Chemical mechanical Polishing (CMP) process is widely used for the global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure,...
Chemical mechanical Polishing (CMP) process is widely used for the global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure, which affect yield. In this paper, for the improvement of CMP process, deionized water (DIW) pressure, purified $N_2$ ($PN_2$) gas, point of use (POU) slurry filler and high spray bar (HSB) were installed. Our experimental results show that DW pressure and P$N_2$ gas factors were not related with removal rate, but edge hot-spot of patterned wafer had a serious relation. Also, the filter installation in CMP polisher could reduce defects after CMP process, it is shown that slurry filter plays an important role in determining consumable pad lifetime. The filter lifetime is dominated by the defects. However, the slurry filter is impossible to prevent defect-causing particles perfectly. Thus, we suggest that it is necessary to install the high spray bar of de-ionized water (DIW) with high pressure, to overcome the weak-point of slurry filter Finally, we could expect the improvements of throughput, yield and stability in the ULSI fabrication process.
Chemical mechanical Polishing (CMP) process is widely used for the global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure, which affect yield. In this paper, for the improvement of CMP process, deionized water (DIW) pressure, purified $N_2$ ($PN_2$) gas, point of use (POU) slurry filler and high spray bar (HSB) were installed. Our experimental results show that DW pressure and P$N_2$ gas factors were not related with removal rate, but edge hot-spot of patterned wafer had a serious relation. Also, the filter installation in CMP polisher could reduce defects after CMP process, it is shown that slurry filter plays an important role in determining consumable pad lifetime. The filter lifetime is dominated by the defects. However, the slurry filter is impossible to prevent defect-causing particles perfectly. Thus, we suggest that it is necessary to install the high spray bar of de-ionized water (DIW) with high pressure, to overcome the weak-point of slurry filter Finally, we could expect the improvements of throughput, yield and stability in the ULSI fabrication process.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
그림 1은 본 실험에서 사용된 IPEC 사의 Avanti 472 CMP 연마기를 개략적으로 보인 것으로 캐리어 헤드의 클리닝 효과는 연마기의 헤드 클리닝 스테이션(head cleaning station)에서 DIW 압력과 PN2 가스를 이용하여 평가하였다. 연마 패드는 Rodel 사의 IC1000/Suba-IV를 사용하였으며, 슬러리는 Cabot 사의 K0H 계열인 퓸드 실리카 연마제를 사용하였다.
water)의 압력 조절 및 정제된 질소(purified N2 : PN2) 가스를 CMP 공정 동안 첨가하여 패턴된 웨이퍼 가장자리에서의 부분적인 과도 연마 현상인 hot spot 를 분석하였다. 다음으로 CMP 연마 장치의 슬러리 공급 라인에 POU(point of use) 필터를 설치하여 필터 크기에 따른 결함 밀 도(defect density) 등의 분석을 통해 슬러리 필터의 장점을 제시하였다. 마지막으로 pre-wet법과 HSB(high spray bar)를 설치하여 연마효율을 개선시킬 수 있는 방안에 대해 검토하였다.
따라서 본 논문에서는 CMP 연마 시스템에 공급되는 여러 설비 요소(facility factors)들과 CMP 공정 결함들과의 의존성을 분석하기 위해 먼저 탈이온수(D. I. water)의 압력 조절 및 정제된 질소(purified N2 : PN2) 가스를 CMP 공정 동안 첨가하여 패턴된 웨이퍼 가장자리에서의 부분적인 과도 연마 현상인 hot spot 를 분석하였다. 다음으로 CMP 연마 장치의 슬러리 공급 라인에 POU(point of use) 필터를 설치하여 필터 크기에 따른 결함 밀 도(defect density) 등의 분석을 통해 슬러리 필터의 장점을 제시하였다.
다음으로 CMP 연마 장치의 슬러리 공급 라인에 POU(point of use) 필터를 설치하여 필터 크기에 따른 결함 밀 도(defect density) 등의 분석을 통해 슬러리 필터의 장점을 제시하였다. 마지막으로 pre-wet법과 HSB(high spray bar)를 설치하여 연마효율을 개선시킬 수 있는 방안에 대해 검토하였다.
그리고 CMP 장비의 슬러리 공급부에 POU(point of use) 필터를 설치하였다. 연마 후 스크래치의 수는 KLA 2135와 Tencor 사의 AIT(advanced inspection tool)를 사용하였고, 슬러리 필터의 사용 유무에 따른 슬러리의 입자 크기 분포는 PSS(particle sizing system)인 AccuSizer 780을 사용하여 비교하였다.
그러나 주 공급 라인의 결함으로 인하여 약 50 psi의 압력이 공급되어 헤드 클리닝 스테이션 내의 DIW 압력은 대략 30 ~ 40 psi로 상당히 감소되었다. 이러한 공정 라인상의 문제로 연마기에서 발생하는 웨이퍼 가장자리 영역에서의 부분적인 과도 연마 현상인 hot spot를 방지하기 위해 먼저 연마기의 헤드 클리닝 스테이션에서의 캐리어 헤드의 클리닝 효과를 분석하였다. 이는 DIW 압력을 변화시키면서 수행되었는데, 그림 3은 DIW 압력의 변화에 따른 hot spot 발생 횟수를 나타낸 것이다.
연마되는 웨이퍼의개수가 많아질수록 패드 위에 적층된(stacked) 연마되고 남은 찌꺼기들의 수가 증가하여 결과적으로 결함밀도도 증가하였다. 이렇게 패드 위에 적층되는 큰 입자들을 감소시켜주기 위해 DIW-HSB를 설치하였다.
