KR100356939B1 - 반도체 공정에서 사용하기 위한 화학기계적 연마 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수용성 음이온 화학약품을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 프로세싱을 위한 화학기계적 연마 조성물을 제공한다. 본 발명에 따르면, 상기 수용성 음이온 화학약품은, 결과물인 금속 회로상에 침하가 형성되는 것을 방지하기 위해서, 금속막의 연마 동안 상기 금속막의 표면상에 코팅될 것이다.
또 다른 면에서, 본 발명은, 70-99.5 중량%의 수용성 매질; 0.1-25 중량%의 연마제; 0.01-2.0 중량%의 연마 향상제; 0.01-1 중량%의 수용성 음이온 화학약품을 포함하는 슬러리 형태의 화학기계적 연마 조성물을 제공한다. 본 발명의 상기 화학기계적 연마 조성물은 연마 속도를 향상시키기 위해서 산화제를 더 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 화학기계적 연마 조성물에 관한 것이다. 이 화학기계적 연마 조성물은 반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 데 유용하다.
화학기계적 연마(Chemical mechanical polishing; CMP)는 적층된 막들의 높이의 차이를 낳는, 집적회로들을 생산하기 위한 포토리소그래피 공정 동안에 초점에 있어서의 어려움에 관련된 문제를 처리하기 위하여 개발된 평탄화 기술이다. 화학기계적 연마 기술은 0.5 미크론 차수의 크기를 가지는 소자들의 생산에 처음으로 적용되었다. 소자들의 크기의 감소에 따라, 화학기계적 연마 기술은 매우 많은 층들에 적용되었다. 소자들이 0.25 미크론 차수로 개발되기까지 화학기계적 연마는주요하고 필수적인 평탄화 기술로 되었다. 일반적으로, 배선 회로를 생산하기 위한 연마방법은 연마 헤드가 설치된 회전 플레이튼(platen) 상에 반도체 웨이퍼를 마운팅하는 단계 및 연마 입자들과 연마 효율을 향상시키기 위한, 웨이퍼 표면에 대한 산화제를 포함하는 연마 슬러리를 적용하는 단계를 포함한다.
미국 특허 제5,225,034호는 AgNO3, 고체 연마 입자들, 및 H2O2, HOCl, KOCl, KMgO4또는 CH3COOOH로부터 선택되는 산화제를 포함하는 화학기계적 연마 슬러리를 개시한다. 이 슬러리는 반도체 웨이퍼 상에 구리 배선을 생성할 수 있도록 웨이퍼 상의 구리층을 연마하는 데 사용된다.
미국 특허 제5,209,816호는 화학기계적 연마 슬러리로 Al- 또는 Ti-함유 금속층을 연마하기 위한 방법을 개시한다. 이 연마 슬러리는 고체 연마 물질에 더하여, 약 0.1-20부피%의 H3PO4및 약 1-30부피%의 H2O2를 함유한다.
미국 특허 제4,959,113호는 금속 표면들을 연마하기 위한 수용성 연마 조성물을 사용하는 방법을 개시한다. 이 수용성 연마 조성물은 물, 연마제, 예를 들어, CeO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2, SiC, SnO2또는 TiC, 및 IIA, IIIA, IVA 또는 IVB 족의 금속 양이온과 클로라이드, 브로마이드, 아이오다이드(iodide), 나이트레이트, 설페이트, 포스페이트 또는 퍼클로레이트의 음이온을 포함하는 염을 포함한다. 이 특허는 또한, 그 연마제 조성물의 pH를 1 내지 6의 범위에 있도록 조절하기 위하여, 염산, 질산, 인산 또는 황산의 사용을 개시한다.
미국 특허 제5,391,258호는 실리콘, 실리카 또는 실리케이트 복합물을 연마하기 위한 연마 조성물을 개시한다. 이 연마 조성물은 연마 입자들에 더하여, 수소 과산화물, 칼륨 수소 프탈레이트를 포함한다.
미국 특허 제5,114,437호는 0.2 내지 5 ㎛의 평균 입자 크기를 가지는 알루미나 연마제 및 크로뮴(III) 나이트레이트, 란타늄 나이트레이트, 암모늄 세륨(III) 나이트레이트 및 네오디뮴 나이트레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 연마 가속제를 포함하는 알루미늄 기판에 대한 연마 조성물을 개시한다.
