(The) mechanical influence of soft pad compressive stiffness and collapse resistance on TEOS CMP

국문 초록 (Abstract)

첨단 반도체 소자의 배선 구조가 점점 미세화되고 복잡해짐에 따라, CMP 공정의 중요성이 더욱 커지고 있다. 특히 표면 결함 제어 측면에서 그 역할이 두드러진다. 금속 라인 폭이 좁아질수록 미세 스크래치에 대한 허용 범위가 더욱 엄격해지며, CMP 과정에서 발생한 스크래치는 이후 공정에서 도전성 잔류물이 채워질 경우 전기적 브리지나 단락을 유발할 수 있다. 또한 이러한 표면 결함은 후속 공정의 단계로 전이되어 불균일한 식각이나 단차 변화를 초래, 결과적으로 소자의 신뢰성과 수율을 저하시키게 된다. 이에 따라 최근 연구들은 스크래치를 줄이는 소모품 개발에 집중하고 있으며, 특히 소프트 패드의 기계적 특성이 결함 형성에 미치는 영향을 규명하는 데 초점을 맞추고 있다.
본 연구에서는 TEOS 막질 CMP에서 물리적 특성이 조정된 소프트 패드의 기계적 효과를 분석하고, 이러한 패드가 스크래치 결함을 억제하는 역할을 중점적으로 조사하였다. TEOS는 다층 배선 공정에서 층간 절연막으로 널리 사용되며, 특히 ILD2 공정 단계에서 스크래치 결함이 빈번하게 발생하기 때문에 개선이 요구된다. 이를 해결하기 위해 기존 하드 패드보다 경도가 낮고, 미세 돌기 특성이 향상된 소프트 패드를 적용하였다. 또한 세리아 기반 슬러리 농도를 조정하여, MRR, 웨이퍼 내 불균일도, 결함도에 미치는 복합적 영향을 평가하였다.
실험 결과, 소프트 패드 사용 시 기존 하드 패드 대비 스크래치 관련 결함이 약 65% 감소하였다. 이러한 개선은 소프트 패드의 향상된 돌기 특성으로 인해 패드 debris 생성이 줄어들고, 그 결과 스크래치 발생이 완화된 데에서 기인한다. 그러나 이러한 장점은 기계적 마찰력이 낮아지면서 MRR이 약 22% 감소하는 단점을 동반하였다. 이에 세리아 슬러리 농도 조정을 통해 제거율 저하를 보완하였으며, 그 결과 스크래치 억제와 충분한 MRR 및 균일성을 동시에 만족하는 최적 공정 조건을 확립할 수 있었다.

주제어: CMP, TEOS, 소프트 패드, 돌기 특성, 스크래치 저감

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As interconnect structures in advanced semiconductor devices continue to scale down and increase in complexity, the importance of Chemical Mechanical Planarization (CMP) has become more pronounced, particularly in controlling surface defects. As metal linewidths shrink, the tolerance for micro scratches becomes increasingly tight, scratches generated during film CMP can be filled with conductive residues from subsequent processes, leading to the formation of electrical bridges and short circuits. Furthermore, these surface defects can be transferred to subsequent layers, resulting in unintended etching failures and step height variations, thereby degrading device reliability and yield. Consequently, recent research efforts have focused on developing scratch-reducing consumables, particularly soft polishing pads, and on investigating the influence of pad mechanical properties on defect formation.
This study investigates the mechanical effect of soft pads with modified physical properties in the CMP of TEOS films, focusing on their role in mitigating scratch defects. TEOS is widely used as an interlayer dielectric (ILD) material in multi-level metallization processes, and scratch defects are particularly prevalent in the ILD2 layer, requiring improvement. To address this issue, a soft pad with lower hardness than conventional hard pads and enhanced asperity characteristics was applied. In addition, the concentration of ceria (CeO₂)-based slurry was adjusted to evaluate the combined effects on material removal rate (MRR), within-wafer non-uniformity (WIWNU), and defectivity.
Experimental results showed that using a soft pad led to a 65% reduction in scratch-related defects compared to a baseline hard pad. This improvement was attributed to the enhanced asperity characteristics of the soft pad, which reduced pad debris generation and thereby mitigated scratch defects. However, this benefit was accompanied by a 22% decrease in the MRR due to lower mechanical abrasion. MRR reduction was compensated through ceria slurry concentration adjustment. Consequently, optimal process conditions were established, balancing scratch suppression with sufficient MRR and uniformity.

Keywords: Chemical Mechanical Planarization, TEOS, Soft Pad, Asperity Properties, Scratch Reduction

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.1.1 Understanding Chemical Mechanical Planarization (CMP) 1
• 1.1.2 Structure and Function of Polishing Pads 4
• 1.1.3 Motivation and Objectives of This Study 6
• 2. Theoretical Background 8
• 2.1 Defect CMP: Scratches 8
• 2.2 Significance of TEOS CMP in Semiconductor Manufacturing 10
• 2.3 Scratch-Induced Failure Mechanisms in Interconnect Structures 13
• 2.4 Role of Pad Material in Scratch Mitigation 14
• 3. Experimental 17
• 3.1 Consumables 17
• 3.2 Polishing Experiments 20
• 3.3 Characterization and Measurement 23
• 4. Results and Discussion 25
• 4.1 Mechanical Characterization by Nanoindentation and DMA 25
• 4.1.1 Nanoindentation 25
• 4.1.2 Dynamic Mechanical Analysis (DMA) 26
• 4.2 Surface Morphology of CMP Pads (FE-SEM, Top View) 30
• 4.3 Influence of Slurry Concentration and Pad Mechanical Properties on Removal Rate and Within-Wafer Non-Uniformity 32
• 4.3.1 Hard Pad (IC1010) 32
• 4.3.2 Felt Pad (Suba VI) 33
• 4.3.3 New Pad 33
• 4.4 Surface Characterization of Post-CMP Wafers (Confocal & AFM) 35
• 4.5 Surface Topography and Groove Depth Analysis of Pads 37
• 4.6 Pad Debris Size and Distribution 39
• 4.7 Evaluation of Particle Contamination from Slurry Wastewater 41
• 4.8 Discussion 44
• 5. Conclusion 46
• References 48
• Appendix 52
• Korean Abstract 55