KR100666726B1 - CMP Process Conditioner and methods for polishing using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP)공정 중 효율적인 연마 및 컨디셔닝(conditioning) 과정을 수행하기 위한 연마 패드와 이러한 연마 패드에 적합한 컨디셔너(conditioner), 및 이들을 이용한 화학적 기계적 연마 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polishing pad for performing an efficient polishing and conditioning process during a chemical mechanical polishing (CMP) process, a conditioner suitable for such a polishing pad, and a chemical mechanical polishing method using the same. .
Description
도 1(a) 및 (b)는 본 발명에 따라 홀 및/또는 홈이 형성된 연마 패드의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진을 나타내고,1 (a) and (b) show scanning electron microscopy (SEM) photographs showing the surface of a polishing pad having holes and / or grooves according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 CMP 공정에서 연마 패드에 컨디셔닝을 행하지 않고 연마를 수행한 결과를 나타내는 그래프이다. 2 is a graph showing a result of polishing performed without conditioning the polishing pad in the CMP process according to the present invention.
본 발명은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 이하 "CMP"라 칭함)공정 중 효율적인 연마 및 컨디셔닝(conditioning) 과정을 수행하기 위한 연마 패드와 이러한 연마 패드에 적합한 컨디셔너(conditioner), 및 이들을 이용한 화학적 기계적 연마 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a polishing pad for performing an efficient polishing and conditioning process during a chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as "CMP") process, a conditioner suitable for such a polishing pad, and a chemical mechanical method using the same. It relates to a polishing method.
종래부터, 반도체 소자 제조 공정에서 웨이퍼(wafer)의 평탄화를 목적으로 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 수행하였다. 이러한 공정은 정밀/경면 연삭의 한 방법으로, 연마액(slurry)을 연마패드와 피삭체(wafer) 사이에 투입시켜 화학적(chemical)으로 표면을 부식시키고 그 부식된 면을 기계적(mechanical)으로 연마(polishing)하는 가공 방법이다. Conventionally, a chemical mechanical polishing (CMP) process is performed for the purpose of planarization of a wafer in a semiconductor device manufacturing process. This process is a method of precision / mirror grinding, in which a polishing liquid is injected between the polishing pad and the wafer to chemically corrode the surface and mechanically polish the corroded surface. (polishing) is a processing method.
CMP 공정에서 사용되는 연마 패드는 안정된 CMP 결과를 얻기 위해서 표면 컨디셔닝(conditioning), 즉 CMP 연마 가공과 동시에 혹은 연마 가공 중간에 다이아몬드 커터를 이용해 패드의 표면을 긁어냄으로써 패드 표면에 침전되는 찌꺼기를 제거하고, 표면의 눈막임 현상을 방지하는 방법을 사용하고 있다.Polishing pads used in the CMP process remove surface debris from pad conditioning by surface conditioning, i.e., scraping the surface of the pad with a diamond cutter at the same time as the CMP polishing process or during the polishing process to achieve stable CMP results. To prevent clogging of the surface, a method is used.
종래의 컨디셔닝 수행 방법은 기존의 패드, 즉 포밍(foaming)법 또는 함침 법으로 만들어져 내부에 30~70 micro-meter의 다수의 기공이 분포되어 있는 패드에 적합하도록 되어 있다. 기존 패드의 경우 CMP 공정 중 또는 공정 중간에 컨디셔닝 커터로 긁어내지 않을 경우 패드 상에 눈막임 현상이 발생되어 피삭체의 표면 품질에 심대한 악영향을 미칠 수 있기 때문에 컨디셔닝 공정은 필수적이다. Conventional conditioning is performed by a conventional pad, that is, a foaming (foaming) method or impregnation method to be suitable for pads in which a plurality of pores of 30 ~ 70 micro-meter is distributed therein. In the case of conventional pads, the conditioning process is necessary because a non-scratching conditioner can be caused by the conditioning cutter during or during the CMP process, which can adversely affect the surface quality of the workpiece.