미국 특허 제5,084,071호는 전자 소자 기판(electronic component substrate)에 대한 화학기계적 연마 슬러리를 개시한다. 이 연마 슬러리는 1 중량%보다 많지 않은 알루미나, 연마 입자들(예를 들어, SiO2, CeO2, SiC, Si3N4또는 Fe2O3입자들), 연마 가속제로 사용하기 위한 전이금속 킬레이트된 염(예를 들어, 암모늄 철 EDTA), 및 상기 염을 위한 용매를 포함한다.
미국 특허 제5,336,542호는 알루미나 연마 입자들 및 폴리아미노카르복실산(예를 들어, EDTA) 및 그것의 나트륨과 칼륨 염들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 킬레이트제를 포함한다.
미국 특허 제5,340,370호는 텅스텐 또는 텅스텐 나이트라이드 막을 위한 화학기계적 연마 슬러리를 개시하는데, 이 연마 슬러리는 칼륨 페리시아나이드와 같은 산화제, 연마제, 물을 포함하고, 2 내지 4의 pH를 가진다.
미국 특허 제5,516,346호는 티타늄막을 화학기계적으로 연마하기 위한 슬러리를 개시하는데, 상기 슬러리는 상기 티타늄막과 실리카와 같은 연마제의 복합체를 형성시키기 충분한 농도로 있는 불화칼륨(potassium fluoride)를 포함하며, 8보다 작은 pH를 가진다.
WO 96/16436은 0.400 미크론보다 작은 매개 입자 직경을 가지는 연마 입자들, 제2철(ferric) 염 산화체, 및 프로필렌글리콜 및 메틸파라벤의 혼합물의 수용성 계면활성제 현탁액을 포함하는 화학기계적 연마 슬러리를 개시한다.
연마 속도를 가속시키는데 일반적으로 사용되는 염들은 (Fe(NO3)3및 K3Fe(CN)6와 같은) 제2철 이온들 또는 (KIO3와 같은) 칼륨 이온들을 포함한다. 그러나, 이러한 금속 이온들은 웨이퍼들 및 CMP 장치를 오염시켜서 후속의 세정 단계들을 필요로 하게 되고 또한 CMP 장치의 저장수명(shelf life)을 감소시키게 된다. 게다가, 칼륨 이온들은 매우 이동성이 있어서 유전체층들을 통과해서 IC의 신뢰성을 감소시킬 것이다.
집적회로들을 생산하기 위한 공정에 있어서, Ta 또는 TaN 막은 실리카 절연층에 대한 구리의 접착을 향상시키기 위하여 가장 일반적으로 사용된다. 더군다나, Ta 또는 TaN 막은 또한, 베리어(barrier) 금속 막으로서 일반적으로 사용된다. 이론적으로, Ta 또는 TaN은 구리의 것과 가까운 속도로 연마되어야 한다. 그럼에도 불구하고, Ta는 높은 화학적 저항성을 가지고 산화되기 어렵기 때문에, Ta의 효과적인 연마는 구리 회로들을 생성하기 위한 공정에 있어서 보통 달성되기 어렵다. 더군다나, 배리어 막은 연마에 의하여 제거되기 어렵기 때문에, 이것은 일상적으로 구리 회로들에 대한 침하(depression)를 야기시킨다.
따라서, 반도체 공정에 있어서, 보다 경제적이고 높은 연마 능률을 가지며, 금속 회로들에 대한 침하를 줄이는 연마 조성물들에 대한 요구가 아직도 존재한다.
본 발명은 반도체 공정을 위한 화학기계적 연마 조성물을 제공한다. 이 연마제 조성물은 수용성 음이온 화학약품을 포함하는 것을 특징으로 한다. 그 수용성 음이온 화학약품은 획득되는 금속 회로들에 대한 침하(depression)의 형성을 제거할 수 있도록 금속 막의 연마 동안에 상기 금속 막의 표면에 코팅될 수 있다.
다른 관점에서, 본 발명은 70-99.5중량%의 수용성 매질; 0.1-25중량%의 연마제; 0.01-2.0중량%의 연마향상제; 및 0.01-1중량%의 수용성 음이온 화학약품을 포함하는 슬러리의 형태인 화학기계적 연마 조성물을 제공한다. 이 화학기계적 연마 조성물은 연마 속도를 향상시키기 위하여 산화제(oxidant)를 더 포함할 수 있다.
