KR20060076461A - 반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법 - Google Patents

반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파티클에 의한 웨이퍼 표면의 손상을 방지할 수 있도록 한 반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치는 폴리싱 패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 화학 기계적 연마장치에 있어서, 화학액을 이용하여 상기 폴리싱 패드에 의해 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프 패드(Buff Pad)와, 다이아몬드를 이용하여 상기 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하기 위한 버프 드레서(Buff Dresser)와, 상기 화학액과 다른 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)을 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하여 본 발명은 알칼리성 용액을 이용하여 버프 드레서의 니켈 층 손상에 의한 니켈 부식 입자에 의해 웨이퍼 표면에 발생되는 스크래치를 방지함으로써 스크래치로 인한 반도체 소자의 패턴불량을 방지하여 반도체 소자의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
컨디셔닝, 폴리싱 패드, 버프 패드, 버프 드레서, 버핑 스텝

Description

반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법{Apparatus and Method for Chemical Mechanical Polishing of Semiconductor Device}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 버프부를 나타내는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 절단선 Ⅲ - Ⅲ' 따라 절단한 단면을 나타내는 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 로딩/언로딩부 12 : 웨이퍼
20 : 연마장치 30 : 세정장치
40 : 폴리싱 패드 50, 52 : 폴리싱부
60 : 버프부 70, 72 : 세정부
100 : 버프 패드 102 : 홀
110 : 버프 드레서 세정부 112 : 클리닝 케미컬
120 : 버프 드레서 130 : 케미컬 노즐
본 발명은 반도체 소자의 제조장치에 관한 것으로, 특히 파티클에 의한 웨이퍼 표면의 손상을 방지할 수 있도록 한 반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조공정에 있어서 금속박막 내지는 산화막을 제거하는 한 분야인 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하, CMP라 함) 공정을 진행하게 된다. CMP 공정은 폴리싱 패드(Polishing Pad) 상부에 웨이퍼를 한 장 올려놓은 후, 웨이퍼를 정해진 두께만큼 갈아낸 다음에 다음 공정으로 넘겨주게 된다. 이러한, CMP 공정은 일반적으로 절연막의 평탄화 공정 내지 금속막의 다마신(Damascene) 공정을 위한 수단으로 이용된다.
일반적인 반도체 소자의 CMP 공정은 반도체 소자의 크기 감소 및 집적도 증가에 따라 평탄화 요구에 대응하기 위해 필수적으로 도입되는 반도체 공정의 하나이다. 그 중에서 Cu CMP는 구리(Cu)를 배선 재료로 사용하는 제조 공정에서 사용된다.
이러한, CMP 공정은 웨이퍼를 연마하는 폴리싱 공정 및 세정 공정으로 구성된다. 폴리싱 공정은 폴리싱 패드를 이용하여 폴리싱 테이블에 안착된 웨이퍼를 정해진 두께만큼 갈아낸 다음에 세정공정으로 넘겨주게 된다. 세정공정은 폴리싱 공정에 의해 연마된 웨이퍼를 세정하게 된다.
한편, 폴리싱 공정에서는 폴리싱 공정 후, 적합한 화학액을 웨이퍼 상에 공급하면서 웨이퍼를 버프 패드(Buff Pad)에 가압 및 마찰시켜 폴리싱 공정에서 발생 된 웨이퍼 상의 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 등을 효과적으로 제거시키는 버핑 스텝(Buffing Step) 공정을 진행하게 된다. 그리고, 폴리싱 공정에서 웨이퍼를 연마하는 동안 버핑 스텝에서 사용되는 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하게 된다. 이때, 버프 패드의 컨디션닝 공정은 초순수를 공급하면서 다이아몬드가 니켈(Ni)에 의해 고정된 일자형 버프 드레서(Dresser)를 이용하여 버프 패드를 컨디셔닝하게 된다.
