Interaction of ceria particles with oxide and PVA brush during CMP process

Abstract

오늘날의 반도체 제조 공정에서 반도체 소자의 수율과 성능의 주요 관심사 중 하나는 CMP 공정 후 잔류 불순물이 존재한다는 것이다. 그 결과, CMP 후 세정은 소자 성능 향상을 위해 CMP 공정 중에 생성된 이러한 잔류 불순물을 제거하는 가장 중요한 공정 중 하나가 되었다. 특히 STI CMP 후 세정 공정 중 세리아 입자의 제거는 최근 반도체 산업에서 심각한 문제가 되어왔다. 세리아는 산화물 표면과 강한 Ce-O-Si 결합을 형성하기 때문에 세리아 입자 제거가 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 적절한 CMP 후 세정 방법을 고안하기 위해서는 세리아 흡착 및 제거 메커니즘에 대한 이해가 필요하다. 최근에는 불량률이 낮은 콜로이달 세리아 슬러리가 많이 사용되고 있다. 그러나 기존 CMP 후 세정 공정에서 Ce-O-Si 결합에 대한 영향을 정리한 연구는 없다. 또한 폴리비닐 아세탈(PVA) 브러쉬 세정은 CMP 후 세정 공정 중 오염물 제거를 위한 가장 효과적인 방법 중 하나로 간주된다. PVA 브러쉬가 입자 형태의 잔류 CMP 오염 물질 포획으로 인해 자체 결함의 원인이 될 수 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 이는 10 nm 공정의 소자에서 수율 킬러 결함을 유발할 수 있어 소자의 해상도에 영향을 미칠 수 있다. 이 논문에서는 먼저 Ce-O-Si 결합을 형성하는 세리아 및 산화막의 상호작용과 화학적 결합이 세리아 제거 메커니즘에 미치는 영향을 다양한 물리적 세정 방법(메가소닉 및 브러쉬 스크러빙)과 표준 세정액1(SC1, NH4OH, H2O2 및 H2O의 혼합 용액), 황산 및 과산화수소 혼합물(SPM) 및 희석 불화수소(DHF)와 같은 화학적 세정 방법을 사용하여 규명하였다. pH 4 조건에서는 Ce-O-Si 결합 형성보다 정전기 인력이 더 지배적이기 때문에 연마된 웨이퍼로부터 세리아 입자가 쉽게 제거되는 것이 관찰되었다. 그러나 pH 8 조건에서는 강한 CeOSi 결합 형성으로 인해 입자가 제거되지 않았다. DHF 및 SPM 용액과 같은 강력한 화학 물질만이 각각 산화물 표면 언더컷팅과 세리아 입자의 용해로 인해 세리아 입자를 제거할 수 있었다. 둘째, 기존의 CMP 후 세정 방법에 대한 오염 공정 및 세리아 입자 크기의 영향을 자세히 조사하였다. 연마 공정이 침지 방식보다 산화물 표면에 대한 세리아 오염을 더 많이 발생시키고, 더 작은 크기를 갖는 입자 표면이 더 높은 Ce3+ 비율을 가짐으로써 더 많은 Ce-O-Si 결합을 초래하기 때문에 세리아 크기가 감소함에 따라 결합 세기가 증가하는 것으로 밝혀졌다. 메가소닉, 브러쉬 스크러빙, SC1, DHF 및 SPM 같은 다양한 세정 방법이 세리아 입자를 제거하는데 사용되었다. 물리적인 힘으로 더 큰 입자를 효과적으로 제거할 수 있고, DHF 또는 SPM과 같은 화학 물질을 사용하여 더 작은 입자를 제거할 수 있음을 밝혀냈다. 셋째, 세리아 입자와 같은 CMP 후 잔류 오염물질이 브러쉬와 세리아 간의 정전기적 상호작용으로 인한 브러쉬 스크러빙에 미치는 영향을 자세히 연구하였다. 이 연구를 위해 산화물 웨이퍼에서 세리아 제거와 스크러빙 동안 PVA 브러쉬로의 후속 이동에 대한 세정 용액 pH 2, pH 7, pH 12의 영향이 조사되었다. pH 7의 세정 용액은 pH 2 및 pH 12에 비해 세리아 제거 효율이 낮았다. pH 2 및 pH 7 세정 조건은 pH 12 조건에 비해 높은 브러쉬 로딩(pH 2 > pH 7)을 발생하였다. pH 7에서 브러쉬 오염이 많으면 교차 오염이 더 많이 발생하는 반면 pH 2 및 pH 12에서는 교차 오염이 매우 낮았다. 넷째, 브러쉬 스크러빙 중 브러쉬에 세리아가 로딩되는 메커니즘을 완전히 이해하기 위해 브러쉬와 잔류 세리아 입자 사이의 화학적 상호 작용을 조사하였다. 세리아 입자 표면에 활성 Ce3+가 존재하면 브러쉬와 세리아 사이에 화학적 상호작용이 발생할 수 있음이 관찰되었다. 이 화학적 상호작용은 활성 Ce3+를 감소시키기 위해 세리아 표면을 조절하거나 변형함으로써 제어할 수 있다. 다양한 첨가제가 세리아 슬러리에 첨가되었으며, 이러한 첨가제가 브러쉬 로딩에 미치는 영향을 조사하였다. PVA 및 시트르산과 같은 첨가제는 활성 Ce3+ 및 표면 전하를 제어할 수 있으며 브러쉬 및 변형된 세리아 입자 사이의 정전기적 반발과 함께 화학적 상호작용의 부재로 브러쉬 로딩이 무력화될 수 있다. 또한, PVA 및 H2O2는 이러한 첨가제가 산화물 웨이퍼에서 높은 세리아 제거율 및 PVA 브러쉬에 대한 낮은 세리아 로딩을 일으키기 때문에 효율적인 세정 용액임이 입증되었다. 다섯째, 스킨층이 있는 브러쉬와 없는 브러쉬를 비교함으로써 브러쉬 오염, 웨이퍼 교차 오염 및 세정 성능에 대한 브러쉬 상부 스킨층의 영향이 광범위하게 연구되었다. 조밀한 상부 스킨층의 존재는 더 큰 접촉 면적과 스킨층에 대한 높은 세리아 입자 흡착을 초래하였다. 이것은 높은 세정 성능과 함께 스크러빙 동안 웨이퍼의 더 높은 교차 오염을 일으킨다. 반대로, 스킨층이 없는 브러쉬는 오염도가 낮았고 교차 오염이 무시될 수 있었으며 세정 성능(산화물 표면에서 세리아 입자 제거)이 감소하였다. 마지막으로, 브러쉬 수명을 개선하고 더 높은 공정 수율을 달성하기 위해 오염된 브러쉬에 대한 효과적인 컨디셔닝 방법의 개발이 연구되었다. NH4OH 및 DIW의 초음파 처리 또는 DIW의 스크러빙은 브러쉬에서 정전기 및 화학적으로 부착된 세리아 입자를 제거할 수 없다는 것이 관찰되었다. 그러나 30분 동안 NH4OH가 있는 상태에서 문지르면 오염된 브러쉬에서 모든 세리아 입자가 효율적으로 제거되었다. 또한, CMP 후 세정에서 첨가제의 적용을 알아보기 위해 첨가제의 효과를 조사하였다. 브러쉬 스크러빙과 결합된 PVA 또는 H2O2 용액은 10분이라는 짧은 시간에 브러쉬에서 세리아 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있음이 관찰되었다. 이러한 결과는 화학 용액이 있는 상태에서 브러쉬 스크러빙을 하는 것과 같은 강력한 컨디셔닝 공정이 오염된 브러쉬 노듈에 대한 효과적인 컨디셔닝 방법으로 채택될 수 있음을 시사한다. 위 연구의 장점은 브러쉬 결함을 최소화하여 CMP 후 세정에서 더 높은 효율을 달성한다는 점으로 설명할 수 있다. 