KR20230027022A - 연마 패드 온도 제어가 있는 반도체 기판 연마 - Google Patents

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KR20230027022A
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마사아키 이케다
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글로벌웨이퍼스 씨오., 엘티디.
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Abstract

반도체 웨이퍼 연마 시스템의 연마 패드를 예열하는 방법이 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한 연마 패드에 유체를 도포하는 단계를 포함한다. 그 방법은 유체가 연마 패드를 덮도록 연마 패드를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 그 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킨다.

Description

연마 패드 온도 제어가 있는 반도체 기판 연마
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 6월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/946,340호를 우선권 주장하며, 이는 모든 관련되고 일관된 목적들을 위해 참조로 본 개시에 포함된다.
분야
본 개시의 분야는 반도체 기판들을 연마하는 것에 관한 것이고, 특히, 연마 패드의 온도를 제어하는 것을 수반하는 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼들은 회로부가 인쇄되는 집적 회로(integrated circuit)(IC) 칩들의 생산에서 흔히 사용된다. 회로부는 웨이퍼들의 표면들 상으로 소형화된 형태로 먼저 인쇄된다. 웨이퍼들은 그 다음에 회로 칩들로 분해된다. 이 소형화된 회로부는 회로부가 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 적절하게 인쇄될 수 있는 것을 보장하기 위해 각각의 웨이퍼의 앞면 및 뒷면이 극히 평평하고 평행해야 하는 것을 요구한다. 이를 완수하기 위해, 웨이퍼가 잉곳으로부터 절단된 후 웨이퍼의 앞면 및 뒷면의 평탄도 및 평행도를 개선하기 위해 연마 공정들이 흔히 사용된다. 전자빔-리소그래피 또는 포토리소그래피 공정(이하 "리소그래피")에 의해 웨이퍼 상에 소형화된 회로들을 인쇄하기 위한 준비에서 웨이퍼를 연마할 때 특히 양호한 마감(finish)이 요구된다. 소형화된 회로들이 인쇄될 웨이퍼 표면은 평평해야 한다.
양면 연마가 웨이퍼들의 앞면 및 뒷면을 동시에 연마하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상부 연마 패드가 웨이퍼의 상단 표면을 연마하는 한편 하부 연마 패드가 웨이퍼의 하단 표면을 동시에 연마한다. 그러나, 연마 공정은 연마 공정의 전체에 걸쳐 비일관된(inconsistent) 연마 패드 온도들 때문에 반도체 웨이퍼의 프로파일을 불균일하게 할 수 있다. 예를 들어, 연마 공정을 통한 연마 패드 온도의 변화들은 연마 패드의 형상을 가변시킬 수 있고 웨이퍼의 프로파일을 가변시킬 수 있다.
연마 공정의 전체에 걸쳐 일관된 연마 패드 온도를 제공하는 반도체 기판들을 연마하기 위한 방법들 및 시스템들이 필요하다.
이 섹션은 아래에서 설명 및/또는 청구되는 본 개시의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위한 배경 정보를 독자에게 제공함에 있어서 도움이 될 것이라 생각된다. 따라서, 이들 서술들은 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 선행 기술의 인정이라는 관점에서 읽혀지지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시의 하나의 양태는 반도체 웨이퍼 연마 시스템의 연마 패드를 예열하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한 연마 패드에 유체를 도포하는 단계를 포함한다. 그 방법은 유체가 연마 패드를 덮도록 연마 패드를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 그 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킨다.
본 개시의 다른 양태는 웨이퍼 연마 시스템으로 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법에 관한 것이다. 웨이퍼 연마 시스템은 예열 시스템과 연마 헤드를 포함한다. 예열 시스템은 히터를 포함하고, 연마 헤드는 연마 패드를 포함한다. 그 방법은 히터로 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한 연마 패드에 유체를 도포하는 단계를 포함한다. 그 방법은 유체가 연마 패드를 덮도록 연마 패드를 회전시키는 단계를 더 포함한다. 그 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킨다. 그 방법은 또한 웨이퍼 연마 시스템에 웨이퍼를 배치하는 단계를 포함한다. 그 방법은 연마 패드로 웨이퍼를 연마하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태는 반도체 웨이퍼를 연마하는 웨이퍼 연마 시스템에 관한 것이다. 웨이퍼 연마 시스템은 연마 패드를 포함하는 연마 헤드와 연마 패드를 예열하기 위한 예열 시스템을 포함한다. 예열 시스템은 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하기 위한 히터를 포함한다. 예열 시스템은 연마 패드에 유체를 보내고, 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 상승시킨다.
