CMP 공정에서 콜로이달 실리카 슬러리의 알칼리 첨가제가 Poly-Si 필름의 연마율과 Oxide 필름과의 연마선택비에 관한 연구

Abstract

본 연구는 poly-Si CMP 공정에서 사용되는 colloidal silica 슬러리에 첨가된 알칼리 첨가제가 첨가제의 종류와 농도에 따라 웨이퍼 상의 poly-Si 필름과 베리어로 사용되는 oxide 필름의 CMP 진행 후 첨가제가 슬러리에 미치는 특성 및 각 필름의 연마율, 선택비에 미치는 영향에 대한 연구이다. 소자의 디자인 룰이 작아질수록 기존 poly-Si gate를 만드는 etch-back 법은 공정 및 수율 면에서 많은 어려움을 겪고 있는 것이 사실이다. 이를 극복하기 위해서 적용된 poly-Si CMP는 기존의 etch-back 공정으로 인한 문제점들이 대두되면서 65nm 이하급 NAND Flash Memory의 floating gate에 적용되는 CMP 공정은 기존 etch-back 법보다 보다 효율적인 광역평탄화를 이루어주고 웨이퍼 전면부의 topography를 줄이고 셀 간격의 감소로 인한 coupling effect을 줄여주어 floating gate의 charge 및 discharge를 원활하게 해주는 것이 poly-Si CMP 이다. 본 연구에서는 현재 공정에 사용중인 상용 colloidal silica 연마입자를를 기반으로 만든 한양대 poly-Si 슬러리를 사용하였다. colloidal silica의 연마입자 크기는 30~40nm급을 사용하였고, 각 슬러리는 pH를 염기성 base로 하였으며 non-ionic surfactant인 Hydroxyl Ethyl Cellulose (HEC), 유기 아민을 첨가하고 alkaline agent에 따른 영향을 연구하고자 각각 TMAH, KOH, NaOH (0~0.8wt%) 를 사용하였다. 이 슬러리를 사용하여 poly-Si과 Oxide 필름이 증착된 평판 웨이퍼의 CMP를 진행하여 각각의 첨가제의 첨가와 농도에 따른 연마율과 두 필름의 연마 선택비를 측정 분석 하였다. 결과적으로 알칼리 첨가제의 농도가 증가하면 poly-Si 필름의 연마율은 초기에는 증가하다가 꾸준히 감소하는 경향을 보이며, oxide 필름의 경우는 매우 낮은 연마율을 보이는데 이러한 결과로 인해 높은 연마 선택비의 특성을 가진다. 표면의 roughness는 알칼리 첨가제의 농도가 증가함에 따라서 거친 표면에서 점차 향상된 roughness를 가지는 경향을 나타내었다. 이러한 결과의 메커니즘은 poly-Si 필름 표면에 OH-작용기가 표면의 결합을 약하게 만들고 슬러리 내의 silica 입자가 약해진 결합을 끊어주는 것으로 추정된다. Silanol 그룹에 의해 높은 polarization과 Si-Si 의 후면 결합을 약하게 만드는 역할을 하는데 이는 poly-Si 필름과 슬러리에 첨가된 알칼리 첨가제의 화학적 반응에 의한 것으로 설명할 수 있는데 이는 contact angle 측정을 통하여 이 반응에 따른 연마면 표면의 소수, 친수 특성의 변화를 분석하여 확인 하였다.; Chemical mechanical planarization (CMP) has been the major process used to attain local and global planarity of integrated devices in the semiconductor manufacturing industry. The technique has been improved continuously to enable proper multilayer integrated circuit device fabrication. Understanding the chemical reactions between the slurry and various thin films during CMP helps facilitate the development of more efficient and effective planarization processes. Recently, the poly-silicon layer is employed as a floating gate in the manufacture of NAND flash memory, of which the design rule is below 65 nm because of high processing speed and stable storage performance. It is a great advantage for colloidal silica slurry with addition of alkaline agent and organic amines to offer high amorphoussilicon (a-Si) -to-oxide removal selectivity in the polishing performance. Through chemical mechanical polishing (CMP) tests using polysilicon and oxide blanket film wafers, the effects of alkaline agents added to colloidal silica slurries were investigated. With increasing concentration of the alkaline agent, a decreasing trend after an initial increase in the polysilicon removal rate was found, along with a low oxide removal rate, enabling high selectivity. The surface roughness similarly became worse and then better with increasing concentration of the alkaline agent. The results suggest a mechanism in which hydroxide bonds to the Si surface of the abrasives in the slurry and OH- attaches to the polysilicon surface. The silanol group induces high polarization and thus weakens the Si-Si back bonds. These results can be qualitatively explained in terms of the chemical reaction between the polysilicon surface and the alkaline agent in the slurry, according to the hydrophobicity and hydrophylicity as indicated by contact angle measurements.