[논문]Post-CMP Cleaning에서 PVA 브러시 오염이 세정 효율에 미치는 영향

조한철; 유민종; 김석주; 정해도

doi:10.4313/jkem.2009.22.2.114

문제 정의

Post-CMP cleaning 에 널리 사용되고 있는 PVA 브러시의 연마 제거 메커니즘과 브러시 오염에 의한 세정 효율 저감에 관한 연구를 수행하였다. 브러시의 회전 모멘트에 비해 입자의 흡착 모멘트는 매우 작은 값을 가지며, 회전 모멘트에 의해 쉽게 제거되어 짐을 알 수 있었다.
있다. Pre cleaninge 공정 전에 적용되는 세정으로 이후 공정의 특성이 잘 나타나도록 함에 그 목적이 있다. Pre cleaninge- CVD 공정과 Furnace 공정에 대표적으로 적용 되어 진다.
본 연구에서는 웨이퍼상에 연마 입자를 PVA 브러시로 제거하는 제거 메커니즘과, 반복되는 세정공정에서 발생하는 브러시 오염이 세정효율에 미치는 영향에 관하여 알아보았다.

제안 방법

ELS-8000을 사용하였다. FESEM (field emission scanning electron microscope)을 이용하여 입자에 의한 브러시 오염 수준을 확인하였다.
PVA 브러시 세정이 반복됨에 따른 세정효율의 변화를 측정하기 브러시 세척 공정 없이 10번의 웨이퍼 세정을 마친 이후 4번의 세정공정 이후에 웨이퍼에 남아 있는 오염정도를 측정하였다. 사용된 슬러리의 연마입자 지름 120 nm를 고려하여 측정 범위를 100 nm~2 um까지 설정하였다.
반복적인 세정공정이 브러시를 오염시키고 오염되어진 브러시와 세정 효율과의 관계를 알아보기 위하여 다음과 같이 실험을 진행하였다’ 우선, 10 장의 웨이퍼를 CMP 공정이후 세정공정을 실시하였고 이후 4장의 웨이퍼의 세정 결과를 획득하였다. 이후 브러시를 DIW Bath에서 충분히 세척한 후 3장의 웨이퍼의 세정 결과를 획득하였다’ 세정공정에 따른 브러시 오염의 증가 여부를 확인하기 위하여 사용하지 않은 브러시와 10번의 세정공정, 20번의 세정공정에 사용되어진 브러시의 표면을 관찰 하였다.
연마 시 사용되어진 colloidal silica 입자와 PETEOS wafer의 제타전위를 pH 12의 세정용액에서 측정하였다. PETEOS의 표면 제타전위 값은 -74.
연마입자의 재부착에 의한 세정 효율 저감 원인 중 하나인 제타전위의 극성차이를 측정하였다. 연마 시 사용되어진 colloidal silica 입자와 PETEOS wafer의 제타전위를 pH 12의 세정용액에서 측정하였다.
이후 브러시를 DIW Bath에서 충분히 세척한 후 3장의 웨이퍼의 세정 결과를 획득하였다’ 세정공정에 따른 브러시 오염의 증가 여부를 확인하기 위하여 사용하지 않은 브러시와 10번의 세정공정, 20번의 세정공정에 사용되어진 브러시의 표면을 관찰 하였다.

대상 데이터

사용된 슬러리의 연마입자 지름 120 nm를 고려하여 측정 범위를 100 nm~2 um까지 설정하였다. 그림 5 에서 보는 바와 같이 브러시의 세척 없이 진행한 세정공정이후에는 웨이퍼 위에 잔류하는 연마 입자가 1700개에서 4000이상으로 증가하는 것을 알 수 있다.
두 번째 세 번째 단계에서는 브러시가 접촉하여 웨 이퍼 표면을 문지르고 동시에 세정액이 공급되어 진다. 세정액은 제타 전위 조절을 위하여 pH 농도 12를 가지는 1 wt% 암모늄을 사용하였다. 마지막 단계에서는 탈 이온수의 세정과 동시에 메가소닉 세정이 적용된다.
)을 사용하였다. 웨이퍼는 8“ PETEOS (Plasma Enhanced Tetraethylorthosilicate) 웨이퍼를 사용하였고, 모든 웨이퍼에 동일한 연마조건이 적용되었다. 웨이퍼 세정은 Cleaner 428 (G&P Technology Inc.
화학기계적 연마 (CMP)를 위해 GnP Technology (주)사의 Poli-500 (G&P Te사mology Inc.)을 사용하였다. 웨이퍼는 8“ PETEOS (Plasma Enhanced Tetraethylorthosilicate) 웨이퍼를 사용하였고, 모든 웨이퍼에 동일한 연마조건이 적용되었다.