그러나 연마 패드의 표면을 컨디셔닝하게 되면 공정이 진행됨에 따라 패드의 마모량이 누적되게 되어 패드의 두께가 시간에 따라 변화하게 된다. 이러한 두께 변화는 피삭체의 연마 표면 형상에 악영향을 미칠 수 밖에 없다. 또한, 컨디셔너에서 발생하는 커터날의 파편이 피삭체인 웨이퍼에 심각한 오염원으로 작용하여 피삭체의 표면에 거대 스크래치(Macro-scratch)를 발생시키게 된다.However, if the surface of the polishing pad is conditioned, the amount of wear of the pad may accumulate as the process proceeds, thereby changing the thickness of the pad over time. This change in thickness inevitably affects the shape of the polished surface of the workpiece. In addition, fragments of the cutter blade generated in the conditioner act as a serious contamination source on the wafer, which is a workpiece, and cause macro-scratch on the surface of the workpiece.
본 발명은 기존의 패드를 적용하였을 때 컨디셔닝 공정 중 발생하는 여러 영향들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 기존의 컨디셔닝 공정의 악영향을 최소화 할 수 있는 새로운 개념의 연마 패드와, 이러한 연마 패드에 적합한 컨디셔너, 그 리고 이들을 이용한 화학적 기계적 연마 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been made in order to improve the various effects occurring during the conditioning process when applying the existing pad, a new concept of a polishing pad that can minimize the adverse effects of the existing conditioning process, a conditioner suitable for such a polishing pad, And it aims at providing the chemical mechanical polishing method using these.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 기존의 통상적인 패드 대신 내부에 기공이 존재하지 않는 패드를 사용한다. 종래의 기공이 있는 패드의 경우 CMP 공정 진행 시간이 길어질수록 연마 패드 표면의 기공의 눈막임 현상(glazing)이 가속화 된다. 이러한 연마 패드의 눈막임 현상은 연마 공정 중 피삭체의 연마를 위한 패드의 역할, 즉 연마액이 잘 유입, 유동되는 것을 저해하게 된다. 또한 기공을 형성하기 위한 제조 공정 중, 이종 물질 유입에 의한 또는 물리적 화학적 포밍에 의한 기공 제조는 기공의 크기와 분포를 균일하게 조절할 수 없다. 따라서 연마 패드는 부위에 따라 패드 물성이 균질하지 못한 단점을 가지게 된다. 이러한 단점을 개선하고자 패드 내부에 기공이 없는 연마 패드를 도입하고자 한다. 이렇게 내부에 기공이 없는 연마 패드는 종래의 포밍(foaming) 방법 또는 함침 방법에 의해 만들어지는 것이 아니라, 프리 폴리머 프로세스의 공정에 의해 제작된다. 이러한 프리 폴리머 프로세스 방법에 의해 얻어진 기공이 없는 연마 패드는 패드 전면에 걸쳐 균일한 물성을 얻을 수 있다. 이렇게 기공이 없는 패드에 의한 피삭체의 연마는 패드에 의한 연마 공정 변화 요인이 없게 되며 연마 패드에 기공이 없기 때문에 눈막임 현상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. In the present invention, in order to achieve the above object, a pad having no pores therein is used instead of a conventional pad. In the case of a conventional pore pad, glazing of pores on the surface of the polishing pad is accelerated as the CMP process progresses longer. The clogging phenomenon of the polishing pad inhibits the role of the pad for polishing the workpiece during the polishing process, that is, the polishing liquid flows in and flows well. In addition, during the manufacturing process for forming pores, pore preparation by inflow of heterogeneous materials or by physical chemical foaming cannot uniformly control the size and distribution of the pores. Therefore, the polishing pad has a disadvantage that the pad properties are not homogeneous depending on the part. In order to improve this disadvantage, it is intended to introduce a polishing pad having no pore inside the pad. The polishing pad having no pores therein is not produced by a conventional foaming method or impregnation method, but is manufactured by a process of a prepolymer process. The pore-free polishing pad obtained by this prepolymer process method can obtain uniform physical properties over the entire pad surface. The polishing of the workpiece by the pad without pores has no merit of changing the polishing process by the pad, and there is an advantage of minimizing clogging because there is no pore in the polishing pad.
