 금속 배선의 선폭이 축소되고 있다. 이와 같은 미세 선폭의 반도체소자를 구현하기 위해 여러 가지 새로운 공정이 도입되었는데 그 중 하나가 화학적 기계적 연마(CMP; Chemical Mechanical Polishing)공정이다.

화학적 기계적 연마공정은 특정의 물질층에 대해 표면을 평탄화시키는 방법으로서, 슬러리(slurry)를 통한 화학적 반응을 일으켜 반도체 기판 상의 특정 물질층을 평탄화하는 동시에 기계적인 힘을 통해 연마하는 공정이다.

도 1은 종래 화학적 기계적 연마장치를 개략적으로 나타낸 단면도, 도 2는 종래 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 구조를 나타낸 단면도, 도 3은 종래 연마공정 후 웨이퍼 가장자리부에 텅스텐 레지듀가 발생된 모습을 나타낸 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 화학적 기계적 연마장치(1)는 평탄화 대상인 웨이퍼(W)를 흡착하여 고정하는 상부링(Top Ring)(10)과, 폴리싱 패드(4)가 상부에 부착된 웨이퍼 척(2)과, 폴리싱 패드(4)의 표면을 컨디셔닝하는 패드 컨디셔너(6) 및 폴리싱 패드(4)로 슬러리(slurry)를 공급하는 슬러리 공급기(8)를 포함한다.

웨이퍼 척(2)의 하측에는 미도시된 모터에 의해 회전력을 제공받는 구동축(3)이 결합되고, 상부링(10)은 상측에 상기 구동축(3)과 반대방향으로 회전되는 회전축(40)이 결합되어, 상부링(10)이 웨이퍼(W)를 흡착하여 폴리싱 패드(4)에 밀착시켜 회전됨으로써 연마공정이 진행된다.

도 2를 참조하면, 상부링(10)의 상측에는 진공 또는 압축공기가 공급되는 경로를 제공하는 공급홀(42)이 내부에 수직으로 형성된 회전축(40)이 결합된다.

상부링(10)의 본체(20)는 그 하측면에 복수의 그루브(28)가 형성되고, 그루브(28)의 하측으로 압력판(30)이 결합된다.

압력판(30)은 각각의 그루브(28)와 서로 연결되는 복수의 관통홀(32)이 내부에 수직으로 형성되고, 상기 관통홀(32)은 웨이퍼(W)와의 접촉시에 완충 역할을 하도록 압력판(30)의 저면에 부착되는 완충필름(28)을 관통하여 형성된다.

한편, 본체(20)에는 상하측을 관통하는 메인 관통홀(22)이 수직으로 형성되며, 상기 메인 관통홀(22)과 회전축(40)에 형성된 공급홀(42)은 신축튜브(45)에 의해 서로 연결된다.

따라서, 공급홀(42)을 통해 공급되는 진공 또는 압축공기는 신축튜브(45)를 따라서 본체(20)의 내측으로 공급되고, 공급된 진공 또는 압축공기는 그루브(28)와 관통홀(32)을 통해 압력판(30)의 하측으로 공급됨으로써 압력판(30) 하측에 웨이퍼(W)를 진공 흡착하거나 폴리싱 패드(4)에 웨이퍼(W)를 일정한 압력으로 밀착시키게 된다. 그리고, 압력판(30)의 가장자리부 둘레에는 웨이퍼(W)가 연마공정 중에 이탈되는 것을 방지하기 위한 리테이너링(35)이 결합되고, 본체(20)와 회전축(40)의 연결부위에는 회전축(40)으로부터 본체(20)에 장착된 웨이퍼(W)의 표면이 폴리싱 패드(4)에 밀착되도록 하는 볼(15)이 개재되어 있다.

최근에는 상기와 같은 구성으로 이루어진 CMP 장치(1)를 이용하여 연마공정을 진행함에 있어서, 슬러리의 투입량을 감소시켜 공정을 진행함으로써 웨이퍼 장당 사용 단가를 낮춰 생산 비용을 줄이는 활동을 하고 있다.

일례로, 슬러리의 투입량을 200 ㎖/min 사용하던 것을 절반 수준의 투입량을 사용할 수 있도록 각종 레시피(Recipe)나 장비의 파라미터(Parameter)를 수정하여 공정 특성을 맞추고 있다.

