[논문]구리 CMP 후 연마입자 제거에 화학 기계적 세정의 효과

김영민; 조한철; 정해도

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.10.1023

구리 CMP 후 연마입자 제거에 화학 기계적 세정의 효과
Effect of Chemical Mechanical Cleaning(CMC) on Particle Removal in Post-Cu CMP Cleaning 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.1023 - 1028

김영민 (부산대학교 기계공학부) , 조한철 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 정해도 (부산대학교 대학원 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Cleaning is required following CMP (chemical mechanical planarization) to remove particles. The minimization of particle residue is required with each successive technology generation, and the cleaning of wafers becomes more complicated. In copper damascene process for interconnection structure, it utilizes 2-step CMP consists of Cu and barrier CMP. Such a 2-steps CMP process leaves a lot of abrasive particles on the wafer surface, cleaning is required to remove abrasive particles. In this study, the chemical mechanical cleaning(CMC) is performed various conditions as a cleaning process. The CMC process combined mechanical cleaning by friction between a wafer and a pad and chemical cleaning by CMC solution consists of tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) / benzotriazole (BTA). This paper studies the removal of abrasive on the Cu wafer and the cleaning efficiency of CMC process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로, CMP 공정 에서 발생되어지는 오염으로 인하여 세정 공정은 CMP 공정 후 반드시 필요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 CMP 공정 후 웨이퍼 표면에 잔류하는 연마입자를 효과적으로 제거하기 위해 화학적인 입자제거 메카니즘을 바탕으로 세정 압력/회전속도에 따른 세정효과를 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 TMAH 와 BTA 로 이루어진 버핑액을 이용한 버핑공정을 통해 구리막 웨이퍼 표면으로부터 콜로이달 실리카 연마입자의 효과적인 제거에 대하여 연구하였고, 실험 결과를 통해 버핑을 통한 세정은 연마입자 제거에 탁월함을 볼 수 있었다. 하지만, 버핑액에 함유된 BTA 는 부식방지제로서 구리 연마제거율을 감소시키지만, 한편 버핑 후 구리막 표면 거칠기의 증가를 가져오기 때문에 BTA 함유량의 조절을 통해 버핑 후 구리막 연마율과 표면거칠기의 최적화를 행하였다.

제안 방법

이 중 BTA 는 부식방지제로서 Cu CMP 에서 폭넓게 사용되어지고 있으며 BTA 의 함유량에 따라 버핑 후 Cu 표면 상태가 결정된다. Fig. 5 는 BTA 함유량에 따른 표면거칠기 및 Cu 연마율을 나타낸 것으로 실험은 1wt% TMAH 로 고정시킨 후,⁽⁵⁾ BTA 의 함량을 0 / 0.01 / 0.05 / 0.10 / 0.20 %로 변화시키며 80rpm / 0.5psi 에서 버핑이 실시되었고, 각 BTA 값에 따라 표면거칠기는 AFM, 연마율은 4-point probe 로 측정되었다. 결과에 따르면 BTA 가 증가함에 따라 연마율을 감소하며 표면거칠기는 나빠지는 것을 볼 수 있다.
버핑 공정이 CMP 에 비하면 저압의 공정이지만 함몰(dishing)을 심화시킬 수 있으므로 버핑에 의한 함몰 발생을 알아보기 위해 버핑 속도와 압력을 변수로 두어 각각의 경우의 함몰 발생량을 측정해 보았다. 실험은 2 단계 CMP 를 거쳐서 Cu / TEOS 구조가 드러난 패턴 웨이퍼에 대하여 속도 20 / 40 / 80 / 160rpm 과 압력 0.
버핑을 통한 세정효과를 확인하기 위해 CMP 공정을 거친 구리막 웨이퍼를 1 wt% TMAH / 0.1 wt% BTA 의 버핑액으로 0.5psi 압력을 고정한 후 버핑 속도를 20 / 40 / 80 / 160rpm 으로 변화 시켜가면 버핑을 수행한 후 그 표면을 FE-SEM 으로 측정하였다. Fig.
버핑 공정이 CMP 에 비하면 저압의 공정이지만 함몰(dishing)을 심화시킬 수 있으므로 버핑에 의한 함몰 발생을 알아보기 위해 버핑 속도와 압력을 변수로 두어 각각의 경우의 함몰 발생량을 측정해 보았다. 실험은 2 단계 CMP 를 거쳐서 Cu / TEOS 구조가 드러난 패턴 웨이퍼에 대하여 속도 20 / 40 / 80 / 160rpm 과 압력 0.5 / 0.75 / 1.0 / 1.5 psi 로 변화시켜가며 1wt% TMAH/ 0.1 wt% BTA 로 버핑을 실시하고 Cu 와 TEOS 의 단차를 통해 함몰량을 측정하였다. 본 실험에서 함몰량은 산화막과 구리막간의 평균 함몰깊이를 측정하였으며, 함몰량 측정에 사용된 배선은 산화막/구리막이 10 ㎛/10 ㎛을 사용하였다.
0cm 크기의 구리막 및 산화막 (TEOS) 조각 웨이퍼와 패턴이 형성된 구리막 웨이퍼가 사용되었으며, CMP 공정은 지앤피 테크놀로지(주)사의 POLI400 연마기를 이용하여 IC1400상용 패드(Rohm & Hass)와 테크노세미캠(주)사의상용 슬러리(TST-D2)로 연마하였고, 버핑공정은같은 지앤피테크놀로지(주)사의 POLI250 연마기상에서 연속발포형 최종연마용 패드(Nitta Hass)를 사용 하였다. 연마후 슬러리의 건조, 흡착을 방지하기 위해 즉시 버핑 공정을 실시하였다. Fig.
콜로이달 실리카 연마입자의 표면흡착현상을 알아보기 위해서 구리막과 산화막을 갖는 조각 웨이퍼를 슬러리에 1 분간 담근(dipping) 후, FE-SEM 을 통해 표면을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 TMAH 와 BTA 로 이루어진 버핑액을 이용한 버핑공정을 통해 구리막 웨이퍼 표면으로부터 콜로이달 실리카 연마입자의 효과적인 제거에 대하여 연구하였고, 실험 결과를 통해 버핑을 통한 세정은 연마입자 제거에 탁월함을 볼 수 있었다. 하지만, 버핑액에 함유된 BTA 는 부식방지제로서 구리 연마제거율을 감소시키지만, 한편 버핑 후 구리막 표면 거칠기의 증가를 가져오기 때문에 BTA 함유량의 조절을 통해 버핑 후 구리막 연마율과 표면거칠기의 최적화를 행하였다. 또한, 버핑 공정을 저압의 CMP 공정으로 볼 수 있기에 버핑을 통한 구리 함몰이 발생을 알아보기 위해 버핑 속도와 압력을 변수로 여러 조건 하에서 버핑을 수행하였고 그 결과 버핑속도와 압력은 구리 함몰 발생과는 무관함을 알 수 있었다.

