하소 및 Aging 공정이 STI-CMP용 나노 세리아 슬러리의 연마 입자에 미치는 영향에 관한 연구

Abstract

본 연구는 STI-CMP (Shallow Trench Isolation-Chemical Mechanical Polishing)에 사용되는 세리아 슬러리의 하소 및 Aging 공정이 연마 입자와 연마 후 Light Point Defect(LPD)의 형성에 미치는 영향에 관한 연구이다. STI 공정에서는 산화막과 질화막의 연마율에 대하여 높은 선택비를 가지는 세리아 슬러리를 사용하게 된다. 이 세리아 슬러리 제조에는 크게 고상법과 액상법 두 가지의 방법이 있다. 이 중 고상법은 세리아 입자의 결정성을 높여 줌으로 연마율의 증가에 유리하므로 세리아 슬러리 제조에 주로 쓰이는 방법이다. 이 고상법은 하소 공정, Milling, Aging공정을 통하여 슬러리를 제조하는 것을 말한다. 이 때 각각의 공정은 슬러리 내의 연마입자의 물리적 특성, 즉 입자의 결정성, 모양, 입자 크기 및 분포 등을 결정 짓게 된다. 하지만 세리아 슬러리에는 적은 양의 크기가 큰 입자들과 입자의 모양 및 높은 강도 등으로 인한 연마 후 웨이퍼 박막에 결함을 발생시키는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에 사용된 세리아 슬러리는 언급한 문제점을 해소하기 위해서 다음과 같이 진행하였다. 슬러리내의 연마입자의 하소 공정이 앞서 언급한 문제를 야기시키는 입자의 물성에 미치는 영향을 알아보기 위해서 다음과 같이 진행하였다. 첫 번째로 세륨카보네이트 입자를 650℃/550℃ 에서 하소 한 경우, 그리고 두 번째로 730℃ 에서 하소한 두 가지 시료를 준비하였다. 첫 번째 시료의 경우, 대기상태로 열린 공간에서 하소 공정이 이루어져 세리아 합성이 이루어지는데 유입되는 산소의 양이 많았다. 반면에 두 번째 시료의 경우는 대기 상태로 닫힌 공간에서 하소공정이 이루어져 유입되는 산소의 양이 비교적 적었다. 이와 같은 각각 다른 조건의 하소 공정이 연마입자의 모양에 미치는 영향을 확인 하였다. 입자들의 크기 분포를 최적화하기 위한 aging 공정을 통하여 연마 후 웨이퍼 박막 표면의 결함 감소에 미치는 영향을 알아보았다. 700℃에서 하소한 나노 세리아 분말을 가지고 만든 슬러리를 각각 aging 시간을 60, 96, 120, 그리고 144시간으로 시간을 달리하였으며 그리고 aging 시간을 단축하기 위하여 각각 다른 온도에서 aging을 하여 시간에 따른 secondary particle size를 관측하여 온도의 영향을 알아 보았다. 연마 입자 형상 및 사이즈를 분석하기 위해서 X-Ray Diffractometry (XRD), Transmission Electron Microscope(TEM) 등을 이용하였으며, 슬러리 입자 크기의 분포를 측정하기 위해서 Acoustic Attenuation Spectroscopy(APS), Horriba 등을 사용하였다. 입자 크기의 분포를 고려하여 온도를 선택한 대기로부터 산소유입을 차단한 채 하소 공정을 한 경우 기존의 상용 two-step 하소 공정보다 (200) 방향으로 결정잎의 성장성이 높고 그에 따라서 입자강도가 낮음을 알 수 있었다. 또한, Aging 공정의 시간의 증가에 따라서 적절한 연마 입자 사이즈 분포를 얻을 수 있었다. 이와 같이 제작된 슬러리가 CMP 특성에 미치는 영향을 알아 보기 위해 8인치 웨이퍼를 CMP장비(6EC, Strasbaugh, USA)를 통하여 연마를 하였으며, Nanospec180을 사용하여 연마 전후의 박막 두께를 측정하였다. 그리고 연마 후 표면에 남은 입자를 측정하기 위해 Surfscan SP1을 사용하여 측정하였다. 그 결과 기존의 two-step보다는 산소유입을 차단한 하소 공정을 통하여 합성된 세리아 분말로 만들어진 슬러리와 Aging공정 시간이 긴 경우의 슬러리가 연마 후 남은 박막에 남은 결함의 수가 낮음을 알 수 있었다.; The effect of calcinations and aging process of abrasive particles of ceria slurry on slurry characteristics, such as the particle strength, the particle size distribution, the large particle count and defects on wafer surface during the shallow trench isolation (STI) chemical mechanical planarization (CMP) was investigated. The amount of adding oxygen and temperature during calcinations process were considered as important variables that give great influence on slurry characteristics and STI CMP. We controlled the amount of adding oxygen during calcination process to reduce scratch on surface and wafer problems of sharpness and hardness were exceedingly improved. And softness of particles produced by either direction of crystal growth or calcinations temperature in ceria slurry was also enhanced. And then, the aging time and temperature were considered as important variables that give great influence on slurry characteristics and STI CMP. In the CMP evaluation, as a result, defects on wafer surface were significantly restrained, while maintaining the reasonable oxide removal rate and oxide and nitride selectivity.