Chemical mechanical polishing(CMP) process is widely used for global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure, whic...
Chemical mechanical polishing(CMP) process is widely used for global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure, which affect yield. In this paper, for the improvement of CMP process, deionized water (DIW) pressure, purified $N_2 \; (PN_2)$ gas, slurry filter and high spray bar were installed. Our experimental results show that DIW pressure and $PN_2$ gas factors were not related with removal rate, but edge hot-spot of patterned wafer had a serious relation. Also, the filter installation in CMP polisher could reduce defects after CMP process, it is shown that slurry filter plays an important role in determining consumable pad lifetime. The filter lifetime is dominated by the defects. However, the slurry filter is impossible to prevent defect-causing particles perfectly. Thus, we suggest that it is necessary to install the high spray bar of de-ionized water (DIW) with high pressure, to overcome the weak-point of slurry filter. Finally, we could expect the improvements of throughput, yield and stability in the ULSI fabrication process.
Chemical mechanical polishing(CMP) process is widely used for global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layer and inter-layer dielectric (ILD) for deep sub-micron technology. However, as the IMD and ILD layer gets thinner, defects such as micro-scratch lead to severe circuit failure, which affect yield. In this paper, for the improvement of CMP process, deionized water (DIW) pressure, purified $N_2 \; (PN_2)$ gas, slurry filter and high spray bar were installed. Our experimental results show that DIW pressure and $PN_2$ gas factors were not related with removal rate, but edge hot-spot of patterned wafer had a serious relation. Also, the filter installation in CMP polisher could reduce defects after CMP process, it is shown that slurry filter plays an important role in determining consumable pad lifetime. The filter lifetime is dominated by the defects. However, the slurry filter is impossible to prevent defect-causing particles perfectly. Thus, we suggest that it is necessary to install the high spray bar of de-ionized water (DIW) with high pressure, to overcome the weak-point of slurry filter. Finally, we could expect the improvements of throughput, yield and stability in the ULSI fabrication process.
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문제 정의
Water)의 압력 및 정제된질소(Purified N2 : PN2) 가스를 첨가하여 식각율과패턴된 웨이퍼에서 평탄도를 알아본 후, 연마장치의슬러리 공급 라인에 필터를 설치하여 필터 크기에 따른 결함 밀도(defect density)등의 분석을 통해 슬러리 필터의 장점을 제시하였다. 마직막으로 pre-wet법과 HSB(high spray bar)를 설치하여 연마효율을 개선시킬 수 있는 대체 방안에 대해 검토하였다.
제안 방법
그림 1(a)는 본 실험에서 사용된 IPEC 사의 Avanti 472 CMP 연마기를 개략적으로 보인 것으로캐리어 헤드의 클리닝 효과는 연마기의 헤드 클리링스테이션(head cleaning station)에서 DIW 압력과 PN2 가스를 파라메터로 하여 평가하였다. 연마 패드는 RODEL사의 IC1000/Suba-IV을 사용하였으며 슬러리는 CABOT사의 K0H 계열인 퓸드 실리카 연마제를 사용하였다.
따라서 본 논문에서는 CMP 연마 시스템에 공급되는 여러 설비 요소들과 결함과의 의존성을 분석하기위해 먼저 탈이온수(D. I. Water)의 압력 및 정제된질소(Purified N2 : PN2) 가스를 첨가하여 식각율과패턴된 웨이퍼에서 평탄도를 알아본 후, 연마장치의슬러리 공급 라인에 필터를 설치하여 필터 크기에 따른 결함 밀도(defect density)등의 분석을 통해 슬러리 필터의 장점을 제시하였다. 마직막으로 pre-wet법과 HSB(high spray bar)를 설치하여 연마효율을 개선시킬 수 있는 대체 방안에 대해 검토하였다.
그리고 CMP 장비의 바로 앞쪽에 있는 슬러리 공급부에 POU 필터를 설치하였다. 연마 후 스크래치의 수는 KLA 2135와 Tencor 사의 AIT(advanced inspection tool)을 사용하였고 슬러리 필터의 사용 유무에 따른 슬러리의 입자 크기 분포는 PSS (particle sizing system) 인 AccuSizer 780을 사용하여 비교하였다.
연마되는 웨이퍼의 장수가 많아질수록 패드 위에 적층된(stacked) 큰 입자들의 수가 증가하여 결과적으로 결함 밀도도 증가하였다. 이렇게 패드 위에 적층 되는 큰 입자들을 감소시켜 주기 위해 DIW-HSB를 설치하였다.
대상 데이터
가스를 파라메터로 하여 평가하였다. 연마 패드는 RODEL사의 IC1000/Suba-IV을 사용하였으며 슬러리는 CABOT사의 K0H 계열인 퓸드 실리카 연마제를 사용하였다. 그리고 CMP 장비의 바로 앞쪽에 있는 슬러리 공급부에 POU 필터를 설치하였다.
