[논문]구리 CMP시 비이온 계면활성제의 알루리마 슬러리 안정성에 대한 효과

이도원; 김남훈; 김상용; 서용진; 장의구

문제 정의

두 번째 실험에서는 첫 번째 실험에서 얻은 적정 pH의 알루미나 슬러리에 대한 계면활성제의 첨가시 특성데 대해 고찰해 보았다. 이 실험은 크게두 가지로 나누어 진행되었다.
그 메카니즘의 규명이 현재 제대로 이루어지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 Cu CMP 공정에서 생기는 문제점들을 개선하기 위해 다른 종류의 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 특성들을 측정하였다. 또한 계면활성 제의농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CMP 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다.
따라서 본 연구에서는 Cu CMP 공정에서 생기는 문제점들을 개선하기 위해 다른 종류의 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 특성들을 측정하였다. 또한 계면활성 제의농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CMP 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다. 이상의 언구 결과를 토대로 최적의 알루미나 슬러리를 제조하여 반도체 소자의 수율 개선을 도모하였다.

제안 방법

이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비숫한 결과가 나올것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO₃를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 가지 경우 모두 23시간동안 milUng 후 첨가하였고, 후자의 슬러리는 계면활성제를 투입 후 1시간동안 추가로 milHng 한 연후에 HNO₃를 첨가하였다. 두 가지슬러리 모두 milling 시간은 24시간이었다.
두 가지슬러리 모두 milling 시간은 24시간이었다. 두 번째로 계면활성제의 종류 및 농도에 따른 분산안정성변화를 알아보기 위해 알루미나 슬러리에 Brij-35, PEG 500, 000, PEG 2000, 000< 각각 0.1, 0.5, 1.0 wt% 첨가했을 경우의 침전율과 입도 변화, 제타포텐셜을 측정하였다.
특성데 대해 고찰해 보았다. 이 실험은 크게두 가지로 나누어 진행되었다. 첫째로 일단 계면활성제 첨가시기에 의한 특성 변화를 살펴보기 위해 알루미나 연마제 5 wt%와 HNO₃ 산화제를 DI water에 혼합한 다음 PEG 2,000, 000을 0.
5 ~L0 wt% 첨가하고 24시간동안 milling한 슬러리와, 첨가하지 않은 상태에서 23시간동안 milling한 후 PEG 2,000, 000을 첨가하고 1시간 추가 milling한 슬러리의 입도를 측정하여 좀 더 우수한 분산안정성을 가지는 계면활성제의 첨가시기 조건을 분석해 보았다. 이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비숫한 결과가 나올것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO₃를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 가지 경우 모두 23시간동안 milUng 후 첨가하였고, 후자의 슬러리는 계면활성제를 투입 후 1시간동안 추가로 milHng 한 연후에 HNO₃를 첨가하였다.
pH 를 알아보기로 했다. 첨가된 HNO₃ 와 KOH를 0.1~1.05% 첨가하여 pH를 조절하고 24시간의 milling 후 각각의 침전도, 입자 크기, 제타포텐셜을 측정해 보았다.
첫 번째 실험에서는 각 알루미나 슬러리에 대한적정 pH 를 알아보기로 했다. 첨가된 HNO₃ 와 KOH를 0.
이 실험은 크게두 가지로 나누어 진행되었다. 첫째로 일단 계면활성제 첨가시기에 의한 특성 변화를 살펴보기 위해 알루미나 연마제 5 wt%와 HNO₃ 산화제를 DI water에 혼합한 다음 PEG 2,000, 000을 0.5 ~L0 wt% 첨가하고 24시간동안 milling한 슬러리와, 첨가하지 않은 상태에서 23시간동안 milling한 후 PEG 2,000, 000을 첨가하고 1시간 추가 milling한 슬러리의 입도를 측정하여 좀 더 우수한 분산안정성을 가지는 계면활성제의 첨가시기 조건을 분석해 보았다. 이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비숫한 결과가 나올것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO₃를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 연마제는 알루미나 계열의 P-4, AES-12, A16SG이며, 비이온 계면활성제로는 Polyoxythylene Louryl Ether 인 Brij-35 와 polyethylene glycol (PEG) 500, 000과 PEG 2, 000, 000이 사용되어 졌다.

