CMP 공정은 오늘날 반도체 제조에서 소자간 분리, 절연막 형성, 금속 배선 형성을 위해 표면의 요철을 평탄화시키는 필수 공정으로 적용되고 있다. 이러한 CMP 공정은 연마 입자와 화학액이 포함된 슬러리가 개입된 상태에서 대상 재료의 박막을 패드의 가압과 상대운동에 의해 기계적으로 제거해나가는 전형적인 마찰, 마멸, 윤활 공정이다. 특히, 나노 소자의 고집적화 및 고속도화를 위해 소자들을 전기적으로 분리시키기 위한 STI CMP 공정은 실리콘 기판의 미세한 지세의 영향과 함께 반도체 공정에서 CMP가 적용되는 시작 단계임을 감안하면 ...
CMP 공정은 오늘날 반도체 제조에서 소자간 분리, 절연막 형성, 금속 배선 형성을 위해 표면의 요철을 평탄화시키는 필수 공정으로 적용되고 있다. 이러한 CMP 공정은 연마 입자와 화학액이 포함된 슬러리가 개입된 상태에서 대상 재료의 박막을 패드의 가압과 상대운동에 의해 기계적으로 제거해나가는 전형적인 마찰, 마멸, 윤활 공정이다. 특히, 나노 소자의 고집적화 및 고속도화를 위해 소자들을 전기적으로 분리시키기 위한 STI CMP 공정은 실리콘 기판의 미세한 지세의 영향과 함께 반도체 공정에서 CMP가 적용되는 시작 단계임을 감안하면 웨이퍼 전면에 걸친 높은 평탄화를 요구하고 있다. 따라서, STI CMP 공정에서는 최근 세리아 입자를 가지는 슬러리를 적용하여 높은 연마율과 함께 평탄화 효율을 향상시키고 있으나, 웨이퍼 중심부에서 연마속도가 빠른 현상과 스크래치 발생과 같은 문제점이 나타나게 되었다. 이러한 배경에서 본 연구는 CMP 공정의 마찰학적 접근과 함께 일반적으로 널리 사용되는 실리카 슬러리와의 비교 연구를 통해 세리아 슬러리의 재료제거 특성을 실험적으로 해석하고자 하였다. 먼저, 세리아 슬러리의 높은 평탄화 효율, 빠른 연마속도, 연마불균일도, 스크래치와 같은 재료제거 특성과 관계하는 원인에 대한 가설을 세웠으며, 이를 실험적으로 증명하기 위하여 연마 중 마찰을 측정할 수 있는 힘 센서를 CMP 장치에 설치하였다. 이 장치를 활용하여 압력 및 속도에 따른 마찰계수를 측정한 결과, 두 슬러리를 이용한 CMP 공정은 경계층 윤활 및 부분 유체 윤활의 접촉 조건을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, CMP 공정에서 마찰 거동은 스틱-슬립 현상을 보임을 확인하였으며, 특히 세리아 슬러리는 혼합윤활 상태에서 스틱-슬립 현상에 의한 큰 진동이 접촉 계면에서 발생하였고 이는 스크래치를 발생시키는 요인으로 판단되었다. 이러한 현상은 세리아 입자의 실리콘 산화막에 대한 강한 화학적 작용과 함께 혼합 윤활 상태에서 연마 입자의 강한 미끄럼 운동에 의해 유발된 것으로 보였다. 하지만, 세리아 슬러리의 연마율은 압력에 대한 높은 비선형적 증가 특성을 보였기 때문에 산화막의 평탄화 효율이 연마 초기부터 종료까지 실리카 슬러리 보다 우수하였다. 슬러리의 특성은 재료제거 및 마찰의 변화에 영향을 주었다. 알칼리 실리카 슬러리와 대조적으로 세리아 슬러리는 입자 자체가 가지는 산화막과의 강한 화학적 결합력 때문에 낮은 입자함량과 중성 분위기에서도 입자의 산화막에 대한 압입과 긁음 과정에서 높은 수화 반응층을 형성하였고, 이에 따라 연마 중 지속적인 마찰력 유지를 통해 빠른 연마 속도를 이끌었다. 