Effect of Dispersants on Ru Slurry Stabilization

Abstract

최근 DRAM 소자 내에서 캐패시터의 하부전극으로써 금속막이 널리 사용되어지고 있다. 기존의 하부전극으로 사용되던 poly-Si 의 경우 고유전재료와의 계면특성이 양호하지 않아 누설 전류가 발생할 수 있으며 전극 계면에 실리콘 산화막을 형성하여 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 화학적으로 매우 안정하고 높은 일함수를 가짐으로써 누설 전류를 감소시킬 수 있는 귀금속 재료들이 하부전극으로 주목받고 있다. 이러한 귀금속들 중에서 고유전막과의 우수한 계면 안정성을 가지며 건식식각이 상대적으로 용이한 Ru 이 하부전극으로 가장 주목받고 있다. 또한 Cu 와의 우수한 Adhesion 특성으로 인해 Cu 배선에서의 Cu 확산 방지막으로도 주목받고 있다. 하지만 각 캐패시터의 분리를 위해 Ru 을 건식식각할 경우, 유독한 RuO₄ 가스가 발생할 수 있으며 Ru 하부전극의 불균일한 표면과 몰드 산화막의 손실을 유발할 수 있다. 이로 인해 Ru 을 하부전극으로 사용한 캐패시터들의 분리와 평탄화를 위해 Ru CMP 공정이 필요하게 되었다. 하지만, Ru 은 화학적으로 매우 안정하기 때문에 Ru CMP 공정에 적용하기 위한 진행되고 있다. 이러한 CMP 공정에 공급되는 Slurry 에는 부식액, pH 적정제, 연마입자 등이 첨가되는데 이때 연마입자가 응집하여 Slurry 의 분산 안전성 저하에 영향을 줄 수 있다. 이로 인해 응집된 Slurry 는 Scratch 와 Delamination 과 같은 표면 결함을 유발할 수 있으며, Slurry 의 저장 안정성을 저하시켜 Slurry 의 물리적 화학적 특성을 변화시킬 수 있다. 그리하여 본 연구에서는 Ru CMP Slurry 에서의 Surfactant 와 같은 분산 안정제에 따른 Surface tension, Zeta potential, Particle size, Sedimentation 의 분석을 통해 Slurry 안정성에 대한 영향을 살펴보았다. 첨가순서에 의하여 안정성의 영향을 살펴본 결과, 분산제 (additive A) 가 가장 먼저 첨가된 용액에서 가장 좋은 분산 안전성을 보였다. 또한 분산제 (additive A) 가 alumina 와 반응하는데 충분한 시간 (3hr)이 필요하였다. 그 결과 분산에 최적화된 Slurry (DI water + Additive A + Alumina 2wt%, stirring 3hrs + NaIO₄+ at pH9) 에서 90%이상의 Sedimentation 상승효과를 얻을 수 있었다. 그리고 CMP 공정을 실시하여 Ru 의 Removal rate 와 TEOS 에 대한 Selectivity 를 측정해 보았다. 그 결과 pH9 에서 약 61nm/min 의 removal rate 와 11 : 1 (Ru : TEOS) 의 selectivity 를 얻을 수 있었다. Additive A 가 첨가된 slurry 와 첨가되지 않은 slurry 를 비교한 결과, removal 에서슬러리 개발은 매우 중요하며 이에 대한 연구가 활발히 유사한 경향성을 보였다. Additive A 는 removal rate 의 감소없이 slurry 의 안정성을 향상시키는 분산제이다.; In the DRAM technology, Ru has been suggested as a bottom electrode for MIM (metal-insulator-metal) capacitor and Cu diffusion barrier metal for Cu interconnection. In order to form Ru bottom electrode, CMP (chemical mechanical planarization) process is used to planarize and isolate the bottom electrode. In Ru CMP, it is necessary to minimize the surface defect formation while maintaining good planarity and desirable material removal rates. These requirements are met through the control of the slurry stability. The slurry stability can be improved by the addition of proper additives such as dispersants. In this study, the etch rate and oxidation behavior were observed as a function of pH . Zeta potential and mean particle size of alumina particles were measured. The removal rate of Ru and selectivity between Ru and TEOS were also evaluated. The mean particle size of Ru CMP slurry decreased and the dispersion stability of Ru CMP slurry was improved by the addition of additive A (anionic dispersant). It could improve the stability of slurry without effecting the removal rate of Ru CMP.