[논문]미세 표면 구조물을 갖는 패드의 제작 및 STI CMP 특성 연구

정석훈; 정재우; 박기현; 서현덕; 박재홍; 박범영; 주석배; 최재영; 정해도

doi:10.4313/jkem.2008.21.3.203

미세 표면 구조물을 갖는 패드의 제작 및 STI CMP 특성 연구
Development of Microstructure Pad and Its Performances in STI CMP 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.3, 2008년, pp.203 - 207

정석훈 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 정재우 (삼성전자 반도체총괄 스토리지사업부) , 박기현 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 서현덕 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 박재홍 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 박범영 (부산대학교 기계공학부 정밀가공시스템) , 주석배 (하이브리드소재 솔루션 협동과정) , 최재영 (동부일렉트로닉스(주) Nano T) , 정해도 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Chemical mechanical polishing (CMP) allows the planarization of wafers with two or more materials. There are many elements such as slurry, polishing pad, process parameters and conditioning in CMP process. Especially, polishing pad is considered as one of the most important consumables because this affects its performances such as WIWNU(within wafer non-uniformity) and MRR(material removal rate). In polishing pad, grooves and pores on its surface affect distribution of slurry, flow and profile of MRR on wafer. A subject of this investigation is to apply CMP for planarization of shallow trench isolation structure using microstructure(MS) pad. MS pad is designed to have uniform structure on its surface and manufactured by micro-molding technology. And then STI CMP performances such as pattern selectivity, erosion and comer rounding are evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 STI CMP 공정에 사용되는 IC 1400 K-groove 패드의 불균일한 표면 특성에 따른 문제점을 해결하기 위하여 마이크로 몰딩 기술을 이용하여 실접촉 면적이 일정하도록 표면에 균일한 미세 구조물을 가지는 MS 패드를 제작하였다. MS 패드의 표면 구조는 기존의 패드가 가지는 슬 러리의 공급 및 유동 기능에 부합하도톡 설계하였다.
본 연구에서는 400 mm의 직경을 가지는 연마 패드를 제작하기 위해 대면적 적용이 가능한 포토 에칭을 이용하여 마스터 몰드를 제작하였다. 제작 되어진 마스터 몰드에 실리콘 고무를 부은 다음 진공 주형기를 이용하여 탈포 공정을 거친 후 60 ℃에서 열경화 공정을 거치면 실리콘 고무 몰드가 제작된다.

제안 방법

MS 패드와 상용 패드인 Rohm and Haas사의 IC 1400 K-groove 패드를 이용하여 STI CMP 특성을 알아보기 위하여 연마 실험을 수행하였다. 연 마에 사용된 연마 장치는 G&P Technology 사의 POLI-400 장비를 사용하였다.
본 연구는 STI CMP 공정에 사용되는 IC 1400 K-groove 패드의 불균일한 표면 특성에 따른 문제점을 해결하기 위하여 마이크로 몰딩 기술을 이용하여 실접촉 면적이 일정하도록 표면에 균일한 미세 구조물을 가지는 MS 패드를 제작하였다. MS 패드의 표면 구조는 기존의 패드가 가지는 슬 러리의 공급 및 유동 기능에 부합하도톡 설계하였다. 이렇게 제작되어진 MS 패드를 STI CMP 공정 에 적용하였을 겨우 패턴 피치에 따른 형상 선택 비 특성이 우수하였으며, STI 소자 동작 영역에서 의 라운딩 현상 및 에로젼 결함을 감소할 수 있었다.
연 마에 사용된 연마 장치는 G&P Technology 사의 POLI-400 장비를 사용하였다. 그리고 Kla-Tencor 사의 Alpha step IQ 장비를 사용하여 웨이퍼 패턴 의 밀도(density)와 피치(pitch)에 따른 프로파일을 측정하였다. 실험 조건은 표 1에 나타내었다.
또한 패드와 웨이퍼의 패턴 가장자리 (side wall) 및 하부 영역 (recessed area) 과의 불균일한 접촉으로 인하여 라운딩 (rounding), 에로젼(erosion) 및 디싱(dishing) 현상을 유발한다고 알려져 있다[3, 4]. 따라서 본 연구에서는 균일한 실접촉 면적을 가지는 표면 형상의 패 드를 제작하고 STI CMP에 적용하여 라운드, 에로 젼 및 디싱에 관한 연마 결함 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 실리콘 고무(silicone rubber)를 이용하여 미세 구조물을 표면에 균일하게 형성한 패드를 제작하였다. 그림 2는 마이크로 표면 구조 물을 가지는 패드를 제작 공정을 나타내고 있다.
그림 6은 두 패드를 이용하여 연마한 각각의 피 치에 대한 프로파일을 나타내었다. 연마 시간은 75 % 과다 연마 시간, 즉, IC 1400 K-groove 패드의 경우 227초, MS 패드의 경우 280초 연마 후의 결과를 비교하였다. 75 %의 과다 연마 시간이 MS 패드가 IC 1400 K-groove 패드보다 53초 긴 이유는 마찰력 신호의 변화, 즉 이종 재료가 나타나기 시작한 마찰력 신호의 변화 시간이 서로 다르기 때문이다.
적색의 반원은 밀도변화에 의한 측정구간이며, 청색의 반 원은 피 치변화에 의한 측정 구간을 나타낸다. 연마 시간은 가장 작은 크기를 가지는 패턴에서 이종 재료인 질화막이 드러나는 지점에서 연마 중 마찰 력 신호가 변하는 시점을 과다 연마 시간 0 %로 설정하여, 각각의 패드에 대해 1분, 과다 연마 0, 25, 50, 75 % 시간에 따른 웨이퍼 프로파일을 측정하였다.
이들 소자간의 절연을 위하여 종전에는 LOCOS (local oxidation of silicon) 공정 을 사용하였으나, 소자 사이의 경계면에서의 새부 리(bird's beak) 현상으로 인하여 소자의 집적도 및 신뢰성에 문제가 발생하게 되었다HI. 이러한 문제점을 해결하기 위해 0.5 ㎛ 이하의 공정에 적합한 새로운 소자 분리 공정 기술인 STKshallow trench isolation) 공정이 도입되었다.