본 개시의 위에서 언급된 양태들에 관하여 논의된 특징들의 다양한 리파인먼트들이 존재한다. 추가의 특징들은 본 개시의 위에서 언급된 양태들에도 또한 통합될 수 있다. 이들 리파인먼트들 및 추가의 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 예시된 실시예들 중 임의의 것에 관하여 아래에서 논의되는 다양한 특징들은 본 개시의 위에서 설명된 양태들 중 임의의 것에, 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함될 수 있다.
도 1은 웨이퍼 연마 시스템의 개략도이다.
도 2는 연마 헤드를 예열하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 웨이퍼를 연마하는 방법의 흐름도이다.
도 4는 연마 패드의 예열 공정의 지속기간을 가변시킬 때 연마 패드의 온도 변화의 그래프이다.
도 5는 연마 패드의 예열 공정의 지속기간을 가변시킬 때 마감 연마된 웨이퍼들의 TAPER에서의 변화의 박스-선도(box-plot)이다.
다양한 예들의 특정 특징들이 일부 도면들에서 도시되고 다른 도면들에서는 도시되지 않을 수 있지만, 이는 편의를 위한 것일 뿐이다. 임의의 도면의 임의의 특징이 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 언급 및/또는 청구될 수 있다.
달리 표시되지 않는 한, 도면들은 본 개시의 예들의 특징들을 예시하기 위한 것이다. 이들 특징들은 본 개시의 하나 이상의 예들을 포함하는 다양한 시스템들에서 적용 가능한 것이라 여겨진다. 도면들은 개시된 예들의 실시를 위해 요구될 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 알려진 모든 기존의 특징들을 포함하는 것을 의미하지 않는다.
적합한 기판들(이는 반도체 또는 실리콘 “웨이퍼들”이라고 지칭될 수 있음)은 초크랄스키(Czochralski) 공정에 의해 형성되는 잉곳들로부터 웨이퍼들을 슬라이싱함으로써 획득된 기판들을 포함하는 단결정 실리콘 기판들을 포함한다. 각각의 기판은 중심축, 앞면, 및 앞면에 평행한 뒷면을 포함한다. 앞면 및 뒷면은 일반적으로 중심축에 수직이다. 원주 에지가 앞면 및 뒷면을 결합시킨다.
하나의 예에서, 예열 단계가 연마 패드의 온도를 미리 결정된 온도로 증가시킨다. 이 예에서, 탈이온(“DI”) 수는 가열된 다음 DI 수는 연마 패드에 도포되고, 연마 패드는 연마 패드의 온도가 실질적으로 균일해지도록 회전된다. DI 수는 연마 패드의 온도를 증가시키고, 가열된 연마 패드는 반도체 웨이퍼를 연마하는데 사용된다. 웨이퍼를 연마하기 전에 연마 패드의 온도를 증가시키는 것은 연마 패드의 온도를 웨이퍼의 연마 동안 연마 패드의 온도 미만인 온도 또는 연마 패드의 온도와 거의 동일한 온도로 증가시킨다. 연마 패드가 예열된 후, 구조의 앞면 및/또는 뒷면이 연마되는 하나 이상의 연마 단계들이 수행된다(즉, 단면 또는 양면 연마가 수행된다).
연마 패드를 예열하는 것은 연마 공정 동안 연마 패드 온도가 더 일관되게 한다. 연마 공정 동안의 일관된 연마 패드 온도는 연마 공정 동안 더욱 균일한 실리콘 제거를 초래한다. 연마 패드 온도는 화학 기계적 연마 공정 동안 웨이퍼-연마 패드 계면에서의 마찰력들에 의해 증가된다. 예열 공정은 연마 패드 온도가 연마 공정의 전체에 걸쳐 일관되고 웨이퍼의 제거 프로파일이 균일하도록 연마 공정 전에 연마 패드 온도를 증가시킨다.
도 1을 참조하면, 웨이퍼 연마 시스템(100)은 연마기(polisher)(102), 예열 시스템(104), 및 슬러리 공급 시스템(106)을 포함한다. 연마기(102)는 웨이퍼(108)를 연마하고, 슬러리 공급 시스템(106)은 연마 공정 동안 슬러리를 연마기에 제공한다. 예열 시스템(104)은 연마 공정 동안 연마기의 연마 온도 미만이거나 또는 그 연마 온도와 거의 동일한 온도로 연마기의 온도를 증가시키기 위하여 연마 공정 전에 연마기(102)를 예열한다.
