화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 또는 CMP 후 세정 과정에서 용해된 금속 이온에 의해 폴리비닐 아세탈(polyvinyl acetal, PVAc) 브러시가 오염되면, 반도체 기술 노드가 10 nm 이하로 계속 축소됨에 따라 소자 수율에 중대한 문제가 발생한다. 본 연구는 다양한 pH 조건에서 코발트(Co2+) 이온의 화학적 흡착과 그에 따른 콜로이드 실리카(silica)의 PVAc 브러시에 대한 부착에 미치는 영향을 종합적으로 규명한다. Co2+ 이온의 흡착은 농도, 용액 pH, 코발트 종(이온 및 수산화물), 입자 크기 분포(particle size distribution, PSD), 표면 전하 등 여러 요인의 영향을 크게 받는다. 유도결합 플라즈마 질량분석(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS) 분석 결과, 실리카 로딩은 중성 pH에서 최대(1006 ppb)를 보였으며, Co2+ 이온이 존재하는 조건에서 산성(522 ppb) 및 알칼리성(213 ppb)에서는 더 낮은 로딩이 관찰되었다. 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석은 Co2+ 이온과 실리카 흡착이 주로 화학흡착(chemisorption)을 통해 일어남을 추가로 보여준다. 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 접근법을 사용하여 분자 구조와 프론티어 오비탈을 최적화하였으며, 그 결과 [Co(H2O)6]2+는 PVAc 및 실리카 분자에 비해 더 높은 반응성을 나타내는 것으로 확인되었다. 상호작용 에너지(Eint)는, 미처리(비변형) 실리카에 대한 PVAc 결합이 약한 수소 결합(Eint = 0.113 eV)을 포함하는 반면, Co2+ 이온으로 변형된 실리카에 대한 결합은 더 강한 배위 결합(Eint = −8.097 eV)을 포함함을 시사했다. 종합하면, 본 결과는 금속 CMP 후 세정 공정에서 Co2+ 이온이 PVAc 브러시에 대한 실리카 로딩을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 한다는 점을 강조한다.

화학기계연마(CMP) 후 세정 공정에서, 폴리비닐 아세탈(PVA) 브러시 스크러빙은 CMP 공정 이후 웨이퍼 표면에 잔존하는 연마 입자를 제거하는 데 가장 효과적인 방법으로 간주된다. 세정 중 브러시는 연마재에 의해 오염될 수 있으며, 브러시 로딩이 웨이퍼를 교차오염시킬 수 있다. 본 연구는 브러시 세정 파라미터와 공정이 웨이퍼 상의 입자 교차오염 크기에 미치는 영향을, 브레이크-인(break-in) 공정, 브러시 간극 거리, 브러시 회전 속도, 웨이퍼 회전 속도, 탈이온수(DIW) 린싱, 브러시 코어를 통한 DIW 공급, 노즐 위치에 초점을 맞추어 조사하였다. 그 결과, 브레이크-인 공정 및 브러시 간극 거리는 더 가까운 접촉(최대 -1.5 mm)에서 오염이 현저히 감소함을 보여주었다. 또한 브러시 회전 속도를 증가시키면 입자 제거가 개선되어 오염이 약 400 RPM에서 100개 수준으로 감소하였으며, 웨이퍼 회전 속도는 처음에 100 RPM에서 오염을 감소시키는 경향을 보였다. 스크러빙 후 DIW 린싱과 브러시 코어를 통한 DIW 공급은 입자 수를 유의하게 감소시켜, 입자 제거에서 유체역학적 힘(hydrodynamic forces)의 중요성을 강조하였다. 아울러 측면 DIW 노즐은 중앙에 위치한 노즐과 비교할 때 오염을 상당히 완화하였다. 본 연구는 CMP 스크러빙 이후 선단 공정(advanced nodes)에서의 브러시 교차오염에 관한 새로운 방향을 제시한다.

반도체 재료로서 SiGe 기판을 사용하는 것이 고유한 특성에 의해 점차 증가하고 있다. 고성능 소자를 제조하기 위해서는 SiGe 선택식 식각 기술을 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 선택식 식각 과정을 조사하기 위해 서로 다른 게르마늄 함량(15, 25, 40 %)을 갖는 SiGe 에피 및 산화물 기판을 사용하였다. 식각액으로 APM(1:4:20) 용액을 사용하였고, pH 효과를 확인하기 위해 HF와 HCl을 추가하였다. 평가는 pH 수준을 조절하면서 수행하였다. SiGe 에피 기판의 경우, 고pH에서는 식각 속도가 매우 낮았으나 특정 pH에서 식각 속도가 빠르게 증가하였다. 이후 식각 속도는 점차 감소하였다. 반면, 산화물 기판의 식각 속도는 pH가 감소함에 따라 빠르게 증가하였다. 게르마늄 함량의 차이와 기판 종류에 따른 식각 속도 거동을 설명하기 위해, 표면 화학을 측정하고 용액의 종분화(speciation)를 분석하였다.