상기 패드는 기존의 컨디셔닝 공정을 최소화 할 수 있도록, 패드 표면에만 100~250 micro-meter 크기의 다수의 마이크로 홀 및/또는 100~1000 micro-meter 의 폭을 갖는 홈이 형성되도록 가공한다. 이러한 패드는 CMP 기구의 회전 평판 위에 고정되고, 패드에 형성된 다수의 마이크로 홀 및/또는 홈으로 이루어진 표면은 슬러리 연마 용액이 패드 중심부로부터 외곽으로 잘 흘러나가도록 돕는 역할과 피삭체 표면 전반에 걸쳐 충분히 스며들도록 하는 역할을 수행한다. 실례로써 본 발명에 따른 연마 패드는 도 1 (a) 및 (b)와 같이 연마 패드 상에 마이크로 홀과 홈이 형성되어 있다.The pad is machined to form a plurality of micro holes and / or a width of 100 to 1000 micro-meters having a size of 100 to 250 micro-meters only on the pad surface to minimize the existing conditioning process. These pads are fixed on the rotating plate of the CMP apparatus, and the surface consisting of a plurality of micro holes and / or grooves formed in the pads helps the slurry polishing solution to flow well from the center of the pad to the outside and is sufficient throughout the workpiece surface. It plays a role to infiltrate. As an example, in the polishing pad according to the present invention, micro holes and grooves are formed on the polishing pad as shown in FIGS. 1A and 1B.
패드의 재질은 폴리우레탄, PVC, 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 말레산 공중합체, 메틸셀룰로오즈, 및 카복시메틸셀룰로오즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 제조될 수 있다. The material of the pad may be prepared by at least one selected from the group consisting of polyurethane, PVC, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide, polyethylene oxide, maleic acid copolymer, methylcellulose, and carboxymethylcellulose.
이와 같이 제조된 패드는 내부에 기공이 존재하지 않으며, 경도는 50~90사이의 Shore D 값을 가지며, 압축률은 1~8% 사이의 값을 갖는다.The pad prepared as described above has no pores therein, the hardness has a Shore D value between 50 and 90, and the compression ratio has a value between 1 and 8%.
또한, 본 발명에서 제안하는 컨디셔너는 기존의 컨디셔너가 갖고 있던 문제점인, 스크래치성 및 웨이퍼 오염을 해소하기 위하여 본 발명에서 사용한 연마 패드와 유사한 물성을 갖도록 제작된다. In addition, the conditioner proposed in the present invention is manufactured to have properties similar to those of the polishing pad used in the present invention to solve scratches and wafer contamination, which are problems of existing conditioners.
즉, 본 발명의 연마 패드와 같이 고분자 중합체 재질로 이루어진 컨디셔너로 컨디셔닝을 수행할 경우, 기존의 컨디셔너에서 발생할 수 있는 웨이퍼의 스크래치 현상을 원천적으로 봉쇄할 수 있다. That is, when conditioning is performed with a conditioner made of a polymer material such as the polishing pad of the present invention, the scratch phenomenon of the wafer, which may occur in the existing conditioner, may be blocked.
또한 연마 패드와 유사한 물성을 가짐으로써 CMP 공정 중에 컨디셔닝에 의해 피삭체인 웨이퍼의 표면 형상에 악영향을 미칠 수 있는 연마 패드의 과도한 마모를 방지하여 연마 패드의 마모량을 현저히 줄일 수 있다.In addition, by having properties similar to the polishing pad, it is possible to significantly reduce the amount of wear of the polishing pad by preventing excessive wear of the polishing pad, which may adversely affect the surface shape of the workpiece wafer by conditioning during the CMP process.