연마기(102)는 제1 샤프트(112)에 부착된 제1 연마 헤드(상부 연마 헤드)(110)와 제2 샤프트(116)에 부착된 제2 연마 헤드(하부 연마 헤드)(114)를 포함한다. 제1 샤프트(112)는 제1 연마 헤드(110)를 회전시키고, 제2 샤프트(116)는 제2 연마 헤드(114)를 회전시킨다. 제1 연마 헤드(110)는 제1 플레이트(상부 플레이트)(118)와 제1 플레이트에 부착되는 제1 연마 패드(상부 연마 패드)(120)를 포함한다. 제1 연마 헤드(110)는 또한 연마 패드 온도 센서(122)와 복수의 유체 분배 튜브들(124)을 포함한다. 연마 패드 온도 센서(122)는 제1 연마 패드(120) 및 제2 연마 패드(128)의 온도를 측정하고, 유체 분배 튜브들(124)은 제1 유체를 제1 연마 패드 및 제2 연마 패드에 도포한다. 예시된 실시예에서, 연마 패드 온도 센서(122)는 저항 온도 검출기이다. 그러나, 연마 패드 온도 센서(122)는 연마기(102)가 본 개시에서 설명된 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 유형의 온도 센서일 수 있다. 유사하게, 제2 연마 헤드(114)는 제2 플레이트(하부 플레이트)(126)와 제2 플레이트에 부착되는 제2 연마 패드(하부 연마 패드)(128)를 포함한다.
연마기(102)는 웨이퍼(108)를 거칠게 또는 마감 연마하는 양면 연마기이다. 거친 및 마감 연마는, 예를 들어, 화학적-기계적 평탄화(chemical-mechanical planarization)(CMP)에 의해 성취될 수 있다. CMP는 통상적으로 슬러리 공급 시스템(106)에 의해 공급되는 연마제 슬러리 안으로의 웨이퍼(108)의 침지와 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)에 의해 웨이퍼를 연마하는 것을 수반한다. 화학적 및 기계적 액션의 조합을 통해 웨이퍼(108)의 표면은 평활화된다. 통상적으로 화학적 및 열적 정상(steady) 상태가 성취되기까지 그리고 웨이퍼들(108)이 자신들의 목표가 된 형상 및 평탄도를 성취하기까지 연마는 수행된다.
예열 시스템(104)은 예열 탱크(134), 예열 펌프(136), 예열 유량 제어기(138), 및 히터(140)를 포함한다. 예열 탱크(134)는 제1 유체를 포함하고, 예열 펌프(136)는 탱크로부터의 제1 유체를 예열 유량 제어기(138), 히터(140), 및 제1 연마 헤드(110)에 펌핑한다. 예열 유량 제어기(138)는 예열 펌프(136)로부터의 제1 유체의 흐름을 제어하고, 히터(140)는 제1 유체를 제1 및 제2 연마 헤드들(110 및 114)에 전송하기 전에 제1 유체의 온도를 증가시킨다.
예열 탱크(134)는 제1 유체를 포함하는 비금속 탱크를 포함한다. 예를 들어, 이 실시예에서, 예열 탱크(134)는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(PTFE) 탱크를 포함한다. 대체 실시예들에서, 예열 탱크(134)는 예열 시스템(104)이 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 금속성 탱크를 포함하는 임의의 유형의 탱크를 포함한다. 예열 펌프(136)는 예열 탱크(134)로부터의 제1 유체를 제1 연마 헤드(110)에 펌핑하기에 적합한, 원심펌프, 정변위 펌프(positive displacement pump), 및/또는 임의의 다른 유체 동력 디바이스를 비제한적으로 포함하는 임의의 펌프를 포함한다. 예열 유량 제어기(138)는 제1 유체의 흐름을 제어하는 임의의 흐름 제어 디바이스를 포함한다. 히터(140)는 전기 히터, 가스 히터, 열 교환기, 및/또는 임의의 다른 가열 디바이스를 비제한적으로 포함하는, 제1 유체의 온도를 증가시키는 임의의 가열 디바이스를 포함한다.
이 실시예에서, 제1 유체는 탈이온수를 포함한다. 더 구체적으로, 제1 유체는 실리콘 이산화물이 실질적으로 없는 탈이온수와 같은 비마모성 유체를 포함한다. 대체 실시예들에서, 제1 유체는 예열 시스템(104) 및 연마기(102)가 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 유체를 포함할 수 있다.
슬러리 공급 시스템(106)은 슬러리 탱크(130), 슬러리 펌프(132), 슬러리 유량 제어기(152), 및 히터(140)를 포함한다. 슬러리 탱크(130)는 제2 유체를 포함하고, 슬러리 펌프(132)는 슬러리 탱크로부터의 제2 유체를 슬러리 유량 제어기(152), 히터(140), 및 제1 연마 헤드(110)에 펌핑한다. 슬러리 유량 제어기(152)는 슬러리 펌프(132)로부터의 제2 유체의 흐름을 제어하고, 히터(140)는 제2 유체를 제1 연마 헤드(110)에 전송하기 전에 제2 유체의 온도를 증가시킨다.
