Study on the effects of ceria abrasive properties during the chemical mechanical polishing process

국문 초록 (Abstract)

화학적 기계적 연마 (CMP)는 반도체 소자의 집적도가 증가하고 공정 구조가 수직적으로 복잡해짐에 따라 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. 본 연구에서는 CMP 공정에 사용되는 세리아 연마재의 화학적, 기계적 특성이 Si 기반 막질의 연마 메커니즘에 미치는 영향을 분석하고, 더 나아가 패드 그루브 구조에 따른 Ce-O-Si 결합 형성이 연마 성능과 STI 디싱에 미치는 영향까지 종합적으로 규명하였다.
먼저, 세리아 연마재의 크기가 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 연마에 미치는 영향을 분석하였다. 세리아 입자 크기가 증가할수록 Ce3+ 이온의 비율과 결정 크기가 증가하며, 이는 Ce–O–Si 결합 형성을 촉진해 산화막 연마율을 향상시키는 핵심 요인으로 작용하였다. 반면 질화막은 기계적 연마 비중이 크기 때문에, 입자 크기가 커질수록 실제 접촉 면적 증가에 따른 압력 분산 효과로 연마율이 감소하는 경향을 확인하였다. 따라서 세리아 입자 크기 증가에 따라 선택비가 증가함을 확인하였다.
이어, 동일한 크기에서 모양이 다른 세리아 연마재 (구형 및 팔면체형)를 비교하여 STI CMP 공정에 미치는 영향을 연구하였다. 구형 입자는 더 높은 Ce3+ 비율과 낮은 결정도로 인해 웨이퍼와의 접착력, 에너지 소실, 경도 면에서 팔면체형 연마재와 차이를 보였으며, 이러한 특성은 STI 기판에서 과도한 연마를 유발하여 약 10–15 nm 수준의 디싱이 발생하였다. 이는 팔면체형 세리아를 사용했을 때보다 5배 이상 큰 값이었으며, 세리아의 화학적, 기계적 특성이 STI 디싱에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
또한, 패드 그루브 구조의 변화를 통해 Ce-O-Si 결합 형성이 연마 성능에 미치는 공정적 영향을 분석하였다. 라디얼 그루브 수가 증가할수록 패드의 실제 접촉 면적이 감소하였고, 시뮬레이션을 통해 그루브가 많을수록 슬러리의 체류 시간이 짧아짐을 확인하였다. 패드 라디알 그루브 개수에 따라 연마재와 웨이퍼의 실제 상호작용 빈도가 줄며, Ce–O–Si 결합이 형성될 수 있는 체류 시간을 단축시켜 산화막 연마율을 크게 낮추는 요인으로 작용하였다. 이러한 영향은 STI 구조에서도 확인되었으며, 그루브 수가 많을수록 연마재 접촉 확률이 감소하여 디싱 현상이 효과적으로 억제되었다. 특히, 화학적 반응성이 높은 큰 연마재의 경우 그루브 구조 변화에 따른 디싱 억제 효과가 더욱 크게 나타났다.
본 연구에서는 세리아 연마재의 크기, 모양, 결정 구조뿐 아니라 Ce-O-Si 결합 형성 기회와 같은 공정 요소가 CMP 성능 및 STI 디싱에 미치는 영향을 종합적으로 규명하였다. 이를 통해 공정 목표에 맞는 연마재 특성 및 패드 설계 조건을 선택할 수 있는 새로운 기준을 제시하며, 향후 고집적 반도체 제조에서 CMP 공정 최적화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As semiconductor chip manufacturing technology develops, chip size is gradually decreasing, and the importance and dependence on chemical mechanical polishing (CMP) technology, one of the semiconductor chip manufacturing technologies, is also increasing. Ceria abrasives are particles currently widely used in the STI CMP process. Ceria basically targets SiO2 and Si3N4 films and has a mechanism for forming and polishing Si-O-Ce bonds. As with all abrasives, various characteristics of ceria, such as size and shape, affect CMP efficiency and ceria with a high percentage of Ce3+ have high material removal rate (MRR). Because the MRR of SiO2 and Si3N4 surface can be determined by the characteristics of the ceria abrasive, it will be important to study the mechanical and chemical properties of the ceria abrasive.
This paper presents a comprehensive study on the impact of ceria abrasive properties on the CMP process, a critical step in semiconductor manufacturing. The study focused on various mechanical and chemical characteristics of ceria abrasives, such as particle size, distribution, shape, chemical composition and other mechanical properties, and their effect on CMP performance metrics like removal rate, selectivity, and dishing. The finding of this study offers valuable insights into the role of ceria abrasive properties in semiconductor wafer planarization, providing guidelines for the selection and optimization of CMP slurry in advanced semiconductor fabrication.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Importance of chemical mechanical polishing 1
• 1.2 Chemical mechanical planarization 4
• 1.2.1 CMP process 4
• 1.2.2 CMP consumables 10
• 1.3 STI chemical mechanical planarization 14
• 1.4 Challenges in CMP Processes and Research Objectives 15
• Chapter 2 Effect of Ceria Abrasive Size on Si-Based films CMP process 17
• 2.1 Introduction 17
• 2.2 Experimental 19
• 2.2.1 Ceria slurry preparation 19
• 2.2.2 CMP conditions 21
• 2.2.3 Analysis 23
• 2.3 Results and discussion 24
• 2.3.1 Size and shape of ceria particle 24
• 2.3.2 Chemical properties of ceria particles 29
• 2.3.3 CMP mechanism and MRR of SiO2 and Si3N4 36
• 2.4 Conclusion 42
• Chapter 3 Investigation of Dishing of STI Wafer through Properties of Ceria 43
• 3.1 Introduction 43
• 3.2 Experimental 45
• 3.2.1 Ceria slurry preparation 45
• 3.2.2 CMP process condition 48
• 3.2.3 Analysis 50
• 3.3 Results and discussion 53
• 3.3.1 MRR with adjusting PA concentration 53
• 3.3.2 Properties of two ceria abrasives 55
• 3.3.3 Dishing of STI structure 68
• 3.4 Conclusion 70
• Chapter 4 Study of STI dishing through pad-abrasive contact 71
• 4.1 Introduction 71
• 4.2 Experimental 74
• 4.2.1 Numerical analysis method 74
• 4.2.2 Model description and simulation conditions 75
• 4.2.3 CMP process conditions 79
• 4.3 Results and discussion 81
• 4.3.1 Pad contact area, mass fraction, and CeOSi bonding probability 81
• 4.3.2 Material removal rate and selectivity 88
• 4.3.3 STI structure dishing behavior 91
• 4.4 Conclusion 94
• Chapter 5 Concluding remarks 96
• References. 102
• 논문요약 108