그리고 종래의 컨디셔너를 사용하는 CMP 가공 방법에서는 다이아몬드 컨디셔 너를 구성하는 다이아몬드 팁과 하우징 재료들이 웨이퍼에 치명적 손상을 주는 금속 오염원으로 작용할 수 있는 위험을 가지고 있지만 본 발명에 따른 컨디셔너는 연마 패드와 동일한 재질의 것을 사용하므로 금속 오염원의 소지가 없다.In the CMP processing method using a conventional conditioner, the diamond tip and the housing materials constituting the diamond conditioner have a risk of acting as a metal contaminant that damages the wafer, but the conditioner according to the present invention is made of the same material as the polishing pad. There is no source of metal contamination.
연마 패드는 종래의 패드 내부에 기공이 있는 패드의 제조 방법인 포밍(foaming) 또는 함침에 의한 것이 아니라, 2단계의 혼합 공정의 프리폴리머 프로세스(대한민국 특허출원 제2002-6309호)에 의해 내부에 기공이 없는 연마 패드로 제조할 수 있다. The polishing pad is not formed by foaming or impregnation, which is a method of manufacturing a pad having pores in a conventional pad, but is formed by pores therein by a two-step prepolymer process (Korean Patent Application No. 2002-6309). It can be produced with no polishing pad.
연마 공정 중 연마 패드의 과도한 마모를 방지하고 피삭체의 오염(defects)을 방지하고자 고분자 중합체 컨디셔너를 도입하는데 이러한 새로운 개념의 컨디셔너는 연마 패드와 유사한 재질로써, 컨디셔닝 팁 역할을 할 수 있는 돌기 부분과 팁 부착면을 이미 형성시켜 놓은 몰드에 의해 일체 상태로 형성, 제조한다. In order to prevent excessive wear of the polishing pad and to prevent the defects of the workpiece during the polishing process, a polymer polymer conditioner is introduced. This new concept of the conditioner is a material similar to the polishing pad, which has a projection part that can serve as a conditioning tip. The tip attaching surface is formed and manufactured in an integrated state by a mold that has already been formed.
또한, 본 발명에서는 상술한 연마 패드와 컨디셔너를 CMP 공정에 도입하여 화학적 기계적 연마 공정을 실시하게 되는데, 내부에 기공이 존재하지 않으며, 50~90 Shore D의 경도와 1~8%의 압축률 값을 가지며, 표면에 슬러리 연마액의 유입 유동을 돕는 마이크로 홀 및/또는 홈이 형성된 연마 패드를 CMP 기구에 고정시켜 회전시키고, 상기 패드위로 슬러리 연마액을 흘리면서 피삭체인 웨이퍼를 패드에 압력을 가하면서 회전 및 요동시켜 연마시키며, 연마 중 혹은 연마 전-후에 상기 연마 패드와 거의 유사한 물성을 갖는 컨디셔너로 상기 패드 표면을 통과 또는 스윕(sweep)시켜 슬러리를 이송시키는 컨디셔닝 공정을 행하여 패드 표면 위의 찌꺼기를 제거시키면서 화학적 기계적 연마 방법을 실시한다.In addition, in the present invention, the above-described polishing pad and conditioner are introduced into the CMP process to perform a chemical mechanical polishing process. There are no pores therein, and hardness of 50 to 90 Shore D and a compressibility value of 1 to 8% are obtained. And a micro pad and / or grooved polishing pad which is rotated by fixing to a CMP mechanism to assist the flow of slurry polishing liquid on the surface thereof, and pressurizes the workpiece wafer to the pad while flowing the slurry polishing liquid onto the pad. Polishing is carried out by rotating and oscillating, and a conditioning process is carried out by sweeping or sweeping the pad surface with a conditioner having properties similar to those of the polishing pad before or after polishing, thereby removing the residue on the pad surface. A chemical mechanical polishing method is performed while removing.