버핑 스텝 공정은 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 제거에 적합한 화학액(Cu 혹은 Cu 화합물과 쉽게 결합하여 킬레이트를 구성하는 물질, 구연산 등의 유기산)을 버프 패드에 공급함과 동시에 폴리싱이 끝난 웨이퍼를 버프 패드에 가압 마찰시키면서 웨이퍼 표면의 이물질을 제거한다. 이때 버프 드레서를 이용한 버프 패드의 컨디셔닝 동안 버프 드레서의 사용 시간 증가에 따라 다이아몬드 부착재인 니켈(Ni)의 화학적인 반응 등에 의해 버프 드레서에서 니켈 파티클(Ni Particle), 다이아몬드 입자 등이 탈락되게 된다. 즉, 버프 패드의 컨디셔닝시에는 초순수를 사용하지만 버프 스텝 공정에서는 다량의 산성 화학액(유기산)을 사용하므로 버프 패드의 컨디셔닝 공정시 버프 패드의 화학액과 버프 드레서의 니켈(Ni)이 반응하여 니켈(Ni)이 부식되어 반복적인 마찰에 의하여 니켈 파티클이 버프 드레서로부터 떨어지게 된다. 이에 따라, 버프 패드의 컨디셔닝 공정시 탈락된 니켈 파티클, 다이아몬드 입자 등이 버프 패드 상에 흩어져 있다가 버핑 스텝 공정에서 웨이퍼 표면의 이물질 제거시 웨이퍼 표면에 스크래치를 발생시키게 된다.
따라서, 일반적인 반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법에서는 웨이퍼 표면에 발생되는 스크래치가 후속 공정에도 영향을 미쳐 웨이퍼에 형성되는 패턴 불량을 유발하여 반도체 소자의 성능 및 신뢰성을 감소시키게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 파티클에 의한 웨이퍼 표면의 손상을 방지할 수 있도록 한 반도체 소자의 화학 기계적 연마장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치는 폴리싱 패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 화학 기계적 연마장치에 있어서, 화학액을 이용하여 상기 폴리싱 패드에 의해 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프 패드(Buff Pad)와, 다이아몬드를 이용하여 상기 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하기 위한 버프 드레서(Buff Dresser)와, 상기 화학액과 다른 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)을 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치에서 상기 버프 패드는 상기 화학액이 공급되는 복수의 홀들을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치에서 상기 클리닝 케미컬은 알칼리성 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치는 상기 클리닝 케미컬을 상기 드레서 세정부에 공급하는 케미컬 노즐을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법은 폴리싱 패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 정해진 두께로 연마하는 단계와, 버프 패드(Buff Pad)에 공급되는 화학액을 이용하여 상기 폴리싱 패드에 의해 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하는 단계와, 다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)를 이용하여 상기 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하는 단계와, 상기 화학액과 다른 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)을 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 상기 버프 드레서를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법에서 상기 클리닝 케미컬은 알칼리성 용액인 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법에서 상기 버프 패드를 컨디셔닝하는 단계는 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
이하 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하, CMP라 함) 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 CMP 장치는 복수의 웨이퍼(12)가 수납된 카세트(14)를 로딩시키거나 언로딩시키는 로딩/언로딩부 (10)와, 로딩/언로딩부(10)로부터 공급되는 웨이퍼(12)에 대하여 CMP 공정을 진행하는 연마장치(20)와, 연마장치(20)에 의해 연마된 웨이퍼(12)를 세정하는 세정장치(30)와, 연마장치(20)와 세정장치(30)에 웨이퍼(12)를 공급하는 반송장치(32, 34, 36)를 구비한다.
로딩/언로딩부(10)는 외부로부터 복수의 웨이퍼(12)가 수납된 복수의 카세트(14)와, 카세트(14)에 수납된 웨이퍼(12)를 반송장치(32, 34, 36)로 반송하는 제 1 로봇(12)을 구비한다.
반송장치(32, 34, 36)는 제 1 로봇(12)에 의해 카세트(14)로부터 반송되는 웨이퍼(12)를 대기시키는 버퍼부(36)와, 버퍼부(36)로부터의 웨이퍼(12)를 반전시켜 연마장치(20)에 공급하는 웨이퍼 반전부(32)와, 버퍼부(36)의 웨이퍼(12)를 반전부(32)로 반송하는 제 2 로봇(34)을 구비한다.
