[논문]W CMP 공정에서 abrasive size 와 shape 영향성

박준상; 박정헌; 이재동; 홍창기; 조한구; 문주태; 류병일

W CMP 공정에서 abrasive size 와 shape 영향성
The effect of abrasive size and shape on W CMP 원문보기

박준상 (삼성전자 반도체연구소) , 박정헌 (삼성전자 반도체연구소) , 이재동 (삼성전자 반도체연구소) , 홍창기 (삼성전자 반도체연구소) , 조한구 (삼성전자 반도체연구소) , 문주태 (삼성전자 반도체연구소) , 류병일 (삼성전자 반도체연구소)

W CMP 공정에서 abrasive 의 size 및 shape 에 따른 CMP 거동에 대해 관찰하였으며, 주요 제거 막질인 W 막질과 stopping layer 로 사용되는 Oxide 막질에 대한 압력(P)과 상대 속도(V) 영향성을 관찰하였다. CMP 제거량이 입자의 size 변화에 의존한다는 기존의 이론과는 달리 응집도(aggregate ratio) 변화가 주요 변수임을 밝혀 내었다. 한편, 각 막질에 대한 P,V 영향성 평가를 통해, 변형된 Prestonian equation 이 abrasive size 및 shape 에 상관없이 W 막질의 제거 거동을 설명하는데 중요한 역할을 수행함을 보였다. 그렇지만, W CMP 공정에서 stopping layer 로 사용되는 oxide 막질의 거동을 설명하는 데에는 어려움이 있었으며, 특히 P,V 에 의한 비선형적 removal rate(RR) 거동발생으로 인해 기존의 이론치와는 많은 차이를 나타내었다. 또한, abrasive size 와 shape 에 따라서도 복잡한 거동을 나타낸다.

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문제 정의

그러나, 이는 최근의 다중 막질 노출 CMP 공정에서의 uniformity 및 planarity 특성을 해석하는데 커다란 한계가 있다. 본 논문에서는 CMP 공정에서의 abrasive 영향성에 대한 이해를 돕고 J* W CMP 공정에서 주요제거막질인 W 및 stopping layer 로 사용되는 Oxide 막질에 대한 abrasive size 및 shape 영향성을 살펴보았고, 나아가 두 막질에 대한 주요 공정 변수 P, V 영향성을 평가하였다.

제안 방법

평가하였匚F. (TestJX) 또한, P, V 영향성 평가에서는 입자 size 와 shape 별로 상이하게 제조된 sam이e 을 2개씩 淄m이ng 하여 4가지 다른 입자로 평가하였다. (Test_B) 표 1과 2 에서 각 평가에 사용된 입자의 1차 및 2차 입자 size 와 이를 통해 계산된 AR 값을 나타내었고, 그림 1 에서 Test_B 에 사용된 입자들의 SEM image 를 나타내었다.
Abrasive size 와 shape 에 따른 RR 평가에서는 200hPa, 60rpm 의 공정 조건에서 모든 평가가 진행되었으며, Preston 의 식에 대한 a, 0 값을 구하기 위한 평가에서는 각 sample 에 대해 down pressure 및 platen speed 를 5가지로 s미it 하여 평가하였다. 압력에 대한 평가에서는 platen rotation speed 가 60rpm 으로 고정되었으며, 상대속도에 대한 평가에서는 carrier 의 down pressure 가 200hPa 로 고정된 채 진행되었다.
W CMP 공정에서 abrasive size 와 shape 에 의한 영향성 및 공정 변수 P, V 에 대한 영향성을 살펴보았다. W 막질의 RR 은 입자의 size 에 의존적이라기보다 입자의 응집도(ar)에 의존적임을 알 수 있었다.
압력에 대한 평가에서는 platen rotation speed 가 60rpm 으로 고정되었으며, 상대속도에 대한 평가에서는 carrier 의 down pressure 가 200hPa 로 고정된 채 진행되었다.
표 2 에 나타내어진 4가지 sample 을 이용하여 W 과 oxide 막질 CMP 에 대한 P, V 영향성을 평가하였다. 그림 3(a), (b) 는 down pressure 변화와 platen speed 변화에 따른 W RR 거동을 나타낸다,