CMP 공정 이후 코발트 표면의 안정성은 웨이퍼 이송 단계 동안 표면의 부식을 방지하기 위해 중요하다. 본 연구에서는 다양한 실험 및 표면 분석 기법을 사용하여 Co-BTA 복합체의 안정성을 조사하였다. pH 7에서 관찰된 Co-BTA 복합체의 더 높은 억제 효율을 추가로 규명하였으며, 탈이온수(DIW) 린싱 단계 동안 더 수동화된 Co 표면이 관찰되었다. 슬러리 첨가제의 존재 하에서 Co-BTA 복합체의 낮은 안정성은 BTA의 흡착과 비교하여 Co 표면의 촉진된 산화적 용해로부터 확인되었다. DIW 린싱 단계 동안 Co의 수동화가 이루어지는지를 확인하기 위해, Co-BTA 복합체의 안정성을 분석하는 목적으로 체외 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 추가로 수행하였다. 또한 린싱 단계 동안 코발트 표면의 내식성은 용존 산소 함량을 감소시킴으로써 더욱 향상된다.

폴리비닐 아세탈(polyvinyl acetal, PVA) 브러시의 사용은 화학적 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP) 오염물 제거에 적용되는 가장 효과적이고 대표적인 기법 중 하나이다. 그러나 브러시는 브러시 스크러빙 동안 다공성 구조 내부에 연마재를 가둠으로써 결함의 원인이 될 수 있다. 본 연구에서는 스킨 레이어가 있는 브러시와 없는 브러시를 비교함으로써, 브러시 상부 스킨 층이 오염, 교차오염, 및 세정 성능에 미치는 영향을 폭넓게 조사하였다. 조밀한 상부 스킨 층의 존재는 접촉 면적을 더 크게 만들고, 스킨 층에서 세리아(ceria) 입자의 흡착을 높였다. 이는 스크러빙 동안 웨이퍼의 교차오염을 증가시키면서도 높은 세정 성능을 동반하게 한다. 반대로 스킨 층이 없는 브러시는 오염이 더 낮고 교차오염이 미미했으나, 세정 성능은 감소하였다(산화물 표면에서 세리아 입자 제거 감소). 따라서 브러시 스킨 층의 역할은 중요하며, CMP 후 세정 공정 설계 시 이를 반드시 고려해야 한다.

폴리비닐 아세탈(PVA) 브러시 세정은 반도체 공정에서 CMP 공정 오염물질을 제거하기 위한 널리 수용되고 효율적인 세정 공정이다. 그러나 이러한 오염물질은 PVA 브러시가 고도로 친수성이며 다공성인 특성 때문에 브러시에 부착될 수 있고, 그 결과 브러시 성능을 저하시킬 수 있다. 이 오염 문제는 특히 10 nm 미만의 소자를 가공할 때 심각한 문제로 대두되었다. 본 연구에서는 스크러빙(scrubbing) 동안 세정 용액 pH(2, 7, 12)가 산화막 웨이퍼에서의 세리아(ceria) 제거 및 이후 PVA 브러시로의 전이에 미치는 영향을 조사하였다. pH 7 세정 용액은 pH 2 및 12에 비해 세리아 제거 효율이 더 낮게 나타났다. pH 2 및 pH 7 세정 조건은 pH 12 조건에 비해 높은 브러시 적재량( pH 2 > pH 7 )을 보였다. pH 7에서의 높은 브러시 오염은 추가적으로 더 높은 교차오염을 초래한 반면, pH 2 및 pH 12에서는 매우 낮은 교차오염이 관찰되었다. 브러시 성능과 수명 개선을 위해 컨디셔닝 공정(초음파 처리 및 스크러빙)의 영향을 평가하였다. NH 4 OH가 존재하는 조건에서의 스크러빙은 오염된 브러시로부터 모든 세리아 입자를 효율적으로 제거하였다. 브러시와 세리아 입자 간 결합이 강하기 때문에, PVA 브러시에 적재된 세리아 입자를 제거하려면 강력한 물리적 힘과 높은 화학적 작용이 결합되어야 한다.