슬러리 탱크(130)는 제2 유체를 포함하는 비금속 탱크를 포함한다. 예를 들어, 이 실시예에서, 슬러리 탱크(130)는 PTFE 탱크를 포함한다. 대체 실시예들에서, 슬러리 탱크(130)는 슬러리 공급 시스템(106)이 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 금속성 탱크를 포함하는 임의의 유형의 탱크를 포함한다. 슬러리 펌프(132)는 슬러리 탱크(130)로부터의 제2 유체를 제1 연마 헤드(110)에 펌핑하기에 적합한, 원심펌프, 정변위 펌프, 및/또는 임의의 다른 유체 동력 디바이스를 비제한적으로 포함하는 임의의 펌프를 포함한다. 슬러리 유량 제어기(152)는 제2 유체의 흐름을 제어하는 임의의 흐름 제어 디바이스를 포함한다. 슬러리 공급 시스템(106)은 예열 시스템(104)과 동일한 히터(140)를 사용하여 제2 유체의 온도를 증가시킨다.
슬러리 공급 시스템(106)은 연마 공정 동안 제2 유체를 연마기에 제공한다. 이 실시예에서, 제2 유체는 슬러리이다. 대체 실시예들에서, 제2 유체는 연마기(102)가 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연마 공정에서 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 적합한 슬러리들은 일정량의 실리카 입자들을 포함하는 제1 연마 슬러리, 알카리성(즉, 가성(caustic))이고 통상적으로 실리카 입자들을 포함하지 않는 제2 연마 슬러리, 및 탈이온수인 제3 연마 슬러리를 포함한다. 이와 관련하여, 본 개시에서 언급되는 “슬러리”라는 용어는 다양한 현탁액들과 용액들(가성 용액 및 탈이온수와 같이 내부에 입자들이 없는 용액들을 포함함)을 나타내고, 액체 안에 입자들이 존재함을 의미하도록 의도되지는 않는다는 것에 주의해야 한다. 제1 슬러리의 실리카 입자들은 콜로이드질 실리카일 수 있고 입자들은 폴리머 안에 캡슐화될 수 있다.
웨이퍼 연마 시스템(100)은 연마기(102), 예열 시스템(104), 및 슬러리 공급 시스템(106)을 제어하는 제어기(142)를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기(142)는 연마기(102)의 회전 속력, 제1 유체의 흐름 율, 제1 유체의 온도, 및/또는 예열의 지속기간을 제어할 수 있다.
동작 동안, 예열 시스템(104)은 연마기(102)를 예열하고, 연마기는 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)의 온도들이 증가된 후 웨이퍼(108)를 연마한다. 구체적으로, 연마 공정은 예열 펌프(136)로 제1 유체를 예열 탱크(134)로부터 예열 유량 제어기(138) 및 히터(140)로 펌핑함으로써 시작한다. 예열 유량 제어기(138)는 제1 유체의 흐름을 제어하고, 히터(140)는 제1 유체의 온도를 제1 미리 결정된 온도로 증가시킨다. 이 예에서, 제1 미리 결정된 온도는 약 20 ℃이다. 대체 예들에서, 제1 미리 결정된 온도는 예열 시스템(104)이 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 온도일 수 있다.
가열된 제1 유체는 적어도 부분적으로는 제1 샤프트(112) 내에서 도관(144)으로 보내어진다. 도관(144)은 제1 유체를 유체 분배 튜브들(124)로 보내며, 유체 분배 튜브들은 결국, 가열된 제1 유체를 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)에 도포한다. 제1 유체는 제2 연마 패드(128) 상으로 떨어져서, 제2 연마 패드의 온도를 증가시킨다. 제1 및 제2 샤프트들(112 및 116)은 제1 및 제2 연마 헤드들(110 및 114)을 동시에 회전시켜 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128) 상에 제1 유체를 코팅한다. 제1 유체는 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)의 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킨다. 제1 유체가 미리 결정된 시간 동안 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)을 예열하도록 제1 유체는 미리 결정된 시간 동안 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)에 도포된다. 이 실시예에서, 미리 결정된 시간은 약 8 분이다. 대체 실시예들에서, 미리 결정된 시간은 연마기(102)가 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 시간량이다.
대안적으로, 제2 연마 헤드(114)는 제1 유체를 제2 연마 헤드(114)로 보내면서 동시에 제1 유체를 제1 연마 헤드(110)로 보내는 유체 분배 튜브들을 또한 포함할 수 있다. 추가적으로, 제2 연마 헤드(114)는 제2 연마 패드(128)의 온도를 측정하는 연마 패드 온도 센서를 또한 포함할 수 있다.