그러나, 웨이퍼(W)에 직접적으로 접촉되는 슬러리의 투입량을 감소시킴에 따라서 웨이퍼(W)의 중앙부와 가장자리부 간의 연마 균일도가 분균일해지는 문제점이 발생되었으며, 도 3에 도시된 바와 같이 텅스텐(W) 플러그 형성을 위한 CMP 공정을 수행한 후에 웨이퍼(W)의 가장자리부에 텅스텐 레지듀(R)가 잔류하게 되어 후속되는 증착, 식각 공정에서 불량을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 기판의 평탄화를 위한 화학적 기계적 연마공정에서 비용절감을 위해 슬러리의 투입량을 절감하면서도 웨이퍼의 중앙부와 가장자리부 간의 연마량 편차를 최소화함으로써 반도체 수율 및 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링을 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 화학적 기계적 연마장치의 상부링은, 화학적 기계적 연마장치에서 하측으로 웨이퍼를 진공 흡착하거나 압축공기를 공급받아 웨이퍼를 일정한 압력으로 폴리싱 패드에 밀착시키는 상부링에 있어서, 상기 상부링의 저면 가장자리부에는 상기 웨이퍼와 접촉되는 방향으로 돌기부가 돌출 형성되어, 상기 웨이퍼의 가장자리부와 상기 폴리싱 패드 간의 가압력이 증대되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 돌기부는 상기 상부링의 저면 가장자리부 둘레를 따라서 원주방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 돌기부는 8~10 mm의 너비와, 0.2~0.5 mm의 높이로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 돌기부는 상기 웨이퍼의 최외곽 가장자리부로부터 내측으로 8~10 mm 이격된 위치에 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 돌기부는 상기 상부링과 동일한 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링에 의하면, 상부링의 가장자리부 둘레에 돌기부가 돌출 형성되어 웨이퍼를 폴리싱 패드에 밀착시킬 때 웨이퍼 가장자리부에 폴리싱 패드를 향하는 방향으로 보다 큰 가압력이 작용되므로 적은 양의 슬러리를 투입하고 연마공정을 진행하더라도 웨이퍼의 중앙부와 가장자리부 간에 연마 균일도를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라서 후속되는 증착, 식각 공정에서 웨이퍼 불량을 방지하고 수율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 종래기술과 중복되는 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 구조를 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 프로파일을 나타낸 확대도이다.

본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링(100)은 연마 공정의 비용 절감을 위해 슬러리의 투입량을 감소시킴에 따라 웨이퍼 가장자리부에서 완전한 연마가 이루어지지 않아 레지듀(R)가 잔류되는 문제점을 해결하기 위한 구성으로서, 웨이퍼(W)와 접촉되는 상부링(100)의 저면 가장자리부에 웨이퍼(W)와 접촉되는 방향으로 돌기부(150)가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.

통상, 상부링(100)의 압력판(130)과 웨이퍼(W) 간에 작용되는 가압력은 압력판(130)과 완충필름(138)을 관통하는 관통홀(32)의 형성 위치에 따라 달라지게 된다. 따라서, 연마공정에서 웨이퍼(W)의 가장자리부에 레지듀(R)가 발생되는 것을 방지하게 위해서는 웨이퍼(W)의 가장자리부와 폴리싱 패드(4) 간에 중앙부 보다 더 큰 가압력이 작용될 수 있도록 관통홀(32)의 형성 위치를 웨이퍼(W)의 가장자리부에 형성함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있으나, 200 mm 웨이퍼(W)를 기준으로 할 때 웨이퍼(W)의 최외곽 가장자리부에서 내측으로 24 mm 까지는 압력판(130)과 리테이너링(35) 간의 체결수단(스크류 등)이 결합하게 되므로 압력판(130)을 수직으로 관통하게 되는 상기 관통홀(32)을 형성할 수 있는 위치는 압력판(130)의 최외곽 가장자리부에서 내측 방향으로 24 mm 이격된 이내의 위치에 한정된다.

이러한 상부링(100)의 압력판(130) 구조에 의할 때, 압력판(130)의 가장자리부에 관통홀(32)을 다수 형성하더라도 압력판(130)의 최외곽부에 인접한 위치에는 관통홀(32)을 형성할 수 없게 되므로 압력판(130)의 가장자리부와 접촉되어 웨이퍼(W) 가장자리부에 미치게 되는 가압력을 증대시키는 데에는 한계가 있다.

