Direct and quantitative investigation of the interaction between ceria and silicon-based wafers and development of pH-independent post-CMP cleaning solution

Abstract

The size of the semiconductor devices reduces and their density increases, the semiconductor manufacturing process is becoming more important. In particular, the chemical mechanical polishing (CMP) process for silicon-based wafers mainly used in the shallow trench isolation (STI) process is increasing. CMP is a process of polishing the wafers at a relatively high pressure and speed, and a lot of contamination and scratches due to abrasives in the slurry are inevitably left. However, as the scaling down of semiconductor devices intensifies and the requirements in the manufacturing process increase, it is becoming more important to minimize contamination and scratches. Especially, the residual abrasives after STI-CMP may interfere with the uniform deposition of photoresist in lithography. Ceria abrasive is known to show high polishing rate on silicon oxide due to strong chemical interaction in contrast to silicon nitride, so nitride is usually used as a stopping layer. In the CMP process, the chemical interaction of ceria and silicon oxide is advantageous, but in the subsequent cleaning process to remove it, the chemical interaction becomes a troublesome. Therefore, it is very important to understand how the chemical interaction between the two occurs during the CMP and cleaning processes. In the past, cleaning was carried out using the lift-off method to etch the surface of silicon oxide using cleaning solutions such as standard cleaning 1 (SC-1), Sulfuric acid peroxide mixture (SPM), and diluted HF, but recently, new cleaning solution removing as little as possible the thinly deposited silicon oxide and selectively removing only ceria is necessary. In this study, the interaction of ceria abrasives on silicon nitride and oxide, was directly investigated through atomic force microscope (AFM). The adhesion energy was measured and compared to elucidate the reason why ceria could remove silicon oxide well compared to nitride. In addition, the change in adhesion energy value according to the surface oxidation state of ceria abrasive was measured by AFM, and the adsorption rate was measured by quartz crystal microbalance (QCM). Activation energy was calculated and compared using the measured adsorption rates at various temperature. To develop a cleaning solution that can be used at acidic pH, we developed a cleaning solution that can maintain the zeta potential negatively even under various conditions, and confirmed the cleaning efficiency.

반도체 소자의 크기가 감소하고 밀도가 증가하면서 반도체 제조 공정의 중요성이 높아지고 있다. 특히 반도체 제조 공정 중 트랜지스터를 독립적으로 사용하기 위해 도입된 STI 공정에서 주로 사용되는 실리콘 기반의 웨이퍼들에 대한 화학적, 기계적 연마 공정의 중요도가 높아지고 있다. 화학적, 기계적 연마 공정은 비교적 강한 압력, 속도로 웨이퍼를 갈아내는 공정으로, 슬러리 내 연마재들로 인한 많은 오염 및 스크래치가 필연적으로 남게 된다. 그러나 반도체 공정의 필요조건이 높아지면서, 오염 및 스크래치를 최소한으로 줄이는 것이 매우 중요해지고 있다. 특히 STI 과정에서의 화학적, 기계적 연마 후 잔존 연마재는 이후 공정인 리소그래피 등에서 포토레지스트의 도포를 방해하고 단차를 유도하여 최종적으로 트랜지스터의 전기적 구동을 방해할 수 있다. STI 과정에서의 화학적, 기계적 연마에는 실리콘 산화물을 갈아내기 위해서 실리콘 산화물에 대한 선택도가 높은 세리아 연마재를 주로 사용한다. 세리아 연마재는 실리콘 산화물과 강한 화학적 상호작용을 하여 높은 연마율을 보이는 것으로 알려져 있으며, 실리콘 질화물은 잘 갈아내지 못하여, 질화물을 연마 제어 층으로 사용한다. 화학적, 기계적 연마 과정에서는 세리아와 실리콘 산화물 사이의 화학적 상호작용이 장점으로 작용하지만, 이후 이를 제거하는 세정 공정에서는 화학적 상호작용이 되려 골칫거리가 된다. 따라서 연마 과정 및 세정 과정에서 어떠한 메커니즘으로 둘의 화학적 상호작용이 일어나는지 이해하는 것이 매우 중요하다. 그리고 기존에는 기판 세정을 위해 일부 실리콘 산화막을 녹여내는 강한 세정 용액을 활용하여 실리콘 산화막 표면을 얇게 깎아내는 lift-off 방법으로 세정을 진행하였으나, 최근에는 얇게 도포된 실리콘 산화물을 최대한 적게 제거하며 세리아 연마재만 선택적으로 제거할 수 있는 세정 용액의 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 실리콘 질화물과 산화물 웨이퍼와 세리아 연마재 사이의 상호작용을 원자 힘 현미경을 통해 직접적으로 관찰하고, 접착 에너지를 측정하고 비교하여 실리콘 질화물에 비해 실리콘 산화물에서 세리아 연마재에 대한 세정이 더 어려운 이유를 밝히고자 하였다. 그리고 세리아 연마재의 표면 산화 상태에 따른 접착 에너지 값의 변화를 원자 힘 현미경을 통해 측정하였고, 수정 미세저울을 통해 흡착 속도를 측정하였다. 측정된 흡착 속도를 이용하여 활성화 에너지를 계산하고 비교하였다. 세리아와 실리콘 산화물 사이의 상호작용이 비교적 적은 산성 조건에서도 세리아 입자의 제타 전위가 음의 값을 유지할 수 있는 세정 용액의 개발을 위해 인산 기반의 첨가제들이 연구되었고, 세정 효율이 평가되었다.