[논문]구리 CMP 공정시 계면활성제 첨가 조건에 의한 슬러리 특성

김인표; 김남훈; 임종흔; 김상용; 김태형; 장의구

문제 정의

또한 기존의 A1 배선을 사용하면 전원선의 젼위 강하를 억제하기 위해 선폭을 넓게 해야하기 때문에 칩 면적의 증대가 부득이 하지만, 저 저항 구리배선을 이용하면 패턴룰을 느슨히 하지 않은 상태에서 전위강하률 억제시킬 수 있기 때문에 향후 반도체 생산에 있어 구리 배선을 위한 CMP 기술에 대한 연구가 필수적이다.[2] 그러나 이러한 구리 CMP 기술이 반도체 칩 제조에 있어 꼭 필요함에도 불구하고, CMP 공정중 발생하는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 안정성 문제로 인해 스크래치를 발생시켜 웨이퍼 표면에 손상을 주는 등 소자 수율에 막대한 영향을 주는 문제점들에 대한 메카니즘 규명이 제대로 이루어지지 않은 상태이다, 따라서 본 연구에서는 구리 CMP 공정 과정에서 생기는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 상태를 개선하기 위하억 각기 다른종류의 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 특성들을 측정하였다. 또한 계면활성제의 농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CM료 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다.
[2] 그러나 이러한 구리 CMP 기술이 반도체 칩 제조에 있어 꼭 필요함에도 불구하고, CMP 공정중 발생하는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 안정성 문제로 인해 스크래치를 발생시켜 웨이퍼 표면에 손상을 주는 등 소자 수율에 막대한 영향을 주는 문제점들에 대한 메카니즘 규명이 제대로 이루어지지 않은 상태이다, 따라서 본 연구에서는 구리 CMP 공정 과정에서 생기는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 상태를 개선하기 위하억 각기 다른종류의 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 특성들을 측정하였다. 또한 계면활성제의 농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CM료 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다. 이상의 연구 결과를 토대로 최적의 알루미나 슬러리룔 제조하여 반도체 소자의 수율 개선을 도모하였다.
본 실험에 사용된 연마제는 알루미나 계열의 P-4, AES-12, A16SG등 세 가지로 각각의 연마제에 대한 계면활성제의 첨가역할에 대해 고찰해 보았다. 실험은 크게 두 가지로 나누어 진행되었다.

