Development of CMP slurry for the Application of InGaAs to Next Generation Semiconductor Device

Abstract

화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization)는 지난 30 년 동안 반도체 제조 산업에서 가장 중요한 기술 중 하나로 자리잡고 있다. 고성능 및 저전력 로직 디바이스에 대한 요구가 점차 증가함에 따라 기존 사용해오던 재료를 통해 제작하는 디바이스는 물리적, 구조적 한계에 도달할 것이다. 이를 해결할 수 있는 차세대 재료로써 III-V 재료를 포함하는 반도체 디바이스에 대한 연구가 진행되고 있다. 갈륨인듐비소는 실리콘에 비해 전자 이동도(Electron mobility)가 7 배 높은 갈륨인듐비소(In0.53Ga0.47As)는 고 전자 이동성 트랜지스터 (HEMT)에 대한 유망한 후보이며, 채널에서 재료를 구현하려면 여러 CMP 단계가 필요하다. 하지만 갈륨인듐비소 재료에 대한 연구가 시작된지 얼마 되지 않아. 수 차례의 CMP 가 필수적임에도 불구하고 Slurry 에 대한 많은 개발이 이루어지지 않았다. III-V 재료 CMP 분야에서 인화인듐(InP)등에 대한 연구는 있다. 그러나 InGaAs CMP 에 대한 연구는 없었다. 따라서 InGaAs CMP 를 하기 위해 필수적인 InGaAs Slurry 에 대한 연구를 체계적으로 진행하였다. Slurry 의 필수요소인 연마입자(Abrasive particle), 산화제(Oxidatnt), 초순수(UPW) 의 첨가와 배합에 따른 기본적인 InGaAs 막질의 연마율(Removal rate)과 각 조건에 따른 표면의 거칠기(Surface Roughenss)를 연구하였다. 산화제를 첨가하지 않은 연마입자에 의한 기계적 연마율에 대한 연구에서는 연마율이 큰 변화를 보이지 않았고, 실리카 입자만에 의한 기계적 마모는 제한적이라는 결론을 얻었다. InGaAs CMP slurry 내 산화제를 첨가하는 경우 연마율이 향상됨을 확인할 수 있었고, InGaAs 표면 산화가 연마에 핵심적인 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 산화에의한 부동태피막(Passivation layer)가 생성되는 것이 InGaAs 연마 메커니즘(Mechanism)에 핵심적인 역할을 하는 것을 확인했다. InGaAs CMP 시 슬러리 pH 변화에 의한 연마율에 유의미한 변화를 보였다. 산화제를 첨가하는 경우 InGaAs 연마율이 향상하였으며, 산성에서 중성, 염기성에 비하여 낮은 연마율을 나타냄을 보였다. 또한, 산성 슬러리에서 상대적으로 낮은 연마 효율을 보였다. 슬러리 pH 에 따라 연마율이 상이하다. InGaAs 표면 산화막의 성장 속도가 다르기 때문인데, 산성 슬러리에서 InGaAs 의 산화막이 느리게 성장하는 것을 확인할 수 있었고, 산성 슬러리에서 연마율이 가장 낮음을 확인했다. InGaAs 연마 후 거칠기는 AFM(Atomic Force Microscopy)를 통해서 표면을 직접 분석하였다. 표면거칠기는 알칼리 슬러리로 연마하는 경우 표면의 거칠기가 증가함을 보였으며, 표면 오염은 산성, 중성 슬러리에서 증가했다. InGaAs 연마 후 XPS 를 통한 표면분석을 통해 알칼리 슬러리로 연마하는 경우 상대적으로 indium 산화물은 증가하며, gallium, arsenic 산화물은 감소함을 보였다. 산화물간 용해도 차이에 의한 표면 거칠기가 증가하였다. 때문에 알칼리 분위기의 슬러리는 사용에 부적합함을 확인하였다. 고성능 슬러리를 제작하기 위해서 할로겐원소가 첨가 된 슬러리를 제작하였으며, 연마율은 증가하고 표면의 오염은 줄어드는 결과를 얻었다.|In this study, the characteristics were evaluated through the development of a slurry required for chemical mechanical polishing (CMP) of In0.53Ga0.47As, an III-V material. As the need for high performance and low-power logic devices increases, semiconductor devices incorporating III-V materials have been considered as next-generation semiconductor devices. In0.53Ga0.47As is a promising candidate for the high-electron-mobility transistor (HEMT) and several CMP steps are required to implement the materials in the channel. The removal rate (RR) and surface roughness (Ra) of the InGaAs surface was measured after polishing in slurries as a function of pH. The removal rate (RR) of the InGaAs surface was different in the CMP proceeding through the slurry at pH 3, 7, 10. The highest removal rate was achieved in neutral pH, but heavy contamination of slurry particles was observed. The alkaline slurry showed a removal rate of 130 nm/min without any slurry particles on the polished surface. However, the surface roughness (Ra) increased to 1.4 nm. The acidic slurry showed the lowest RR but resulted in a very smooth surface with lower particle contamination. The RR and surface quality were related to the reaction and oxidation mechanism of InGaAs in slurry chemistry.