Electrochemical Characterization of Anti-Corrosion Film Coated Metal Conditioner Surfaces for Tungsten CMP Applications

Abstract

반도체 산업에서 회로의 고집적화와 다층구조를 형성하기 위해 화학적-기계적 연마(CMP: Chemical-Mechanical Planarization) 공정이 도입되었으며 반도체 패턴의 미세화와 다층화에 따라 화학적-기계적 연마 공정의 중요성은 더욱 강조되고 있다. 화학적-기계적 연마공정이란 화학적 반응과 기계적 힘을 동시에 이용하여 표면을 평탄화하는 공정으로, 화학적-기계적 연마 공정은 압력, 속도 등의 공정조건과, 화학적 반응을 유도하는 슬러리(Slurry), 기계적 힘을 위한 패드 등에 의해 복합적으로 영향을 받는다. 패드 컨디셔닝이란 컨디셔너가 화학적-기계적 연마 공정 중에 지속적으로 패드 표면을 연마하여 패드의 손상된 부분을 제거하고 새로운 표면을 노출시켜 패드의 상태를 일정하게 유지시키는 것을 말한다. 한편, 금속박막의 화학적-기계적 연마 공정에 사용되는 슬러리는 금속박막과 산화반응을 하기 위하여 산화제를 포함하는데, 산화제는 금속 컨디셔너 표면을 산화시켜 부식을 야기한다. 컨디셔너의 표면부식은 반도체 수율에 직접적인 영향을 줄 수 있는 스크래치(Scratch) 등을 발생시킬 뿐만 아니라, 컨디셔너의 수명도 저하시키게 되므로 이를 방지하기 위한 노력이 매우 중요하다. 본 연구에서는 컨디셔너 표면에 슬러리와 컨디셔너 표면 간에 일어나는 표면부식을 방지하기 위하여 유기박막을 표면에 증착하여 부식을 방지하고자 하였다. 컨디셔너 제작에 사용되는 금속인 니켈과 니켈 합금을 기판으로 하고, 증착된 유기박막으로는 자기조립단분자막(SAM: Self-Assembled Monolayer)과 불화탄소(FC: FluoroCarbon) 박막을 증착하였다. 자기조립단분자막은 2가지 전구체(Perfluoroctyltrichloro silane(FOTS), Dodecanethiol(DT))를 사용하여 기상 자기조립 단분자막 증착(Vapor SAM) 방법으로 증착하였고, 불화탄소막은 10 nm, 50 nm, 100 nm 두께로 PE-CVD(Plasma Enhanced-Chemical Vapor Deposition, SRN-504, Sorona, Korea) 방법으로 증착하여 표면의 부식특성을 평가하였다. 표면 부식 특성은 동전위분극법(Potentiodynamic Polarization)과 전기화학적 임피던스 측정법(Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS)) 등의 전기화학 분석법을 사용하여 평가되었다. 또한 측정된 임피던스 데이터를 전기적 등가회로(Electrical Equivalent Circuit) 모델에 적용하여 부식 방지 효율을 계산하였다. 동전위분극법과 EIS의 결과 분석으로부터 유기박막이 증착된 표면의 부식전류밀도가 감소하고, 임피던스가 증가하는 것을 확인하였다.Chemical Mechanical Planarization (CMP) is a polishing process used in the microelectronic fabrication industries to achieve a globally planar wafer surface for the manufacturing of integrated circuits. Pad conditioning plays an important role in the CMP process to maintain a material removal rate (MRR) and its uniformity. For metal CMP process, highly acidic slurry containing strong oxidizer is being used. It would affect the conditioner surface which normally made of metal such as Nickel and its alloy. If conditioner surface is corroded, diamonds on the conditioner surface would be fallen out from the surface. Because of this phenomenon, not only life time of conditioners is decreased, but also more scratches are generated. To protect the conditioners from corrosion, thin organic film deposition on the metal surface is suggested without requiring current conditioner manufacturing process. To prepare the anti-corrosion film on metal conditioner surface, vapor SAM (self-assembled monolayer) and FC (Fluorocarbon) -CVD (SRN-504, Sorona, Korea) films were prepared on both nickel and nickel alloy surfaces. Vapor SAM method was used for SAM deposition using both Dodecanethiol (DT) and Perfluoroctyltrichloro silane (FOTS). FC films were prepared in different thickness of 10 nm, 50 nm and 100 nm on conditioner surfaces. Electrochemical analysis such as potentiodynamic polarization and impedance, and contact angle measurements were carried out to evaluate the coating characteristics. Impedance data was analyzed by an electrical equivalent circuit model. The observed contact angle is higher than 90o after thin film deposition, which confirms that the coatings deposited on the surfaces are densely packed. The results of potentiodynamic polarization and the impedance show that modified surfaces have better performance than bare metal surfaces which could be applied to increase the life time and reliability of conditioner during W CMP.