KR100363557B1 - 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 및 이를 이용한 경면연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 및 이를 이용한 경면연마 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는
(1)평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카 0.25~20.00중량%,
(2)분자량이 10만~100만인 셀룰로오스 0.02~2.00중량%,
(3)알킬페닐비이온 계면활성제 0.01~0.50중량%,
(4)질소화 유기염 0.10~0.50중량%,
(5)pH 조절제 1.00~5.00중량% 및
(6)탈이온수 73.00~98.60중량%
를 포함하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 및 상기 연마용 슬러리를 중간연마 단계에 사용하는 것을 특징으로 하는 다단계 경면연마 방법에 관한 것이며, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하여 경면연마 공정을 수행하면 SP1 결함 발생율이 현저히 감소되므로, 고품질의 반도체용 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 및 이를 이용한 경면연마 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카, 분자량이 10만~100만인 셀룰로오스, 알킬페닐비이온 계면활성제, 질소화 유기염, pH 조절제 및 탈이온수를 포함하는 SP1 결함 발생률이 저하된 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리, 및 이를 중간연마 단계에 사용하는 것을 특징으로 하는 다단계 경면연마 방법에 관한 것이다.
반도체 제조시 기판이 되는 실리콘 웨이퍼는 단결정 성장(single crystal growing), 절단(slicing), 연마(lapping), 식각(etching), 경면연마(polishing), 세정(cleaning) 등의 여러 공정을 거쳐 제조된다. 그중 경면연마 공정에서는 이전 공정에서 생성된 표면이나 표면이하(subsurface)의 결함 즉 긁힘, 갈라짐, 결의 일그러짐(grain distortion), 표면 거칠음, 지형(topography) 결함 등을 제거하여 무결점 거울면의 웨이퍼로 가공하게 된다.
상기 경면연마 공정은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정으로서, 기계적 작용을 하는 연질 혹은 경질의 우레탄 연마포와 기계 화학적 작용을 하는 콜로이달 실리카 슬러리를 필요로 한다. 최근에는 웨이퍼의 대구경화와 이에 따른 고도의 품질 요구로 인하여 경면연마 공정에 사용되는 연마포와 슬러리의 성능 향상에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다. 특히 슬러리는 웨이퍼 품질의 최종 조절제로 간주되기 때문에 다양한 물리화학적 성질을 갖는 제품이 출시되었고 계속적으로 연구되고 있다.
경면연마 공정은 초기연마(stock removal polishing) 단계와 최종연마(final polishing) 단계로 나뉘어 진행되는데, 각 연마 단계마다 이회 혹은 삼회 연속의 반복적인 연마를 거치게 된다. 일반적으로 초기연마 시에는 연마용 슬러리로서 평균 입경이 약 100nm인 구형의 단분산 실리카와 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 무기성 강염기 또는 TMAH 등의 유기성 강염기를 포함하는 슬러리가 사용되며, 연마포로서 딱딱한 경질의 우레탄 재질을 사용하여 18~22㎛ 두께를 제거함으로써 대량 연마(bulk removal)를 달성하게 된다.
반면, 최종연마 시에는 연마용 슬러리로서 평균 입경이 30~40㎚인 구형의 단분산 실리카와 약염기인 암모니아수, 그리고 부가적으로 수용성 고분자 또는 계면활성제를 포함하는 물리화학적으로 보다 약화된 슬러리가 사용되며, 연마포로서 연질의 발포 우레탄 재질을 사용하여 0.2~0.5㎛ 두께를 제거함으로써 초기연마 시에 발생한 긁힘, 수미크론 이하의 미세 거칠음(microroughness), 잔류 오염물 등을 제거하여 무결점이고 거칠기가 수나노미터 이하인 경면으로 웨이퍼 표면을 연마하게된다.
최근 들어 웨이퍼에 대한 다양한 품질항목이 고도화되고 새로이 등장함에 따라, 초기연마와 최종연마의 중간 단계로서 연마 조건(연마압력, 정반회전속도)과 소모품 배치(연마포, 슬러리)를 조절한 중간연마(intermediate polishing)를 추가로 적용하여 품질을 개선하는 추세에 있다. 예를 들면 미국특허 제 245592호에서는 슬러리의 사용방법과 연마기 운영의 방법을 변경한 MEMC의 공정을 제시하고 있으며, 최근에는 대부분의 웨이퍼 제조사들이 이와 유사한 방식을 채택하고 있다. 그러나 상기 MEMC 공정의 중간연마에서는 연질의 연마포에 적합하도록 조성된 최종연마용 슬러리와 경질의 연마포를 함께 사용하기 때문에, 웨이퍼에 기계적 연마의 악영향을 끼쳐 물결 지형(waviness topography)과 같은 표면 결함이 발생된다.