대상 데이터

1 wt% BTA 로 버핑을 실시하고 Cu 와 TEOS 의 단차를 통해 함몰량을 측정하였다. 본 실험에서 함몰량은 산화막과 구리막간의 평균 함몰깊이를 측정하였으며, 함몰량 측정에 사용된 배선은 산화막/구리막이 10 ㎛/10 ㎛을 사용하였다. Fig.
본 실험은 2.0x2.0cm 크기의 구리막 및 산화막 (TEOS) 조각 웨이퍼와 패턴이 형성된 구리막 웨이퍼가 사용되었으며, CMP 공정은 지앤피 테크놀로지(주)사의 POLI400 연마기를 이용하여 IC1400상용 패드(Rohm & Hass)와 테크노세미캠(주)사의상용 슬러리(TST-D2)로 연마하였고, 버핑공정은같은 지앤피테크놀로지(주)사의 POLI250 연마기상에서 연속발포형 최종연마용 패드(Nitta Hass)를 사용 하였다.

이론/모형

연마후 슬러리의 건조, 흡착을 방지하기 위해 즉시 버핑 공정을 실시하였다. Fig. 3 은 버핑공정을 나타낸 것이다 구리막과 산화막이 연마입자간의 상호 표면전위를 측정하기 위해서 zeta potential analyzer(ELS-8000, Otsuka Electronics,Co.)가 사용되었으며, 표면거칠기는 Atomic Force Microscopy(AFM)을 통해 측정하였다. 또한, 구리 함몰(dishing)량을 측정하기 위해 ALPHA STEP 을 이용하였다.
)가 사용되었으며, 표면거칠기는 Atomic Force Microscopy(AFM)을 통해 측정하였다. 또한, 구리 함몰(dishing)량을 측정하기 위해 ALPHA STEP 을 이용하였다.