또한, 상기 연마패드를 통상의 컨디셔너로 통과 또는 스윕시켜 슬러리를 이동시키는 컨디셔닝 공정을 행하여도 종래의 60%이하의 컨디셔닝 압력으로 컨디셔닝 수행 시간을 종래의 60%이하로 수행하여도 패드 표면위의 찌거기를 제거할 수 있다.In addition, even when the polishing pad is passed through or swept into a conventional conditioner to carry out a conditioning process to move the slurry, the residue on the surface of the pad may be subjected to a conditioning time of 60% or less. Can be removed.
본 발명에서 제안하는 내부에 기공이 존재하지 않으며 표면에 슬러리의 유동을 돕는 홈 및/또는 마이크로 홀이 도입된 연마 패드와, 상기 연마 패드와 동일한 재질의 고분자 중합체로 만들어진 컨디셔너를 CMP 공정에 도입함으로써,In the CMP process, a polishing pad having no pores therein and a groove and / or microholes introduced therein to help the slurry flow on the surface thereof, and a conditioner made of a polymer of the same material as the polishing pad are introduced into the CMP process. ,
1. 연마 패드의 마모량을 획기적으로 감소시켜 패드의 사용 시간을 늘릴 수 있는데, 즉 종래 컨디셔너에 의한 컨디셔닝 방법이 연마 패드 표면을 과도하게 마모시킴으로써 후레시(fresh)하게 만드는 것과는 다르게, 고분자 중합체 재질의 컨디셔너는 연마 패드 표면의 100~250 micro-meter 크기의 다수의 마이크로 홀 및/또는 100~1000 micro-meter 의 폭을 갖는 홈에 낄 수 있는 찌꺼기(sludge)를 컨디셔너 표면에 돌출된 돌기들에 의해 쓸어냄으로써 연마 패드를 후레시(fresh)한 상태로 만드는 것이므로 연마 패드의 과도한 마모를 방지하고, 패드의 마모량을 획기적으로 감소시킬 수 있으며;1. The wear time of the polishing pad can be drastically reduced to increase the use time of the pad, i.e., a conditioner made of a polymer polymer material, unlike the conventional conditioning method, which makes the surface of the polishing pad fresh, thereby making it fresh. The surface of the polishing pad is swept by a plurality of micro holes of 100-250 micro-meter size and / or sludge that can be pinched in grooves having a width of 100-1000 micro-meter by protrusions projecting on the conditioner surface. By making the polishing pad fresh, thereby preventing excessive wear of the polishing pad and significantly reducing the amount of wear of the pad;
2. 패드에 도입된 100~200 micro-meter의 마이크로 홀은 슬러리의 유동을 도우며, 홀의 크기가 슬러리 파티클 내에 존재하는 연마 파티클에 의해 눈막임 현상이 일어나지 않는 독특한 디자인의 표면을 형성하기 때문에 기존의 컨디셔닝 방법과 같이 연마 패드가 과도하게 마모되는 일이 없고, 패드에 도입된 폭 100~1000 micro-meter의 홈 역시 상술한 바와 동일한 효과를 나타내며; 2. The 100 ~ 200 micro-meter micro holes introduced to the pads help the slurry flow, and because the hole size forms a unique design surface where no clogging is caused by the abrasive particles present in the slurry particles. As in the conditioning method, the polishing pad is not excessively worn, and the grooves having a width of 100 to 1000 micrometers introduced into the pad also have the same effect as described above;
3. 이러한 재질과 형상을 갖는 연마 패드는 종래보다 컨디셔닝의 필요성이 적기 때문에 본 발명의 패드에 적합한 컨디셔너, 즉 본 발명의 연마 패드와 동일한 재질의 고분자 중합체로 된 컨디셔너를 사용함으로써 연마 패드의 마모율을 최소화 할 수 있고, 컨디셔너의 파편에 의한 피삭체 오염도 막을 수 있다. 실제로 본 발명에 따른 연마 패드를 사용하여 CMP 공정을 수행하는 경우, 컨디셔닝 공정을 수행하지 않아도 시간이 경과함에 따라 연마 패드의 연마 효율에 변함이 없음을 도2에 의해 확인하였다. 3. Since the polishing pad having such a material and shape has less need for conditioning than before, the wear rate of the polishing pad can be reduced by using a conditioner suitable for the pad of the present invention, that is, a conditioner made of a polymer polymer of the same material as the polishing pad of the present invention. It can be minimized and the workpiece contamination by the debris of the conditioner can be prevented. In fact, when the CMP process is performed using the polishing pad according to the present invention, it is confirmed by FIG. 2 that the polishing efficiency of the polishing pad does not change with time even without performing the conditioning process.