연마장치(20)는 나란하게 설치되어 CMP 공정에 의해 반전부(32)로부터의 웨이퍼(12)를 연마하는 제 1 및 제 2 폴리싱부(50, 52)를 구비한다.
제 1 및 제 2 폴리싱부(50, 52) 각각은 CMP 공정에 의해 반전부(32)로부터 공급되는 웨이퍼(12)를 연마하는 폴리싱 패드(40)와; 버프 패드(Buff Pad)를 이용하여 웨이퍼(12) 표면의 이물질을 제거하며, 버프 드레서(120)를 이용하여 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)함과 아울러 알칼리성 용액을 이용하여 버프 드레서(120)를 세정하는 버프부(60)를 구비한다.
폴리싱 패드(40)는 몸체에 형성된 도시하지 않은 복수의 돌기들과 돌기들에 삽입되는 연마제를 이용하여 반전부(32)로부터 공급되는 웨이퍼(12)를 정해진 두께 만큼 연마하게 된다.
버프부(60)는 도 2에 도시된 바와 같이 도시하지 않은 버프 테이블(Buff Table)과, 버프 패드(100)와, 버프 패드(100)를 컨디셔닝하는 버프 드레서(120)와, 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)(112)을 이용하여 버프 드레서(120)를 세정하는 버프 드레서 세정부(110)와, 버프 드레서 세정부(110)에 클리닝 케미컬(112)을 공급하는 케미컬 노즐(130)을 구비한다.
버프 테이블은 폴리싱 패드(40)에 의해 웨이퍼(12)의 폴리싱 공정이 완료된 웨이퍼(12)가 안착된다.
버프 패드(100)는 매트릭스 형태로 배치되는 다수의 홀(102)을 구비한다. 이러한, 다수의 홀(102)에는 웨이퍼(12)의 폴리싱 공정시 웨이퍼(12) 표면의 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 제거에 적합한 화학액(Cu 혹은 Cu 화합물과 쉽게 결합하여 킬레이트를 구성하는 물질, 구연산 등의 유기산)이 공급된다.
버프 드레서(120)는 니켈(Ni)에 의해 고정된 다이아몬드를 이용하여 버프 패드(100)를 컨디셔닝하게 된다. 이때, 버프 드레서(120)는 일자형태를 가지게 된다.
버프 드레서 세정부(110)는 버프 드레서(120)가 수납된 상태에서 케미컬 노즐(130)로부터 분사되는 클리닝 케미컬(112)을 이용하여 버프 패드(100)를 컨디셔닝 공정에 의해 버프 드레서(120)에 묻어 있는 화학액을 중화시킨다.
이와 같은, 버프부(60)는 폴리싱 패드(40)에 의한 웨이퍼(12)의 폴리싱 공정 후, 적합한 화학액을 웨이퍼(12) 상에 공급하면서 폴리싱 공정에 의해 웨이퍼(12) 상의 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 등을 효과적으로 제거시키는 버핑 스텝(Buffing Step) 공정을 진행하게 된다. 다시 말하여, 버프부(60)에서의 버핑 스텝 공정은 슬러리 파티클(Slurry Particle), 구리 잔류물(Cu Residue) 제거에 적합한 화학액(Cu 혹은 Cu 화합물과 쉽게 결합하여 킬레이트를 구성하는 물질, 구연산 등의 유기산)을 버프 패드(100)의 홀(102)에 공급함과 동시에 폴리싱이 끝난 웨이퍼(12)를 버프 패드(100)에 가압 마찰시키면서 웨이퍼(12) 표면의 이물질을 제거한다.
또한, 버퍼부(60)는 폴리싱 공정에서 웨이퍼(12)를 연마하는 동안 버핑 스텝에서 사용되는 버프 패드(100)를 컨디셔닝하게 된다. 구체적으로, 버프 패드(100)의 컨디션닝 공정은 버프 드레서(120)를 이용하여 버프 패드(100)를 컨디셔닝하게 된다. 이러한, 버프 패드(100)의 컨디셔닝 공정시 버프 패드(100)에 공급되는 화학액이 버프 드레서(120)에 묻게 됨으로써 화학액과 다이아몬드 부착재인 니켈(Ni)의 화학적인 반응 등에 의해 버프 드레서(120)에서 니켈 파티클(Ni Particle), 다이아몬드 입자 등이 탈락되는 현상이 발생하게 된다.
