Design of electrolyte and pad for high removal rate and uniformity control in Cu ECMP process

정석훈 부산대학교 2010 국내박사

오늘날 반도체 제조 및 미소전자기계 시스템 공정에서 소자간 분리, 절연막 형성, 금속 배선 형성을 위해 표면의 요철을 평탄화시키는 평탄화 공정이 필수 공정으로 적용되고 있다. 여러 평탄화 공정 중에서 CMP 공정은 오늘날 평탄화 필수 공정으로 적용되고 있으며, 그 적용 재료 또한 다양하다. 다양한 재료 중에서 금속 배선 물질로 사용되는 구리는 높은 전도율과 우수한 전기적 전자이동에 대한 저항성을 가지고 있기 때문에 반도체 디바이스 제조에서 고집적화 및 고속도화를 추구하는 차세대 배선 물질로 사용되고 있다. 이러한 장점을 가진 구리 재료의 배선 형성 시 평탄화 공정으로써 Cu CMP 공정이 적용되고 있으나, 다양한 표면 결함 발생 및 낮은 재료제거율로 인한 소모품 비용 상승 등의 문제점들이 나타나게 되었다. 이는 Cu CMP 공정에서 제료제거율을 증가시키기 위하여 높은 압력과 상대속도를 Cu 웨이퍼 표면에 가하게 되며, 이는 연마패드 변형으로 인한 디싱 및 에로젼으로 인한 웨이퍼내 불균일도의 상승과 구리막의 벗겨짐 및 구리막 하부의 절연막 깨짐으로 인한 수율저하를 가져오게 된다. 고평탄화 및 무결점 표면을 요구하는 반도체 디바이스 공정에서의 Cu CMP 공정은 이러한 결함들의 감소를 선결해야 할 문제로 대두하게 되었다. 대안적인 구리의 평탄화 공정들 중 Cu ECMP 공정은 낮은 압력 조건하에서 전기화학적 공정과 기계적 공정의 혼합을 통한 구리막을 제거하는 공정이다. 이는 Cu CMP 공정에서의 재료제거의 지배적인 요인인 압력과 상대속도를 통한 연마 공정이 아니라 전기적 식각, 화학적 표면 제어 및 기계적 재료제거의 가공 요소를 요소를 통한 연마 메커니즘을 가지고 있다. 특히, 초저압 (<1 psi)의 가공조건을 가지고 있으므로 인하여 Cu CMP 공정의 높은 압력에서 발생되어지는 다양한 결함들의 발생을 최소화할 수 있다. 그러나, Cu ECMP 공정은 초기 연구 단계이고, 다양한 가공 변수들 중 전해액에 대한 연구들만이 진행되고 있으며, 이는 전기화학적 관점으로만 Cu ECMP 공정을 접근하는 문제점이 나타나게 되었다. 이러한 배경에서 본 연구는 Cu ECMP 공정에서의 높은 재료제거율과 균일도 향상을 전기화학적 및 기계적 실험 및 분석을 통하여 해석하고자 하였다. 먼저, Cu ECMP 공정의 원리 및 특성을 파악하여 본 연구에 알맞은 장비를 설계 및 제작하였다. 제작되어진 장비는 0 ~ 100 rpm의 헤드 및 정반 속도를 가지며, 4인치 웨이퍼 기준으로 ± 3 g/cm2의 압력정밀도로 60 ~ 320 g/cm2의 압력을 가할 수 있다. 헤드와 정반은 소편심 형식으로 제작되어 웨이퍼의 가장자리 부분이 노출되어져 Cu 웨이퍼 표면에 포텐셜을 공급한다. 그리고, 표면 상태의 변화를 물리적으로 관찰하기 위하여 연마 중 마찰을 측정할 수 있는 힘 센서를 Cu ECMP 장치에 설치하였다. Cu ECMP 공정에서 중요 요소인 전해액의 조성을 확보하기 위하여 정전위 장치를사용하여 다양한 전도성 용액과 첨가제들의 전기화학 분석을 한 결과 가장 안정한 전기화학적 특성을 가진 6 wtl% of H3PO4, 0.5 wt% of H2O2, 0.5 wt% of BTA, 2 wt% of citric ammonium 및 0.5 wt% of glycine으로 구성되어진 전해액과 6 wt% of H3PO4, 0.5 wt% of H2O2, 0.5 wt% of BTA, 2 wt% of citric ammonium 및 0.5 wt% of ethylenediamine으로 구성되어진 전해액을 선정하였다. 그리고, 선정되어진 전해액들의 동적 전기화학 분석 및 Cu ECMP 공정의 메커니즘 파악을 위하여 DECA 장비를 제작하였다. 이 장비를 활용하여 인가 전압에 따른 두 가지의 Cu ECMP 메커니즘을 확인할 수 있었다. 인가 전압에 의한 구리 패시베이션 영역에서는 구리 표면에 패시베이션 막이 생성이 되어 구리의 전기적 식각 작용이 낮은 대신 연마패드에 의하여 패시베이션 막의 연마가 진행되어짐을 힘 센서를 통한 진동의 발생으로 확인할 수 있었다. 그리고, 패시베이션 영역이 아닌 구간에서는 전기적 식각 작용이 재료제거에 영향을 주는 인자로 확인하였다. 즉, 인가전압이 없을 경우 생성되는 패시베이션 막을 연마패드의 기계적 작용으로 연마가 되어지며, 패시베이션 구간에서는 전기적 식각 작용보다 연마패드에 의한 연마작용이 강하여, 패시베이션 구간 외에서는 연마패드에 의한 연마작용보다 전기적 식각 작용이 강하다는 것으로 판단된다. 이러한 Cu ECMP 공정 메커니즘을 가지고 웨이퍼 스케일에서의 연마균일도를 향상을 위하여 중요 변수인 연마패드 내의 홀의 분포를 시뮬레이션 및 실험적 방법으로 접근하였다. 먼저, 전기화학적 반응은 연마패드 상의 홀에서만 이루어지며, 웨이퍼 내 전류밀도는 균일하다는 2가지의 가설을 세웠으며, 이를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 연마 프로파일이 비슷하다는 것을 알 수 있었지만, 웨이퍼 내 전류밀도가 불균일하기 때문에 최대 43%의 오차가 발생하였다. Cu 패턴 ECMP 공정에서 Cu ECMP 및 Cu CMP 공정으로 이루어진 2단계 연마공정에서 단일 Cu CMP 공정에서 발생하는 디싱량보다 종횡비 0.01, 0.02, 0.5에서 10, 25, 124 nm 만큼 적게 발생하였으며, 이는 낮은 Cu ECMP 압력의 영향성으로 판단된다. 또한, 높은 웨이퍼 내 균일도를 확보하기 위하여 각각의 전해액에 실리카 연마입자를 첨가하였을 경우, 두 가지의 전해액에서 10 vol% 이상의 실리카 연마입자가 첨가되었을 때 높은 웨이퍼 내 균일도를 확보할 수 있었다. 이는 전기화학적으로 생성되어진 패시베이션 막이 실리카 연마입자 및 연마패드에 의하여 균일하게 제거되어지기 때문이다. 따라서, 본 연구는 높은 재료제거율, 낮은 표면 결함발생 및 높은 웨이퍼 내 균일도를 확보할 수 있는 Cu ECMP 공정 변수의 효과적인 제어에 기여할 수 있으리라 판단된다.