도 2의 실험 결과는 연마 패드를 지지하는 정반인 플레이튼(platen)을 20 ~ 400 RPM의 속도로 회전시키면서 피삭체의 캐리어(carrier)을 1~10psi의 압력으로 지지하고 하판과 같은 방향으로 20 ~ 400 RPM의 속도로 회전시키며 피삭체를 연마 할 때 한 연마 공정 중 컨디셔닝을 실시한 것이 아니라, 한 연마 공정과 다음 연마 공정 중간에만 컨디셔너를 이용한 컨디셔닝을 실시하는, 즉 Ex-situ 컨디셔닝 공정으로 2~5분 폴리싱을 실시한 결과이다. 2 shows that the platen supporting the polishing pad is rotated at a speed of 20 to 400 RPM while the carrier of the workpiece is supported at a pressure of 1 to 10 psi and 20 in the same direction as the lower plate. When polishing the workpiece by rotating at a speed of ~ 400 RPM, conditioning was not performed during one polishing process, but conditioning was carried out using a conditioner only between one polishing process and the next polishing process, that is, 2 ~ by Ex-situ conditioning process. This is the result of 5 minutes polishing.
본 발명에 따르면, 슬러리 유동과 퍼짐을 돕는 표면 구조를 갖고 있지만 연마 패드 내부에 기공이 존재하지 않는 연마 패드를 도입함으로써, CMP 공정 중에 슬러리 유입과 유동은 자유롭지만 패드 표면의 눈막임 현상은 일어나지 않아 종래 의 과도한 컨디셔닝 공정을 필요로 하지 않게 된다. 이는 본 발명에 따른 새로운 재질 및 표면 특성을 갖는 연마 패드의 개발에 의한 것이다. According to the present invention, by introducing a polishing pad having a surface structure which helps slurry flow and spread but no pores inside the polishing pad, slurry inflow and flow is free during the CMP process, but no clogging of the pad surface occurs. There is no need for conventional excessive conditioning processes. This is due to the development of a polishing pad with new materials and surface properties according to the invention.
이와 같이 본 발명에 따른 연마 패드는 그 표면에서 눈막임 현상이 발생하지 않으므로 CMP 공정 중에 수행되는 종전과 같은 컨디셔닝 공정을 필요로 하지 않게 된다. As such, the polishing pad according to the present invention does not require clogging on its surface, and thus does not require the same conditioning process as is performed during the CMP process.
또한 상술한 연마 패드에 적합한 고분자 재질의 컨디셔너를 도입함으로써 종래 다이아몬드 컨디셔너에 의한 연마 패드의 과도 마모를 방지할 수 있으며, 피삭체의 오염원일 수 있는 금속 오염을 원천적으로 봉쇄할 수 있다. In addition, by introducing a conditioner made of a polymer material suitable for the above-described polishing pad, it is possible to prevent excessive wear of the polishing pad by a conventional diamond conditioner and to fundamentally block metal contamination, which may be a contamination source of a workpiece.
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