도 1은 실시예들에서 예시되는 슬러리들에 대한 다양한 하향력들(down forces)에서 구리 제거 속도를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 반도체 공정을 위한 화학기계적 연마 조성물을 제공하는데, 이 연마 조성물은 수용성 음이온 화학약품(chemical)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따라, 상기 음이온 화학약품은 화학기계적 연마에서 획득되는 금속 회로들에 대한 침하의 형성을 제거할 수 있도록 금속막의 연마 동안에, 구리 필름과 같은 금속막의 표면 상에 코팅되거나 표면을 덮을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 음이온 화학약품은 금속막의 표면 상에 효과적으로 코팅되는 임의의 화학약품일 수 있다. 음이온 화학약품은 바람직하게, 아크릴릭-, 포스페이트-, 설페이트-, 또는 설포네이트-함유 화합물(예를 들어, 암모늄 알킬 포스페이트, 암모늄 알킬 설포네이트, 및 암모늄 알킬 설페이트), 폴리머 또는 코폴리머, 또는 두 개 이상의 이러한 화합물, 폴리머 및 코폴리머의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따라, 화학기계적 연마 조성물은 슬러리 형태이며, 이것은 70-99.5중량%의 수용성 매질; 0.1-25중량%의, 바람직하게는 0.5-15중량%의, 보다 바람직하게는 0.5-8중량%의 연마제; 0.01-2.0중량%, 바람직하게는 0.01-1.0중량%, 보다 바람직하게는 0.1-1.0 중량%의 연마 향상제; 및 0.01-1중량%, 바람직하게는 0.03-0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.08-0.5중량%의 수용성 음이온 화학약품을 포함한다. 본 발명에 따라, 슬러리 형태인 화학기계적 연마 조성물은 산화제를 더 포함한다.
본 발명의 연마 슬러리에서 사용되는 연마제는 SiO2, Al2O3, ZrO2, CeO2, SiC, Fe2O3, TiO2, Si3N4또는 그들의 임의의 혼합물과 같은 입자 형태인 임의의 상업적으로 얻을 수 있는 연마제일 수 있다. 이러한 연마제들은 보통 높은 순도, 높은 표면적, 및 좁은 입자 크기 분포를 가지고, 그래서, 연마제들로서 연마 조성물에 사용하기에 적합하다.
본 발명의 연마 슬러리에서 사용되는 연마 향상제는 반도체 공정에서 연마 슬러리의 연마 속도를 향상시기키 위하여 사용될 수 있는 본 발명에서 알려진 임의의 것일 수 있다. 본 발명의 연마 슬러리에서 사용되는 연마 향상제는 (a)아인산(phosphorous acid), 그것의 염, 또는 그 산과 염의 혼합물로부터 선택되는 성분; (b) 아미노산, 그것의 염, 카르복실산, 그것의 염, 또는 그 산들 및/또는 염들의 혼합물로부터 선택되는 성분의 조합일 수 있으며, 여기에서, 아미노산은 예를 들어, 글리신, 크레아틴, 또는 알라닌으로부터 선택될 수 있으며, 카르복실산은 예를 들어, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산(butyric acid), 발레르산(valeric acid), 헥사노산(hexanoic acid), 말론산(malonic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 시트르산(citric acid), 말산(malic acid), 타르타르산(tartaric acid), 또는 옥살산(oxalic acid)으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 화학기계적 연마 조성물은 매질로서 물을 사용할 수 있다. 연마 조성물의 제조에 있어서, 물과, 바람직하게는 종래의 탈이온화(deionized) 물이 연마 조성물을 슬러리로 만들기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 화학기계적 연마 조성물은, 종래에 화학기계적 연마 조성물에서 사용되던 다른 성분들이 본 발명의 연마 조성물에 역효과를 일으키지만 않는다면, 이들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 구리 생산 과정에서, 본 발명의 연마 조성물은 빠른 부식으로부터 구리를 보호하기 위해서 벤조트리아졸 및/또는 이들의 유도체들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 연마 슬러리가, 80-99.5 중량%의 탈이온화 물을 포함한다면, 슬러리의 고체 함량은 0.5-15 중량%, 바람직하게는 0.5-10 중량%, 보다 바람직하게는 0.5-5 중량%의 범위에 있을 것이다. 다음으로, 상술한 연마제들이 상기결과에 의한 슬러리 내로 주입되고 슬러리의 pH가 원하는 범위가 되도록 산 또는 염기로 조절된다.