물결 지형의 검출에는 일반적으로 KLA-Tencor사의 SURFSCAN SP1과 같은 산란현상을 응용하는 표면 분석기를 사용하고 있으며, SP1 결함이라고도 한다. SP1 결함은 헤이즈(haze)를 유발하는 미세 거칠음(microroughness)과 유사한 형태의 표면 지형으로 웨이퍼 표면의 굴곡을 의미한다. SP1 결함은 IC를 제작하는 사진공정 수율을 저하시키고 특히 ULSI의 고집적화에 영향을 주는 치명적인 결함으로, 256M DRAM의 회로공정을 위하여 반도체 제조사들로부터 세심하게 관리되기 시작하였다.
이러한 SP1 결함 측면에서의 웨이퍼의 품질 요구에 대하여 웨이퍼 제조사들은 최종연마용 슬러리의 성능을 개선하거나 기타 공정변수의 조절을 시도하고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연마입자로서 평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카를 사용하고 알킬페닐비이온 계면활성제, 질소화 유기염 및 고분자량 셀룰로오스를 혼용함으로써, 분산성을 향상시키고 기계적 연마의 부작용을 최소화한 연마용 슬러리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연마용 슬러리를 사용하는 방법을 최적화하여 SP1 결함 발생률을 감소시킨 경면연마 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 한 측면은
(1)평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카 0.25~20.00중량%,
(2)분자량이 10만~100만인 셀룰로오스 0.02~2.00중량%,
(3)알킬페닐비이온 계면활성제 0.01~0.50중량%,
(4)질소화 유기염 0.10~0.50중량%,
(5)pH 조절제 1.00~5.00중량% 및
(6)탈이온수 73.00~98.60중량%
를 포함하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 초기연마, 중간연마 및 최종연마 단계로 구성되는 다단계 경면연마 방법에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리를 사용하여 중간연마를 수행하는 것을 특징으로 하는 경면연마 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리는 실리카, 셀룰로오스, 알킬페닐비이온 계면활성제, 질소화 유기염, pH 조절제 및 탈이온수를 포함하는데, 이하 본 발명의 연마용 조성물의 각 구성성분을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용된 실리카(이하 성분(1)이라 칭함)는 평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카이며, 콜로이달 실리카 혹은 퓸드 실리카의 형태로 적용된다. 상기 실리카가 퓸드 실리카의 형태로 적용되는 경우에는 최종적으로 조성된 연마용 슬러리를 고압펌프내에서 가압하여 가속시키고, 가속화된 슬러리를 서로 마주보는 2개의 오리피스로 이루어진 분산챔버내로 주입하여 대향충돌시킴으로써 실리콘 응집체의 크기를 10~200nm로 분산시킨다.
상기 성분(1)의 함량은 전체 슬러리에 대하여 0.25~20.00중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
본 발명에서 사용된 셀룰로오스(이하 성분(2)라 칭함)로서는 소량으로 슬러리의 점도를 조절하기 위해 분자량이 10만~100만인 고분자량 셀룰로오스를 사용하며, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시부틸메틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 친유성으로 조절된 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 히드록시메틸셀룰로오스와 히드록시프로필셀룰로오스를 2:1의 비율로 혼합하여 사용하는 것이 보다 바람직하다.상기 성분(2)는 상기 성분(1)에 의한 기계적 연마 효과를 완화시킴과 동시에 원하는 정도의 연마수준을 얻을 수 있도록 슬러리에 층류(lamina flow)를 생성시키는 역할을 한다.
상기 성분(2)의 함량은 슬러리의 최종 점도가 2∼40cP가 되도록 적절히 조절되며, 이는 전체 슬러리에 대하여 0.02~2.00중량%에 해당한다.