이론/모형
그림 2는 본 논문에서 제안하는 HSBthigh spray bar)를 보인 것으로 연마 동안 패드 위에 적층되는슬러리 입자들을 제거시켜 주기 위해 DIW-HSBf- 설치하였다. 또한, 이와 병행하여 pre-wet법을 적용하였는데, 여기서 pre-wet는 150 ml/min.
또한, 이와 병행하여 pre-wet법을 적용하였는데, 여기서 pre-wet는 150 ml/min.의 슬러리유속을 갖는 주(main) 연마 공정이 시작되기 전에연마 패드를 습(wet)하게 만들어 주기 위해 700 n〃min.
성능/효과
여과 필터가 없는 경우에는 연마 패드 위의 웨이퍼 사용수가 대략 304 번째 우』이퍼에서부터 1 ~ 3개의 마이크로 스크래치에 의한결함밀도를 보이기 시작하여 연마가 더 진행될수록 6 〜 7개 정도의 결함밀도를 보였다. 0.5 伽의 여과필터가 장착되었을 때는 각각 650 번째 웨이퍼에서부터 740 번째의 웨이퍼까지 비교적 많은 7개에서 15개 정도의 결함밀도가 현저하게 나타남을 볼 수있다. 그러나 840 번째의 웨이퍼에서부터는 거의 20 개 정도의 큰 결함밀도를 보이는 것으로 이는 슬러리 필터의 수명에 따른 여과 능력의 감소도 있겠지만 주된 원인은 많은 수의 웨이퍼 연마를 진행한 결과 소모품인 연마 패드가 수명을 다했음을 의미하는것이다.
CMP 공정에서 마이크로 스크래치로 인한 결함을제거하기 위하여 DIW 압력, PN2 가스의 첨가 효과를 분석해 본 결과, 웨이퍼 가장자리 영역의 hot spot 현상을 DIW 압력으로 완벽히 제거할 수는 없었으나 PN2 가스를 첨가시킴으로써 양호한 평탄도를얻을 수 있었다. 또한 슬러리의 응고에 의한 스크래치를 웨이퍼 표면에서 제거하기 위하여 슬러리 필터장치를 연마 장비 전단과 슬러리 공급 장치 후단에각각 설치해 본 결과, 여과 필터의 크기가 0.
따라서 비교적 큰 슬러리 입자들이 CMP 연마기로 유입하지 못하게 하기 위해 더 조밀한 필터를 사용할 수도 있겠으나 결함이 전혀 없도록 완벽하게 여과시키는 것은불가능하였다. 따라서 웨이퍼 연마가 계속 진행될수록 패드 위에 계속 쌓이는 슬러리 입자들을 줄여 패드 수명을 개선하기 위한 방법으로 적당한 슬러리유속을 갖는 pre-wet 법과 높은 압력의 DIW-HSB 방법이 더 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 이는결국 필터의 효율을 향상시키면서 동시에 결함들을현저히 줄이고 공정 균일도를 향상시킴과 동시에 소자 수율(yield)도 증가시킬 수 있으며, 연마 소모품 (consumable)인 패드의 사용 수명을 연장시킴으로써제조 단가를 낮출 수 있을 것으로 '생각된다.
수 있었다. 또한 슬러리의 응고에 의한 스크래치를 웨이퍼 표면에서 제거하기 위하여 슬러리 필터장치를 연마 장비 전단과 슬러리 공급 장치 후단에각각 설치해 본 결과, 여과 필터의 크기가 0.5 伽의경우가 가장 우수한 효과를 나타내었다. 따라서 비교적 큰 슬러리 입자들이 CMP 연마기로 유입하지 못하게 하기 위해 더 조밀한 필터를 사용할 수도 있겠으나 결함이 전혀 없도록 완벽하게 여과시키는 것은불가능하였다.
나타낸 것이다. 비교적 낮은 DIW 압력에서는작은 발생 빈도수를 보이다가 30 〜 35 psi의 DIW 압력에서 가장 많은 빈도를 나타내었고, 표준에 가까운 40 psi의 DIW 압력 이상에서는 hot spot가 전혀발생하지 않았다.
이고 슬러리 필터를 사용하였을 때 결함밀도를 나타낸 것이다. 연마되는 웨이퍼의 장수가 많아질수록 패드 위에 적층된(stacked) 큰 입자들의 수가 증가하여 결과적으로 결함 밀도도 증가하였다. 이렇게 패드 위에 적층 되는 큰 입자들을 감소시켜 주기 위해 DIW-HSB를 설치하였다.
후속연구
또한 HSB를 설치하지 않았던 결과인 그림 6에서는 연마된 웨이퍼의 장수가 400 개 이상일 때부터 결함밀도가 점차 증가하기 시작하였으나 HSB를 설치한 경우에는 600 장까지 웨이퍼를 연마한 후에도 여전히 결함밀도는 상당히 낮게 분포하고 있음을 알 수 있다. 결론적으로 적당한 슬러리 유속을 갖는 pre-wet법과 DIW-HSB 방법을 통해 앞서 논의되었던 슬러리 필터의 여과 능력의 한계를 해결함으로써 궁극적으로는 패드의 수명을개선시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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