제1 미리 결정된 온도는 제2 미리 결정된 온도에 기초하고, 제2 미리 결정된 온도는 연마 온도에 기초한다. 구체적으로, 연마 온도는 웨이퍼들(108)이 자신들의 목표가 된 형상 및 평탄도를 성취할 때 성취되는 화학적 및 열적 정상 상태에 의해 결정된다. 열적 정상 상태는 연마 온도를 결정한다. 이 예에서, 연마 패드 온도는 연마 온도의 ±0.4 ℃ 내로 유지되고, 제1 및 제2 미리 결정된 온도들은 연마 패드 온도가 연마 온도의 ±0.4 ℃ 내로 유지되도록 선택된다. 이 실시예에서, 연마 온도는 약 42 ℃ 내지 약 43 ℃이다. 더 구체적으로, 이 실시예에서, 연마 온도는 약 42.5 ℃이다. 대체 실시예들에서, 연마 온도는 연마기(102)가 본 개시에서 설명되는 바와 같이 동작하는 것을 가능하게 하는 임의의 온도일 수 있다.
제2 미리 결정된 온도는 연마 온도 미만이거나 또는 연마 온도와 거의 동일하다. 더 구체적으로, 제2 미리 결정된 온도는 약 42 ℃ 내지 약 43 ℃이다. 더 구체적으로, 이 실시예에서, 제2 미리 결정된 온도는 약 42.5 ℃이다.
제1 미리 결정된 온도는 제2 미리 결정된 온도에 기초하여 계산된다. 구체적으로, 제1 미리 결정된 온도는 연마 패드 온도가 예열 공정 동안 제2 미리 결정된 온도 미만으로 또는 제2 미리 결정된 온도와 거의 동일한 온도로 증가되도록 설정된다. 더 낮은 제1 미리 결정된 온도가 예열의 지속기간을 증가시키고, 더 높은 제1 미리 결정된 온도는 예열의 지속기간을 감소시킨다. 이 실시예에서, 제1 미리 결정된 온도는 약 20 ℃이다. 다른 실시예에서, 제1 미리 결정된 온도는 약 20 ℃ 내지 약 45 ℃, 약 40 ℃ 내지 약 45 ℃, 약 42 ℃ 내지 약 43 ℃, 또는 약 42.5 ℃이다.
연마 패드 온도 센서(122)는 예열 공정 동안 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)의 온도를 측정하고 측정된 온도를 제어기(142)에 전송한다. 제어기(142)는 측정된 온도에 기초하여 연마기(102) 및 예열 시스템(104)을 제어한다. 구체적으로, 제어기(142)는 연마기(102)의 회전 속력, 제1 유체의 흐름 율, 제1 유체의 온도, 및/또는 예열의 지속기간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(142)는 측정된 온도에 기초하여 예열 유량 제어기(138)를 사용하여 제1 유체의 흐름 율을 가변시키며, 측정된 온도에 기초하여 히터(140)를 사용하여 제1 유체의 온도를 가변시키며, 측정된 온도에 기초하여 미리 결정된 시간을 가변시키며, 그리고/또는 측정된 온도에 기초하여 연마기(102)의 회전 속력을 가변시킨다. 위에서 나열된 작동 파라미터들을 가변시키는 것은 연마기(102)로 연마하는 것 전의 제2 미리 결정된 온도에서 연마 패드 온도가 안정하도록 제어기(142)가 연마 패드 온도를 제어하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 아래의 예 1에서 도시된 바와 같이, 미리 결정된 시간을 증가시키는 것은 더욱 일관된 연마 패드 온도를 초래한다. 추가적으로, 제1 유체의 흐름 율을 증가시키는 것은 미리 결정된 시간을 감소시킬 수 있고, 제1 온도 및 제1 유체의 흐름 율을 동시에 증가시키는 것은 미리 결정된 시간을 더 감소시킬 수 있다.
제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)을 예열하는 것은 연마기(102)로 연마 웨이퍼(108)를 연마하기 전에 연마 패드들의 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킨다. 연마 공정 동안의 비일관된 온도들은 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)의 형상을 가변시킬 수 있고, 결국, 웨이퍼(108)에 대한 제거 프로파일을 가변시킬 수 있다. 일관된 연마 패드 온도는 연마 공정 동안 균일한 실리콘 제거를 초래하고 제2 유체의 공급에 의해 영향을 받는다.