이러한 현상을 방지하기 위하여 버퍼부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 버프 패드(100)를 컨디셔닝하는 시간 이외에는 버프 드레서(120)를 버프 드레서 세정부(120)의 내부에 수납하고, 수납된 버프 드레서(120)에 케미컬 노즐(130)을 통해 클리닝 케미컬(112)를 분사하여 버프 드레서(120)의 묻어 있는 화학액을 중화시켜 세정하게 된다. 이에 따라, 버프 드레서(120)에 묻어 있는 화학액이 클리닝 케미컬 (112)과 반응하여 중화됨으로써 다이아몬드의 부착재인 니켈(Ni)층이 손상되는 방지하여 니켈(Ni) 부식의 입자 및 다이아몬드 입자의 탈락을 방지하게 된다. 이때, 클리닝 케미컬(112)은 버프 드레서(120)에 묻어 있는 화학액과 반응하여 중화되어 버프 드레서(120)의 화학작용을 억제하는 것으로, 알칼리성 용액이 될 수 있다.
이와 같이, 제 1 및 제 2 폴리싱부(50, 52)에 의해 연마되고, 버프부(60)에 의해 이물질이 제거된 웨이퍼(12)는 반전부(32)에 공급되고, 반전부(32)에 공급된 웨이퍼(12)는 제 2 로봇(34)에 의해 세정장치(30)로 공급된다.
세정장치는(30)는 나란하게 설치되어 연마장치(20)에 의해 연마된 웨이퍼(12)를 세정하기 위한 제 1 및 제 2 세정부(70, 72)를 구비한다.
제 1 및 제 2 세정부(70, 72)는 세정액을 이용하여 제 2 로봇(34)에 의해 공급되는 웨이퍼(12)를 세정하여 로딩/언로딩부(10)에 공급한다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치 및 방법은 알칼리성 용액을 이용하여 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 세정함으로써 버프 드레서의 니켈 층 손상을 방지하게 된다. 이에 따라, 본 발명은 버프 드레서의 니켈 층 손상에 의한 니켈 부식 입자에 의해 웨이퍼 표면에 발생되는 스크래치를 방지함으로써 스크래치로 인한 반도체 소자의 패턴불량을 방지하여 반도체 소자의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 그리고, 본 발명은 버프 드레서의 니켈 층의 손상을 방지하여 고가인 버프 드레서의 수명을 연장시켜 원가를 절감할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 폴리싱 패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 화학 기계적 연마장치에 있어서,
    화학액을 이용하여 상기 폴리싱 패드에 의해 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하기 위한 버프 패드(Buff Pad)와,
    다이아몬드를 이용하여 상기 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하기 위한 버프 드레서(Buff Dresser)와,
    상기 화학액과 다른 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)을 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 세정하는 드레서 세정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 버프 패드는 상기 화학액이 공급되는 복수의 홀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 클리닝 케미컬은 알칼리성 용액인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 클리닝 케미컬을 상기 드레서 세정부에 공급하는 케미컬 노즐을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 장 치.
  5. 폴리싱 패드(Polishing Pad)를 이용하여 웨이퍼를 정해진 두께로 연마하는 단계와,
    버프 패드(Buff Pad)에 공급되는 화학액을 이용하여 상기 폴리싱 패드에 의해 연마된 상기 웨이퍼의 이물질을 제거하는 단계와,
    다이아몬드가 부착된 버프 드레서(Buff Dresser)를 이용하여 상기 버프 패드를 컨디셔닝(Conditioning)하는 단계와,
    상기 화학액과 다른 클리닝 케미컬(Cleaning Chemical)을 이용하여 상기 버프 드레서에 묻어 있는 화학액을 중화시켜 상기 버프 드레서를 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 클리닝 케미컬은 알칼리성 용액인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 버프 패드를 컨디셔닝하는 단계는 상기 웨이퍼를 연마하는 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 화학 기계적 연마 방법.
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