Empirical modeling of wafer-scale removal profile using spatial parameter in copper CMP

이현섭 부산대학교 2010 국내박사

오늘날 반도체 제조 및 미소전자기계 시스템 공정에서 소자간 분리, 절연막 형성, 금속 배선 형성을 위해 표면의 요철을 평탄화시키는 공정이 필수적으로 적용되고 있다. 금속 배선 물질로 사용되는 구리는 우수한 전기적 특성을 가지고 있지만 건식식각이 불가능하기 때문에 구리 배선을 형성시키기 위해서 이중상감법을 이용하고 있으며, 이 때 화학기계적 평탄화 (CMP) 공정이 적용된다. 현재까지 구리의 CMP에 관한 연구는 재료의 화학적, 기계적 제거 매카니즘 규명이나 슬러리의 개발에 집중되어 있었다. 그러나 양산에서의 생산성 향상을 위해서는 CMP 공정에서의 재료제거 균일성에 관한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다. 이는 박막의 불균일한 제거가 소자의 수율에 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 웨이퍼 스케일에서의 평탄도 향상을 위한 재료제거 특성을 파악하고 이를 바탕으로 구리 CMP의 연마 프로파일 모델을 제시하여 활용하고자 한다. 구리 CMP는 산화막 CMP와는 달리 슬러리의 화학적 제거 특성에 의한 재료의 제거가 매우 강한 것으로 알려져 있다. AFM을 이용한 스크래치 실험을 통하여 슬러리에 의한 표면반응이 구리 표면의 제거를 용이하게 함을 알 수 있었다. 또한 슬러리 온도에 따른 에칭 실험을 통하여 온도가 CMP에서의 화학 반응성에 영향을 미침을 알 수 있다. 이러한 화학적 특성으로 인하여 구리 CMP는 기계적인 재료 제거 외에 연마 중 발생하는 온도에 영향을 받게 된다. 기계적 제거는 연마 시 압력 및 패드와 웨이퍼의 상대속도에 의해서 결정되며, 재료 제거율은 압력과 속도의 곱에 비례한다는 프레스톤의 식으로 표현되어지고 있다. CMP에서 공정 중 온도에 따른 슬러리와 재료의 반응성은 아레니우스의 식을 이용하여 설명되고 있으며 일반적으로 화학 반응성은 CMP시 온도가 증가함에 따라서 증가하게 된다. 본 연구에서는 웨이퍼 상의 평균적인 재료 제거율의 관점에서 이러한 프레스톤의 식과 아레니우스의 식을 이용하여 수정된 프레스톤의 식을 제시 하였다. 그러나 CMP의 목적은 웨이퍼의 광역 평탄화에 있기 때문에 그러한 평균 재료 제거율의 모델보다는 웨이퍼 스케일의 재료 제거분포에 관한 모델이 필요하다. 하지만, 기계적 제거 특성과 화학적 제거 특성에 관한 대부분의 연구에서는 각각의 평균 재료 제거율에 관해서만 주로 고려해 왔으며, 두 가지 특성을 동시에 고려하는 경우는 매우 드물다. 따라서, 본 연구에서는 웨이퍼 스케일의 재료 제거 균일성 모델을 위하여 평판 웨이퍼 상의 임의의 점들을 기준으로 하여 그 점에서의 재료 제거율을 실험적으로 확인하였다. 또한, CMP시 응력의 분포, 속도분포, 화학적 반응성의 분포가 재료 제거의 균일성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 유한요소법을 이용한 응력분포 해석, 기구학적 해석을 통한 상대속도의 분포와 온도 분포 해석을 통한 화학적 반응성의 분포를 계산하였다. 연마 중 온도의 분포와 웨이퍼에 존재하는 하나의 점이 가지는 미끄럼 거리 분포와의 관계를 파악하고 아레니우스의 식을 사용하여 화학적 반응성의 분포를 파악하였다. 