대상 데이터

8 inch, wafer 가 사용되었으며, 모든 평가는 IC 1000/Suba IV stack pad (Rohm & 니aas) 에서 진행되었고, FREX 200 (EBARA) 설비에서 진행되었다. CMP 에 사용된 막질은 CVD tungsten 막질과 PE-TEOS 막질이다.
진행되었다. CMP 에 사용된 막질은 CVD tungsten 막질과 PE-TEOS 막질이다.
일반적으로 WCMP 공정에는 alumina, fumed silica 등이 사용되고 있으나, 본 실험에서는 size 와 shape 의 규정에 있어 유리하도록 colloidal silica 를 사용하였다. Abrasive 의 size 는 뚜 가지 측정법을 통해 측정하였는데, 각각의 입자률 서로 분리된 구형이라 가정하였을 때, BET 표면적 측정을 통해 환산된 값을 1차 입자 size 라 정의하였으며, dynamic light scattering 법을 사용하여 측정된 값을 2차 밉자 size 라 정의하였다.

성능/효과

W 막질의 RR 은 입자의 size 에 의존적이라기보다 입자의 응집도(ar)에 의존적임을 알 수 있었다. 또한, 공정 변수 P, V 에 따른 거동 평가를 통해 주요 제거막질의 거동은 예상 가능하며 일정한 값이 나오는 반면, 주변막질로 사용되는 oxide 에 대한 거동은 예상치와 큰 차이를 나타내었다.
이상의 결과에서 W CMP 공정의 주요 제거 막질로 사용되는 W 막질은 P, V 에 대한 의존성이 예상 가능하며 그 값은 abrasive 변화에 상관없이 일정한 값을가진다는 것을 알 수 있다. 반면, 강산성 pH 영역에서 낮은 RR 을 가져 stopping layer 로 사용되는 oxide 막질의 경우, 기존의 mod이로 설명되지 않는 복잡한 RR 거동이 나타남을 알 수 있었다.
이 논문에 의하면, sub-micron 단위의 작은 입자는 surface area based model 을 따르며, 큰 입자의 거동에서는 contact area model 이 적용된다고 하였다. 즉, micro 이하의 실제 CMP 에 적용되는 입자와본 논문에서 거론된 입자들은 size 가 작아지면 따라서 높은 RR 을 surface area 가 증가하게 되고,따라서 높은 RR을 나타내는 surface area mod이 이 적용될 것으로 예상되었다. 그림 2 에 Test_A 의 결과를 도식화하여 나타내었다.
왜냐하면, 입자의 응집도 증가는 abrasive 와 wafer 간의 contact area 를 감소시켜 RR 을 낮춰줄 수 있는 반면, 응집에 따른 단위 면적당 압력의 증가는 indentation depth 의 증가를 가져와 RR 증가를 야기할 수 있는 상반된 작용이 예상되기 때문이다. 지금까지의 TestJk 결과로 볼 때, AR 증가에 따른 RR 증가 현상이 관찰되고, 따과서 contact area 보다 indentation depth 변화가 RR 값의 결정에 중요한 역할을 하는 indentation model 이 유효한 것으로 판단된다.

후속연구

입자 size 가 작은 B너 의 경우, 속도 변화에 따라 급격한 RR 상승을 보이는데 반해, 입자 size 가 큰 B-4 sample 의 경우, 속도 증가에 상관없이 동일한 RR 을 유지하고 있다. 이는 속도 증가에 따라 단위 시간당 입자의 이동 경로가 길어져 RR 을 증가시킨다는 개념에 어긋난 결과로 더 많은 관찰이 필요하다.

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