TAD 세정액이 Cu CMP 공정 후에 미치는 영향

Abstract

반도체 배선 공정에서 소자의 원가 절감 및 연산 속도 성능 증대에 대한 요구에 맞추어 반도체는 고집적화, 미세화됨에 따라, 소자의 배선 폭과 라인 간격이 줄어듦으로 인해 저항-축전용량 지연 (RC delay) 문제가 대두되게 되었다. 비저항 (resistivity) 에 의한 손실을 최소로 하고 또한 안정적인 배선을 위해 새로운 배선 물질로써 낮은 비저항을 지닌 구리 (Cu) 가 도입되게 되었다. 구리 배선을 위한 새로운 배선 공정으로 과증착된 구리를 평탄화하는 구리 화학적 기계적 연마 공정 (Cu chemical mechanical planarization, CMP) 에 기반한 상감 공정 (damascene process)을 통해 다층구조 및 고집적화를 구현할 수 있게 되었다. 하지만, 이러한 Cu CMP 공정 후에는 슬러리 (slurry) 에 기인한 연마제 (abrasive) 및 화학물이 표면에 잔류하게 되고 이는 후속 공정에 이물질로 작용하여 구리 박막을 부식시키거나 적층을 저해한다. 이를 방지하기 위하여 도입된 CMP 후속 세정 (cleaning process) 은 기존의 물리적 제거법으로는 그 한계가 존재하여 효과적인 세정에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 표면 산화막 식각을 통한 세정법인 리프트-오프 법 (left-off mechanism) 에 기반한 유기산 세정액을 개발하여 CMP 후 표면을 효과적으로 세정하는데 목적을 두었다. 따라서, 세정액의 개발을 위한 세정 거동 분석 및 용액 분석, 표면분석을 실시하여 그 영향성을 검증하고자 하였다. 구리 이온과의 착물을 통해 산화막을 제거할 수 있는 카르복실기와 아민기를 지니는 착물 형성제 (complexing agent) 인 1,2-Bis-(3-aminopropylamino)ethan (TAD) 를 선정하여 용액분석을 통해 식각력을 평가하고 잔류 연마제 제거 능력을 살펴보았다. 또한, 세정액 및 착물 형성제의 거동에 미치는 적용 pH 조건에 따른 실험을 진행하여 효과적인 세정 거동에 대한 고찰을 하였다. 이후로, 리프트-오프 세정액이 지니는 화학적 결함 문제를 개선하기 위하여 부식 방지제 (corrosion inhibitor) 를 선정하고 5-aminotetrazole (ATRA) 의 영향성을 표면 분석 및 전기화학 분석을 통해 효율적인 농도를 선정하였다. 개발된 유기산 세정액은 구리 (Cu), 탄탈 (Ta), 실리콘 옥사이드 (SiO2) 표면에서 높은 식각력을 통해 우수한 연마제 제거 능력을 보였으며 효과적인 부식방지제의 첨가에 따른 표면 개선을 지님을 확인하였다. 실공정 평가 결과, Cu : 0.02 #/um2, Ta : 0.01 #/um2 그리고 SiO2 : 0.07 #/um2의 잔류 연마제 밀도 결과를 얻을 수 있었으며 이는 Cu CMP 후 효과적인 영향력을 지니는 세정액으로써 상기 개발된 조성이 적용 가능함을 보여주었다.

In the semiconductor metallization process, in order to cost reduction and high performance of feature, the micro devices developed into the high concentration and refinement. Through the reduction of feature size and width, the interconnect resistance capacitance delay (RC delay) that limit device speed, emerged as a major issue in metallization. So, Copper (Cu), which has low resistivity, was introduced to semiconductor fabrication for enhancement of RC delay. The Cu damascene process, which was based on Cu CMP process to achieve multilevel interconnection, is necessary for Cu metallization. . However, after Cu CMP process, abrasives and chemicals which come from CMP slurry, remain on the surface and react as contamination for interconnection. Then many studies about post-CMP cleaning, which is critical process for solving the residual pollution by abrasive, has reported variously. . In this study, the development of effective cleaning solution, which was based on the lift-off, investigated. It is required for successful removal of residual particles from the surface without roughening after process. The pH 12 condition, which has high absolute zeta potential in term of high repulsive force between particle and substrate, was discussed for the solution. And, TAD as complexing agent for cleaning solution was investigated. 0.15 M TAD could remove large amount of Cu oxide at alkali pH due to the amine group in structure, then assure the low particle density on surface. In the experiment of pH, particle density on Cu surface decreased with alkali pH condition promoted in TAD based solution. And, the concentration of TAD was optimized as 0.15 M which show effective cleaning performance. . Adding 0.006 M ATRA, as corrosion inhibitor, showed effective performance on cleaning and surface enhancement. Compared to BTA and triazole, ATRA has lower residual partice density on various substrate, especially Cu, Ta, SiO2. ATRA was known to the formation with Cu ion and made Passivation layer on Cu. Trough the surface monitoring, 0.006 M ATRA was concluded to smooth surface and cleaning performance. They were affected as complexing agent, corrosion inhibitor to improve efficient removal of contamination. The developed solution, 0.15 M TAD and 0.006 M ATRA with pH 12 by TMAH, has the performance of cleaning on Cu: 0.02 #/um2, Ta : 0.01 #/um2 and SiO2 : 0.07 #/um2. Through the actual test on pattered wafer, TAD based solution, which developed in this study, could apply as commercial cleaning process.