본 발명에서 사용된 알킬페닐비이온 계면활성제(이하 성분(3)이라 칭함)로서는 알킬기의 탄소수가 5~15개이고 에틸렌옥사이드 유닛이 5~100개인 알킬페닐에틸렌옥사이드를 사용하며, 이는 상기 성분(1) 및 성분(2)가 슬러리 저장중에 응집되는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 성분(2)는 슬러리 저장중 용해도 또는 분산성이 감소하여 입자로 석출될 수 있는데, 이러한 경우 상기 성분(1)의 응집을 가속시켜 연마제로서의 성능을 잃게 된다. 상기 성분(3)을 사용함으로써 성분(2)의 분산이 안정화되고 그 결과 슬러리 전체의 분산성이 향상되는 효과가 있다.
상기 성분(3)의 함량은 0.01~0.50중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.01중량% 미만이면 셀룰로오스 및 실리카 입자의 응집이 발생하고, 0.50중량%를 초과하면 비경제적이므로 좋지 않다.
본 발명에서 사용된 질소화 유기염(이하 성분(4)라 칭함)으로는 염화 콜린을 사용하며, 이는 연마 제거물인 규산(silicic acid)을 웨이퍼 표면으로부터 제거해주는 역할을 한다. SP1 결함과 같은 표면 지형은 규산의 영향인데, 반응활성이 큰 규산은 단량체 또는 중합체의 형태로 웨이퍼 표면에 재흡착되어 불균일한 산화막을 형성하고, 실리카 입자간에 가교를 형성하여 응집시킨다. 불균일한 산화막은피트(pit) 혹은 돌출부(jut)에 SP1 결함을 초래하며, 응집된 실리카 입자는 균일한 연마를 어렵게 할 뿐만 아니라 표면이하(subsurface)에 기계적인 충격을 가하여 결함을 생성하는 원인이 되고 패드 막힘 현상을 유발한다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 규산의 반응기인 수산기를 가려주면(screening) 되는데, 이러한 작용을 하는 것이 질소화 유기염으로 특히 에탄올기를 지닌 염화 콜린을 알킬페닐에틸렌옥사이드와 함께 사용하였을 때 그 효과가 더욱 좋다.
상기 성분(4)의 함량은 전체 슬러리에 대하여 0.10~0.50중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
본 발명에서 사용된 pH 조절제(이하 성분(5)라 칭함)는 상기 성분(1)의 분산 안정화를 위하여 사용된 성분으로, 암모니아수와 같은 약염기를 사용하는 것이 좋다. 암모니아수는 알칼리금속 염기에 비하여 표면 침투 효과가 없고 오히려 금속과 착물을 형성하여 금속 잔류를 억제하는 기능을 발휘한다.
상기 성분(5)의 함량은 슬러리의 최종 pH가 10.5~12.0이 되도록 적절히 조절되며, 이는 전체 슬러리에 대하여 1.00~5.00중량%에 해당한다.
초기연마, 중간연마 및 최종연마로 구성되는 다단계 경면연마 공정시 중간연마 및/또는 최종연마 단계에 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하면 SP1 결함을 20개 수준 이하로 감소시킬 수 있으며, Rodel2371 슬러리로 초기연마를 수행하고, 본 발명의 슬러리로 중간연마를 수행한 다음, Glanzox3950 슬러리로 최종연마를 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1
평균 입경이 20~30nm인 콜로이달 실리카를 탈이온수로 희석하여 실리카 입자함량이 전체 슬러리 대비 6.0중량%가 되도록 하고, 여기에 분자량이 45만인 히드록시메틸셀룰로오스와 분자량이 10만인 히드록시프로필셀룰로오스의 2:1 혼합물 0.9중량%, 에틸렌옥사이드 유닛이 10개인 노닐페닐에틸렌옥사이드 0.2중량%, 염화콜린 0.3중량% 및 암모니아 3.0중량%를 첨가하여 연마용 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리의 pH는 약 11.0이었으며, 점도는 25cP이었다.
(1 0 0) 배향의 p형 200mm 플랫(flat) 웨이퍼를 스피드팸 멀티헤드(speedfam multihead) 연마기로 다단계 경면연마를 실시하였으며, 이때 초기연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 Rodel 2371을, 중간연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 상기 슬러리의 20배 희석액을, 그리고 최종연마 단계에서는 연질 우레탄 연마포와 Glanzox3950을 각각 사용하였다.