연마 프로파일의 공간적 분포를 표현하기 위하여 공간 변수 (Ω)를 제시하였다. 공간 변수는 CMP에서 재료의 제거가 압력과 상대속도에 의한 기계적 제거와 화학적 제거에 의해 동시에 이루어지며, 화학적인 반응성은 슬러리의 화학 용액 뿐 만 아니라 기계적 제거 과정에서 발생하는 온도 및 압력, 상대속도에 영향을 받고 있다는 가정 하에 압력 분포, 상대속도 분포, 화학적 반응성 분포의 곱으로 표현되었다. 압력분포, 상대속도 분포, 화학적 반응성 분포는 각각의 평균값에 대한 분포로 정의되었다. 실험을 통해서 얻어진 데이터를 기초로 압력분포, 속도분포, 화학적 반응성 분포에 대한 통계적 분석을 통해 각각 인자들이 연마 프로파일의 형성에 어떻게 기여하는지에 관하여 분석하고 이를 반영하여 연마 프로파일 모델을 수정하였다. 본 연구 결과를 통하여 구리 CMP에서 연마 프로파일의 형성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 압력의 분포이며, 화학 반응성의 분포 역시 중요함을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 사용된 CMP 장비가 리테이너링을 이용하여 압력의 분포를 조절하는 구조를 가지고 있기 때문으로 생각된다. 따라서, 구리 CMP에서는 온도의 분포에 의한 슬러리의 화학적 반응성과 압력의 분포를 적절히 고려해야 할 것이다. 향후 패턴 CMP의 모델링에 본 논문에서 제시한 모델이 적용 가능한지에 관하여 평가하기 위해서 평판 웨이퍼에서의 재료 제거율 프로파일 모델을 기초로하여 구리 패턴 웨이퍼의 CMP에 적용하였다. 패턴 웨이퍼 CMP의 경우 평판 웨이퍼와는 달리 패턴의 형태와 위치에 영향을 받는다. 또한 패턴의 CMP는 주위 패턴의 영향을 받는다. 본 연구에서는 평판 웨이퍼의 재료 제거율 프로파일이 패턴 CMP의 단차감소에 영향을 미침을 확인하였다. 따라서 패턴 웨이퍼의 평탄화를 위하여 평판 웨이퍼의 연마율 프로파일의 형성을 이해하고 이를 조절하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 본 논문에서 구리 CMP에서 평판 웨이퍼의 연마 프로파일 형성에 영향을 미치는 인자를 분류하고 각각의 인자를 해석하여 연마 프로파일 모델을 제시하였다. 본 논문의 결과는 CMP에서 각각의 인자가 재료 제거 균일성에 미치는 특성과 평가 방법을 제시함으로써 산업적, 학술적으로 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 대구경화 되어가는 실리콘 웨이퍼의 CMP 공정에서 CMP 장비 및 공정의 설계에 도움이 될 수 있을 것이다. 마지막으로, 패턴 웨이퍼의 CMP에서 패턴의 형태를 고려할 경우 CMP 공정에서 발생할 수 있는 디싱 (dishing)이나 에로젼 (erosion)과 같은 결함의 분포를 예측할 수 있는 CMP 시뮬레이터의 개발을 위한 기반이 될 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해서는 다양한 방법의 연구를 통한 연구 데이터가 필요로 할 것으로 보이며 특히, 소모품의 물리적 특성이 CMP 결과에 미치는 영향, 장비의 설계 특성이 CMP 결과에 미치는 영향, 패턴의 설계가 CMP 결과에 미치는 영향 등에 관한 연구가 중요할 것으로 보인다.