성능/효과

또한 비표면적이 큰 P-4는 계면활성제의 첨가량이 높을수록 입도가 낮아지고 이로 인해 안정성도 증가하는 반면에, 비표면적이 상대적으로 작은 AES-12와 A16SG는 첨가량이 낮을수록 입도가 작고 안정성이 증가하는 것을 볼 수 있다. 각각의 슬러리에 대해 제타포텐셜을 측정해 본 결과, 계면활성제의 농도는 제타포텐셜과 특정한 경향을 보이지 않았다.
빈 칸은보통인 중간상태로 안정한 상태를 나타낸다. 결론적으로 P-4에서는 계면활성제의 분자량이 너무 높으면 오히려 안정성이 떨어지고 첨가량은 0.1~1.0 wt%가 바람직하다. 또한 AES-12에서는 첨가량이 0.
Owt% 이상이면 안정성이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 비이온성 계면활성제를 슬러리의 안정성을위해 첨가하기 위해서는 분자량이 약 500, 000 정도가 가장 우수한 조건인 것으로 판단된다. 이상의 결과를 향후 Cu CMP 공정에 적용시킨다면 반도체 소자의 수율 향상에 크게 개선이 될 것이라 사료된다.
것으로 추정된다. 또한 농도가 0.1 wt%일 때의 P-4, AES-12를 제외하고는 대체로 계면활성제 농도가 높을수록 milling 후의 입자크기가 milling 전보다 작아지는 경향을 나타내었다.
또한 비표면적이 큰 P-4는 계면활성제의 첨가량이 높을수록 입도가 낮아지고 이로 인해 안정성도 증가하는 반면에, 비표면적이 상대적으로 작은 AES-12와 A16SG는 첨가량이 낮을수록 입도가 작고 안정성이 증가하는 것을 볼 수 있다. 각각의 슬러리에 대해 제타포텐셜을 측정해 본 결과, 계면활성제의 농도는 제타포텐셜과 특정한 경향을 보이지 않았다.
모든 슬러리는 그림 2에서 보듯이 pH 4 근방에서 가장 작은 연마제 입도를 보인 반면, pH 10 근방에서 가장 큰 입도를 보였다. P-4 슬러리가 가장 작은 입도를 보였는데, 이는 그것의 비표면적이 가장 크기 때문이다.
pH 1상에서의 제타포텐셜은 넓게 퍼져서 믿을만한 데이터가 아니다. 반면에 모든 슬러리는 pH 2-3에서 가장 높은 제타포텐셜을 보였고, PZC(point of zero charge)는 pH 9-10 정도였다. PZC 근방에서의 입도크기가 가장 크며, 침 전도역 시 가장 큰 값을 보였다.
l-LOwt%의 비이온성 계면활성제를 첨가하였을 때 대체로 안정하였다. 분자량이 너무 낮으면 분산효과가 작고, PEG 500, 000이나 PEG 2,000, 000과 같이 긴 소수성기를 갖는 고분자가 효과가 우수한 것으로 나타났다. 그러나 분자량이 큰 계면활성제의 첨가량이 l.
알루미나 슬러리 사용시 적정 pH에 대한 실험에서, 모든 슬러리는 pH 2-3에서 가장 높은 제타포텐셜을 보였고, PZC는 pH 9T0정도였다. PZC 근방에서의 입도크기가 가장 크며, 침전도 역시 가장큰 값을 보였다.
또한 계면활성 제의농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CMP 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다. 이상의 언구 결과를 토대로 최적의 알루미나 슬러리를 제조하여 반도체 소자의 수율 개선을 도모하였다.
표 2를 보면 PEG 500, 000 첨가시 알루미나의 입도 및 pH는 대체로 milling 전보다 milling 후 HNO3를 첨가했을 때 작은 값을 가짐을 알 수 있다. milUng 후 pH 감소의 이유는 .

후속연구

따라서 비이온성 계면활성제를 슬러리의 안정성을위해 첨가하기 위해서는 분자량이 약 500, 000 정도가 가장 우수한 조건인 것으로 판단된다. 이상의 결과를 향후 Cu CMP 공정에 적용시킨다면 반도체 소자의 수율 향상에 크게 개선이 될 것이라 사료된다.

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