성능/효과

2 단계 CMP 공정 후에는 화학적 또는 물리적 상호작용에 의해 웨이퍼(wafer) 표면에 오염물이 부착될 수 있다.⁽²⁾ CMP 공정 중에 공급되는 슬러리에는 부식액, pH 적정제, 연마입자 등이 첨가되며 이 중 연마입자는 CMP 공정 후 입자오염을 유발할 수 있다. 그러므로, CMP 공정 에서 발생되어지는 오염으로 인하여 세정 공정은 CMP 공정 후 반드시 필요하게 된다.
5psi 에서 버핑이 실시되었고, 각 BTA 값에 따라 표면거칠기는 AFM, 연마율은 4-point probe 로 측정되었다. 결과에 따르면 BTA 가 증가함에 따라 연마율을 감소하며 표면거칠기는 나빠지는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 BTA 가 Cu 이온과 결합하여 Cu-BTA 층을 형성하며 이에 따라 산화구리막의 형성을 방지되므로 Cu 연마가 억제되는것이다.
하지만, 버핑액에 함유된 BTA 는 부식방지제로서 구리 연마제거율을 감소시키지만, 한편 버핑 후 구리막 표면 거칠기의 증가를 가져오기 때문에 BTA 함유량의 조절을 통해 버핑 후 구리막 연마율과 표면거칠기의 최적화를 행하였다. 또한, 버핑 공정을 저압의 CMP 공정으로 볼 수 있기에 버핑을 통한 구리 함몰이 발생을 알아보기 위해 버핑 속도와 압력을 변수로 여러 조건 하에서 버핑을 수행하였고 그 결과 버핑속도와 압력은 구리 함몰 발생과는 무관함을 알 수 있었다. 그리고 세정을 통해 웨이퍼 상의 배선이 손상될 수 있으므로 추후 패턴손상을 발생시키지 않으면서 효과적으로 연마 입자를 제거하기 위한 조건에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.

후속연구

또한, 버핑 공정을 저압의 CMP 공정으로 볼 수 있기에 버핑을 통한 구리 함몰이 발생을 알아보기 위해 버핑 속도와 압력을 변수로 여러 조건 하에서 버핑을 수행하였고 그 결과 버핑속도와 압력은 구리 함몰 발생과는 무관함을 알 수 있었다. 그리고 세정을 통해 웨이퍼 상의 배선이 손상될 수 있으므로 추후 패턴손상을 발생시키지 않으면서 효과적으로 연마 입자를 제거하기 위한 조건에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.⁽⁸⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콜로이달 실리카 입자들이 구리표면에 흡착되는 이유는?	확산방지층을 제거하기 위한 CMP 는 알카리 슬러리를 사용하여 행하여지며 높은 pH 에 의한 제타 전위 차이로 콜로이달 실리카 입자들은 구리 표면에 흡착되어진다. 이러한 연마입자 흡착현상은 알카리 슬러리에 의한 구리막 부식과 산화 구리막의 형성에 관련이 있으며, 이는 슬러리속의 과산화수소가 구리막 표면층에 산화구리막 또는 수산화 구리막을 형성시키기 때문이다. 이러한 보호막 (passivation layer)들은 콜로이달 실리카와 산소결합 (oxygen bonding)을 이루어 연마입자를 흡착하려는 경향이 있다.(3) 본 연구에서는 TMAH(t-etramethyl ammonium hydroxide)와 BTA(Benzotriazo-le)로 이루어진 세정액이 사용된다.
	구리의 어떤 특성이 우수한가?	구리(Cu)는 낮은 시간 지연성 및 전기적 특성이 우수하여, 반도체 소자의 배선 재료로 널리 이용되고 있다.(1) 이러한 구리 배선은 전기도금과 이중 다마신(dual damascene) 공정으로 진행되고, 구리배선의 평탄화를 위해 2 단계 화학 기계적 평탄화(2-step chemical mechanical planarization : CMP)가 사용되고 있다.
	CMP 공정 중에 공급되는 슬러리에는 무엇이 첨가되는가?	2 단계 CMP 공정 후에는 화학적 또는 물리적 상호작용에 의해 웨이퍼(wafer) 표면에 오염물이 부착될 수 있다.(2) CMP 공정 중에 공급되는 슬러리에는 부식액, pH 적정제, 연마입자 등이 첨가되며 이 중 연마입자는 CMP 공정 후 입자오염을 유발할 수 있다. 그러므로, CMP 공정 에서 발생되어지는 오염으로 인하여 세정 공정은 CMP 공정 후 반드시 필요하게 된다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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Johnson, K.L., Kendall, K. and Roberts, A.D., 1971, 'Su-rface Energy and the Contact of Elastic Solids,' Proc. R. Soc. Lond. A. 324, pp. 301-375

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Donghyun Yu, Youngki Ahn, Dukmin Ahn, Taesung Kim, Heemyoung Lee, Jeongin Kim, Yanglae Lee, Hyunse Kim, Euisu Lim, 'Evaluate the Effect of Megasonic Cleaning on Pattern Damage,' Proceedings of the KSME 2008 Fall Annula Meeting, 2008, pp. 2511-2514

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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