CMP 후세정에서 콜로이달 실리카 입자의 부착 및 제거 메커니즘

신운기 부산대학교 2013 국내박사

Chemical Mechanical Polishing (CMP) has emerged as a critical technology for achieving global and local planarization in advanced integrated circuit manufacturing. The CMP has been continuously improved to enable multilevel ULSI device fabrication. As device features continue shrinking, post-CMP cleaning technique to remove the submicron particles becomes more and more important. Particulate matter on a semiconductor wafer can cause circuit defects and thus yield loss in the final product. RCA cleaning in a wet station is a typical wet chemical cleaning method based on the etching mechanism. However, RCA cleaning causes critical environmental issues resulting from a huge amount of chemical and DIW waste. Therefore, Physical cleaning can solve the issues introduced in conventional chemical cleaning, and brush scrubbing is one of the most effective physical cleaning methods. The brush asperities engulf the wafer surface contaminations in direct contact while brush rotates. However, if the removal force does not overcome the adhesion force between the wafer surface and the particle, the particle will still remain on the wafer surface as a contamination. While the high cleaning force condition can generate the defects such as scratch and collapse of pattern. Therefore, the post-CMP cleaning requires understanding of particle adhesion for efficiently removal of particle and prevention of pattern and surface. In this research, AFM equipment was calibrated to measure the removal force of the colloidal silica particles, which is used as the abrasive particle during CMP process. AFM is a useful tool, not only imaging surfaces but also for the quantification of interfacial force both in the normal force and lateral force. It can be measured adhesion force between particle and substrate surface using calibration factor of AFM. The adhesion force between two surfaces depends of both the material properties and the condition of the surfaces such as chemical bonding, interfacial reactions, condensation and diffusive mixing. The adhesion force of colloidal silica particle were classified into the contact area and contact energy was obtained by the AFM lateral friction force and the theoretical analysis of Van der Waals interaction, capillary force and electrostatic force. From the results, the adhesion force between silicon surface and silica particle of 100nm was increased as a function of contact area. If the presence of an external force such as CMP pressure, the particle was penetrated the substrate surface by CMP pressure and particle and substrate surface had higher contact area than dipping due to down force. If external force does not exist, the Van der Waals interaction is a dominant force in the adhesion of particle. A poor roughness of the substrate surface results in an increase of the contact area. This can be proved through AFM friction experiment, the adhesion force increased from about 44nN to 60nN according to roughness of surface. The average removal forces were measured to be about 41nN, 45nN, 60nN and 70nN for 10%, 20%, 50% and 90% in relative humidity, respectively. This indicates that the control of capillary force is very important for effective cleaning. In the high humidity condition of more than 70%, the meniscus is formed in the contact area and additional normal force occurred by meniscus area.The particle size affects Van der Waals force and deformation of particle due to the passage of time affects the contact area. After 720 hours of time later, the force to remove particles is needed more than 300nN.The results of AFM test have a similar tendency with mathematical calculated adhesion force by Van der Waals interaction. Also, the adhesion force between particle and substrate is increased in proportion to the contact area. To confirm the effect of contact energy on the adhesion force, the surface treatment was carried out using NH4OH and BOE solution. The Cleaning efficiency of MH(more hydrophilic) surface is reduced than LH (less hydrophilic) surface. However, removal force by AFM lateral friction test does not seem noticeable difference according to substrate surface energy of wettability. When the colloidal silica particles are attached with different materials, Van der Waals force and electrostatic force change by Hamaker constant and surface potential. The particles on the Cu substrate formed zeta potential of opposite polarity; particle deposit amount was increased due to attractive interactions between the particles and Cu surface. In addition, the increase of slurry pH results in a reduction in adsorption of particles due to repulsive interaction. However, adhesion force by AFM test was measured almost the same value of 50nN. The electrostatic force due to the change of zeta potential doesn’t have a significant impact after dry of particles. As time goes by, the removal of particle becomes more difficult. A covalent bond proceeds in the contact area between particle and substrate due to the supply of oxygen of atmosphere and formation of native oxide. Therefore, high energy of 110kcal requires breaking the siloxane bonding between particle and substrate; it matches well with the AFM lateral friction force over 300nN. The electrostatic force affects the adsorption amount, Van der Waals force and capillary force play a dominant role in the adhesion force and it can be explained by the theory of DMT model. From this research by AFM, it was possible to find a maximum removal force for efficient cleaning. Also, the physical cleaning condition by AFM test should be optimized for high cleaning efficiency, keeping a defect-free surface.