이 연구에서 관찰된 이러한 과학적 결과는 CMP 공정 및 CMP 세정 후 산화물 웨이퍼, 브러쉬 및 세리아 입자의 상호 작용 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 이 논문에서 제시하는 과학적 설명은 높은 공정 효율을 위해 반도체 소자 제조 공정을 제어하고 최적화하는 데 도움이 될 수 있다. |One of the key concerns in semiconductor device yield and performance for today's semiconductor manufacturing process is the presence of any residual impurities after the CMP process. As a result, post-CMP cleaning has become one of the most critical processes for removing these residual impurities generated for improving the device's performance. Ceria removal during the STI post-CMP cleaning process has recently become a serious concern to the semiconductor industries. It is known that ceria forms a strong Ce-O-Si bonding with the oxide surface that causes difficulty in ceria removal. Hence, understanding ceria adhesion and its removal mechanism are necessary for designing a suitable post-CMP cleaning methodology. Recently, colloidal ceria slurries have been heavily used due to the low defectivity factor. However, there is no research summarizing the effect of conventional post-CMP cleaning processes on Ce-O-Si bonding. Furthermore, polyvinyl acetal (PVA) brush cleaning is considered one of the most effective post-CMP cleaning processes in contamination removal. It is worth noting that the PVA brush can be a source of the defect itself due to the residual CMP contaminants entrapment in the form of particles, which can cause yield killer defects in devices below 10 nm resulting in impacting device resolution. In this dissertation, firstly, the ceria-oxide interaction resulting in Ce-O-Si bond formation and the subsequent effect of this chemical bonding on ceria removal mechanisms were investigated through the use of different physical cleaning methods (megasonic and brush scrubbing) and chemical cleaning solutions such as standard cleaning solution 1 (SC1, a solution mixture of NH4OH, H2O2, and H2O), sulfuric acid and hydrogen peroxide mixture (SPM) and diluted HF (DHF). It was observed that ceria particles were removed easily from pH 4 polished wafers as the electrostatic attraction was more dominant than Ce-O-Si bond formation. However, at pH 8 conditions, particles were not removed due to strong bond formation. Only strong chemistries such as DHF and SPM solutions were able to remove the ceria particles due to the strong undercutting of oxide and dissolution of ceria particles, respectively. Secondly, the effect of the contamination process and ceria particle size on the conventional post-CMP cleaning method was investigated in detail. It was found that polishing produces more contamination of ceria to oxide surface than dipping conditions, and the strength of adhesion increased with decreasing ceria size as higher Ce3+ concentration for smaller size particles resulted in more Ce-O-Si bonding. Different cleaning methods [megasonic, brush scrubbing, SC1, DHF, and SPM solutions were employed in removing these ceria particles. It was found that larger particles could be removed effectively with physical force, and smaller particles could be removed using chemicals such as DHF or SPM. Thirdly, the effect of CMP residual contaminants such as ceria particles on brush scrubbing due to electrostatic interaction between brush and ceria was investigated in detail. For this investigation, the effect of cleaning solution pH (2, 7, and 12) was investigated for ceria removal from oxide wafers and subsequent transfer to the PVA brush during scrubbing. A cleaning solution of pH 7 