[논문]금속 CMP 적용을 위한 산화제의 역할

서용진; 김상용; 이우선

doi:10.4313/jkem.2004.17.4.378

문제 정의

따라서 본 논문에서는, 알루미나가 함유된 슬러리의 경우 각각의 금속막에 대해 산화제가 미치는 영향을 알아보기 위해 대표적인 산화제인 H2O2를 각각 1 wt%에서부터 9 wt%까지 첨가하여 CMP 공정을 수행하였다. 또한, 연마 선택비를 개선하기 위해 각각의 막에 대한 연마 제거율을 알아보았다.

가설 설정

AFM image of W/Ti film as a function of H₂O₂. (a) Before CMP AFM image of W film, (b) AFM image of W film as a function of 1 wt% H₂O₂. (c) AFM iraage of W film as a function of 3 wt% H₂O₂.

제안 방법

역할을 알아보기 위해 庄。2를 각각 1 wt%에서부터 9 wt%까지 첨가하여 각 금속막에 대한 CMP 특성을 알아보았다. 또한, adhesion 특성을 고찰하기 위해 텅스텐과 SiOa 사이에 barrier 층으로 Ti/TiN을 증착하여 사용하였다.
이상의 결과에서 5 wt%의 日2。2를 첨가한 경우가 가장 적정한 상태로 추측되어 SEM 표면을 분석하였다. 그림 6은 산화제인 5 wt%의 H₂O₂ 첨가에 따른 W/Ti 막의 CMP 전·후의 SEM 단면 사진을 비교한 것이다.
또한, 연마 선택비를 개선하기 위해 각각의 막에 대한 연마 제거율을 알아보았다. 마지막으로, 연마 후 RMS (root mean square) 표면 거칠기 분석을 위해 CMP 전·후의 SEM(scan ning electron microscope)고! AFM (atomic force microscope) 측정을 사용하여 비교 고찰하였다.
사의 초음파 분산기를 이용하였으며, 혼합된 슬러리의 aging 현상 및 침전을 방지하기 위해 연마 전 교반기를 사용하여 충분히 교반시켜 주었다. Post-CMP 세정 공정으로 먼저 20 초 동안 2 %의 NHK)H에 세정한 후, 4분동안 초음파 세척기를 이용하여 클리닝하였다.
5 ~ 4인 알루미나(AhO:, ) 계열의 텅스텐용 슬러리이었으며, 연마 선택비를 고찰하기 위해 사용된 산하■제의 역할을 알아보기 위해 庄。2를 각각 1 wt%에서부터 9 wt%까지 첨가하여 각 금속막에 대한 CMP 특성을 알아보았다. 또한, adhesion 특성을 고찰하기 위해 텅스텐과 SiOa 사이에 barrier 층으로 Ti/TiN을 증착하여 사용하였다.
수행하였다. 또한, 연마 선택비를 개선하기 위해 각각의 막에 대한 연마 제거율을 알아보았다. 마지막으로, 연마 후 RMS (root mean square) 표면 거칠기 분석을 위해 CMP 전·후의 SEM(scan ning electron microscope)고! AFM (atomic force microscope) 측정을 사용하여 비교 고찰하였다.

대상 데이터

CMP 연마 장치는 그림 1 에 보인 G&P Technology사의 POLI-380을 사용하였으며, 그림 1에 연마 장치의 조작 부분, 헤드 부분, 테이블 부분을 나타내었다. 연마 패드는 RodE사의 IC 1300고} Suba IV를 접착시킨 이 중 연마 패드를 사용하였다.
연마 패드는 RodE사의 IC 1300고} Suba IV를 접착시킨 이 중 연마 패드를 사용하였다. 헤드는 4인치 웨이퍼를 장착할 수 있는 구조로써, 평균 공기압은 5 kg/cm² 이상으로 유지하였으며, 슬러리 공급장치는 맥동식 펌프가 장착되어 있는 것을 사용하였다.

