The Adhesion and Removal Mechanism of Abrasive Particles on Wafer Surfaces during Cu, STI and Poly Silicon CMP and Their Post CMP Cleanings

Abstract

Cu, STI (shallow trench isolation) 그리고 poly Si CMP (chemical mechanical planarization)공정 후에 다양한 막질의 wafer 표면 (Cu, Barrier materials, Low-k materials, SiN, TEOS, poly Si 등)으로부터 오 염입자를 줄이기 위해, 새로운 post CMP 세정액 개발 (post CMP cleaning solution)과 입자오염의 부착 및 제거기구에 관해 연구가 진행되었다. CMP 공정 후, wafer 표면의 quality와 입자오염, 스크래치와 같은 여러 defect 요소는 보다 나은 integration 공정을 위해 아주 중요한 사항으로 고 려된다. Cu CMP 공정의 경우, 연마입자와 스크래치는 IC (integration circuit) 제조에 큰 걸림돌이 되어 오고 있으며, STI와 poly Si CMP 공정의 경우에서는 단일막질이 아니라 여러 다양한 막질의 동시적으로 CMP공정 중 slurry에 노출되게 된다. STI와 SAC (self aligned memory cell contact pad) 구조와 같은 다양한 이종막질을 가지는 patterned wafer에서는 각각 의 단일 막질에 비해 다른 particle interaction force (입자 상호작용력)가 예측되었다. CMP공정 중과 후에는 각종 고려할 사항에 따라, 입자와 wafer 표면간의 interaction (상호작용력)이 연마율과 입자오염, 스크래치와 같은 quality에 중요한 역할을 할 것으로 예측되었다. 그러나, CMP공정에서의 입 자의 부착과 제거에 관한 이론적 기구, CMP공정 중 friction force 그리고 젖음성 (wettability)에 관해 아직 연구가 되어 있지 않은 실정이다. 게다가 CMP 후 세정액에서의 pH 및 첨가제의 효과 역시 아직 제대로 연구되지 못 하고 있다. 따라서 CMP와 post CMP cleaning 공정 중 연마입자와 wafer 표면간 상호작용력의 이해를 위해, 부착력 (adhesion force), 마찰력 (friction force), 화학적 흡착, pH 그리고 젖음성과 같은 다양한 측면에서 연구를 진행하였다. Cu CMP에서 wafer와 연마입자간 공정 마찰력과 연마입자 부착력은 Cu 표면의quality평가에 대해 실험적으로 평가되었다. 가장 높은 마찰력과 입자부착력은 초순수액(DI water)에 분산된 알루미나(Al₂O₃) 슬러리에서 관측되었다. 반면, 가장 낮은 공정 마찰력과 연마입자의 부착력은 citric acid가 첨가된 알루미나 연마입자의 슬러리에서 관측되었다. 실리카(SiO2) 연마입자의 슬러리에서는 citric acid 첨가에 관계없이 공정 마찰력과 연마입자의 부착력은 크게 그 값이 변화하지 않았다. 이러한 차이는 citric acid에 의한 citric ions들이 알루미나 연마입자에는 잘 흡착을 하지만, 실리카 연마입자에는 상대적으로 적게 흡착한다는 것을 나타내었고, 제타포텐셜 측정에 의해 알루미나 연마입자의 전하반전 (positive charge to negative charge)이 입증되었다. CMP공정 중에서는 wafer와 연마입자 사이간 높은 연마입자 부착력은 높은 마찰력의 결과로 나타나게 되었다. 또한, 심각한 오염입자와 스크래치의 발생이 높은 연마입자 부착력과 마찰력에서 함께 관찰되었다. Cu CMP공정에서는 Cu wafer만 사용되는 것이 아니라, barrier layer와 low-k materials이 동시에 적용된다. 따라서 Cu, Ta, SiLK™, Aurora, FSG (fluorine-doped silicate glass)의 다양한 막질에 대해 알루미나 연마입자에 대한 입자 부착력과 제거력을 슬러리내에서 pH에 따라 이론적 방법과 실험적 방법으로 연구를 진행하였다. 가장 낮은 연마입자 부착력은 pH 11의 슬러리 용액에서 FSG wafer와 알루미나 연마입자 사이에서 측정이 되었으며, 이론적인 부착력 결과값 역시 가장 repulsive한 값으로 계산되었다. 염기성 슬러리는 Cu CMP 공정 중에서 입자오염의 수준을 제어하는데, 아주 효과적이였다. 슬러리의 pH와 표면의 제타포텐셜은 interaction force를 제어하는데 중요한 역할을 하였다. Cu CMP 후, Cu 막질으로부터 2차 슬러리로 사용된 실리카 연마입자의 효과적인 제거를 위해 세정액 (post Cu CMP cleaning solution)의 개발이 진행되었다. 첨가제의 효과와 첨가제에 따른 실리카 연마입자와 Cu 막질의 adhesion force가 citric acid based-post Cu CMP cleaning solution 내에서 실험적, 이론적으로 평가되었다. 실리카 연마입자와 Cu 막질의 제타포텐셜은 citric acid의 citrate ions 흡착에 의해 조금 더 negative한 값을 가졌다. Cu 막질 위에서의 실리카 입자의 adhesion force는 citric acid 농도가 증가함에 따라 더욱 repulsive한 electrostatic force (전기적 척력) 증가로 인해 감소하였다. 비록 실리카입자에 대한 citric acid 흡착은 지배적이지는 않지만, 보다repulsive한 힘은 세정액내에서 연마입자 부착력을 약화시키는데 영향을 주었다. Citric acid based 세정액에 대한 TMAH (tetra methylammonium hydroxide) 첨가는 (CH₃)₄N^(+) 이온의 흡착으로 positive한 제타포텐셜 결과를 가짐으로써 연마입자의 부착력을 증가시켰다. 반면, NH4OH첨가는 pH를 산성에서부터 중성으로 적정하도록 하였으며, negative한 제타포텐셜을 나타내었으며, 가장 낮은 연마입자 부착력을 나타내었다. 높은 연마입자의 제거효율은 세정액내에서 가장 낮은 입자부착력을 가졌을 때 발견이 되었다. DRAM (dynamic random access memory) 제조를 위한 STI와 poly Si CMP 공정에서는 각각 세리아 (CeO₂) 연마입자와 실리카에 대한 각각의 막질들 (poly Si, TEOS, SiN, SAC, STI patterned wafers)에 대한 입자부 착력과 제거력이 슬러리의 pH에 대해 실험적으로 이론적으로 평가되었다. 실리카 연마입자의 가장 강한 입자부착력은 poly Si 막질에서 산성 분위기의 슬러리 용액에서 관찰되었다. 