반면에, 웨이퍼를 연마하는 기존의 방법들에서, 연마기는 연마 공정 전에 유휴에 있고 연마 공정의 초반의 연마 패드 온도는 통상적으로 연마 공정 동안 성취되는 열적 정상 상태 온도 미만이다. 연마 패드 온도는 화학 기계적 연마 공정에서 웨이퍼-연마 패드 계면에서의 마찰력들에 의해 증가된다. 연마 패드 온도는 그 다음에 연마 공정의 전체에 걸쳐 증가되고 시간 의존적이고 연마 공정의 전체에 걸쳐 비일관적이다. 비일관된 연마 패드 온도는 웨이퍼 평탄도 또는 TAPER에 영향을 미친다. 본 개시에서 설명되는 예열 시스템(104)은 연마 패드 온도가 연마 공정의 전체에 걸쳐 일관되고 웨이퍼의 제거 프로파일이 균일하도록 연마 공정 전에 연마 패드 온도를 증가시킨다.
연마기(102)가 예열된 후, 웨이퍼(108)는 캐리어(146)에 위치되고, 웨이퍼 및 캐리어는 연마기(102) 내에 위치된다. 제2 유체(또는 슬러리)는 연마기(102)로 보내어지고, 웨이퍼(108)의 앞면(148) 및 뒷면(150)이 양면 연마에 의해 연마되는 제1 연마 단계가 수행된다. 구체적으로, 제2 유체는 슬러리 펌프(132)로 슬러리 탱크(130)로부터 슬러리 유량 제어기(152) 및 히터(140)로 펌핑된다. 슬러리 유량 제어기(152)는 제2 유체의 흐름을 제어하고, 일부 예들에서, 히터(140)는 제2 유체의 온도를 증가시킬 수 있다. 제2 유체는 적어도 부분적으로는 제1 샤프트(112) 내에서 도관(144)으로 보내어진다. 도관(144)은 제2 유체를 유체 분배 튜브들(124)로 보내며, 이 유체 분배 튜브들은 결국, 가열된 제2 유체를 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)에 도포한다. 제2 유체는 제2 연마 패드(128) 상으로 떨어진다. 제1 및 제2 샤프트들(112 및 116)은 제1 및 제2 연마 헤드들(110 및 114)을 동시에 회전시켜 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128)과 연마 웨이퍼(108) 상에 제2 유체를 코팅한다.
제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128), 웨이퍼(108), 및 슬러리 사이의 마찰이 연마 공정 동안 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 유지시킨다. 구체적으로, 이 실시예에서, 제1 및 제2 연마 패드들(120 및 128), 웨이퍼(108), 및 슬러리 사이의 마찰은 연마 공정 동안 연마 패드 온도를 42 ℃와 43 ℃ 사이로 유지시킨다. 일반적으로, 연마는 웨이퍼(108)의 TAPER를 약 60 나노미터(nm) 미만 내지 심지어 약 5 nm로 낮게 또는 심지어 약 1 nm로 감소시키는 “거친” 연마이다. 이 발명의 설명의 목적들을 위해, TAPER는 “ASTM”(American Society for Testing and Materials) F1241 표준에서 정의된 바와 같은 앞면에 가장 잘 맞는 평면과 웨이퍼의 이상적으로 평평한 뒷면 사이의 각도의 의해 나타내어진, 웨이퍼를 가로지르는 두께 변화의 선형 성분으로서 표현된다.
거친 연마가 완료된 후, 웨이퍼들(108)은 린싱되고 건조될 수 있다. 추가적으로, 웨이퍼들(108)은 습식 벤치(bench) 또는 스핀 세정을 받을 수 있다. 세정 후, 제2 연마 단계가 수행될 수 있다. 제2 연마 단계는 통상적으로 기판의 앞면이 턴테이블 또는 플래튼에 부착되는 연마 패드와 접촉되는 “마감” 또는 “거울(mirror)” 연마이다. 대안적으로, 연마기(102)는 제2 연마 단계를 수행할 수 있다. 마감 연마는 웨이퍼(108)의 TAPER를 약 60 나노미터(nm) 미만 내지 심지어 약 5 nm로 낮게 또는 심지어 약 1 nm로 감소시킨다.
기판들을 연마하기 위한 기존의 방법들과 비교하여, 본 개시의 방법들은 여러 장점들을 갖는다. 웨이퍼를 연마하기 전에 연마 패드들을 예열하는 것은 연마 패드 온도를 연마 공정 동안 성취되는 열적 정상 상태 온도로 증가시킨다. 웨이퍼, 연마 패드, 및 슬러리 사이의 마찰은 연마 공정 동안 일관된 온도로 연마 패드 온도를 유지시킨다. 연마 공정 동안 일관된 연마 패드 온도는 연마 공정 동안 웨이퍼의 TAPER를 감소시키고 실리콘 제거를 균일하게 한다.