연마온도가 구리 CMP에 미치는 영향

박인호 부산대학교 대학원 2019 국내석사

반도체 공정중 웨이퍼가 평탄하지 않으면 다음 공정으로 넘어 갈수도 없으며 그로 인해 소자에 불량을 일으킬 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 반도체 공정 전 후 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization, CMP) 공정을 필수적으로 필요로 한다. CMP 공정의 기본적인 목표는 웨이퍼 표면을 균일한 재료제거량(Material Removal Rate, MRR)을 얻는 것이다. 하지만 여러가지 화학적인 요인과 기계적인 요인으로 인해서 재료 제거율에 많은 영향을 끼치게 된다. 그로 인해서 웨이퍼의 전 영역에서 균일한 재료 제거율을 얻는 것은 불가능하다. 때문에 CMP공정 전에 선행 실험이 매우 중요하다. 본 연구는 연마중에 발생하는 열에 대해서 알아보고 기계적인 요인과 화학적인 요인에 대해 실험하여서 구리 웨이퍼의 재료 제거량을 확인하고 알맞은 조건을 찾는 것을 목표로 하였다. 3장에서는 기계적인 요인인 상대속도와 압력 변화에 따라 연마율에 대해서 알아보고 화학적인 요인인 슬러리 온도를 임의로 올려서 연마율의 변화를 알아보았다. 그리고 웨이퍼의 크기에 따라 연마 중 온도가 어떻게 변화하는지 서술하였다. 4장에서는 CMP 소모품인 패드가 온도 변화함에 따라 연마성능에 미치는 영향에 대해 실험하여 서술하였다. 실험을 위한 패드는 현장에서도 많이 사용하고 있는 SUBA600과 IC1000의 패드를 비교 분석하였다. 그리고 슬러리 온도를 올리게 되면 슬러리의 입자가 뭉치게 되는데 이러한 원인에 대해 알아보고 설명하였다. 그 결과 슬러리 온도를 70 °C이상으로 올리게 되면 입자가 상온일 때 보다 약 0.054µm가 커져서 웨이퍼 표면에 스크래치가 발생하고 연마율도 하락하는 경향이 보였다.

시편 단면 분석을 위한 펨토초 레이저 가공에서 입사각이 측벽 각도에 미치는 영향

김재경 부산대학교 대학원 2024 국내석사

고장 분석 (failure analysis)은 제품 결함의 원인 탐색 및 제거를 위해 시행되는 분석 방법으로 전기적으로 내부 결함의 위치를 파악한 후, 파괴 분석 방법을 통해 직접적으로 결함을 관찰하여 발생 원인을 파악하고 해결하여 제품의 신뢰성 및 수율을 높이는 중요한 분석 방법이다. 최근 기술의 발전으로 3D IC, flexible electronics 등 대면적 고장 분석의 중요성이 커지고 있다. 하지만 파괴 분석 장비로 가장 많이 활용되는 FIB의 낮은 가공 성능으로 인해 대면적 분석이 불가능하다. 이를 해결하기 위해 아르곤 이온 가공 및 플라즈마 이온원을 사용하는 PFIB가 개발되었으나, 여전히 수백 μm 의 넓은 영역의 가공에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 높은 장비 사용 비용으로 인한 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위해 FIB 가공 전에 레이저 가공을 수행하는 방법이 제시되었다. 하지만 가우시안 형상의 에너지 분포와 초점 흐려짐 등에 의해 가공면은 계곡 형상을 띄며, 이는 이온빔 가공량의 증가로 이어지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 빔 형상 변경, 가공 변수 제어 등과 같은 방법이 연구되었으나, 측벽 각도 제어량이 한정적이고 실제 적용이 어렵다는 한계가 존재한다. 일부 연구에서는 빔 입사각(angle of incident, AOI)을 달리하여 표면 특성 및 가공 형상을 제어할 수 있음이 알려져 있다. 본 연구에서는 이온빔 가공량 최소화를 위해 빔 입사각을 달리하여 가공 영역의 형상이 수직에 가깝게 되도록 빔 입사각의 최적화를 목표로 한다. 이를 위해 빔 입사각을 적용하기 전, 가파른 측벽을 위해 laser fluence, overlap ratio 등 가공 변수의 최적화를 통해 측벽 각도 62.1˚를 지닌 형상을 제작하였다. 그 후, AOI에 따른 가공 형상의 변화를 관찰하여 AOI = 8˚에서 87.5˚의 각도를 지니는 측벽을 제작하였으며 스캔 전략 최적화를 통해 측벽에 curtaining effect의 발생을 억제하고 조도를 최적화하여 측벽의 품질을 개선하였다. 레이저 가공에 의해 발생한 결함을 제거하고 수직벽 제작을 위한 FIB 가공량을 판단하고자 라만 분광법과 energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) 분석을 진행하였다. 라만 분광법을 통해 약 1 μm 깊이의 잔류응력 발생을 확인하였고, EDS 분석을 통해 1 μm 미만의 산화를 관측하였다. 87.5 도의 측벽 각도를 지닌 100 μm 높이의 벽을 수직으로 만들기 위해 약 5 μm의 가공이 필요하며, 이를 활용하여 이온빔 가공에 걸리는 시간을 확인하였다. 너비 300 μm와 높이 100 μm 영역 가공에 레이저 가공 유무에 따른 FIB 가공 시간을 비교하였다. AOI 적용 없이 레이저 가공만 진행하는 경우 약 162 시간이 소요되는 것으로 계산된 반면, AOI를 적용하여레이저 가공을 수행한 경우 약 34 시간이 소요되어 약 79%의 가공 시간 감소를 확인하였다. Advanced technologies such as 3D integrated circuit (IC), flexible electronics are being applied to achieve better product performance. However, the complexity of circuits and increased thickness raises the difficulty of failure analysis (FA). FA can improve product reliability and yield by identifying and eliminating the causes of product defects. The use of FIB in FA is hindered by low processing performance, making large-area analysis of 3D ICs impossible. To address this issue, Argon ion processing and plasma ion source FIB (PFIB) have been developed. However, the high cost of the PFIB and the large area (over hundreds of micrometers) hindered the FA process. Therefore, studies to reduce the processing time with laser processing before FIB processing have been proposed. However, because of the Gaussian-shaped energy distribution and defocusing on the specimen surface, the processing surface takes on a V-shape. This problem leads to an increase in the amount of FIB processing. Efforts have been made to address this issue by optimizing the process parameters and changing the beam shape. Several studies have suggested that changes in the angle of incident (AOI) of the beam can control the surface properties and geometry. However, there are still challenges in sidewall angle control, and practical applications are difficult to apply. Laser processing has a faster removal rate than FIB but creates damage around the processed area. therefore, the process parameters must be optimized to restrict the damaged area. In this paper, the laser process parameters and AOI of laser processing have been optimized to obtain a vertical-like wall. Laser induced damage areas were investigated by Raman spectroscopy and EDS analysis. Based on these analyses, both residual stress and oxidization occurred below 1 μm thickness. The FIB milling time was calculated by considering the defect thickness and the time required to transform a vertical-like wall into a vertical wall. It was calculated that making a vertical wall for FA specimen fabricated without AOI would take about 162 hours, while processing with specimen fabricated with AOI=8 would take about 34 hours. It has been confirmed that 79% of the processing time is reduced by applying a laser to the processing before FIB milling.

