webzine배너 잡지배너 정기구독배너
   
MFG블로그 광고문의
기사제보 미디어킷
개인정보
취급방침
문의사항
회원탈퇴 정기구독신청
서울시 영등포구 경인로 775
에이스하이테크시티 3동 206호 ㈜MFG Inc.
Tel (02)3439-0011 Fax (02)3273-0989

Copyright (c) Since 1974~2016
MFG Inc.
All right reserved.

STI용 고정 연마재 CMP
 
 
월간 기계기술기자 | 2002.08.01 | 2002년 8월호
 
| 전체보기 | 인쇄 | 스크랩
 
반도체 집적회로가 미세화함에 따라 기판에 패턴을 노광(露光)하는 리소그래피의 초점 밀도는 감소하는 한편 배선 다층화로 인해 패턴 단차는 증대하고 있어 이것을 저감 하는 평탄화 기술이 필수로 되어 있다. 실리콘 웨이퍼의 경면 연마 기술은 오래 전부터 존재 하였지만 트랜지스터를 형성한 디바이스 웨이 퍼의 표면을 연마하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 기술은 1989년 IBM 발표에서 발단이 된 비교적 새로운 기술이다.
  수십 나노미터의 연마흠조차도 허용하지 않는 극도로 복잡 미묘한 반도체 기판의 표면을 연마 패드와 실리카 슬러리로 손상 없이 연마한 다는 발상은 반도체 프로세스에서 하나의 돌파 구였다. 그후 1995년을 경계로 각사의 반도체 프로세스에서도 CMP를 채택하기 시작하여 현재는 배선층간의 SiO2연마에서 소자 분리 형성 공정의 SiO2연마, 텅스텐, 구리 등 배선 재료의 연마로 적용 범위를 넓혀가고 있다.
  <그림 1>에서는 STI(Shallow Trench Isolation)라고 부르는 CMP를 사용한 소자 분리 형성 공정의 흐름을 나타낸다. Si 기판상에 SiO2막(10nm)과 Si3N4막(80~150nm)을 형성한 표면에 깊이 350nm 정도의 홈을 파고 CVD법으로 600nm 정도의 SiO2를 막을 형성한 다음 구멍 안에 SiO2만 남도록 상부의 막을 연마하여 제거한다. 경질의 Si3N4막은 CMP의 스토퍼로서, 그리고 나중에 트랜 지스터를 형성하는 표면을 연마 손상이나 오염으로부터 보호하는 역할을 한다. 연마에 필요한 요구 사항은 매우 까다로워 지름 8~12인치의 웨이퍼 전면(全面)에서 Si3N4상의 SiO2막을 완전히 제거하고 동시에 Si3N4잔류막 편차는 ±10nm 정도로 아주 적어야 한다. STI의 구멍 폭은 150nm에서부터 수백 ㎛까지로 다양하기 때문에 폭넓은 구멍 내막의 중앙부가 과(過)연마되는 디싱이나 미세한 패턴이 과연마되는 침식이 일어나는데 어것들을 수십 nm 이하로 억제할 필요가 있다. 유감스럽게도 현재의 CMP 기술 단독으로 이 요구에 응하려면 평탄화 성능이 부독하여 리소그래피와 건식 에칭의 도움을 빌어 볼록부를 미리 제거하는 반전 에치백(etch back)법 외에 폭넓은 STI 구멍의 중간에 더미(dummy) 볼록 패턴을 배치하는 방법 등 용장(冗長) 공정의 추가로 CMP의 부하를 줄여 대응하였다. 하지만 반전 에치백법은 고가의 리소그래피 마스크를 추가할 필요가 있고 공정 수도 많아 더미 패턴법은 설계에 부하가 되는 등 풀어야 할과제가 많다. CMP만으로 평탄화하는 다이렉트 STI 프로세스가 이상적이다.
  CMP의 평탄화 성능 부족은 주로 연마 패드의 탄성률 부족에 기인한다. 패드와 슬러리에 의한 유리 연마재 가공에서 경질 숫돌을 사용한 고정 연마재 가공으로 치환할 수 있다면 평탄화 성능이 획기적으로 향상될 것이다. 이것을 동기로 삼아 다이렉트 STI 가공이 가능한 차세대 CMP로서 고정 연마재 CMP 개발에 착수하였다. 이하에서는 고정 연마재 CMP를 FX- CMP(Fixed abrasive CMP)라고 한다.
  <그림 2>에서는 FX-CMP의 장치 구성을 나타낸다.