resulted in lower ceria removal efficiency compared to pH 2 and 12. The pH 2 and 7 cleaning conditions resulted in high brush loading (pH 2 > pH 7) compared to the pH 12 condition. High brush contamination at pH 7 further resulted in higher cross-contamination, whereas very low cross-contamination was observed at pH 2 and 12. Fourthly, the chemical interaction between brush and residual ceria particles was investigated to fully understand the mechanism of ceria loading to brush during brush scrubbing. It was observed that the presence of active Ce3+ on the surface of ceria particles can result in chemical interaction between brush and ceria. This chemical interaction can be controlled by controlling or modifying the ceria surface to reduce active Ce3+. Different additives were added to the ceria slurry and the effect of these additives on brush loading was investigated. The additives such as PVA and citric acid can control active Ce3+ as well as the surface charges and the absence of chemical interaction along with the electrostatic repulsion between brush and modified ceria particles resulted in negligible brush loading. Furthermore, PVA and H2O2 proved to be efficient cleaning solutions as these additives provided high ceria removal from oxide wafers and low ceria loading to PVA brush. Fifthly, the effect of brush top skin layer was extensively studied on brush contamination, wafer cross-contamination, and cleaning performance by comparing brushes with and without skin layer. The presence of a dense top skin layer resulted in larger contact areas and high ceria particle adsorption on the skin layer. This leads to higher cross-contamination of the wafers during scrubbing along with high cleaning performances. Conversely, the brushes without skin layer showed lower contamination and negligible cross-contamination with a reduced cleaning performance (removal of ceria particles from oxide surface). Finally, the development of an effective conditioning method for contaminated brushes was explored to improve brush lifetime and achieve higher process yield. It was observed that neither the ultrasonication in NH4OH and Deionized Water (DIW, 18 MΩ) nor scrubbing in DIW could remove these electrostatically and chemically attached ceria particles from the brush. However, scrubbing in the presence of NH4OH for 30 min, efficiently removed all ceria particles from the contaminated brushes. Furthermore, the effect of additives was explored to find out the application of additives in post-CMP cleaning. It was observed that PVA or H2O2 solution coupled with brush scrubbing could effectively remove the ceria contaminants from the brush in a short time i.e. 10 min. These results suggest that a robust conditioning process such as brush scrubbing in the presence of a chemical solution can be adopted as an effective conditioning method for contaminated nodules The advantages of the above research can be explained by minimizing the brush defects to achieve higher efficiencies in post-CMP cleaning. These scientific results observed in this study, can help in understanding the interaction mechanisms of ceria particles with oxide wafers and brush during CMP and post-CMP cleaning. The scientific explanation presented in this dissertation can help in controlling and optimizing semiconductor device manufacturing processes for high process efficiency.