본 연구에서는 웨이퍼 레벨 Cu 본딩을 이용한 3D 적층 IC의 개발을 위해 2단계 기계적 화학적 연마법(CMP)을 제안하고 그 결과를 고찰하였다. 다마신(damascene) 공정을 이용한 $Cu/SiO_2$ 복합 계면에서의 Cu dishing을 최소화하기 위해 Cu CMP 후 $SiO_2$ CMP를 추가로 시행하였으며, 이를 통해 Cu dishing을 $100{\sim}200{\AA}$까지 낮출 수 있었다. Cu 범프의 표면거칠기도 동시에 개선되었음을 AFM 관찰을 통해 확인하였다. 2단 CMP를 적용하여 진행한 웨이퍼 레벨 Cu 본딩에서는 dishing이나 접합 계면이 관찰되지 않아 2단 CMP 공정이 성공적으로 적용되었음을 확인할 수 있었다.
The Cu-binding site in the $[Cu{\cdot}dCMP{\cdot}dCMP-H]^{1-}$ complex was investigated. The tandem mass (MS/MS) spectra of the [$[Cu{\cdot}dCMP{\cdot}dCMP-H]^{1-}$ parent ion showed $[dCMP{\cdot}Cu{\cdot}H_2PO_4+CONH]^{1-}$ fragment ions. Therefore, we propose that the Cu cation is simultaneously coordinated to the phosphate site and cytosine moiety in the stable geometry of the $[Cu{\cdot}dCMP{\cdot}dCMP-H]^{1-}$ complex. Three geometries for the complex were considered in an attempt to optimize the structure of the $[Cu{\cdot}dCMP{\cdot}dCMP-H]^{1-}$ complex. The ab initio calculations were performed at the $B3LYP/6-311G^{**}$ level.
Cu 본딩을 이용한 웨이퍼 레벨 적층 기술은 고밀도 DRAM 이나 고성능 Logic 소자 적층 또는 이종소자 적층의 핵심 기술로 매우 중요시 되고 있다. Cu 본딩 공정을 최적화하기 위해서는 Cu chemical mechanical polishing(CMP)공정 개발이 필수적이며, 본딩층 평탄화를 위한 중요한 핵심 기술이라 하겠다. 특히 Logic 소자 응용에서는 ultra low-k 유전체와 호환성이 좋은 Ti barrier를 선호하는데, Ti barrier는 전기화학적으로 Cu CMP 슬러리에 영향을 받는 경우가 많다. 본 연구에서는 웨이퍼 레벨 Cu 본딩 기술을 위한 Ti/Cu 배선 구조의 Cu CMP 공정 기술을 연구하였다. 다마싱(damascene) 공정으로 Cu CMP 웨이퍼 시편을 제작하였고, 두 종류의 슬러리를 비교 분석 하였다. Cu 연마율(removal rate)과 슬러리에 대한 $SiO_2$와 Ti barrier의 선택비(selectivity)를 측정하였으며, 라인 폭과 금속 패턴 밀도에 대한 Cu dishing과 oxide erosion을 평가하였다.
웨이퍼 적층 기술은 반도체 전 후 공정을 이용한 효과적인 방법으로 향후 3D 적층 시스템의 주도적인 발전방향이라고 할 수 있다. 웨이퍼 레벨 3D 적층 시스템을 제조하기 위해서는 TSV (Through Si Via), 웨이퍼 본딩, 그리고 웨이퍼 thinning의 단위공정 개발 및 웨이퍼 warpage, 열적 기계적 신뢰성, 전력전달, 등 시스템적인 요소에 대한 연구개발이 동시에 진행되어야 한다. 본 연구에서는 웨이퍼 본딩에 가장 중요한 역할을 하는 Cu CMP (chemical mechanical polishing) 공정에 대한 특성 분석을 진행하였다. 8인치 Si 웨이퍼에 다마신 공정으로 Cu 범프 웨이퍼를 제작하였고, Cu CMP 공정과 oxide CMP 공정을 이용하여 본딩 층 평탄화에 미치는 영향을 살펴보았다. CMP 공정 후 Cu dishing은 약 $180{\AA}$이었고, 웨이퍼 표면부터 Cu 범프 표면까지의 최종 높이는 약 $2000{\AA}$이었다.
The studies on Cu CMP have focused on material removal and its mechanisms. Although many studies have been conducted on the mechanism of Cu CMP, a study on uniformity in Cu CMP is still unknown. Since the aim of CMP is global and local planarization, the approach to uniformity in Cu CMP is essential to elucidate the Cu CMP mechanism as well. The main purpose of the experiment reported here was to investigate the roles of slurry components in the formation of the uniformity in Cu CMP. All the results of in this study showed that the uniformity in Cu CMP could be controlled by the contents of slurry components.
