Cu CMP 공정 중 발생하는 Cu-Inhibitor Complex의 정성,정량적 분석에 관한 연구

Abstract

Cu CMP 용 슬러리에는 연마 입자, 착화제 (complexing agent), 산화제 (oxidant)와 부식 방지제 (corrosion inhibitor)등 여러 종류의 화학 첨가제가 사용된다. 이러한 화학 첨가제가 Cu CMP에 미치는 영향은 Cu CMP용 슬러리의 개발과 평가에 무엇보다 중요한 사항이다. 그 중, 부식방지제에 대한 연구는 다른 슬러리 첨가제에 비하여 연구가 미흡하며, 특히 정량적인 분석의 경우 방법이 매우 제한적이고 어렵기 때문에 진행된 연구가 매우 적다. 따라서 본 학위 논문에서는 Cu-Inhibitor complex 형성 거동과 이를 분석할 수 있는 새로운 방법을 제시하여, 다양한 조건, 1. Cu 표면 조건, 2. pH 그리고 3. 연마 공정 조건에 따른 Cu-Inhibitor complex의 형성 거동을 정량적-정성적으로 분석하였으며, 부식방지제의 종류와 농도가 연마입자와 유기물의 오염과 제거에 미치는 영향에 대하여 평가되었다. 본 박사 학위 논문에서는 Cu-Inhibitor complex 레이어를 연구하기 위하여, 정성적인 분석뿐만 아니라, 정량적인 분석을 도입함으로써 매우 얇은 유기 박막을 분석하는 새로운 패러다임을 제시하였다. 많은 연구에서, Cu-Inhibitor complex 레이어의 성능은 정성적 방법, 예를 들면 동전위 분극법 (potentiodynamic polarization)과 전기화학 임피던스 분광법 (electrochemical impedance spectroscopy) 만을 이용하여 분석되어 왔으며, XPS, 분광타원법 (spectroscopic ellipsometry)와 같은 매우 한정적인 방법을 통하여 Cu-Inhibitor complex 레이어를 정량적으로 분석하고자 하는 시도가 있었다. 그러나 XPS와 분광타원법은 간접적인 측정 방법으로 각각 모델링과 수치계산에 의하여 결과가 도출되는 단점을 가지고 있으며, 이 두 방법을 제외한 다른 직접적인 방법은 현재까지 제시되지 않은 상황이다. 새로운 정량적 분석 방법으로 본 논문에서는 원자 현미경 (atomic force microscope)과 microfluidic chip을 응용한 방법을 최초로 제시하고 있으며, 이 방법을 통하여 Cu-Inhibitor complex 레이어를 직접적으로 분석하여 정량화 하는 것에 성공하였다. 정성적-정량적 분석을 응용하여 진행된 연구 중 첫 번째로, BTA(benzotriazole)의 흡착 거동에 대해서 이해하고, 효과적인 Cu CMP 후 세정공정을 개발하기 위하여, 다양한 Cu 표면 상태(Cu 자연산화막, 순수 Cu 그리고 Cu 산화막)가 Cu-Inhibitor complex의 형성에 미치는 영향을 평가하였다. 결과로, BTA는 순수한 Cu 산화막보다 Cu 표면에 좀 더 활발하게 흡착이 된다는 것을 실험 결과와 시뮬레이션 모델링 문헌을 참조하여 확인하였다. 두 번째로, pH와 연마 공정 조건이 Cu-BTA 형성에 미치는 영향을 평가 하였으며, Cu-BTA complex의 형성은 산성 영역 (pH 3)에서 더 안정적인 것을 확인하였으며, 알칼리 영역에서는 Cu-BTA complex가 아닌 Cu 산화막 또는 Cu 수산화물이 형성되는 것을 확인하였다. 그 메커니즘으로는 Cu가 산성 영역에서는 이온으로 존재하는 것이 안정적이기 때문에 BTA와 결합하기 매우 용이 하지만, 알칼리 영역에서는 Cu 부동태(passivation)으로 인하여 BTA와의 반응에서 매우 불리한 환경을 제공하기 때문이다. 반면에, 연마 공정 조건; 압력, 속도, 온도 그리고 pH는 CMP 공정 연마 환경에서는 Cu-BTA 형성에 영향을 주지 않은 것으로 확인되었다. 세 번째로는 부식 방지제의 종류와 농도가 연마 입자와 유기 오염물에 미치는 영향을 평가 하였으며, 고성능의 부식 방지제인 MBTA(methyl-benzotriaozle)를 저농도로 사용함으로써, 기존 BTA의 부식 방지 효율을 유지하고, 연마 입자와 유기물 오염의 발생을 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 정량적-정성적 분석 방법은 Cu-Inhibitor complex에 관한 연구에 국한되는 것이 아니라, 어떠한 금속표면이든 분석이 가능하고, 금속 표면의 박막 또한 재료의 구분 없이 분석이 가능하기 하여 무궁무진한 가능성을 내포 하고 있기 때문에, 추후 많은 좋은 양과 질의 연구 결과가 이어질 것으로 기대된다.