이론/모형

웨이퍼의 오염 수준을 파악하기 위하여 KLA사의 Candela CS10 surface analyzer가 사용되었으며, 웨이퍼와 입자사이에 제타 전위를 측정하기 위하여 Otsuka Electronics 사의 zeta potential analyzer ELS-8000을 사용하였다. FESEM (field emission scanning electron microscope)을 이용하여 입자에 의한 브러시 오염 수준을 확인하였다.

성능/효과

오염 수준은 약 20 0~400개 정도로 앞선 세정 공정 결과의 1/10 수준으로 세정 효율이 매우 크게 향상됨을 알 수 있다. 결론적으로 브러시의 오염도가 증가함에 따라 재부착 현상이 증가하며, 제거 효율이 떨어지는 것을 확인 할 수 있다.
6(b) 와 (c)는 10번, 20번 세정공정 이후의 브러시 표면이다. 보는 것처럼 브러시 표면에 많은 연마입자가 남아 있음을 알 수 있으며, 또한 브러시에 있는 미세 구멍에도 많은 연마입자가 오염물로써 존재함을 확인할 수 있다. 6(d)는 브러시를 세척한 후 브러시 표면이다.
브러시 세척이후의 잔류하는 입자의 개수는 세척 이전의 결과의 1/10에 해당하는 값으로 매우 높은 세정효율을 가짐을 알 수 있다. 본 연구를 통하여 세정공정이 반복 진행됨에 따라 발생하는 오염도를 낮게 유지하는 것이 세정효율을 유지하는데 매우 중요한 요소임을 알 수 있었다.
브러시의 회전 모멘트에 비해 입자의 흡착 모멘트는 매우 작은 값을 가지며, 회전 모멘트에 의해 쉽게 제거되어 짐을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면과 입자 사이에 제타 전위를 측정을 통하여 전기 이 중 층에 의해 발생하는 인력에 의한 재 오염은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
공정과 공정 사이에는 브러시 세척을 실시하였고, 모든 조건은 앞선 실험에서 사용한 조건과 동일하다. 오염 수준은 약 20 0~400개 정도로 앞선 세정 공정 결과의 1/10 수준으로 세정 효율이 매우 크게 향상됨을 알 수 있다. 결론적으로 브러시의 오염도가 증가함에 따라 재부착 현상이 증가하며, 제거 효율이 떨어지는 것을 확인 할 수 있다.
브러시의 회전 모멘트에 비해 입자의 흡착 모멘트는 매우 작은 값을 가지며, 회전 모멘트에 의해 쉽게 제거되어 짐을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면과 입자 사이에 제타 전위를 측정을 통하여 전기 이 중 층에 의해 발생하는 인력에 의한 재 오염은 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 그러나 세정 공정이 진행됨에 따라 세정 효율이 떨어지는 현상을 발견할 수 있었다.
그러나 세정 공정이 진행됨에 따라 세정 효율이 떨어지는 현상을 발견할 수 있었다. 이는 세정공정이 진행됨에 따라 브러시의 오염도가 증가하였고, 브러시의 오염이 증가 할수록 재부착 될 가능성이 높아지며, 결론적으로 세정 효율에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 브러시 세척이후의 잔류하는 입자의 개수는 세척 이전의 결과의 1/10에 해당하는 값으로 매우 높은 세정효율을 가짐을 알 수 있다.

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