도 2는 반도체 웨이퍼 연마 시스템의 연마 헤드를 예열하는 방법(200)의 흐름도이다. 그 방법(200)은 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계(202)와 연마 패드에 유체를 도포하는 단계(204)를 포함한다. 그 방법(200)은 또한 유체가 연마 패드를 덮고 그 유체가 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시키도록 연마 패드를 회전시키는 단계(206)를 포함한다. 그 방법(200)은 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 유량 제어기를 사용하여 유체의 흐름 율을 가변시키는 단계(208); 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 유체의 온도를 가변시키는 단계(210); 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 미리 결정된 시간을 가변시키는 단계(212); 유량 제어기로 유체의 흐름 율을 제어하는 단계(214); 및 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하기 위해 히터를 사용하는 단계(216)를 또한 포함할 수 있다. 추가적으로, 연마 패드에 유체를 도포하는 단계(204)는 미리 결정된 시간 동안 제1 유체를 연마 패드로 보내는 단계(218)를 또한 포함할 수 있다.
도 3은 웨이퍼 연마 시스템으로 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법(300)이다. 웨이퍼 연마 시스템은 예열 시스템과 연마 헤드를 포함하며, 예열 시스템은 히터를 포함하고, 연마 헤드는 연마 패드를 포함한다. 그 방법(300)은 히터로 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계(302)와 웨이퍼 연마 시스템 안에 웨이퍼를 배치하는 단계(304)를 포함한다. 그 방법(300)은 또한 유체를 연마 패드에 도포하는 단계(306)와 유체가 연마 패드를 덮고 그 유체가 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시키도록 연마 패드를 회전시키는 단계(308)를 포함한다. 방법(300)은 제2 유체를 연마 패드로 보내는 단계(310)와 연마 패드로 웨이퍼를 연마하는 단계(312)를 더 포함한다.
예들
본 개시의 공정들은 다음의 예들에 의해 추가로 예시된다. 이들 예들은 제한하는 의미로 보지 않아야 한다.
실시예 1: 예열의 지속기간 변화의 웨이퍼의 평탄도 또는 TAPER에 대한 영향
웨이퍼들은 양면 연마기에서 거칠게 연마되었다. 구체적으로, 아래의 표 1에 도시된 바와 같이, 세 개의 테스트 실행이 수행되었다. 제1 테스트 실행(테스트 실행 1)에서, 20 ℃에 있는 분 당 1.3 리터(l/m)의 DI 수가 연마 패드들로 웨이퍼를 연마하기 전에 8 분 동안 두 개의 연마 패드들에 보내어졌다. 제2 테스트 실행(테스트 실행 2)에서, 20 ℃에 있는 1.3 l/m의 DI 수가 연마 패드들로 웨이퍼를 연마하기 전에 4 분 동안 연마 패드들에 보내어졌다. 제3 테스트 실행(테스트 실행 3)에서, 연마 패드들은 연마 전에 예열되지 않았다.
표 1: 연마 패드들 예열 테스트 실행 1-3
Figure pct00001
도 4는 연마 패드의 예열 공정의 지속기간을 가변시킬 때 연마 공정 동안 연마 패드의 온도 변화의 그래프(400)이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 테스트 실행 1 동안 연마 패드의 온도는 42 ℃와 43 ℃ 사이로 유지되는 한편 테스트 실행 2 동안 연마 패드의 온도는 40 ℃와 43 ℃ 사이에서 가변하고 테스트 실행 3 동안 연마 패드의 온도는 39 ℃와 43 ℃ 사이에서 가변한다. 따라서, 더 긴 지속기간의 예열이 연마 패드 온도가 연마 공정의 전체에 걸쳐 일관되도록 연마 공정 동안 연마 패드 온도를 안정화시킨다. 반대로, 예열이 없거나 또는 더 짧은 지속기간의 예열은 연마 공정의 전체에 걸쳐 비일관된 연마 패드 온도들을 초래한다.
도 5는 연마 패드의 예열 공정의 지속기간을 가변시킬 때 연마된 웨이퍼들의 TAPER에서의 변화의 박스-선도(500)이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 테스트 실행 1 동안 생성된 웨이퍼의 TAPER는 약 0 나노미터(nm)와 15 nm 사이인 반면 테스트 실행 2 동안 생성된 웨이퍼의 TAPER는 약 15 nm와 30 nm 사이이고 테스트 실행 3 동안 생성된 웨이퍼의 TAPER는 약 10 nm와 50 nm 사이이다. 따라서, 더 긴 지속기간의 예열이 TAPER를 감소시키고 연마된 웨이퍼들의 평탄도를 증가시킨다.
