Studies on the AFM analysis of Cu CMP processes for pattern pitch size and density after global planarization

패턴 피치크기 및 밀도에 따른 Cu CMP 공정의 AFM 분석에 관한 연구

Cu removal rates for various SiO$_2$ trench pitch sizes and densities and AFM images of surface profiles after global planarization using Cu CMP technology are investigated. In the experimental results, Cu removal rates are increasing as the pattern densities and pattern pitches are getting high and low, respectively, and then decreasing after local planarization. The rms roughness after global planarization are about 120$\AA$. AFM images with a 50% pattern density for 1${\mu}{\textrm}{m}$ and 2${\mu}{\textrm}{m}$ pitches show that thicknesses of 120~330$\AA$ Cu interconnects have been peeled off and oxide erosion of Cu/Sio$_2$ sidewall is observed. However, AFM images with a 50% pattern density for 10${\mu}{\textrm}{m}$ and 15${\mu}{\textrm}{m}$ pitches show that 260~340$\AA$ thick Cu interconnects have been trenched at the boundaries of Cu/Sio$_2$ sidewall.

대면적 평탄화 및 미세패턴형성기술로 각광받고 있는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정을 이용하여 SiO₂ trench 패턴의 피치크기와 밀도에 따른 Cu의 평탄화 과정과 평탄화 이후의 표면 profile을 AFM(atomic forced microscopy)으로 측정하고 분석하였다. 실험결과, 평탄화 초기 연마율은 패턴밀도가 높고 피치크기가 작을수록 연마율이 증가하였으며, 초기 평탄화 이후 연마율이 급속히 감소함을 알 수 있었다. 말기 평탄화 이후, 전체 패턴의 평균 rms roughness는 120Å이었다. 그러나, 패턴피치 크기가 2㎛ 이하이고, 50% 패턴밀도를 갖는 패턴의 경우에는 Cu의 일부분이 120∼330Å 정도의 깊이로 떨어져 나가는 현상과 SiO₂와 Cu의 경계면에 oxide erosion 현상이 나타났으며, 패턴 피치 크기가 10㎛ 및 15㎛에서는 Cu와 SiO₂경계면 부분에 Cu가 260∼340Å 정도로 trench 되어 있는 것을 볼 수 있었다. 또한, SiO₂와 Cu의 패턴내부 및 접합면에서 생기는 수백 Å이하의 peeling 및 deeping 현상의 원인과 해결방안에 대해 논의하였다.