세리아 슬러리는 실리카 슬러리에 비해 전구간 pH 슬러리에 대해 상대적으로 약한 입자 부착력을 가졌으며, STI patterned wafer에서의 세리아 연마입자의 부착력 실험결과 역시 낮은 입자부착력을 나타내었다. Wafer에 대한 낮은 연마입자 부착력은 입자오염의 수준을 낮추는 결과를 보여주었다. Poly Si CMP 공정 후에는 유기 오염물 (organic contamination)로 간주되는 입자오염이 관찰되었다. 이에 대표적인 CMP 공정 중의 유기 오염물인 pad particle을 사용하여, poly Si CMP 공정 중 poly Si wafer표면의 젖 음성 (wettability) 특성에 대해 pad particle의 입자 부착력과 제거력을 실험적으로 평가하였다. 과산화수소 용액은 슬러리내에서 산화제로 소수성 (hydrophobic)의 poly Si 표면을 쉽게 친수성 (hydrophilic)으로 만들어 주었다. Poly Si wafer와 abraded pad particle의 입자 부착력은 과산화수소의 첨가농도가 높아짐에 따라 점차 감소하고 최종적으로 포화되었다. 또한 hydrophobic한 poly Si 표면에서는 hydrophilic한 poly Si에 비해 많은 water marks를 poly Si 표면에 가졌으며, 이들 water marks는 대표적인 organic 오염물인 abraded pad particle을 붙잡아 두는 오염 메커니즘을 가졌다. Hydrophobic한 poly Si표면에서의 wettability와 높은 입자오염 부착력은 poly Si CMP 공정에서 wettability와 입자부착력제어가 유기물 오염원을 제거하는데 주요한 세정 메커니즘임을 보여주었다.; The adhesion and removal mechanism of contaminant particles and novel post CMP cleaning solutions were investigated for reducing the contamination on the various wafer surfaces during and after Cu, STI and poly Si CMP (chemical mechanical planarization) process. After CMP process, control of surface quality and defects such as particle contamination and scratches was very important to make better integration process. In Cu CMP process, the residue of abrasive particles and scratches that remain on the wafer surfaces become a great challenge in IC fabrication. In the STI (shallow trench isolation) and poly Si CMP process, not a single film, but various materials were simultaneously exposed with abrasives in slurry. It expected that patterned wafers which contain different kinds of materials such as STI and SAC (self aligned memory cell contact) structures have a different particle interaction force in compared with only single film. Among many factors, the interaction between particles and surface during and after CMP may play an important role in determining the process quality such as removal rate, particle contamination and scratches. However, the adhesion and removal mechanism, any effect of wettability and friction behavior during CMP have not reported yet. Moreover, effect of additives and pH in the slurry and post CMP cleaning solution were not sufficiently studied. In order to understand the interaction between abrasive particle and wafer surface during CMP and post CMP cleaning process, many factors such as adhesion, friction force, chemistry adsorption, pH and wettability were investigated. The effect of frictional and adhesion forces attributed to slurry particles on the quality of copper surfaces was experimentally investigated during Cu CMP process. The highest frictional force and adhesion force were observed in a DI water-based alumina slurry. On the other hand, the smallest frictional force and adhesion force were measured in an alumina slurry containing citric acid. However, frictional and adhesion forces of silica particles in the slurry were not significantly changed regardless of the addition of citric acid. These differences were explained by the strong adsorption of citric ions on alumina but not on silica, which was verified by the charge reversal of alumina in zeta potential measurements. Higher particle adhesion forces resulted in higher friction. Higher magnitude of particle contamination and scratches was observed on polished Cu surface in slurry condition with higher adhesion and friction forces. The study on the effects of slurry pH on the adhesion and removal of abrasive particles