성능/효과

알 수 읏1斗. 1 wt%부터 9 wt%까지의 H2O2를 계속 증가시켜가며 첨가한 결과, RMS 거칠기는 W 막과 Ti 막 모두 H₂O₂의 첨가량이 증가함에 따라 5 wt%까지 선형적으로 감소하여 5 wt%에서 W/Ti 막의 RMS 거칠기가 각각 3.4 nm와 2.81 nm로 가장 우수한 RMS 거칠기를 보였으나, 그 이상의 H₂O₂를 첨가하면 비선형적인 RMS 거칠기를 나타내었다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이, 5 wt% 이하에서는 텅스텐 자체의 낮은 산화 속도 및 연마제의 기계적인 힘에 의해서만 제어되었고, 5 wt% 이상에서는 WO:3의 형성과 etch가 거의 동시에 이루어졌으나, 5 wt%를 첨가하였을 경우에는 충분한 WO₃의 부동태 층을 형성하여 가장 우수한 RMS 거칠기를 나타낸 것으로 생각된다.
것이다. 压。2를 1 wt%부터 9 wt%까지 계속 증가 시켜가며 첨가한 결과, 연마 제거율 측면에서 W막과 Ti막 모두 H₂O₂의 첨가량이 증가함에 따라 5 wt%까지 선형적으로 증가하여 5 wt%에서 가장 높은 연마 제거율을 보였으나, 그 이상의 H₂O₂를 첨가하면 비선형적인 연마 제거율을 나타내었다. 이는 헤르난데스[10] 등에 의해 발표된 연구 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.
위해 산화제로 压。2를 1 wt%에서부터 9 wt% 까지 첨가량을 증가시키며 실험한 결과, 5 wt%를 첨가하였을 경우에 텅스텐이 충분한 WO:< 의 부동태 층이 형성되어 기계적 . 화학적 작용이 동시에 이루어지기 때문에 높은 연마 제거율을 나타내었으며, 연마 선택비 측면에서도 비교적 양호한 결과를 나타내었다.
W막의 CMP 전의 RMS 거칠기는 24.7 nm로 불균일하였으나, &。2의 첨가량을 계속 증가시키면서 CMP한 결과 5 wt%의 H₂O₂를 첨가한 경우에 3.4 nm로 표면 거칠기가 개선되었다. 또한 Ti막의 경우에는 CMP 전에 2.
이는 CMP 연마에 의한 직접적인 결과라기보다는, CMP 후 세정이 확실하게 이루어지지 않아 연마 입자 등 오염원이 잔류하게 된 결과라고 생각된다. 그러나 CMP 공정 후 연마 제거율 및 비균일도 측면에서 볼 때 CMP 전보다 더 개선된 평탄화 특성을 확인하였다.
화학적 작용이 동시에 이루어지기 때문에 높은 연마 제거율을 나타내었으며, 연마 선택비 측면에서도 비교적 양호한 결과를 나타내었다. 또한, SEM과 AFM 분석 결과, 표면 형상과 RMS 거칠기가 개선된 평탄화 특성을 얻었다. 향후, CMP 후 세정 공정상의 문제점과 슬러리 내의 산화제인 压。2를 첨가했을 경우 각 막에 형성되는 부동태층에 대한 더 많은 연구가 병행되어야 할 것으로 사료된다.
이는 앞에서 설명한 바와 같이, 5 wt% 이하에서는 텅스텐 자체의 낮은 산화 속도 및 연마제의 기계적인 힘에 의해서만 제어되었고, 5 wt% 이상에서는 WO:3의 형성과 etch가 거의 동시에 이루어졌으나, 5 wt%를 첨가하였을 경우에는 충분한 WO₃의 부동태 층을 형성하여 가장 우수한 RMS 거칠기를 나타낸 것으로 생각된다. 즉 산화제 첨가 농도가 증가함에 따라 5 wt% 농도에서 텅스텐 표면에 생성되는 WO₃ 부동태 층이 가장 적절히 형성됨을 알 수 있었다.
부동태 층이 형성되어 기계적 . 화학적 작용이 동시에 이루어지기 때문에 높은 연마 제거율을 나타내었으며, 연마 선택비 측면에서도 비교적 양호한 결과를 나타내었다. 또한, SEM과 AFM 분석 결과, 표면 형상과 RMS 거칠기가 개선된 평탄화 특성을 얻었다.

후속연구

또한, SEM과 AFM 분석 결과, 표면 형상과 RMS 거칠기가 개선된 평탄화 특성을 얻었다. 향후, CMP 후 세정 공정상의 문제점과 슬러리 내의 산화제인 压。2를 첨가했을 경우 각 막에 형성되는 부동태층에 대한 더 많은 연구가 병행되어야 할 것으로 사료된다.

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