본 발명에서는 상부링(100)의 압력판(130) 저면의 가장자리부에 상기 관통홀(32)을 형성할 수 없는 위치에 상기 압력판(130)과 동일한 세라믹 재질로 이루어진 돌기부(150)를 웨이퍼(W)를 향하는 방향으로 돌출 형성한 것이다.

상기 돌기부(150)는 웨이퍼(W)의 가장자리부에 가압력을 균일하게 전달할 수 있도록 상부링(100)의 압력판(130) 저면의 가장자리부 둘레를 따라서 원주방향으로 돌출 형성됨이 바람직하다.

그리고, 상기 돌기부(150)는 압력판(130)의 저면과 웨이퍼(W)의 상면이 접촉되는 부위 간에 가압력의 급격한 변화를 방지할 수 있도록 비교적 넓은 너비와 완만한 높이로 형성됨이 바람직하며, 일실시예로는 8~10 mm의 너비와 0.2~0.5 mm의 높이로 형성될 수 있다.

또한, 웨이퍼(W)의 가장자리부는 라운드 형상으로 이루어져 압력판(130)의 가장자리 끝단과 웨이퍼(W)의 가장자리 끝단 간에 비접촉 상태로 결합됨을 고려할 때, 상기 돌기부(150)는 웨이퍼(W)의 최외곽 가장자리부로부터 내측으로 8~10 mm 이격된 위치에 대응되는 위치의 압력판(130) 저면에 형성됨이 바람직하다.

상기와 같이 본 발명에서는 상부링(100)의 압력판(130)과 웨이퍼(W) 간의 가압력을 형성함에 있어서, 웨이퍼(W)의 중앙부보다 웨이퍼(W)의 가장자리부에 보다 큰 가압력이 작용될 수 있도록 압력판(130)의 가장자리부에 돌기부(150)가 형성됨에 따라서 연마공정의 진행시 비용 절감을 위해 슬러리의 투입량을 감소시키더라도 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 가장자리부까지 균일하게 연마할 수 있게 되므로, 연마공정의 완료시에는 웨이퍼(W)의 가장자리부에 레지듀(R)가 잔류되는 문제를 해결할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

도 1은 종래 화학적 기계적 연마장치를 개략적으로 나타낸 단면도,

도 2는 종래 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 구조를 나타낸 단면도,

도 3은 종래 연마공정 후 웨이퍼 가장자리부에 텅스텐 레지듀가 발생된 모습을 나타낸 사진,

도 4는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 구조를 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 화학적 기계적 연마장치의 상부링의 프로파일을 나타낸 확대도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : CMP 장치 W : 웨이퍼

R : 레지듀 2 : 웨이퍼 척

4 : 폴리싱 패드 6 : 패드 컨디셔너

8 : 슬러리 공급기 10,100 : 상부링

15 : 볼 20 : 본체

22 : 메인 관통홀 28 : 그루브

30,130 : 압력판 32 : 관통홀

35 : 리테이너링 38,138 : 완충필름

40 : 회전축 42 : 공급홀

45 : 신축튜브 150 : 돌기부

Claims (5)

1. 화학적 기계적 연마장치에서 하측으로 웨이퍼를 진공 흡착하거나 압축공기를 공급받아 웨이퍼를 일정한 압력으로 폴리싱 패드에 밀착시키는 상부링에 있어서,

   상기 상부링의 저면 가장자리부에는 상기 웨이퍼와 접촉되는 방향으로 돌기부가 돌출 형성되어, 상기 웨이퍼의 가장자리부와 상기 폴리싱 패드 간의 가압력이 증대되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링.
2. 제1항에 있어서,

   상기 돌기부는 상기 상부링의 저면 가장자리부 둘레를 따라서 원주방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링.
3. 제2항에 있어서,

   상기 돌기부는 8~10 mm의 너비와, 0.2~0.5 mm의 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링.
4. 제3항에 있어서,

   상기 돌기부는 상기 웨이퍼의 최외곽 가장자리부로부터 내측으로 8~10 mm 이격된 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 돌기부는 상기 상부링과 동일한 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마장치의 상부링.

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