on various materials of Cu, barrier layer and low-k material surfaces such as SiLKTM, Aurora and FSG (fluorine-doped silicate glass) wafer surfaces was experimentally and theoretically investigated in Cu slurry solutions. The lowest adhesion force and smallest number of alumina particles were measured between alumina particle and FSG surface in a slurry solution of pH 11. Alkaline slurry was much more desirable in controlling the level of particle contamination during Cu CMP. The pH of the slurry and zeta potentials of the surfaces played important roles in controlling the interaction force. After Cu CMP process, the adhesion force of silica particles to Cu films and the role of additives on adhesion and removal of particles have been theoretically and experimentally investigated in citric acid based post Cu CMP cleaning solutions. The zeta potential of silica and Cu slightly decreases when citric acid is added due to the adsorption of citrates. Citric acid is adsorbed on silica and Cu surfaces, resulting in more negative charges on these surfaces. The adhesion force of silica particles on Cu slightly decreases as the citric acid concentration increases due to more repulsive electrostatic interaction between surfaces. Although citric adsorption was not dominant on the silica surface, slightly repulsive forces influence on the particle adhesion when citric acid was added in the solution. The addition of TMAH (tetra methyl ammonium hydroxide) to citric acid increases the particle adhesion force. However, the addition of NH4OH results in the lowest adhesion forces. The highest particle removal efficiency is observed when using cleaning solutions that yields the lowest adhesion force. In the STI and poly Si CMP process for the DRAM (dynamic random access memory) fabrication, the effects of slurry pH were studied on the adhesion and removal of silica and ceria abrasive particles on the poly Si, TEOS, SiN and SAC and STI patterned wafer surfaces. The adhesion force of silica and ceria particles were also theoretically and experimentally investigated in STI and poly Si CMP process. A stronger adhesion force was observed for silica particles on the poly Si wafer in acidic rather than in alkaline solutions. The adhesion force of ceria particle was lower than that of silica in investigated pH ranges. STI patterned wafer showed lower adhesion force than SAC patterned wafer. Lower adhesion force between particles and surface resulted in a lower level of particle contamination. After poly Si CMP process, the large amount of the particle contaminations which considered as an organic residue was observed on the poly Si wafer surface. The adhesion and removal of the polymeric residues were investigated as a function of wettability of the poly Si surface during poly-Si CMP process. The H2O2 solution makes easily hydrophilic surface and acts as a surface oxidant on the poly Si surface. Adhesion force between pad particle and poly Si wafer decreased and saturated as a function of concentration of H2O2. Much more pad particles with water marks were observed at hydrophobic poly silicon surfaces than that of hydrophilic. The mechanism of wettability and high adhesion force of hydrophobic surfaces indicates that the controlling of the wettability of wafer surface played an important role in the adhesion and removal force of organic residues on the poly Si surface.