Study of barrier CMP selectivity optimization using silica modification

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Controlling the Ta-to-Cu removal selectivity is critical in the chemical mechanical planarization (CMP) process of barrier layers, as insufficient selectivity often results in severe topographical defects such as dishing and erosion. In this study, we investigated an electrostatic interaction-based strategy to tune the removal selectivity between Ta and Cu surfaces. Specifically, the surface charge of silica abrasives was modified via functionalization with (3-Aminopropyl) triethoxysilane (APTES), aiming to manipulate the zeta potential of the particles. After modification, the zeta potential of silica shifted significantly from –6.33 mV to +36.19 mV, indicating successful surface amination.
This modification led to a pronounced increase in the removal rate of Ta, from 143 Å/min to a maximum of 455 Å/min, attributed to the enhanced electrostatic attraction between the positively charged silica and the negatively charged Ta surface. In contrast, the removal rate of Cu decreased from 168 Å/min to 116 Å/min, due to electrostatic repulsion between similarly charged surfaces. Through systematic slurry concentration optimization, a Ta:Cu removal selectivity of 2.06:1 was achieved. These results highlight the potential of surface engineered abrasives in precisely controlling CMP performance, offering a promising pathway for defect mitigation and improved planarization in advanced barrier layer processing.

국문 초록 (Abstract)

배리어 층의 화학적 기계적 평탄화(CMP) 공정에서는 Ta와 Cu 간의 제거 선택성 제어가 매우 중요하며, 선택성이 충분하지 않을 경우 디싱(dishing) 및 에로전(erosion)과 같은 심각한 형태학적 결함이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 입자와 웨이퍼 표면 간의 전기적 상호작용을 활용하여 Ta와 Cu 사이의 제거 선택성을 조절하는 전략을 제안하였다. 이를 위해 실리카(SiO₂) 연마 입자 표면을 (3-Aminopropyl) triethoxysilane(APTES)로 기능화하여 제타 전위(zeta potential)를 조정하였다. 표면 개질 후 실리카의 제타 전위는 –6.33 mV에서 +36.19 mV로 변화하여 성공적인 아민화가 확인되었다.
표면 개질된 입자는 음전하를 띠는 Ta 표면과의 정전기적 인력에 의해 Ta 제거율이 143 Å/min에서 최대 455 Å/min으로 크게 향상되었다. 반면, 양전하를 띠는 Cu 표면과는 정전기적 반발력을 형성하여 Cu 제거율은 168 Å/min에서 116 Å/min으로 감소하였다. 슬러리 농도 최적화를 통해 최종적으로 Ta:Cu 제거 선택성 2.06:1을 달성하였다. 본 연구 결과는 표면 기능화된 연마 입자가 CMP 성능 제어에 효과적으로 기여할 수 있음을 보여주며, 향후 배리어 층 공정에서 결함 저감 및 평탄화 품질 향상에 기여할 수 있는 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research background 1
• 1.1.1 Chemical Mechanical Planarization (CMP) 1
• 1.1.2 Barrier CMP and selectivity challenges 5
• 1.1.3 Silica modification for selectivity control 7
• 1.1.4 Application of selectivity control in memory device 9
• 1.2 Related literatures 10
• 1.3 Research objectives 12
• 1.4 Research methodology 13
• Chapter 2. Theoretical Background 14
• 2.1 Removal mechanism of metal film during CMP 14
• 2.2 Selectivity in CMP and its control factors 17
• 2.3 Zeta potential and electrostatic interaction 18
• 2.4 Surface modification of silica via APTES 19
• Chapter 3. Experimental Setup 20
• 3.1 Consumables and slurry preparation 20
• 3.2 Polishing procedure 23
• 3.3 Characterization 25
• Chapter 4. Results and Discussion 27
• 4.1 Zeta potential of Ta, Cu surface and silica particles 27
• 4.2 Analysis of modification of silica particles 31
• 4.3 Effect of modified silica particles and control the optimal selectivity 43
• 4.4 Mechanism for selectivity control through electrostatic interaction 51
• Chapter 5. Conclusion 59
• References 61
• 국문초록 67