본 발명은 다음의 실시예들에 의해 더 설명될 것이나, 이것으로 제한되지는 않는다. 본 분야의 기술자에 의해 쉽게 달성될 수 있는 본 발명에 관한 변형 또는 변경들은 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다
실시예:
연마 테스트
A. 장치: IPEC/Westch 472
B. 조건: 압력: 4psi
역압력:0.5 psi
온도: 25℃
스핀들 속도: 55rpm
플레이튼 속도: 50rpm
패드 타입: Rodel: IC1400
슬러리 흐름: 150㎖/min
C. 웨이퍼: Cu막: 실리콘 밸리의 마이크로일렉트로닉사의 것을 이용할 수 있으며, 1000Å 두께를 가진 실리카의 열 산화막물, 300Å 두께의 Ta막, 10000ű5% 두께의 구리막을 6인치의 실리콘 웨이퍼에 퇴적함으로써 획득됨.
D. 슬러리: 9:1의 부피비로 30%의 H2O2와 다음의 실시예들의 슬러리 각각을혼합하고, 그 결과적인 혼합물을 균일하게 교반함으로써 제조됨.
연마 테스트 과정
연마 테스트 전과 후 모두에서, 연마될 웨이퍼의 두께는 두께 측정 수단으로 측정되어야 한다. 금속막의 쉬트 저항은 4-포인트 프로브로 측정된다. 막의 두께는 다음의 식으로 결정된다.:
T×R = 저항 계수
상기에서, T는 막 두께(Å)를 나타내며, R은 쉬트 저항(Ω/㎠)을 나타낸다. 다양한 금속막들에 있어서, 저항 계수는 일정할 것이다.
본 발명은 금속막 두께를 결정하기 위해 KLA-Tencor사의 모델 RS75을 사용하였다. 연마비는 다음과 같이 결정하였다:
금속막의 두께 T1가 먼저 모델 RS75의 장치로 결정된다. 이 막은 1분 동안 상술한 조건하에서 실시된 슬러리에 의해 연마된다. 그 후, 웨이퍼가 Solid State Equipment Corporation의 에버그린 모델 10X 장치로 세척된다. 웨이퍼를 스프레이-드라이 한 후, 금속막의 T2두께가 모델 RS75 장치로 측정된다. 실시된 슬러리에 대한 금속막의 연마비는 T1-T2로 표시된다.
실시예 1
연마 슬러리가 상기 연마제와 같은 콜로이드성 실리카를 사용해서 제조되었다.
그 결과물인 슬러리는 다음과 같은 조성을 가진다:
콜로이드성 실리카: 3.0 중량%;
벤조트리아졸(BTA); 0.1 중량%;
아인산: 0.2 중량%
글리신: 0.2 중량%
pH와 이온 제거된 물을 조절하기 위한 산 또는 염기: 밸런스.
상기 결과물인 연마 슬러리의 연마 테스트 결과를 표 1에 나타낸다.
실시예2
0.045 중량%의 (인산염-함유 코폴리머인) Rhone-Poulene RS-610이 슬러리에 부가적으로 첨가되는 것을 제외하고는, 실시예1의 조성과 비슷한 조성을 가지는 연마 슬러리가 제조되었다.
그 결과물인 연마 슬러리의 연마 테스트 결과를 표1에 나타낸다.
실시예3
0.045 중량%의 암모늄 도데실 설폰에이트가 슬러리에 부가적으로 첨가되는 것을 제외하고는, 실시예1의 조성과 비슷한 조성을 가지는 연마 슬러리가 제조되었다.
그 결과물인 연마 슬러리의 연마 테스트 결과를 표1에 나타낸다.
실시예4
0.045 중량%의 (인산염-함유 코폴리머인) Rhone-Poulene RE-610이 슬러리에 부가적으로 첨가되는 것을 제외하고는, 실시예1의 조성과 비슷한 조성을 가지는 연마 슬러리가 제조되었다.
그 결과물인 연마 슬러리의 연마 테스트 결과를 표1에 나타낸다.
| 연마 슬러리 | 연마제 | 고체 함량 % | 음이온 화학약품 | pH | 구리 제거 속도 (Å/min) | |||
| 4 psi | 3 psi | 2 psi | 1 psi | |||||
| 실시예 1 | 콜로이드성 실리카 | 3 | - | 3.5-4.0 | 5601 | 5081 | 4496 | 2864 |
| 실시예 2 | 콜로이드성 실리카 | 3 | RHONE-POULENIC의 RS-610 | 3.5-4.0 | 3665 | 2609 | 647 | 21 |
| 실시예 3 | 콜로이드성 실리카 | 3 | 암모늄 도데실 설포네이트 | 3.5-4.0 | 4686 | 2822 | 1851 | 63 |
| 실시예 4 | 콜로이드성 실리카 | 3 | RHONE-POULENIC의 RS-610 | 3.5-4.0 | 4602 | 2744 | 1961 | 569 |
도 1은 표1의 데이터에 기초한 다양한 하향력(down force)에서의 상기 실시된 슬러리들에 대한 구리 제거 속도를 도시한다. 도1은 음이온 화학약품을 포함하는 본 발명의 연마 조성물이, 금속 상에서 침하의 형성을 방지하기 위해, 금속 제거 속도를 보다 낮은 압력 하에서 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 보여준다.
