Cu ECMP (Electrochemical Mechanical Planarization) 공정에서 전해액과 첨가제가 연마거동에 미치는 영향

Abstract

반도체 산업에서 다층구조의 금속 배선재료로써 Cu 가 도입이 되고 있으며, 완성도 높은 평탄도를 얻기 위해 CMP process 가 중요한 공정으로 이용되고 있다. 또한, 반도체 Device 가 점점 미세화됨에 따라 더욱 낮은 유전상수를 가지는 low-k 재료가 필요로 한다. 하지만 많은 기공을 가지고 있는 low-k 물질은 기계적 스트레스에 매우 취약하며, 기존의 CMP 공정에서의 높은 하부압력에 쉽게 손상을 받을 수 있다. 뿐만 아니라, CMP slurry 에 포함된 연마입자에 의해 Cu 표면에 발생하는 scratch, dishing 과 erosion 등의 결함을 발생시킨다. 이러한 기술적 문제들을 해결하기 위해서, 새로운 개념들의 평탄화 방법들이 소개 되고 있다. 그 중 가장 대표적인 것이 ECMP 공정이다. ECMP 공정에서는 CMP 공정에서 사용되는 화학적 반응 대신 전기화학적 반응을 사용하여 passivation 또는 dissolution 을 일으킨다. 또한 연마입자를 사용하지 않으며, 단지 연마패드만 사용한 기계적인 작용을 통해 생성된 passivation layer 를 제거한다. 본 학위 논문에서는 다양한 전해질과, 전해질에 포함된 첨가제에 대한 영향을 평가하였다. 또한 평가를 위해 전기화학적 연마기를 제작하여, potentiodynamic curve 와 연마율을 측정하였다. Potentiodynamic curve 는 flat cell 과 제작된 전기화학적 연마기를 사용하여 정지상태와 회전상태에서 측정을 하여 연마거동이 전기적 특성에 미치는 정도를 확인하였다. 전기화학적 연마기는 기존의 CMP 공정에 비해 낮은 하부압력인 1 psi 의 압력을 가했으며, 회전속도는 30 rpm 으로 고정시켰다. 회전상태에서 potentiodynamic curve 를 측정하기 위해서는 Cu disk 를 working 전극으로 사용하였고, Pt 를 platen 에 도금하여, counter 전극으로 사용하였다. 정지상태에서의 측정은 Cu wafer 를 사용하여 측정하였다. 전해질은 강한 전기전도도를 가지는 전해질 중 염기성인 KOH 와 중성인 NaNO₃ 를 사용하여 평가하였다. 첨가제로는 산화제인 과산화수소와 complexing agent 인 citric acid 를 사용하였다. 두 종류의 전해질을 사용하여 정지상태에서와 회전상태에서 potentiodynamic curve 를 측정하였을 때, 전해질 농도에 따라 부식전압은 감소하고 부식전류는 증가하였으나, potential 증가에 따른 passivation 반응과 dissolution 반응은 회전상태에서 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 전해질의 특성평가하는 static etch rate 와 실제로 전압을 가해주면서 측정하는 electrochemical etch rate, 실제 연마공정에서 나타나는 연마율을 통해 평가되었다. Static etch rate 평가에서는 KOH 와 NaNO₃ 를 사용했을 때 10 nm/min 미만의 결과가 나왔으며, electrochemical etch rate 에서는 5 wt% NaNO₃ 의 전해질을 사용하였을 때 1500 nm/min 이상 etching 되었다. NaNO₃ 는 KOH 에 비해 dissolution 능력이 높아 높은 연말율을 보였으며, 5 wt% 농도에서 350 nm/min 정도가 연마되었다. 상대적으로 passivation 능력이 높은 KOH 는 5 wt% 농도에서 35 nm/min 미만의 연마율이 나타났다. 연마율을 높이기 위해 산화제인 과산화수소와 complexing agent 인 citric acid 를 사용하였으며, 최종적으로 과산화수소 1 vol%와 citric acid 첨가하였을때, 500 nm/min 이상의 연마율을 얻을 수 있었다. 전기화학 반응과 첨가제를 통한 화학반응을 통해 연마율을 높일 수는 있었지만, 첨가제 농도에 따른 영향은 연마율 평가를 통해서는 나타나지 않았다.; The purpose of this study was to characterize various electrolytes and to understand effects of additives on electro-chemical mechanical planarization (ECMP). The electrochemical mechanical polisher was made to measure the potentiodynamic curve and removal rate of Cu. The potentiodynamic curves were measured in static and dynamic states in investigated electrolytes using a potentiostat for the evaluation of the polishing behavior on ECMP. A Cu disk of 2 inch was used as a working electrode and a Pt electroplated platen was used as a counter electrode in dynamic state. The electroplated Cu wafer was used in static state. KOH (alkaline) and NaNO₃ (salt) were selected as electrolytes which have high conductivity. Also, electrolytes were evaluated as a function of pH. H₂O₂ and citric acid were used as additives for the ECMP of Cu. In static and dynamic potentiodynamic measurements, the corrosion potential decreased and the corrosion current increased as a function of the electrolyte concentration. But, different potentiodynamic curves were obtained when compared to the static state. Also, the electrochemical reaction was prevented by mechanical polishing effect in the dynamic state. The static etch and removal rate were measured as functions of concentration and applied voltage. In ECMP system, the polishing was performed at 30 rpm and 1 psi. When NaNO₃ was used, the dissolution was much faster than that of KOH. The dissolution was accelerated by the oxidizer and complex agent. It was concluded that the removal rate was strongly depended on electrochemical reaction such as the dissolution. The removal rate was increased up to 500 nm/min in NaNO₃ based electrolyte with additives.