  기본적인 구성은 로터리형 운동 방식인 CMP 장치와 유사하고 회전 테이블에는 연마 패드를 대신하여 FX- CMP 숫돌을 배치한다. 슬러리는 필요 없고 순수(純水) 혹은 순수에 첨가제를 가한 액체를 적하(滴下)하여 가공한다. <그림 3>에서는 FX-CMP 숫돌의 개요를 나타낸다. FX-CMP 숫돌은 연마재, 고착제, 기공 이3요소만으로 구성된다. 고순도의 산화 셀륨을 연마재로 하여 미세한 기공을 균일하게 함유하도록 수지로 바인딩(binding)한 구조를 하고 있다.
.
.
.
.
.
.
.
.
1. FX-CMP의 기술 과제
FX-CMP를 개발함에 있어서는 ⑴반도체 디바이스 가공이 가능한 숫돌, ⑵숫돌의 드레싱 방법, ⑶후세정 방법 이 3가지의 과제가 있었다. 여기서는 특히 ⑴의 숫돌 개발에 초점을 둔다.
  반도체 디바이스 가공용 숫돌에 필요한 사양 중에서 특수하고 가장 까다로운 요구는 가공 손상에 관한 것으로 가공시의 스크래치는 지름 8인치의 웨이퍼 전면에서 많아도 100개 이하로밖에 허용 되지 않는다. 이수치는 뒤에 설명하는 나노미터 단위의 스크래치도 포함한 수이다. 웨이퍼를 야구장이라고 보면 그라운드상에서 머리카락 정도의 스크래치까지 문제삼는다. 그외에 구성 재료가 반도체용으로 고순도인 점, 연마율 200nm/min 이상을 필요로 하는 사양이다.
  FX-CMP에서 발생하는 스크래치는 <표 1>에 나타 내는 2종류로 분류할 수 있다. 킬러 스크래치는 발생 빈도는 낮지만 깊이와 폭이 모두 수 ㎛로 커서 막을 파괴, 관통시키는 치명적인 결함이 된다. 특징은 <표 1>의 SEM 사진에서와 같이 취성 파괴로 보이는 불연속 흔적을 남긴다. 한편 마이크로 스크래치의 크기는 1~2 자리수로 미세하고 얕은 소성 변형으로 보이는 직선상의 흔적이 특징이다. 마이크로 스크래치의 깊이는 60nm 이하로 매우 얕다. 때문에 금방 결함을 일으킨 다고 단정할 수는 없으나 나중의 프로세스에서 문제가될 수있다. 예를 들면 STI-CMP 후의 불산 세정에서 마이크로 스크래치가 확대되고 그 위에 막을 형성한 게이트 전극 재료의 폴리 실리콘이 스크래치 안에 파묻혀 예상치 않은 개소를 도통(導通)하는 불량을 일으 키는 사례가 있다.
  연마 패드보다도 단단한 숫돌로 동등한 스크래치 레벨을 달성하려면 숫돌의 구성 요소인 연마재, 고착제, 기공 각각을 최적화 시킬 필요가 있다. 이하에서는 각각에 대해 설명한다.
.
.
2. 고착제 수지의 선정
고착제 수지의 역할은 연마재의 유지 보전, 숫돌 탄성률 조정이다. 그것을 위해 필요한 특성은 성형성 외에 평탄화 성능과 낮은 스크래치를 양립시키는 적당한 탄성률 그리고 반도체에 적용할 수 있을 정도의 순도이다. 이 관점에 입각하여 몇 개의 수지를 후보로 선택하고 FX-CMP 숫돌을 시험 제작하여 평가한 결과를 <그림 4>에 나타낸다. 연마율과 가공면 거칠기는 비례 하는 경향에 있는데 동일한 가공면 거칠기로 비교하고 가장 고속 연마율을 얻을 수 있는 폴리에스테르계 수지를 고착제로 선택하였다.
.
.
.
.
3. 연마재 특성과 스크래치
숫돌을 시험 제작하기에 앞서 연마재 단독의 성능을 알아 볼 목적으로 연마재를 슬러리로 하여 연마 패드로 CMP하고 스크래치 수를 측정하였다.
  <표 2>에서는 산화 셀륨 연마재의 특성 일람을, <그림 5>에서는 스크래치 수를 평가한 결과를 각각 나타 낸다. 치명적인 결함을 불러일으키는 킬러 스크래치는 입자 지름이 십수 nm로 가장 미세한 연마재 D에서 가장 많고 CMP용으로 고순도화한 연마재 B와 C에서는 검출 하한가 이하이었다. 입자 지름이 아니라 연마재의 순도와 상관이 있기 때문에 킬러 스크래치의 원인은 연마재 중의 불순물 입자로 추측된다. 한편 마이크로 스크래치는 입자 지름이 큰 연마재 A에서 가장 많고 미세한 연마재일수록 발생률이 적다. 평균 입경0.3~0.4㎛ 이하일 필요가 있다. 순도보다도 입자 지름과 관계가 있기 때문에 원인은 연마재 중의 큰 입자인 것으로 추측한다.
  다음으로 <그림 6>에서는 연마재 A, B, C를 사용하여 시험 제작한 FX-CMP 숫돌의 스크래치 특성을 나타낸다.