연마가 완료된 80장의 웨이퍼중 11장을 임의 선별하여 SURFSCAN SP1(KLA-Tencor사)으로 SP1 결함을 측정한 결과, 웨이퍼당 SP1 결함은 최대 20개였으며 평균 7개 수준으로 제어되었다.
비교예 1
노닐페닐에틸렌 옥사이드를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하였다. 이와 같이 제조된 슬러리의 pH는 약 11.0이었으며, 점도는 25cP이었다.
(1 0 0) 배향의 p형 200mm 플랫(flat) 웨이퍼를 스피드팸 멀티헤드(speedfam multihead) 연마기로 다단계 경면연마를 실시하였으며, 이때 초기연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 Rodel 2371을, 중간연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 상기 슬러리의 20배 희석액을, 그리고 최종연마 단계에서는 연질 우레탄 연마포와 Glanzox3950을 각각 사용하였다.
연마가 완료된 80장의 웨이퍼중 11장을 임의 선별하여 SURFSCAN SP1(KLA-Tencor사)으로 SP1 결함을 측정한 결과, 웨이퍼당 SP1 결함은 최대 100개였으며 평균 50개 수준으로 제어되었다.
비교예 2
(1 0 0) 배향의 p형 200mm 플랫(flat) 웨이퍼를 스피드팸 멀티헤드(speedfam multihead) 연마기로 다단계 경면연마를 실시하였으며, 이때 초기연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 Rodel 2371을, 중간연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 상기 슬러리의 20배 희석액을, 그리고 최종연마 단계에서는 연질 우레탄 연마포와 상기 슬러리의 20배 희석액을 각각 사용하였다.
연마가 완료된 80장의 웨이퍼중 10장을 임의 선별하여 SURFSCAN SP1(KLA-Tencor사)으로 SP1 결함을 측정한 결과, 웨이퍼당 SP1 결함은 최대 70개였으며 평균 30개 수준으로 제어되었다.
비교예 3
(1 0 0) 배향의 p형 200mm 플랫(flat) 웨이퍼를 스피드팸 멀티헤드(speedfam multihead) 연마기로 다단계 경면연마를 실시하였으며, 이때 초기연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 Rodel 2371을, 중간연마 단계에서는 경질 우레탄 연마포와 Glanzox 3950을, 그리고 최종연마 단계에서는 연질 우레탄 연마포와 Glanzox 3950을 각각 사용하였다.
연마가 완료된 80장의 웨이퍼중 5장을 임의 선별하여 SURFSCAN SP1(KLA-Tencor사)으로 SP1 결함을 측정한 결과, 웨이퍼당 SP1 결함은 최대 200개였으며 평균 50개 수준으로 제어되었다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하여 경면연마 공정을 수행하면 SP1 결함 발생율이 현저히 감소되므로, 고품질의 반도체용 실리콘 웨이퍼를 제공할 수 있다.
Claims (5)
- (1)평균 입경이 10~200nm인 단분산 실리카 0.25~20.00중량%,(2)분자량이 10만~100만인 셀룰로오스 0.02~2.00중량%,(3)알킬페닐비이온 계면활성제 0.01~0.50중량%,(4)질소화 유기염 0.10~0.50중량%,(5)pH 조절제 1.00~5.00중량% 및(6)탈이온수 73.00~98.60중량%를 포함하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리.
- 제 1항에 있어서,상기 실리카로 퓸드 실리카를 사용하며, 상기 성분들을 전혼합한 다음 고압펌프내에서 가압하여, 가속화된 슬러리를 서로 마주보는 2개의 오리피스를 통하여 대향충돌시킴으로써 분산시켜 제조된 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리.
- 제 1항에 있어서,상기 셀룰로오스가 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시부틸메틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 친유성으로 조절된 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스 및 메틸셀룰로오스로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리.
- 제1항에 있어서,상기 알킬페닐비이온 계면활성제가 알킬기의 탄소수가 5~15개이고 에틸렌옥사이드 유닛이 5~100개인 알킬페닐에틸렌옥사이드인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리.
- 초기연마, 중간연마 및 최종연마 단계로 구성되는 다단계 경면연마 방법에 있어서, 제 1항의 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리를 사용하여 중간연마를 수행하는 것을 특징으로 하는 경면연마 방법.
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