[논문]Ceria 입자 Oxide CMP에서의 연마 균일도 연구

임종흔; 이재동; 홍창기; 조한구; 문주태

Ceria 입자 Oxide CMP에서의 연마 균일도 연구
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임종흔 (삼성전자 반도체연구소) , 이재동 (삼성전자 반도체연구소) , 홍창기 (삼성전자 반도체연구소) , 조한구 (삼성전자 반도체연구소) , 문주태 (삼성전자 반도체연구소)

본 연구는 Diluted Ceria 입자를 사용한 $SiO_2$(Oxide) CMP 현상에 대한 내용이다. Ceria Slurry의 경우 Silica Slurry와 비교하였을 때 Oxide Wafer 표면과 축합 화학반응을 일으키며 Chemistry Dominant한 CMP Mechanism을 따르고, Wafer Center Removal Rate(RR) Fast 의 특성을 가진다. Ceria Slurry의 문제점인 연마 불균일도를 해결하기 위해 Tribological System을 이용하였다. CMP Tribology는 Pad-Slurry 유막-Wafer의 System을 가지며 윤활막에 작용하는 마찰계수(COF)가 주요 인자이다. Tribology에 적용되는 Stribeck Curve를 통해 Slurry 윤활막의 두께(h) 정도를 예상할 수 있으며, 이 윤활막의 두께를 조절함으로써 Uniformity 향상이 가능하다. 이 Ceria Slurry CMP의 연마 불균일도를 향상시킬 수 있는 방법으로 pH 조절 및 점도 증가가 있다. Ceria 입자 CMP는 분산액의 pH 변화에 강한 작용을 받게 되며 PH5 근방에서 최적화된 Uniformity가 가능하다. 점도를 증가시키는 경우 유막 h가 증가하게 되어 Ceria Slurry의 유동이 균일 분포 상태에 가까워지며 Wafer Uniformity 향상이 가능하다.

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문제 정의

하지만 Ceria CMP는 Wafer Center Removal Rate(RR)이 높고 Loading Time이 발생하는 등의 Silica 입자를 사용하였을 때와는 다른 CMP 거동을 보인다. Ceria 입자의 CMP 거동 현상을 알아보기 위하여 Diluted Ceria의 CMP 기본특성을 테스트 하였다. Ceria 는 Hitachi 사의 HS8005A 5% 원액을 50배 희석한 0.
이 Ceria 연마 입자를 이용한 CMP는 Silica 입자를 사용한 것과 비교하여 CMP 거동에서 많은 차이를 가진다. 본 논문에서는 Ceria 입자의 CMP 거동을 Tribology적인 입장에서 살펴보고 Ceria CMP 의 Uniformity를 향상시키는 방안을 살펴본다.

제안 방법

1% 로 사용하였으며 첨가제를 더하지 않았다. Polisher는 Rohm&Hass IC₁₀00/Suba4 Pad가 장착된 AMAT사의 Mirra 장비를 사용하였고, 공정 조건은 Platen 93rpm/ Head 87rptn/ Down Pressure 3.3psi 로 CMP를 진행하였다.
[4] Oxide CMP RR과 연마 불균일도는 pH가 낮아짐에 따라 떨어지는 비슷한 경향을 보이나 강산 영역에서는 경향성이 맞지 않다. 이 연마 불균일도의 관계를 CMP 시 나타나는 마찰계수 (COF)와 비교하여 보았다.
지금까지 Di luted Ceria 입자를 사용한 Oxide CMP 특성을 알아보았다. COF 가 주요 인자인 Tribology 현상을 CMP Mechanism에 잘 적용시킬 때는 연마 불균일도를 향상시킬 수 있는 중요한 해결 방안을 알 수가 있다.

대상 데이터

Ceria 입자의 CMP 거동 현상을 알아보기 위하여 Diluted Ceria의 CMP 기본특성을 테스트 하였다. Ceria 는 Hitachi 사의 HS8005A 5% 원액을 50배 희석한 0.1% 로 사용하였으며 첨가제를 더하지 않았다. Polisher는 Rohm&Hass IC₁₀00/Suba4 Pad가 장착된 AMAT사의 Mirra 장비를 사용하였고, 공정 조건은 Platen 93rpm/ Head 87rptn/ Down Pressure 3.

성능/효과

산성에서 RR이 낮은 것은 pH가 산성 영역일수록 Si lanol Group의 해리 (Dissociation) 정도가 낮아져서 Ceria 입자 표면과의 축합 화학반응의 연마 매커니즘을 가지기 어렵기 때문이다. [4] Oxide CMP RR과 연마 불균일도는 pH가 낮아짐에 따라 떨어지는 비슷한 경향을 보이나 강산 영역에서는 경향성이 맞지 않다. 이 연마 불균일도의 관계를 CMP 시 나타나는 마찰계수 (COF)와 비교하여 보았다.
이는 COF 가 Electrostatic Interaction 에 영향을 받지만 Slurry 입자의 크기 변화에도 의존성이 있다는 것을 보여준다. 실제 Ceria Slurry의 pH별 입자 평균 크기를 측정한 결과, pH₄ 이하의 산성 영역에서는 Ceria 입자의 분산성이 나빠지고 평균 입도가 증가하는 현상을 보였다. 마찰력은 입자에 의해 영향을 크게 받게 되며, 이러한 Ceria의 평균 입도 증가는 낮은 pH 영역에서의 마찰력을 증가시키는 원인으로 판단된다.

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