Most studies on copper Chemical Mechanical Planarization (CMP) have focused on material removal and its mechanisms. Although many studies have been conducted on the mechanism of Cu CMP, a study on uniformity in Cu CMP is still unknown. Since the aim of CMP is global and local planarization, the approach to various factors related to uniformity in Cu CMP is essential to elucidate the Cu CMP mechanism as well. The main purpose of the experiment reported here was to investigate and mechanically analyze the roles of slurry components in the formation of the uniformity in Cu CMP. In this paper, Cu CMP was performed using citric acid($C_{6}H_{8}O_{7}$), hydrogen peroxide($H_{2}O_{2}$), colloidal silica, and benzotriazole($BTA,\;C_{6}H_{4}N_{3}H$) as a complexing agent, an oxidizer, an abrasive, and a corrosion inhibitor, respectively. All the results of this study showed that within-wafer non-uniformity(WIWNU) of Cu CMP could be controlled by the contents of slurry components.
반도체는 high integrated, high speed, low power를 위하여 design 뿐만 아니라 재료 측면에서도 많은 변화를 가져오고 있으며, RC delay time을 줄이기 위하여 Al 배선보다 비저항이 낮은 Cu와 low-k material 적용이 그 대표적인 예이다. 그러나, Cu 배선의 경우 dry etching이 어려우므로, 기존의 공정으로는 그 한계를 가지므로 damascene 또는 dual damascene 공정이 소개, 적용되고 있다. Damascene 공정은 절연막에 photo와 RIE 공정을 이용하여 trench를 형성시킨 후 electrochemical plating 공정을 이용하여 trench에 Cu를 filling 시킨다. 이후 CMP 공정을 이용하여 절연막 위의 Cu와 barrier material을 제거함으로서 Cu 배선을 형성하게 된다. Dual damascene 공정은 trench와 via를 동시에 형성시키는 기술로 현재 대부분의 Cu 배선 공정에 적용되고 있다. Cu CMP는 기존의 metal CMP와 마찬가지로 oxidizer를 이용한 Cu film의 화학반응과 연마 입자의 기계가공이 기본 메커니즘이다. Cu CMP에서 backside pressure 영향이 uniformity에 미치는 영향을 살펴보았으며, electrochemical plating 공정에서 발생하는 hump가 CMP 결과에 미치는 영향과 dishing 결과를 통하여 그 영향을 평가하였다.
Chemical mechanical polishing (CMP) achieves surface planrity through combined mechanical and chemical means. The role of slurry is very important in metal CMP. Slurry used in metal CMP normally consists of oxidizers, complexing agents, corrosion inhibitors and abrasives. This paper investigates the effects of citric acid as a complexing agent for Cu CMP with $H_2O_2$. In order to study chemical effects of citric acid, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was peformed on Cu sample after etching test. XPS results reveal that CuO, $Cu(OH)_2$ layer decrease but $CU/CU_2O$ layer increase on Cu sample surface. To investigate nanomechanical properties of Cu sample surface, nanoindentation was performed on Cu sample. Results of nanoindentation indicate wear resistance of Cu surface decrease. According to decrease of wear resistance on Cu surface removal rate increases from $285\;{\AA}/min\;to\;8645\;{\AA}/min$ in Cu CMP.
Copper chemical mechanical planarization (CMP) has become a key process in integrated circuit (IC) technology. The results of copper CMP depend not only on the mechanical abrasion, but also on the slurry chemistry. The slurry used for Cu CMP is known to have greater chemical reactivity than mechanical material removal. The Cu CMP slurry is composed of abrasive particles, an oxidizing agent, a complexing agent, and a corrosion inhibitor. Citric acid can be used as the complexing agent in Cu CMP slurries, and is widely used for post-CMP cleaning. Although many studies have investigated the effect of citric acid on Cu CMP, no studies have yet been conducted on the interfacial friction characteristics and step height reduction in CMP patterns. In this study, the effect of citric acid on the friction characteristics and step height reduction in a copper wafer with varying pattern densities during CMP are investigated. The prepared slurry consists of citric acid ($C_6H_8O_7$), hydrogen peroxide ($H_2O_2$), and colloidal silica. The friction force is found to depend on the concentration of citric acid in the copper CMP slurry. The step heights of the patterns decrease rapidly with decreasing citric acid concentration in the copper CMP slurry. The step height of the copper pattern decreases more slowly in high-density regions than in low-density regions.
As the integrated circuit device shrinks to the smaller dimension, the chemical mechanical polishing (CMP) process was required for the global planarization of inter-metal dielectric(IMD) layer with free-defect. However, as the IMD layer gets thinner, micro-scratches are becoming as major defects. Chemical-Mechanical Planarization(CMP) of conductors is a key process in Damascene patterning of advanced interconnect structure. The effect of alternative commerical slurries pads, and post-CMP cleaning alternatives are discuess, with removal rate, scratch dentisty, surface roughness, dishing, erosion and particulate density used as performance metrics. Electroplated copper depostion is a mature process from a historical point of view, but a very young process from a CMP persperspective. While copper electrodepostion has been used and stuidied for dacades, its application to Cu damascene wafer processing is only now ganing complete accptance in the semiconductor industry. The polishing mechanism of Cu CMP process has been reported as the repeated process of passive layer formation by oxidizer and abrasion action by slurry abrasives. however it is important to understand the effect of oxidizer on copper pasivation layer in order to obtain higher removal rate and non-uniformity during Cu-CMP process. In this paper, we investigated the effects of oxidizer on Cu-CMP process regarding the additional volume of oxidizer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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