CMP 온도 모니터링 시스템을 이용한 웨이퍼 면내 균일도 향상에 관한 연구

조호성 부산대학교 대학원 2021 국내석사

반도체 제조 기술이 발전함에 따라 반도체 선폭의 미세화와 고집적화가 진행되고 있다. 최근 포토 리소그래피 공정에 미세 선폭 구현을 위해 EUV (Extreme Ultraviolet) 장비가 적용됨에 따라 초점 심도 마진 확보를 위하여 CMP (Chemical Mechanical Planarization/Polishing) 공정의 중요성이 증대되고 있다. 하지만 생산성 향상을 위해 웨이퍼 사이즈가 대구경화 됨에 따라 CMP 공정에서 면내 균일도가 감소하여 문제가 되고 있다. CMP 공정은 웨이퍼와 패드의 접촉면에서 마찰에 의한 기계적인 연마와 화학 용액인 슬러리에 의한 화학적인 연마에 의해 웨이퍼 표면이 평탄화 되며, 이 과정에서 열이 발생하게 된다. 이 때 발생한 열은 슬러리의 화학적 반응성과 입자 상태, 패드의 물성 등을 변화시켜 연마 결과에 영향을 미치게 된다. 따라서, 실제 연마가 일어나는 웨이퍼 온도 분포 측정 및 제어를 통하여 연마 결과를 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 본 연구는 면내 균일도 모니터링 및 공정 조건 제어를 통한 공정 최적화를 위한 기초 단계의 연구로서, CMP 온도 모니터링 시스템을 제작하여 공정 중 웨이퍼 온도 분포를 측정한 후, 이를 재료제거율 (material removal rate, MRR) 프로파일과 비교 분석하여 웨이퍼 온도 를 통한 면내 균일도 추정이 가능함을 확인하였다. 또한, 스프레이 노즐을 사용한 슬러리 공급을 통하여 웨이퍼 온도를 제어함으로써 면내 균일도와 MRR 을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 웨이퍼와 패드 온도의 비교 분석을 통하여 웨이퍼 온도는 패드 온도에 비해 약 3.7 ℃ 높으며, 웨이퍼 직경 방향 프로파일 또한 다른 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 웨이퍼 온도와 패드 온도가 상이하다는 것을 나타내며, 이러한 결과는 기구학적 요인, 슬러리와 산소 가스, 그리고 열전달에 의한 패드의 냉각 등에서 기인한 것이다. 또한, 패드 온도, 웨이퍼 온도, 그리고 MRR 프로파일의 비교 분석을 통하여 웨이퍼 온도 프로파일이 MRR 프로파일을 추종하는 것을 확인하였다. 마지막으로, 슬러리 공급 방식이 웨이퍼 온도와 연마 결과에 미치는 영향에 대해 확인하였다. 스프레이 노즐을 사용하여 웨이퍼 온도를 제어한 결과, 웨이퍼 온도 표준편차와 웨이퍼 내 연마 불균일도 (with-in wafer non uniformity, WIWNU)는 각각 51.90 %, 63.09 % 감소하였으며, MRR 은 23.66 % 상승하였다. 향후 CMP 온도 모니터링 시스템을 자동 공정 제어 및 지능형 장비에 적용한다면, 직접적인 웨이퍼 표면 측정 없이 면내 균일도를 모니터링함과 동시에 공정 조건을 제어하여 공정 최적화를 실현할 수 있을 것이다.

