Phase-change Random Access Memory Device의 Chemical Mechanical Planarization 特性에 관한 硏究

Abstract

본 연구는 상 변환 메모리에 사용되고 있는 대표적인 상 변환 물질인 nitrogen-doped Ge₂Sb₂Te_(5)(NGST)를 연마하는 슬러리 및 상 변환 메모리CMP공정에 관한 연구이다. 첫 번째로, tetra-methyl ammonium hydroxide (TMAH)와 같은 염기성 첨가제가 NGST 막의 연마제거율에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 콜로이달 실리카를 연마 입자로 하는 슬러리에 TMAH를 첨가한 경우, NaOH, KOH, NH₄OH와 같은 염기성 첨가제를 첨가한 경우보다 더 작은 NGST막의 표면 거칠기를 얻을 수 있었고, NGST막의 연마제거율은 TMAH의 농도가 0.12 wt%까지 증가함에 따라서 증가하였으나, 그 이상의 TMAH를 첨가한 경우에는 오히려 감소하였다. 이러한 TMAH의 농도에 따른 연마제거율 결과는 CMP후의 NGST막의 접촉 각 결과와 반비례하는 경향으로 나타났다. 이를 통해 NGST 막질은 CMP공정 중에 NGST막 표면의 친수성 정도에 따라 연마제거율과 밀접한 연관이 있다는 것을 알아낼 수 있었고, 표면을XPS분석을 통해 연마 메커니즘을 밝혔다. 두 번째로, 서로 다른 종류의 연마입자 (콜로이달 실리카, 퓸드 실리카, 세리아)를 사용하여 NGST막의 연마제거율과 NGST막과 산화 막간의 연마 선택비에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 이 두 가지 변수는 연마 입자의 특성에 따라서 큰 영향을 받았다. 먼저 NGST막의 연마제거율은 세리아, 퓸드 실리카, 콜로이달 실리카를 사용한 순으로 감소하였는데, 이는 연마입자의 경도, 격자 구조, 그리고 일차, 이차 입자의 크기를 통해 확인하였다. 또 NGST막의 연마 압력에 따른 연마제거율 기울기는, NGST막의 연마는 기계적인 영향이 주가 되기 때문에, 연마 입자에 따라서 큰 차이를 보이지 않았다. 이와 반대로, 산화 막의 연마제거율 기울기의 경우에는, 산화 막의 연마는 화학적인 영향이 주가 되기 때문에, 세리아, 퓸드 실리카, 콜로이달 실리카 연마입자를 사용한 순으로 감소하였습니다. 이러한 NGST막과 산화 막의 연마제거율 기울기 차이를 통해, 콜로이달 실리카를 이용해 100: 1 이상의 NGST막과 산화막간의 연마 선택비를 얻을 수 있었다. 세 번째로 슬러리의 pH가 NGST 연마제거율과 연마 선택비에 미치는 영향에 관하여 살펴보았다. 슬러리에서 pH는 매우 중요한 요소이며, pH에 따라 연마의 특성이 바뀌게 된다. 본 연구에서는, NGST 필름의 연마제거율이 중성을 기준으로 염기성으로 갈수록 연마제거율이 급격히 증가하고, 산성으로 갈수록 약간 증가하는 경향을 나타냈으며, 산화막의 연마제거율은 pH에 따라 거의 변화가 없음을 밝혔다. 따라서 연마 선택비는 NGST 필름의 연마제거율과 동일한 경향을 나타내고 있으며, 산성영역 보다는 염기성 영역에서 슬러리를 제조하는 것이 우수하다는 것을 밝혔다. 본 연구에서는 상변환 메모리 소자의 confined 구조에 적용 가능한 고 선택비 CMP 슬러리를 개발하였고, 그 메커니즘을 처음으로 밝혔다.; For chemical mechanical polishing (CMP), the effect of an alkaline agent, tetra-methyl ammonium hydroxide (TMAH), on the polishing rate of nitrogen-doped Ge₂Sb₂Te_(5) (NGST) film was investigated. The addition of TMAH in a slurry with colloidal silica abrasives produced smaller surface roughness of the NGST film, as compared to other alkaline agents: NaOH, NH₄OH, and KOH. The polishing rate of the NGST film increased with increasing TMAH concentration up to 0.12 wt% and then decreased as the concentration was increased further. This polishing rate trend correlated with the inverse of the contact angle of TMAH on the NGST film surface after CMP. Thus, the polishing rate of NGST film is associated with the hydrophobicity of the NGST surface during CMP. And the polishing rate and selectivity of NGST to SiO₂ film were investigated for different abrasive materials (colloidal silica, fumed silica, and ceria abrasives). They both were strongly dependant on abrasive material properties. The polishing rate of NGST film decreased in the order ceria, fumed silica, and colloidal silica abrasives which were determined by abrasive material properties such as abrasive hardness, crystal structure, and primary and secondary abrasive sizes. In addition, the polishing rate slope of NGST film was not significant difference for different abrasive materials, indicating that the polishing of NGST film is mechanical-dominant polishing. In contrast, the polishing rate slope of SiO₂ film decreased in the order ceria, fumed silica, and colloidal silica abrasives, indicating that the polishing of SiO₂ film is chemical-dominant polishing. Furthermore, the difference in polishing rate slopes between NGST and SiO₂ film gave a polishing rate selectivity of NGST to SiO₂ film higher than 100:1 with colloidal silica abrasive. Polishing rate and selectivity strongly depend on slurry pH. At the higher alkaline regions (i.e., pH 11), the polishing rate of NGST film was 2.5-3.1 times higher than acidic and neutral pH regions.