특히, 슬러리 내의 연마 입자 수는 마찰력과 연마율의 증가와 밀접한 관계를 가졌으나, 연마 입자 수의 증가는 접촉 계면에서 연마 입자의 구속을 줄이고 입자의 구름 운동을 유도함으로써 마찰력의 안정화를 통해 웨이퍼 전면에 균일한 가공을 이끌었다. 하지만, 12 wt%의 높은 입자함량을 가진 실리카 슬러리와 비교하여 2 wt% 이하의 낮은 입자 함량을 가진 세리아 슬러리의 경우는 입자의 미끄럼 운동 비율이 상대적으로 높을 것으로 판단되며, 이러한 입자의 마멸 거동은 스크래치의 발생 원인이 될 수 있었다. 또한, 세리아 슬러리의 경우는 높은 밀도를 가지는 입자의 특성 때문에 연마 중 입자가 웨이퍼의 중심과 접촉하는 패드 표면에서 더 많이 누적되었다. 실리카 슬러리를 이용하는 CMP 공정에서는 일반적으로 패드 표면 돌기의 마모로 인해 그 거칠기가 감소하고 이로 인해 연마 시간에 따라 마찰력과 연마율이 감소하였으나, 세리아 입자의 누적은 패드 표면 돌기의 분명한 마모가 예상됨에도 불구하고 표면 거칠기를 증가시켰다. 이러한 결과는 연마 중 높은 마찰력의 유지와 함께 웨이퍼 중심부의 연마율을 높게 함으로써 연마불균일도를 높이는 원인으로 밝혀졌으며, 입자의 패드 상의 누적은 스크래치를 유발하는 또 하나의 요인으로 판단되었다. 그러나, 세리아 슬러리의 연마불균일도 및 스크래치와 같은 재료제거 특성은 압력 및 속도 조건의 최적화, 슬러리 분산성 향상, 입자 함량의 조절, 공정 중 컨디셔닝 기술의 최적화 등에 의해 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 STI CMP 공정뿐만 아니라 다단계 평탄화 과정을 거치는 CMP 공정에서 세리아 슬러리의 적용과 공정 변수의 효과적인 제어에 기여할 수 있으리라 판단된다.
CMP 공정은 오늘날 반도체 제조에서 소자간 분리, 절연막 형성, 금속 배선 형성을 위해 표면의 요철을 평탄화시키는 필수 공정으로 적용되고 있다. 이러한 CMP 공정은 연마 입자와 화학액이 포함된 슬러리가 개입된 상태에서 대상 재료의 박막을 패드의 가압과 상대운동에 의해 기계적으로 제거해나가는 전형적인 마찰, 마멸, 윤활 공정이다. 특히, 나노 소자의 고집적화 및 고속도화를 위해 소자들을 전기적으로 분리시키기 위한 STI CMP 공정은 실리콘 기판의 미세한 지세의 영향과 함께 반도체 공정에서 CMP가 적용되는 시작 단계임을 감안하면 웨이퍼 전면에 걸친 높은 평탄화를 요구하고 있다. 따라서, STI CMP 공정에서는 최근 세리아 입자를 가지는 슬러리를 적용하여 높은 연마율과 함께 평탄화 효율을 향상시키고 있으나, 웨이퍼 중심부에서 연마속도가 빠른 현상과 스크래치 발생과 같은 문제점이 나타나게 되었다. 이러한 배경에서 본 연구는 CMP 공정의 마찰학적 접근과 함께 일반적으로 널리 사용되는 실리카 슬러리와의 비교 연구를 통해 세리아 슬러리의 재료제거 특성을 실험적으로 해석하고자 하였다. 먼저, 세리아 슬러리의 높은 평탄화 효율, 빠른 연마속도, 연마불균일도, 스크래치와 같은 재료제거 특성과 관계하는 원인에 대한 가설을 세웠으며, 이를 실험적으로 증명하기 위하여 연마 중 마찰을 측정할 수 있는 힘 센서를 CMP 장치에 설치하였다. 