극저온 성형공정 개발을 통한 고강도-고연성 CP-Ti wire 제조

안지섭 부산대학교 2021 국내석사

순수 타이타늄(CP-Ti) 소재는 뛰어난 비강도와 내부식성, 인체 친화적인 특징을 가지며, 극저온 환경에서 쌍정(Twin) 변형에 의해 강도와 연성이 증가하는 특성을 보인다. 해당 소재는 수송기기, 임플란트 및 인체 구조물 등에 널리 활용되며 주로 다단 신선공정에 의해 제조된다. 선재를 제조하는 방식 중 하나인 비원형 신선공정(Non-circular drawing sequence)은 비원형-원형 단면 형상을 반복적으로 성형하는 공정으로 고강도 선재를 연속적으로 제조하는데 사용된다. 본 연구에서는 고강도-고연성 CP-Ti Grade 2 선재를 연속적으로 제조하기 위해 극저온 비원형 신선공정을 도입하여 해당 소재의 활용성을 극대화 하고자 한다. 123K, 293K의 온도에서 변형률 속도 0.01/s로 ARAMIS SRX가 적용된 인장시험을 수행하였으며, 해당 기계적 물성치를 3차원 유한요소해석(DEFORM-3D)에 적용하여 성형해석을 수행하였다. 해당 결과를 바탕으로 실제 극저온 신선공정을 설계하였으며, 초기소재 직경 13mm의 CP-Ti wire를 2단 성형하여 10.4 mm의 최종소재로 제조하였다. 강도 및 연성 비교를 위해 인장시험을 수행하였으며, 기존 신선공정 및 비원형 신선공정을 비교 분석하였다. 상온 신선된 소재 대비 극저온에서 성형된 소재의 강도가 향상됨을 확인하였으며, 나아가 비원형 신선공정을 통해 제조된 선재가 가장 우수한 기계적 특성을 보임을 확인하였다. 미세조직 평가를 위해 후방산란전자회절(EBSD)을 수행하였으며, 해당 소재에서 입자 미세화 및 쌍정 거동이 가장 활발한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구결과로부터, 극저온 환경에서 CP-Ti의 변형거동 특성을 확인할 수 있었으며, 고강도-고연성 CP-Ti wire의 연속제조를 위해 극저온 비원형 신선공정이 유용할 것으로 판단된다.

