STI-CMP 공정에서 세리아 슬러리에 첨가되는 triethanolamine (TEA) 농도에 따른 산화막과 질화막 사이의 연마 선택비 향상에 관한 硏究

Abstract

기존의 격리 공정 기술은 디프-서브마이크론(deep-submicron: 0.25um 또는 그 이하 치수) 제조 공정에 적합하지 않은 몇 가지 단점을 가지고 있다. 실리콘에 대한 고온 산화 공정과 긴 산화 시간은 채널 저지 주입된 채널 저지 이온(통상적으로 NMOS의 경우, 붕소)이 활성 영역으로 측면 침투(encroachment)하는 현상과 문턱 전압(VT)의 변화를 초래하고, 횡방향 산화 현상에 의하여 활성 영역의 면적이 축소된다. 또한 서브마이크론 격리 간격에서 형성된 필드 산화막 두께는 넓은 간격에서 형성된 산화막 두께보다 매우 얇다. 이러한 단점을 극복한 깊은 트렌치 격리 기술은 진보된 CMOS와 쌍극성 소자 모두에, 또한 트렌치형 DRAM에 적용할 수 있다 격리 물질이 CVD(화학 기상 증착) 공정에 의해 증착되기 때문에 깊은 트렌치 격리 기술은 긴 시간 혹은 고온 공정이 필요 없으며, 횡방향 산화 현상과 붕소의 측면 침투 문제를 제거한다. 이러한 깊은 트렌치 격리 구조를 형성하는 공정 순서는 크게 네 단계로 나눌 수 있다. 영역 형상화, 트렌치 식각 및 산화막 성장, 산화물 또는 도핑되지 않은 다결정 실리콘 같은 유전 물질 채움, 그리고 평탄화이다. 이때 평탄화는 트렌치에 과잉으로 채워진 산화물을 제거하고 산화물 위에 정지 층(stop layer)으로 쓰이는 질화막에서 멈춰야 하는데, 이것을 화학적 기계적 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 기술이라고 한다. 이러한 초기 평탄화 공정단계는 이어지는 다결정 실리콘 형상화 공정과 다층 연결선 공정에 대한 평탄화 작업을 수월하게 한다. STI-CMP에선 질화막에 대한 산화막 제거 선택비가 높을수록 양산체제에서 더 높은 공정 이득을 얻을 수 있다. 소자의 구조가 점점 작아짐에 따라 질화막의 두께도 덩달아 감소하므로, 우리는 산화막의 연마율은 높게 유지하는 반면에 질화막의 연마율은 감소시켜야 한다. 그러나 질화막의 너무 낮은 연마율은 트렌치의 디싱(dishing)이나 에로젼(erosion)등을 유발시킬 수 있기 때문에 STI CMP에서 산화막과 질화막의 선택비 조절은 굉장히 중요하다. 우리는 질화막에 대한 산화막 제거 선택비를 증가시키기 위해 세리아 슬러리에 음이온 유기 계면활성제(anionic organic surfactant)인 PAA(poly(acrylic acid)를 첨가시켜 산화막과 질화막의 선택비를 증가시켰지만 그것만으론 충분하지 않다는 결론을 내렸다. 본 연구에서는 기존에 사용중인 세리아 슬러리에 하이드록실 그룹(hydroxyl group)과 아민 기능 그룹(amine functional group)을 가지고 있는 triethanolamine(TEA)를 첨가한 후 산화막과 질화막이 증착 된 평판 웨이퍼의 CMP를 진행하여 TEA의 농도에 따른 연마율과 두 필름의 연마 선택비를 측정 분석 하였다. 결론적으로 TEA의 농도가 증가할수록 질화막 연마율이 기존에 PAA만을 넣은 슬러리로 실험한 질화막 연마율 보다 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이 현상은 TEA와 질화막 사이의 동전기적 거동에 의한 흡착 메커니즘으로 설명할 수 있다. TEA의 농도가 증가할수록 TEA의 backbone을 따라서 음의 전위를 띄게 된 하이드록실 그룹(hydroxyl group)이 질화막 표면과 정전기적 인력에 의해 흡착을 하게 되고 이에 따라 질화막 표면의 제타 포텐셜은 TEA의 아민 기능 그룹(amine functional group)에 의해 점점 양의 전위를 가지게 된다. 이렇게 바뀐 질화막 표면의 제타 포텐셜 때문에 질화막 위에 PAA가 예전보다 더 많이 붙게 되고 더 두껍게 보호층(passivation layer)을 형성할 수 있으므로 질화막 연마율을 훨씬 더 효과적으로 낮출 수 있게 된다.; Effects of triethanolamine (TEA) concentration in ceria slurry on the removal rate and removal selectivity of SiO₂-to-Si₃N₄ films were investigated by performing shallow trench isolation chemical mechanical polishing (STI-CMP). At a higher concentration of TEA in the polishing slurry, the removal rate of Si₃N₄ film significantly decreased while maintaining a high removal rate of SiO₂ film with a high removal selectivity of SiO₂-to-Si₃N₄ films during the CMP process. We found that the adsorption behavior between TEA and a Si₃N₄ film surface was determined by electrokinetic behavior, where the zeta-potential measurement was a function of suspension pH. Adsorption results demonstrated that as the TEA concentration increases, the force of attraction between the negatively charged hydroxyl group along the backbone of TEA and the Si₃N₄ film surface is enhanced due to the electrostatic attraction force. Through these reactions, the zeta potential of the Si₃N₄ film surface became more positive because of the amine functional group of TEA in a slurry. In addition, with the change in the zeta potential of Si₃N₄ film, denser passivation layer on the Si₃N₄ film with anionic surfactant, which led to suppression of the removal rate of Si₃N₄ film with a higher removal selectivity of SiO₂-to-Si₃N₄ films in the STI-CMP.