이 장치를 활용하여 압력 및 속도에 따른 마찰계수를 측정한 결과, 두 슬러리를 이용한 CMP 공정은 경계층 윤활 및 부분 유체 윤활의 접촉 조건을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, CMP 공정에서 마찰 거동은 스틱-슬립 현상을 보임을 확인하였으며, 특히 세리아 슬러리는 혼합윤활 상태에서 스틱-슬립 현상에 의한 큰 진동이 접촉 계면에서 발생하였고 이는 스크래치를 발생시키는 요인으로 판단되었다. 이러한 현상은 세리아 입자의 실리콘 산화막에 대한 강한 화학적 작용과 함께 혼합 윤활 상태에서 연마 입자의 강한 미끄럼 운동에 의해 유발된 것으로 보였다. 하지만, 세리아 슬러리의 연마율은 압력에 대한 높은 비선형적 증가 특성을 보였기 때문에 산화막의 평탄화 효율이 연마 초기부터 종료까지 실리카 슬러리 보다 우수하였다. 슬러리의 특성은 재료제거 및 마찰의 변화에 영향을 주었다. 알칼리 실리카 슬러리와 대조적으로 세리아 슬러리는 입자 자체가 가지는 산화막과의 강한 화학적 결합력 때문에 낮은 입자함량과 중성 분위기에서도 입자의 산화막에 대한 압입과 긁음 과정에서 높은 수화 반응층을 형성하였고, 이에 따라 연마 중 지속적인 마찰력 유지를 통해 빠른 연마 속도를 이끌었다. 특히, 슬러리 내의 연마 입자 수는 마찰력과 연마율의 증가와 밀접한 관계를 가졌으나, 연마 입자 수의 증가는 접촉 계면에서 연마 입자의 구속을 줄이고 입자의 구름 운동을 유도함으로써 마찰력의 안정화를 통해 웨이퍼 전면에 균일한 가공을 이끌었다. 하지만, 12 wt%의 높은 입자함량을 가진 실리카 슬러리와 비교하여 2 wt% 이하의 낮은 입자 함량을 가진 세리아 슬러리의 경우는 입자의 미끄럼 운동 비율이 상대적으로 높을 것으로 판단되며, 이러한 입자의 마멸 거동은 스크래치의 발생 원인이 될 수 있었다. 또한, 세리아 슬러리의 경우는 높은 밀도를 가지는 입자의 특성 때문에 연마 중 입자가 웨이퍼의 중심과 접촉하는 패드 표면에서 더 많이 누적되었다. 실리카 슬러리를 이용하는 CMP 공정에서는 일반적으로 패드 표면 돌기의 마모로 인해 그 거칠기가 감소하고 이로 인해 연마 시간에 따라 마찰력과 연마율이 감소하였으나, 세리아 입자의 누적은 패드 표면 돌기의 분명한 마모가 예상됨에도 불구하고 표면 거칠기를 증가시켰다. 이러한 결과는 연마 중 높은 마찰력의 유지와 함께 웨이퍼 중심부의 연마율을 높게 함으로써 연마불균일도를 높이는 원인으로 밝혀졌으며, 입자의 패드 상의 누적은 스크래치를 유발하는 또 하나의 요인으로 판단되었다. 그러나, 세리아 슬러리의 연마불균일도 및 스크래치와 같은 재료제거 특성은 압력 및 속도 조건의 최적화, 슬러리 분산성 향상, 입자 함량의 조절, 공정 중 컨디셔닝 기술의 최적화 등에 의해 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 STI CMP 공정뿐만 아니라 다단계 평탄화 과정을 거치는 CMP 공정에서 세리아 슬러리의 적용과 공정 변수의 효과적인 제어에 기여할 수 있으리라 판단된다.
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