Analysis of groove geometry effect on CMP characteristics

과, 용창 부산대학교 2011 국내석사

화학 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Planarization), 혹은 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)로 알려진 CMP 공정은 초고밀도 집적회로(Ultra Large Scale Integrated Circuit)제작을 위해 배선 형성과 칩의 적층 과정에서 요구되는 표면 요철 제거와 광역 평탄화를 달성하는데 사용되는 기술로서 폭넓게 알려져 있다. CMP공정이 진행되는 동안 웨이퍼는 연마패드에 맞닿은 상태에서 압력을 받으며 회전운동을 하게 되며 동시에 화학적 연마액과 연마입자를 포함하는 슬러리가 패드와 웨이퍼의 접촉면으로 흘러 들어 가게 된다. 이때 패드와 웨이퍼, 그리고 슬러리의 상호작용과 패드와 웨이퍼의 상대운동에 의해 연마가 이루어진다. CMP 공정에서, 특히 대구경 웨이퍼 사용시, 공정의 능률과 안정성을 확보하기 위해 슬러리와 패드 등의 최적화는 매우 중요하다. 패드의 경우에는 연마 생성물을 빨리 내보내고 연마입자의 연속적인 공급을 위해 홈이 파여진 그루브 패드(Groove pad)가 개발되어 현재 사용되고 있다. 그루브 패드가 CMP공정에서 중요한 역할을 담당하고 있는 만큼 수많은 종류의 그루브 형상이 사용되고 있으며 본 논문에서는 패드의 효율을 높이기 위해 그루브의 형상이 CMP 공정에 미치는 영향을 재료제거량(MRR), 연마균일도, 슬러리 유동의 측면에서 밝히고자 하였다. 우선, CMP 공정 도중의 마찰계수의 변화를 연구하고 분석하였다. 초순수(DIW)가 슬러리로 대체되는 과정에서 마찰계수의 변화를 관찰하여 연마입자의 함량과 마찰계수의 관계를 파악하였다. 슬러리가 유입되면서 발생한 마찰계수의 변화는 연마입자의 함량변화에 의한 마찰계수의 변화와 정확히 일치하였다. 연마입자의 함량이 0이거나 0.1wt% 미만으로 매우 작은 경우에는 마찰계수 값은 무척 작았으나 입자함량이 점점 증가하면서 마찰계수값은 급격히 상승하게 되고 어느 시점에서 정점을 기록한 이후에는 점점 감소하다가 이후 일정하게 유지되는 모습을 보였다. 본 논문에서는 그루브의 형상과 크기, 패턴모양이 각기 다른 X-Y 그루브 패드와 동심원 그루브패드가 실험에 사용되었다. 첫째로, 연마입자 함량과 마찰계수의 관계에 기초하여 그루브의 형상이 슬러리 유동에 미치는 영향을 SDT(Slurry Duration Time)를 통해 밝혀내었고 실제 연마실험결과의 비교와 분석을 통해 그루브 형상, 재료제거량(MRR), 연마불균일도(WIWNU)의 상호 연관성을 연구하였다. 둘째로 그루브에 따른 연마입자의 거동과 패드와 웨이퍼의 윤활조건을 분석하였다. 실험결과는 패드 그루브의 형상이 SDT에 무척 큰 영향을 끼칠 수 있으며 이로 인해 연마입자의 거동이 바뀔 수 있음을 보여준다. 너비가 넓고 촘촘한 그루브의 패드는 상대적으로 더 원활한 슬러리 유동을 통해 연마입자가 구름운동 보다는 긁힘운동을 하도록 만들어 마찰계수를 높이고 재료제거량(MRR)과 연마균일도를 향상시킨다.

전자레인지 도어의 가변속도 자동개폐 메커니즘 개발

김태완 부산대학교 2015 국내석사

SiO2/CeO2 혼합 연마 슬러리가 CMP 연마특성에 미치는 영향

이영균 부산대학교 2014 국내박사

Chemical mechanical polishing (CMP) has become one of the most important technologies for producing nanoscale semiconductor devices because it meets the stringent requirements for ever increasing integrated intensities and yields. CMP process has been widely used to obtain the global planarization of inter-metal dielectric (IMD) layers, inter-layer dielectric layers (ILD) and pre-metal dielectric (PMD) layers. In general, chemical compositions and abrasives of the slurry play a very important role in the removal rate and within-wafer non-uniformity for global planarization ability of CMP process. The conventional slurry consists of abrasive particles of the solid state suspended in a liquid state chemical solution. The abrasive in the slurry transfers mechanical energy to the surface being polished and plays a key role in its material removal. In the manufacturing process for ULSI chip, the abrasive of widely used slurry is silica (SiO2) and alumina (Al2O3). Ceria (CeO2) has been more commonly used for glass polishing, and recently for oxide films for shallow trench isolation (STI) structure. Through chemical reaction and mechanical action, the abrasive-liquid interaction plays an important role in determining the optimum abrasives type and size, their shape and concentration. The slurry was designed for optimal performance which produced reasonable removal rates, acceptable polishing selectivity with respect to underlying layer, low surface defects after polishing, and good slurry stability. One of the most critical problems is the higher cost of consumables (COC) such as pad, slurry, backing film, and pad conditioner which accounts for over 70% of cost of ownership (COO). Since a sufficient amount of slurry is required to get a higher removal rate (RR) and lower within-wafer non-uniformity (WIWNU), there have recently been lots of studies on the reduction of slurry consumption since the cost of the slurry is about 40% of COC. Total slurry revenues will grow at a CAGR of 8.2% between 2008 and 2014. Factored into the changing landscape between low cost ILD slurry, which is on the decline in relation to high-priced metal and ceria-based STI slurry. Revenues generated will from $874 million in 2008 to $1,402 million in 2014. Volume of slurry will grow at a CAGR of 16.8%, from 1.4 million 55 gallon drums in 2008 to 3.6 million in 2014. In this paper, we have studied the CMP characteristics of mixed abrasive slurry (MAS) retreated by adding of Ceria (CeO2) abrasives within 1:10 diluted silica slurry (DSS). We focused on how these mixed ceria abrasives affect the material removal in order to determine the optimal recipe conditions through the correlation between the mixed contents of ceria abrasives and CMP performances in our self-developed. As a result, the oxide CMP process using diluted mixed abrasive slurry has problems of higher material removal rate at wafer center. But, we solved the questions in consecutive order by pH control and slurry dispersion time. Finally, our proposed ceria-MAS can be useful to save a slurry consumption of high cost since we used 1:10 diluted silica slurry. Although, under the situation of present CMP technology, our self-developed slurry cannot apply in the chip fabrication process of semiconductor industries, the saving of high-cost slurry is still fascinated by R&D institute and experimental laboratory of university.