본 발명의 연마 조성물은 금속 상에서 침하의 형성을 방지하기 위해, 보다 낮은 압력 하에서 금속 제거 속도를 효과적으로 줄일 수 있다.
Claims (20)
- 70-99.5 중량%의 수용성 매질;0.1-25 중량%의 연마제;0.01-2 중량%의 (a) 성분 및 (b) 성분의 조합 - 여기서, (a) 성분은 아인산(phosphorous acid), 이것의 염, 상기 산과 염의 혼합물에서 선택된 성분; (b) 성분은 아미노산, 이들의 염, 카르복실산, 이들의 염, 및 상기 산들과 염들 중 둘 이상의 혼합물에서 선택된 성분 - ; 및0.01-1 중량%의 수용성 음이온 화학약품을 포함하는화학기계적 연마 슬러리.
- 제 1 항에 있어서,상기 음이온 화학약품이,아크릴레이트-, 포스페이트-, 설페이트-, 또는 설포네이트-함유 화합물, 폴리머 및/또는 코폴리머, 또는 2 이상의 상기 화합물, 폴리머 및/또는 코폴리머의 혼합물을 포함하는슬러리.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 연마제가,SiO2, Al2O3, ZrO2, CeO2, SiC, Fe2O3, TiO2, Si3N4또는 상기 것들의 혼합물로부터 선택되는슬러리.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 아미노산이,글리신, 크레아틴, 알라닌으로부터 선택되는슬러리.
- 제 1 항에 있어서,상기 카르복실산이,포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 헥사노산, 말론산, 글루타르산, 아디프산, 시트르산(구연산), 말산, 타르타르산, 또는 옥살산에서 선택되는슬러리.
- 제 1 항에 있어서,트리아졸 화합물 및/또는 그 유도체를 더 포함하는슬러리.
- 제 1 항에 있어서,산화제를 더 포함하는슬러리.
- 금속 회로 상에 침하(depression)의 형성을 방지하기 위해, 반도체 웨이퍼의 표면상에, 수용성 음이온 화학약품을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기계적 연마 슬러리를 적용하는 단계를 포함하는- 여기서, 상기 슬러리는70-99.5 중량%의 수용성 매질;0.1-25 중량%의 연마제;0.01-2 중량%의 아인산(phosphorous acid), 이것의 염, 상기 산과 염의 혼합물에서 선택된 (a) 성분과, 아미노산, 이들의 염, 카르복실산, 이들의 염, 및 상기 산들과 염들 중 둘 이상의 혼합물에서 선택된 (b) 성분의 조합; 및0.01-1 중량%의 수용성 음이온 화학약품을 포함함 -반도체 웨이퍼의 표면을 연마하는 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 음이온 화학약품이,아크릴레이트-, 포스페이트-, 설페이트-, 또는 설포네이트-함유 화합물, 폴리머 및/또는 코폴리머, 또는 2 이상의 상기 화합물, 폴리머 및/또는 코폴리머의 혼합물을 포함하는방법.
- 삭제
- 제 11 항에 있어서,상기 연마제가,SiO2, Al2O3, ZrO2, CeO2, SiC, Fe2O3, TiO2, Si3N4또는 상기 것들의 혼합물로부터 선택되는방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 11 항에 있어서,상기 아미노산이,글리신, 크레아틴, 알라닌으로부터 선택되는방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 카르복실산이,포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산, 발레르산, 헥사노산, 말론산, 글루타르산, 아디프산, 시트르산(구연산), 말산, 타르타르산, 또는 옥살산에서 선택되는방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 연마 슬러리가,트리아졸 화합물 및/또는 그 유도체를 더 포함하는방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 연마 슬러리가,산화제를 더 포함하는방법.
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1999
- 1999-10-07 KR KR1019990043214A patent/KR100356939B1/ko active IP Right Grant
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100450985B1 (ko) * | 2000-11-24 | 2004-10-02 | 도꾜 지끼 인사쯔 가부시키가이샤 | 화학적 기계적 연마용 슬러리 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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