제안 방법

실험은 크게 두 가지로 나누어 진행되었다. 첫째로 일단 계면활성제 첨가시기에 의한 특성 변화를 살펴보기 위해 알루미나 연마제 5 wt%와 HNO₃ 산화제를 DI water에 혼합한 다음 계면활성제 polyethylene glycol(PEG) 2, 000, 000을 약 0.
실험은 크게 두 가지로 나누어 진행되었다. 첫째로 일단 계면활성제 첨가시기에 의한 특성 변화를 살펴보기 위해 알루미나 연마제 5 wt%와 HNO₃ 산화제를 DI water에 혼합한 다음 계면활성제 polyethylene glycol(PEG) 2, 000, 000을 약 0.5 〜 1.0 wt% 첨가하고 24시간동안 milling한 슬러리와, 첨가하지 않은 상태에서 23시간동안 milling한 후 PEG 2, 000, 000을 첨가하고 1시간 추가 milling 한 슬러리의 입도를 측정하여 좀 더 우수한 분산 안정성을 가지는 계면활성제의 첨가시기 조건을 분석해 보았다. 이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비슷한 결과가 나올 , 것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO:, 를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다.
0 wt% 첨가하고 24시간동안 milling한 슬러리와, 첨가하지 않은 상태에서 23시간동안 milling한 후 PEG 2, 000, 000을 첨가하고 1시간 추가 milling 한 슬러리의 입도를 측정하여 좀 더 우수한 분산 안정성을 가지는 계면활성제의 첨가시기 조건을 분석해 보았다. 이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비슷한 결과가 나올 , 것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO:, 를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 가지 경우 모두 23시간동안 milling 후 첨가하였고, 후자의 슬러리는 계면활성제를 투입 후 1시간동안 추가로 milling 한 연후에 HNO₃를 첨가하였다.
이에 따른 결론을 토대로 계면활성제외에 다른 첨가제에 의해서도 비슷한 결과가 나올 , 것을 예상하고, 알루미나 5 wt%를 DI water에 분산시킨 슬러리에 산화제인 HNO:, 를 milling전에 투입한 슬러리와 milling 후에 투입한 슬러리의 입도 및 pH를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 가지 경우 모두 23시간동안 milling 후 첨가하였고, 후자의 슬러리는 계면활성제를 투입 후 1시간동안 추가로 milling 한 연후에 HNO₃를 첨가하였다. 두 가지 슬러리 모두 milling 시간은 24시간이었다.
두 가지 슬러리 모두 milling 시간은 24시간이었다. 두 번째로 계면활성제의 종류 및 농도에 따른 분산 안정성 변화를 알아보기 위해 세 가지의 알루미나 슬러리에 Brij 35, PEG 500, 000, PEG 2000, 000 계면활성제를 각각 0.1, 0.5, 1.0 wt% 첨가했을 경우의 침 전율과 입도의 변화를 측정하였다.
1 wt%일 때의 P-4, AES-12를 제외하고는 대체로 계면활성제의 농도가 높을수록 milling 후의 입자크기가 milling 전보다 작아지는 경향을 나타내었다. 다른 첨가제에 의해서도 첨가 시기에 따라 입도가 변하는지 확인하기 위해 산화제 HN03를 milling 전과 후에 각각 투입했을 때의 슬러리 입도를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 경우 모두 23시간 milling한 후에 첨가하였으며「후자의 슬러리는 계면활성제를 투입하고 1시간동안 milling 후 HN03를 첨가하였다.
다른 첨가제에 의해서도 첨가 시기에 따라 입도가 변하는지 확인하기 위해 산화제 HN03를 milling 전과 후에 각각 투입했을 때의 슬러리 입도를 비교해 보았다. 계면활성제는 두 경우 모두 23시간 milling한 후에 첨가하였으며「후자의 슬러리는 계면활성제를 투입하고 1시간동안 milling 후 HN03를 첨가하였다. 표 2를 보면 PEG 500, 000 첨가시 알루미나의 입도 및 pH는 대체로 milling 전보다 milling 후 HNCh를 넣었을 때 작은 값을 가지는 것을 볼 수 있다.

