Design of High Selective CMP Slurries for Sub-micron Memory Devices

Abstract

본 연구에서는 초고집적 반도체 공정 중 소자 분리 기술인 shallow trench isolation (STI) 공정과 65nm급 이하의 선폭을 가지는 NaND Flash 메모리 소자 제조 공정에서 Floating 게이트로 사용되는 polysilicon을 증착 후 CMP 공정을 통해 평탄화 시키게 되는데, 소자 분리용 STI-CMP 공정에 사용되는 세리아 슬러리에서 슬러리 제조 공정상의 주요 인자들이 CMP 공정시 산화막과 질화막의 연마선택비에 영향을 끼치는 것을 확인 하였다. 또한 세리아 슬러리의 합성 방법 연마입자의 크기 및 농도 그리고, 첨가제에 들어가는 아크릴계 고분자의 농도 및 분자량과 연마 선택비 향상을 위해 첨가되는 아민 계열의 첨가제인 poly(acrylic acid)의 농도에 따라서 증착된 산화막과 질화막의 필름에 대한 흡착거동이 STI-CMP 공정에서 연마 선택비에 주는 영향에 대하여 연구 하였다. 증착 된 필름과 연마입자 그리고, 첨가 고분자 및 아민 첨가제의 상호작용을 분석하였고, 산화막과 질화막에 흡착된 고분자의 흡착거동에 대해 분석으로써 실제 CMP 공정에서 발생되는 연마 메커니즘을 밝혔다. 합성 방법, 세리아 연마입자 크기 및 농도, 그리고, 첨가된 아크릴계 고분자의 특성에 따라 증착막의 흡착 특성이 차이를 보였고, 이러한 선택적 흡착성은 첨가된 연마입자 및 첨가제에 따라 증착 막질의 표면 제타포텐셜을 변화시킴으로 산화막과 질화막의 흡착된 층이 다르게 됨을 실험 결과를 통해 확인할 수 있었다. Floating 게이트용 폴리실리콘 CMP 공정을 최적화 하기 위해 폴리실리콘과 산화막의 높은 선택비가 요구되는 상황이며, 이를 해결하기 위해 첨가되는 알카리 첨가제 및 콜리이달 연마입자의 크기 및 농도 그리고, 연마선택비 향상을 위해 polyacrylamide 첨가하였다. 본 연구를 통해 고 선택비 특성이 연마입자의 특성보다 첨가되는 첨가제 즉 알카리 첨가제 및 산화막에 선택적 흡착이 가능한 polyacrylamide 농도 변화를 통해 증착 된 막질의 친수성, 소수성 특성을 이용하여 고 선택비의 구현이 가능하였으며 증착막의 선택적 흡착 특성이 차이에 따른 메키너즘을 규명할 수 있었다. 결론적으로, 65nm 이하의 반도체 소자 제조 공정에 사용되는 슬러리의 특성을 이용하여 고 선택비 특성을 가지는 슬러리를 설계하는 것이 가능 하였으며, 향후 소자의 design-rule 의 감소에 대응 가능한 국산화 슬러리의 개발에 크게 기여 할 수 있을 것이라 판단된다.; Chemical mechanical polishing (CMP) has emerged with rapid growth as a process for device fabrication in the semiconductor manufacturing industry, and it is expected to show further rapid growth as the device design rule shrinks. Specifically, the shallow trench isolation (STI) method, which has been used in advanced sub-250-nm integrated semiconductor device manufacturing, applies CMP to planarize gap-fill SiO₂ layers deposited on the front surfaces of wafers. Ceria (CeO₂) slurries with organic additive are widely used in STI-CMP, because they have high removal selectivity of SiO₂ with respect to Si₃N₄ and widen the process margin in mass production. In addition to the high removal selectivity, ceria slurries also minimize the Si₃N₄ film loss while maintaining a high SiO₂ removal rate. To achieve these benefits, in this study, we newly found controllability of the removal selectivity between SiO₂-to-Si₃N₄ films using ceria slurry with different primary grain and secondary abrasive size on the organic additive (poly(acrylic acid) by performing STI-CMP experiments using blanket and patterned wafers. Furthermore, STI method has been improved for advanced, sub-65 nm integrated multi-level cell (MLC) NAND-flash memory device fabrication. In order to achieve the isolated poly floating gate, the polishing must be stop at the SiO₂ film surface. Therefore, the poly-to-SiO₂ removal selectivity is most important factor for the poly isolation CMP process. This article also newly found that how to obtain a high removal selectivity of polysilicon-to-SiO₂ films with different abrasive size and alkaline agent on the organic additive (polyacrylamide, PAM) in colloidal silica slurry. These results can be qualitatively explained in terms of the chemical reaction between the polysilicon surface and the alkaline agent through hydrophobic and hydrophilic interaction.