대상 데이터
가스를 이용하여 평가하였다. 연마 패드는 Rodel 사의 IC1000/Suba-IV를 사용하였으며, 슬러리는 Cabot 사의 K0H 계열인 퓸드 실리카 연마제를 사용하였다. 그리고 CMP 장비의 슬러리 공급부에 POU(point of use) 필터를 설치하였다.
이론/모형
그러므로 결함을 초래하는 덩어리진 슬러리 입자들을 여과하기 위해 더 조밀한 필터를 사용한다는 것은 결과적으로 연마 효율을 더 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 다른 해결 방안을 찾기 위해 pre-wet법과 탈 이온수의 고분사법(DIW-HSB을 병행하는 방법을 도입하였다.
성능/효과
CMP 공정에서 마이크로 스크래치로 인한 결함을 제거하기 위하여 DIW 압력을 조절하고, PN2 가스의 첨가 효과를 분석해 본 결과, 캐리어 헤드의 불충분한 클리닝 효과로 나타난 웨이퍼 가장자리 영역의 hot spot 현상을 DIW 압력으로는 완전히 제거 할 수 없었으나 처음 1 ~ 2주일 동안은 1 ~ 3개 정도 발생하던 hot spot가 PN2 가스를 첨가한 이후부터는 전혀 발생되지 않아 매우 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
5 ㎛의 슬러리 필터 장치를 슬러리 공급 라인에 설치해 본 결과, 마이크로 스크래치가 없는 누적 웨이퍼의 수가 여과 필터를 사용하지 않은 경우에는 304장이었고, 사용한 경우에는 650장으로 증가함으로 필터 사용으로 인하여 2배 이상의 우수한 결과를 확보하였으나, 소모자재언 패드의 수명과 관련하여 결함이 전혀 없도록 완벽하게 여과시키는 것은 불가능하였다. 따라서 웨이퍼 연마가 진행될수록 패드 위에 계속 쌓이는 슬러리 입자들을 줄여 패드 수명을 개선하기 위한 방법으로 적당한 슬러리 유속을 갖는 pre-wet법과 높은 압력의 DIW-HSB 방법을 이용하였을 때 아주 효과적이었음을 확인할 수 있었다.
또한 슬러리의 응고에 의한 마이크로 스크래치를 웨이퍼 표면에서 제거하기 위하여 0.5 ㎛의 슬러리 필터 장치를 슬러리 공급 라인에 설치해 본 결과, 마이크로 스크래치가 없는 누적 웨이퍼의 수가 여과 필터를 사용하지 않은 경우에는 304장이었고, 사용한 경우에는 650장으로 증가함으로 필터 사용으로 인하여 2배 이상의 우수한 결과를 확보하였으나, 소모자재언 패드의 수명과 관련하여 결함이 전혀 없도록 완벽하게 여과시키는 것은 불가능하였다. 따라서 웨이퍼 연마가 진행될수록 패드 위에 계속 쌓이는 슬러리 입자들을 줄여 패드 수명을 개선하기 위한 방법으로 적당한 슬러리 유속을 갖는 pre-wet법과 높은 압력의 DIW-HSB 방법을 이용하였을 때 아주 효과적이었음을 확인할 수 있었다.
이고 슬러리 필터를 사용하였을 때의 결함밀도를 나타낸 것이다. 연마되는 웨이퍼의개수가 많아질수록 패드 위에 적층된(stacked) 연마되고 남은 찌꺼기들의 수가 증가하여 결과적으로 결함밀도도 증가하였다. 이렇게 패드 위에 적층되는 큰 입자들을 감소시켜주기 위해 DIW-HSB를 설치하였다.
후속연구
또한 HSB를 설치하지 않았던 결과인 그림 6에서는 연마된 웨이퍼의 장수가 400개 이상일 때부터 결함밀도가 점차 증가하기 시작하였으나 HSB를 설치한 경우에는 600장까지 웨이퍼를 연마한 후에도 여전히 결 함밀도는 상당히 낮게 분포하고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 적당한 슬러리 유속을 갖는 pre-wet법과 DIW HSB 방법을 통해 앞서 논의되었던 슬러리 필터의 여과 능력의 한계를 해결함으로써 궁극적으로는 패드의 수명을 개선시킬 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (7)
Joseph M.steigerwald, Shyam P. Murarka, Ronald J. Gutmann, 'Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic Materials', John wiley & sons, INC, 1997
S.H. Bath, R. Legegett, A. Maury, K. Monning, and R. Tolles, 'Planarizing Interlevel Dielectrics by Chemical Mechanicsl Polishing', Solid State Tech. pp.87-91, May 1992
Woo-Sun Lee, Sang-Yong Kim, Yong-Jin Seo, 'An Opimization of Tungsten Plug Chemical Mechanical Polishing (CMP) Using Different Consumables' Journal of Materials Science : Materials in Electronics, Kluwer Academic Publishiers, Vol. 12, No. 1, pp. 63-68, 2001
Yong-Jin Seo, Woo-Sun Lee, Sang-Yong Kim, Jin-Sung Park, Eui-Goo Chang, 'Optimization of Post-CMP Cleaning Process for Elimination of CMP Slurry Induced Metallic Contaminations', Journal of Materials Science:Materials in Electronics, Kluwer Academic Publishers, Vol. 12, No. 7, pp. 411-415, 2001
Z. Lin, J. Zahka, and G. Vasilopoulos, 'Filtration of CMP Slurries in Chemical Delivery Systems, Proceedings of Workshop on Contamination in Liquid Chemical Distribution Systems', SEMICON West 97, July 13, 1997
J. Huang, H. C. Chen, J. Y. Wu, and W. Lur, 'Investigation of CMP Micro-Scratch in the Fabrication of Sub-quarter Micron VLSI circuit'. Proceeding of Chemical Mechanical Polishing Multilevel Interconnection Conference (CMP-MIC), pp.77-79, 1999
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.