성능/효과

또한 계면활성제의 농도와 첨가 시기를 달리 했을 경우의 슬러리 안정성 변화를 분석하여 구리 CM료 공정에 계면활성제가 미치는 영향에 대해서도 연구해 보았다. 이상의 연구 결과를 토대로 최적의 알루미나 슬러리룔 제조하여 반도체 소자의 수율 개선을 도모하였다.
계면활성제는 두 경우 모두 23시간 milling한 후에 첨가하였으며「후자의 슬러리는 계면활성제를 투입하고 1시간동안 milling 후 HN03를 첨가하였다. 표 2를 보면 PEG 500, 000 첨가시 알루미나의 입도 및 pH는 대체로 milling 전보다 milling 후 HNCh를 넣었을 때 작은 값을 가지는 것을 볼 수 있다. milling 후 pH가 낮아지는 이유는 계면활성제가 HNO₃보다 먼저 연마제에 흡착하여 H* 이온이 슬러리 내에 더 많이 존재하기 때문이다.
표에서 good는 안정한 상태 bad는 침전 발생상태이며, 빈칸은 그 중간 정도로 안정한 상태를 나타낸다. 결론적으로 P-4에서는 계면활성제의 분자량이 너무 높으면 오히려 안정성이 떨어지고 첨가량은 0.1 〜 1.0 wt%가 바람직하다. 또한 AES-12 에서는 첨가량이 0.
작고, AES-12와 A16SG는 PEG 2, 000, 000을 첨가했을 때 전반적으로 입도가 작게 나타났다. 또한 비 표면적이 큰 P-4는 계면활성제의 첨가량이 높을수록 입도가 낮아지고 이로 인해 안정성도 증가하는 반면에, 비표면적이 상대적으로 작은 AES-12 와 A16SG는 첨가량이 낮을수록 입도가 작고 안정성이 증가하는 것을 볼 수 있다.
구리 CMP 공정에서 슬러리의 분산 안정성을 개선하기 위해 각기 다른 계면활성제를 첨가한 본 실험어)서, 계면활성제를 milling 후에 첨가함으로써 충분한 milling에 의해 재분산된 알루미나 연마제에 계면활성제가 흡착되어 안정성이 향상되는 것을 알 수 있었다. 산화제인 HN₆를 milling 후에 첨가하는 것은 입도와 pH가 milling 전에 첨가한 것보다 낮아졌는데 이는 슬러리에 첨가되는 산화저], pH 조절제, 막형성제 등의 이온들이 milling 전에 알루미나의 표면에 흡착되어 입자의 응집을 촉진하는 것을 방해하기 때문이다.
산화제인 HN₆를 milling 후에 첨가하는 것은 입도와 pH가 milling 전에 첨가한 것보다 낮아졌는데 이는 슬러리에 첨가되는 산화저], pH 조절제, 막형성제 등의 이온들이 milling 전에 알루미나의 표면에 흡착되어 입자의 응집을 촉진하는 것을 방해하기 때문이다. 그러므로 슬러리 제조시 pre-mixing 초기에 KOH를 비롯한 pH 조절제를 첨가하는 것에 비해 슬러리 저】조 후 추가로 혼합하는 것이 슬러리의 안정성이나 입도 면에서 우수할.것으로 생각된다.
정하였다. 분자량은 Brij 35(MW=1198)와 같이 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 1.
0 wt% 이상이면 안정성이 떨어지는 것을 볼 수 있었다. 따라서 비이온성 계면활성제를 슬러리의 안정성을 위해 첨가하기 위해서는 분자량이 약 500, 000 정도가 가장 우수한 조건인 것으로 판단된다. 이상의 결과를 가지고 향후 구리 CMP 공정에 적용시킨다면 반도체소자의 수율 향상에 크게 개선이 될 것이라 생각되며, 앞으로도 최적의 음이온성 계면활성제를 찾아내고 구리와 TaN 박막의 제거율' 및 WIWNU, WTWNU 테스트를 통해 최종적으로 사용되어질알루미나 연마제를 선별하는 등 이 분야에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

후속연구

5%) 합금과 비교하여 전기 저항율이약 절반 정도에 불과해 회로의 RC 지연시간이 작으므로, 소자의 크기를 줄여주면서 고속도화 시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 기존의 A1 배선을 사용하면 전원선의 젼위 강하를 억제하기 위해 선폭을 넓게 해야하기 때문에 칩 면적의 증대가 부득이 하지만, 저 저항 구리배선을 이용하면 패턴룰을 느슨히 하지 않은 상태에서 전위강하률 억제시킬 수 있기 때문에 향후 반도체 생산에 있어 구리 배선을 위한 CMP 기술에 대한 연구가 필수적이다.[2] 그러나 이러한 구리 CMP 기술이 반도체 칩 제조에 있어 꼭 필요함에도 불구하고, CMP 공정중 발생하는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 안정성 문제로 인해 스크래치를 발생시켜 웨이퍼 표면에 손상을 주는 등 소자 수율에 막대한 영향을 주는 문제점들에 대한 메카니즘 규명이 제대로 이루어지지 않은 상태이다, 따라서 본 연구에서는 구리 CMP 공정 과정에서 생기는 슬러리의 뭉침 현상과 분산 상태를 개선하기 위하억 각기 다른종류의 계면활성제를 첨가하여 그에 따른 특성들을 측정하였다.
따라서 비이온성 계면활성제를 슬러리의 안정성을 위해 첨가하기 위해서는 분자량이 약 500, 000 정도가 가장 우수한 조건인 것으로 판단된다. 이상의 결과를 가지고 향후 구리 CMP 공정에 적용시킨다면 반도체소자의 수율 향상에 크게 개선이 될 것이라 생각되며, 앞으로도 최적의 음이온성 계면활성제를 찾아내고 구리와 TaN 박막의 제거율' 및 WIWNU, WTWNU 테스트를 통해 최종적으로 사용되어질알루미나 연마제를 선별하는 등 이 분야에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

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