웨이퍼 표면 평탄화 특성 향성을 위한 절연막과 텅스텐 연마 공정용 나노 입자 슬러리 설계

Abstract

본 연구에서는 shallow trench isolation (STI) 공정과 buried tungsten gate 공정을 위한 화학적 기계적 평탄화 (chemical mechanical planarization, CMP) 공정용 나노 입자 슬러리를 연구하였다. STI CMP공정용 슬러리에는 공침법으로 제조된 60 nm크기의 균일한 입자 분포의 세리아 입자를 사용하였다. 평탄화 성능 향상을 위해서, 공정 중 연마 작용에 기여하는 유효 입자의 수를 증가시키기 위한 방법으로 세리아 입자와 폴리 우레탄 연마 패드 간, 세리아 입자와 산화막 간의 인력을 증가시켰다. Picolinic acid를 ceria입자에 흡착 시켜서 세리아 입자와 폴리 우레탄 연마 패드 표면의 인력이 증가한 반응 메커니즘을 제시하였다. 세리아 입자와 산화막 간의 인력을 증가시키기 위해서 네 가지 아미노 산을 이용해서 슬러리는 제조하였다. DLVO 이론을 바탕으로 각각 네 가지 슬러리의 세리아 입자와 산화막 사이에 작용하는 힘의 크기를 계산하였다. 상호 인력의 크기가 클수록 산화막 표면의 단차 제거 성능 좋아지는 것을 확인하였다. Buried tungsten gate공정용 슬러리의 연마제로서 각각 30 nm, 70 nm, 200 nm 의 서로 다른 크기를 갖는 실리카 입자를 사용하였다. 각각의 입자로 제조된 슬러리로 연마 진행 후 텅스텐 막 연마 속도와 표면의 요철을 측정하였다. 200 nm 크기의 단일 입자 슬러리에 비해 세 가지 크기 입자들의 혼합 슬러리의 텅스텐 표면 거칠기가 110 nm에서 62 nm로 개선되었다. 혼합 입자의 텅스텐 표면 요철 제거 성능이 우수한 이유로 두 가지 기계적 관점과 한 가지 화학적 관점의 메커니즘을 제시하였다. 연마 속도 관점에서 서로 다른 세 가지 입자의 최적 조성을 구하기 위해서 확대 심플렉스 중심 설계법에 의해 실험을 진행했으며, 수치적 분석을 (아노바 분석) 통해 최적 비율을 제시하였다. 슬러리의 입자, 폴리 우레탄 연마 패드, 그리고 연마 막질 간의 상호 반응 제어를 통해서 산화막과 텅스텐막 연마 공정에서 가장 중요한 초기 평탄화 성능을 월등히 향상 시킬 수 있었다. 이 연구 결과가 향후 반도체 소자의 집적도 향상에 따른 더 높은 평탄화 성능을 가진 슬러리의 연구와 개발에 기여할 것으로 기대한다.