본 개시에서 사용되는 바와 같이, "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 “대략적으로"라는 용어들은 치수들, 농도들, 온도들 또는 다른 물리적 또는 화학적 성질들 또는 특성들의 범위들과 연계하여 사용될 때 예를 들어, 반올림, 측정 수법 또는 다른 통계적 변동으로 인한 변동들을 포함하여 성질들 또는 특성들의 범위들의 상한 및/또는 하한에 존재할 수 있는 변동들을 포함하기 위한 것이다.
본 개시 또는 그 실시예(들)의 엘리먼트들을 도입할 때, "a", "an", "the"의 사용에 해당하는 표현과 "상기"는 하나 이상의 엘리먼트들이 존재함을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는", "담고 있는" 및 "갖는"이란 용어들은 열거된 엘리먼트들 외의 추가의 엘리먼트들이 있을 수 있음을 의미하고 포괄적이도록 의도된다. 특정 배향(예컨대, "상단", "하단", "측면" 등)을 나타내는 용어들의 사용은 설명의 편의를 위한 것이고 설명되는 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지는 않는다.
다양한 변경들이 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 위의 구성들 및 방법들에서 이루어질 수 있으므로, 위의 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에서 도시된 모든 사항들은 예시적인 것이지만 제한하는 의미는 아닌 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 반도체 웨이퍼 연마 시스템의 연마 패드를 예열하는 방법으로서,
    유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계;
    상기 연마 패드에 상기 유체를 도포하는 단계; 및
    상기 유체 ― 상기 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킴 ― 가 상기 연마 패드를 덮도록 상기 연마 패드를 회전시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 온도는 상기 제2 미리 결정된 온도 및 상기 연마 패드 온도에 기초하여 계산되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드 온도는 42 ℃와 43 ℃ 사이로 유지되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드에 상기 유체를 도포하는 단계는 미리 결정된 시간 동안 상기 연마 패드에 제1 유체를 보내는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 상기 미리 결정된 시간을 가변하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유체는 탈이온수를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유체는 실리콘 이산화물이 실질적으로 없는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 유량 제어기로 상기 유체의 흐름 율을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유체를 상기 제1 미리 결정된 온도로 가열하기 위해 히터를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 유량 제어기를 사용하여 상기 유체의 흐름 율을 가변시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 연마 패드의 측정된 온도에 기초하여 상기 유체의 온도를 가변시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 웨이퍼 연마 시스템이 예열 시스템과 연마 헤드를 포함하며, 상기 예열 시스템은 히터를 포함하며, 상기 연마 헤드는 연마 패드를 포함하는, 상기 웨이퍼 연마 시스템으로 반도체 웨이퍼를 연마하는 방법으로서,
    상기 히터로 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하는 단계;
    상기 연마 패드에 상기 유체를 도포하는 단계; 및
    상기 유체 ― 상기 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 증가시킴 ― 가 상기 연마 패드를 덮도록 상기 연마 패드를 회전시키는 단계;
    상기 웨이퍼 연마 시스템에 상기 웨이퍼를 배치하는 단계; 및
    상기 연마 패드로 상기 웨이퍼를 연마하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 연마 패드에 제2 유체를 보내는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 유체는 슬러리를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연마 패드, 상기 웨이퍼, 및 상기 슬러리 사이의 마찰이 상기 제2 미리 결정된 온도에서 상기 연마 패드 온도를 유지하는, 방법.
  16. 반도체 웨이퍼를 연마하는 웨이퍼 연마 시스템으로서,
    연마 패드를 포함하는 연마 헤드; 및
    연마 패드를 예열하는 예열 시스템 ― 상기 예열 시스템은 유체를 제1 미리 결정된 온도로 가열하기 위한 히터를 포함하며, 상기 예열 시스템은 상기 연마 패드에 상기 유체를 보내고, 상기 유체는 연마 패드 온도를 제2 미리 결정된 온도로 상승시킴 ―
    을 포함하는, 웨이퍼 연마 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 미리 결정된 온도는 상기 제2 미리 결정된 온도 및 상기 연마 패드 온도에 기초하여 계산되는, 웨이퍼 연마 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 연마 헤드는 상기 연마 패드에 부착되는 플레이트를 포함하며, 상기 플레이트는 상기 예열 시스템으로부터의 상기 유체를 상기 연마 패드에 보내기 위한 유체 분배 튜브를 정의하는, 웨이퍼 연마 시스템.
  19. 제16항에 있어서, 상기 예열 시스템은 연마 패드 온도를 측정하기 위한 연마 패드 온도 센서를 더 포함하는, 웨이퍼 연마 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 상기 예열 시스템은 상기 유체의 흐름 율을 제어하기 위한 유량 제어기를 더 포함하는, 웨이퍼 연마 시스템.
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