대상 데이터

실험에 사용된 웨이퍼는 0에서 100 %까지의 밀 도를 가진 패턴과 1 ㎛부터 1000 ㎛까지의 피치를 가진 패턴이 배열된 가로, 세로 4 cm의 SKW3-2 테스트 웨이퍼를 사용하였다. 피치는 패턴과 트렌 치의 길이를 합한 것으로 정의된다.
MS 패드와 상용 패드인 Rohm and Haas사의 IC 1400 K-groove 패드를 이용하여 STI CMP 특성을 알아보기 위하여 연마 실험을 수행하였다. 연 마에 사용된 연마 장치는 G&P Technology 사의 POLI-400 장비를 사용하였다. 그리고 Kla-Tencor 사의 Alpha step IQ 장비를 사용하여 웨이퍼 패턴 의 밀도(density)와 피치(pitch)에 따른 프로파일을 측정하였다.

성능/효과

결국 패턴 피치에 따른 형상 선택비 특성은 보 간식의 기울기로 비교할 수 있으며, MS 패드를 이용한 STI CMP에서 패턴 피치에 대한 형상선택비 가 68 % 향상된 것으로 나타났다. 실제 IC 1400 K-groove 패드는 제작된 MS 패드와 재료제거율 이 비슷하지만, 패드의 변형에 의해 패드 표면의 돌기들이 웨이퍼 패턴의 하부 영역에까지 닿아 제 거가 이루어지게 되기 때문에 상대 단차가 높게 나타났다.
이렇게 제작되어진 MS 패드를 STI CMP 공정 에 적용하였을 겨우 패턴 피치에 따른 형상 선택 비 특성이 우수하였으며, STI 소자 동작 영역에서 의 라운딩 현상 및 에로젼 결함을 감소할 수 있었다. 이는 불균일한 분포의 미세공극과 돌기에 의하여 발생되어지는 결함들의 발생을 균일한 구조물 에 의한 균일한 실접촉 면적의 MS 패드에 의하여 감소되어질 수 있는 것을 본 연구로써 확인할 수 있었다.
MS 패드의 표면 구조는 기존의 패드가 가지는 슬 러리의 공급 및 유동 기능에 부합하도톡 설계하였다. 이렇게 제작되어진 MS 패드를 STI CMP 공정 에 적용하였을 겨우 패턴 피치에 따른 형상 선택 비 특성이 우수하였으며, STI 소자 동작 영역에서 의 라운딩 현상 및 에로젼 결함을 감소할 수 있었다. 이는 불균일한 분포의 미세공극과 돌기에 의하여 발생되어지는 결함들의 발생을 균일한 구조물 에 의한 균일한 실접촉 면적의 MS 패드에 의하여 감소되어질 수 있는 것을 본 연구로써 확인할 수 있었다.

참고문헌 (7)

K. Y. Chju, J. L. Moll, and J. Manolio, "A bird's beak free local oxidation technology feasible for VLSI circuits fabrication", IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-29, p. 536, 1982
R. Tian, X. Tang, and D. F. Wong, "Dummy Feature Placement for Chemical-mechanical Polishing Uniformity in a Shallow Trench Isolation Process", International Symposium on Physical Design Proc., Sonoma, California, p. 118, 2001
S. Konstantin, "CMP dishing effects in shallow trench isolation", Solid State Technology, Vol. 40, No. 7, 1997
V. H. Nguyen, R. Daamen, H. van Kranenburg, P. van der Velden, and P. H. Woerlee, "A physical model for dishing during metal CMP", Journal of the Electrochemical Society, Vol. 150, No. 11, p. 689, 2003
박기현, 정재우, 박범영, 서헌덕, 이현섭, 정해 도, "CMP 패드 강성에 따른 산화막 불균일성 (WIWNU)에 관한 연구", 전기전자재료학회논문지, 18권, 6호, p. 521, 2005

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S. I. Chung, Y. G. Im, H. Y. Kim, H. D. Jeong, and D. A. Dornfeld, "Evaluation of micro-reflication technology using silicone rubber molds and its applications", International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 43, p. 1337, 2003

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J. Y. Choi, H. Y. Kim, J. H. Park, S. I. Chung, H. D. Jeong, and M. Kinoshita, "A study on the manufacture of the next generation CMP pad with uniform shape using micro-molding method", Key Engineering Materials, Vol. 257-258, p. 413, 2004

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