  고순도화한 연마재 B, C를 원료로 한 숫돌에서는 킬러 스크래치가 검출 하한 이하로 되었다. 킬러 스크 래치, 마이크로 스크래치 그 어느 경우에도 FX-CMP 숫돌의 특성은 원료 연마재의 CMP 특성을 반영하고 있다.
  적절한 연마재를 선정하는 것이 중요하다.
.
.
4. 기공 제어
FX-CMP 숫돌의 가공 특성 제어에 있어서는 연마재와 고착제 수지에 더하여 기공 제어를 빼놓을 수없다.
  연마율을 제어함에 있어서는 기공률(기공이 차지 하는 체적/숫돌 체적)을 최적화한다.
  기공률이 높을수록 연마율이 증가하는 경향에 있는데 기공률 증가는 동시에 숫돌의 강도 저하를 가져 온다.
  강도를 유지할 수 있는 범위에서 기공률을 높이는 것이 좋아 40~60%의 범위를 사용했다.
  스크래치 저감이라는 관점에서는 기공의 사이즈 제어가 중요하다.
  입자 지름이 같은 연마재와 동일한 수지를 사용하여 제작한 2종의 숫돌 X, Y의 기공 지름 분포와 표면 SEM(주사형 현미경 사진) 사진을 <그림 7>에 나타낸다. 기공 지름 분포는 수은 폴로시미터법을 사용하여 측정했다.
  기공 지름이 크고 분포가 넓은 숫돌 X에 대해 숫돌 Y의 기공 지름은 미세하고 좁은 범위에 분포한다. 양쪽의 마이크로 스크래치 수를 비교하면 미세하고 균일한 기공을 형성하는 숫돌 Y의 스크래치 발생수는 세 자리수 적다. 이것보다 기공을 미세화하면 마이크로 스크래치 수는 현저히 감소함을 알 수있다.
  기공의 미세화가 마이크로 스크래치를 저감시키는 이유는 <그림 8>에 나타내는 것처럼 생각할 수 있다.
  기공만 미세화시킴과 동시에 기공이 아닌 부분 즉 숫돌 구조(연마재+수지)의 미세화로 이어진다.
  미세한 기공을 가진 숫돌에서는 숫돌과 수지로 이루어진 응집 덩어리의 크기도 미세화되어 큰응집 덩어리에 의한 국소적인 응력 집중부가 감소한다.
  그러므로 마이크로 스크래치가 적다고 생각할 수 있다.
.
.
.
.
5. 평탄화 성능
FX-CMP와 종전 CMP의 평탄화 성능을 비교했다.
  <그림 9>에서는 초기 단차 900nm의 테스트 패턴을 연마한 후 잔막 두께의 패턴 폭 의존성을 나타낸다. 일반적으로 폭이 넓은 패턴일수록 평탄화되기 어렵고 연마량의 패턴 폭 의존성이 적을수록 평탄화 성능이 높다고 할 수있다. 그리고 연마량이 많을수록 단차는 해소된다.
  종전의 CMP에서는 단차의 1.4배를 연마하였음에도 불구하고 패턴 폭에 의존하여 100nm의 막두께 차이가 생기나 FX-CMP에서는 단차의 1.1배 이하로 적은 연마량이더라도 막두께 차 10nm 이하와 패턴 폭 의존성이 없는 평탄화가 가능하다.
6. 다이렉트 STI 가공 결과
실제로 FX-CMP를 사용하여 다이렉트 STI 가공을 실시한 결과를 나타낸다.
  <그림 10>에서는 0.3㎛로 얕은 홈소자 분리 패턴을 FX-CMP로 평탄화한 후의 SEM 사진을 나타낸다. 반전 에치 백 등의 보조 프로세스 없이 Si3N4의 잔막 두께를 제어하고 동시에 결함이나 디싱이 없는 평탄화가 이루어졌다.
  STI용 고정 연마재 CMP(FX-CMP)를 개발하였다.
  FX-CMP 숫돌은 연마재, 고착제 수지, 기공으로 구성된다.
  연마율을 향상시키기 위해 고착제 수지로서 폴리에스테르계 수지를 사용하여 기공률을 최적화 시켰다.
  킬러 스크래치를 줄이는 데는 연마재의 고순도화가 유효하고 마이크로 스크래치를 줄이는 데는 연마재 및기공의 미세화가 유효하였다.
  FX-CMP의 평탄화 성능은 종전 패드에 의한 CMP를 크게 웃도는 점 그리고 FX-CMP를 사용한 다이렉트 STI 프로세스를 실증하였다.

 
TAG :  가공  고정  실리콘  연마재  웨이퍼  CMP  STI용
 
 
QUESTION (0)         목록보기 | 맨위로
 
Question 본 기사 내용에 대한 궁금한 사항을 적어주시면 확인 후 답변 드리도록 하겠습니다
  회원 마이페이지 또는 이메일로 답변을 확인 하실 수 있습니다.