단결정과 다결정 실리콘 웨이퍼에서 슬러리 유무에 따른 화학적 기계적 연마 기구

Abstract

실리콘은 자연적으로 풍부 하여 낮은 비용으로 초기 재료를 만들 수 있고, 반도체 공정에서의 실리콘은 높은 성능의 전기 절연막으로 사용 되는 산화막을 쉽게 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 단결정 실리콘 웨이퍼를 만드는 공정에는 두 가지의 연마 공정이 있다. 첫 번째는 기계적인 효과를 이용한 연마 공정이고 다른 하나는 화학적인 요소가 중요시 되는 화학적 기계적 연마 공정이다. 이 두 가지 공정 중에 스크래치와 표면의 오염 물질을 제거 하기 위하여 사용 하는 공정은 화학적 기계적 연마 공정이다. 따라서, 웨이퍼를 제조 하는 공정에서는 화학적 기계적 연마 공정이 매우 중요하다. 다결정 실리콘은 STI(shallow trench isolation) 그리고SAC (self aligned memory cell contact pad) 공정을 포함 하고 있는 DRAM 공정과 마찬가지로 IC 제조 공정에서 부속품의 일부로 사용 된다. 이것은 또한 RCAT(recess channel array transistor) 그리고 3차원 FinFET의 제조 안에서 다결정 실리콘의 높은 거칠기를 감소 시켜야 하는 공정이 필요로 한다. 일반적으로, 실리콘 웨이퍼의 화학적 기계적 연마공정에 사용 되는 연마액의 조성은 연마 입자가 주요 요소로 사용 되고 있으며, 그 외에 연마액의 pH를 조절 할 수 있는 pH 적정제, 표면을 부식 시킬 수 있는 용액 그리고 초 이온수로 이루어져있다. 실리콘 웨이퍼의 화학적 기계적 연마 공정을 조사해 보면, 화학적 기계적 연마를 하기 위해 사용 되는 연마용액 안에서는 다양한 첨가제들이 화학적 기계적 연마를 하기 위하여 매우 중요한 요소로 알려져 있다. 일반적으로, 화학적 기계적 연마 공정에는 연마 입자, 연마 용액 그리고 연마 패드와 함께 이루어져서 공정이 진행 된다. 보편적으로 화학적 기계적 평탄화를 하게 되면 연마용액 안에 들어 있는 연마입자에 의해서 몇 가지의 문제점이 발생함을 알 수 있다. 연마 입자에 의해서 나타나는 문제점 중에 가장 크게 문제가 되는 것은 웨이퍼 표면에 형성되는 오염과 스크레치를 가장 큰 문제로 볼 수 있다. 이 논문에서는 연마용액과 연마입자가 없는 용액을 이용 하여 단결정과 다결정의 연마 기구를 연구 하였다. 연마 용액의 pH의 변화에 따른 연마 기구를 알아보기 위하여 우선 화학적인 부분과 기계적인 부분으로 나누어 살펴 보았다. 우선 화학적인 효과를 비교 하기 위하여 연마용액 안에서의 부식 정도를 비교 하였으며, 기계적인 효과를 비교 하기 위하여 실제 화학적 기계적 연마 거동 중에 형성 되는 패드의 온도와 웨이퍼의 마찰력을 측정 하여 서로 비교 하였다. 그 결과, 단결정 실리콘 웨이퍼의 부식 정도는 다결정 실리콘 웨이퍼 보다 높았으며, 연마율 역시 단결정 실리콘 웨이퍼가 높음을 알 수 있었다. 반면에, 다결정 실리콘 웨이퍼의 마찰력과 패드 온도는 단결정 실리콘 웨이퍼 보다 높음을 알 수 있었다. 이러한 결과들로 인하여, 화학적 기계적 연마 공정을 할 때 다결정 실리콘 웨이퍼의 경우 기계적인 요소를 많이 받으며, 단결정 실리콘 웨이퍼의 경우 화학적인 요소를 많이 받는 다는 것을 알 수 있었다. 위의 결과를 이용 하여 화학액만을 가지고 웨이퍼의 부식 되는 정도를 이용 하여 웨이퍼의 평탄화 공정을 시행 할 수 있었다. 슬러리가 없이 웨이퍼의 회전만을 가지고 평탄도 및 부식되는 정도를 높일 수가 있어서 화학적 기계적 연마 후의 세정 공정으로 적합하다고 사료 된다.