KR100407296B1 - 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 확산배리어막으로 이용되는 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법에 관한 것으로, 소정 공정이 완료된 반도체기판상에 산화막을 형성하는 단계, 상기 산화막상에 티타늄알루미늄나이트라이드를 형성하는 단계, 질산과 암모늄염이 동시에 첨가된 슬러리를 이용하여 상기 산화막이 노출될때까지 제1조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 단계, 및 상기 산화막이 노출되면 디싱 및 침식 현상을 최소화시킬 수 있는 제2조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 질산과 암모늄염을 동시에 첨가한 슬러리를 사용하므로써 티타늄알루미늄나이트라이드의 부식속도와 용해속도를 증가시키고 디싱 또는 침식 현상을 방지하여 확산배리어 특성이 우수한 티타늄알루미늄나이트라이드를 제조할 수 있으며, 일종의 슬러리로 한 번의 공정을 진행하므로써 화학적기계적연마 공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 반도체소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 캐패시터의 확산배리어막(Diffusion barrier layer)으로 사용되는 티타늄알루미늄나이트라이드 (TiAlN)의 화학적기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 방법에 관한 것이다.
반도체소자의 제조 공정 중 캐패시터의 제조 방법에 있어서, 확산배리어막 으로서 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN)를 이용하는 경우, 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN)는 기계적특성(마모성)과 화학적 특성이 매우 우수한 물질이면서 고성능 캐패시터를 제조하는데 필수적으로 요구되는 물질로서, 산화막상의 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN)를 제거하기 위하여 화학적기계적연마 방법을 적용하고 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 캐패시터의 확산배리어막의 화학적기계적연마 방법을 나타낸 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 소정 공정이 완료된 반도체기판(11) 또는 하부층상에 층간절연막(12)을 형성하고, 층간절연막(12)을 선택적으로 식각하여 플러그용 콘택홀을 형성한다. 콘택홀을 포함한 전면에 폴리실리콘을 증착한 후 에치백하여 콘택홀의 소정 깊이까지 매립되는 폴리실리콘플러그(13)를 형성한다. 폴리실리콘플러그(13)를 포함한 전면에 티타늄을 증착하고 열처리하여 폴리실리콘플러그(13)상에 티타늄실리사이드(TiSi2)(14)를 형성한 후, 미반응 티타늄을 제거한다. 이 때, 콘택홀의 소정깊이까지 매립된 폴리실리콘플러그(13)와 티타늄실리사이드(14)의 적층구조가 형성된다.
계속해서, 티타늄실리사이드(14)를 포함한 전면에 티타늄알루미늄나이트라이드(15)를 증착한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 티타늄알루미늄나이트라이드(15)를 화학적기계적연마하여 티타늄실리사이드(14)에 접하여 콘택홀을 완전히 매립시키는 티타늄알루미늄나이트라이드(15a)를 형성한다.
이 때, 통상적인 슬러리를 적용한 화학적기계적연마를 이용하여 티타늄알루미늄나이트라이드(15)를 연마시키려고 하면, 연마속도가 매우 작기 때문에 연마시킬 수 있는 슬러리가 없으므로 통상적인 슬러리의 공급유량을 증가시키고 매우 열악한 공정 조건으로 비교적 장시간동안 연마하여 연마속도를 증가시켜야 한다.
그러나, 장시간동안의 연마로 인해 층간절연막(12)인 산화막에 심한 긁힘(Scratch) 현상(16)과 슬러리 찌거기 같은 불순물(17)이 다량 잔류하게 되는 문제점이 있다.
또한, 매우 열악한 공정 조건에서 장시간 연마하기 때문에 층간절연막(12)이 노출되는 시점부터 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN)이 주변에 있는 층간절연막보다 과도연마(Over polishing)되어 디싱(Dishing) 현상(18)이나 층간절연막(12)이 침식(Erosion)되는 현상이 나타난다.
결국, 티타늄알루미늄나이트라이드의 연마속도를 증가시키기 위하여 열악한 공정 조건을 적용함에 따라 연마 특성(디싱이나 침식)이 불량하고 심각한 결함이 발생되어 소자의 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 질산과 암모늄염을 첨가한 슬러리를 이용하여 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마시 연마속도를 증가시키고 디싱 또는 침식 현상을 방지하는데 적합한 화학적기계적연마 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래기술에 따른 확산배리어막으로 이용된 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마후 소자를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 3은 도 2의 공정 흐름도를 적용하여 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마한 후의 소자를 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
23 : 반도체기판 24 : 산화막
25 : 폴리실리콘플러그 26 : 티타늄실리사이드
27 : 티타늄알루미늄나이트라이드
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정 공정이 완료된 반도체기판상에 산화막을 형성하는 단계, 상기 산화막상에 티타늄알루미늄나이트라이드를 형성하는 단계, 질산과 암모늄염이 동시에 첨가된 슬러리를 이용하여 상기 산화막이 노출될때까지 제1조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 단계, 및 상기 산화막이 노출되면 디싱 및 침식 현상을 최소화시킬 수 있는 제2조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 제1조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 단계는, 연마압력을 1psi∼7psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 100fpm∼600fpm로 설정하여 이루어지며, 종말점검출법을 사용하여 상기 산화막의 노출되는 시점을 감지하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하는 단계는, 연마압력을 1psi∼2psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 500fpm∼600fpm로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법을 나타낸 공정 흐름도이고, 도 3은 도2의 공정 흐름도에 따라 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마한 후의 소자 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 확산배리어막으로서 티타늄알루미늄나이트라이드를 증착한 후(21), 질산(Nitric acid)과 암모늄염(Ammonium salt)을 첨가한 슬러리를 사용하여 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마한다(22).
여기서, 질산은 강한 산이므로 티타늄알루미늄나이트라이드내의 금속을 부식시키거나 용해시켜 그 물질의 원자간 결합력을 감소시키고 막의 치밀도를 저하시켜 화학적기계적연마 공정에서 쉽게 연마되도록 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적 특성을 변화시킨다.
이 때, 부식속도와 용해속도는 질산의 농도가 증가할수록 증가하지만 과량의 질산을 첨가하면, 슬러리의 안정성과 취급성을 확보하기 어렵고 연마공정에서 마진을 오히려 저하시키기 때문에 슬러리의 pH를 2∼3으로 유지시키고 농도는 질산과 슬러리가 1∼5wt%가 유지되도록 조절한다.
또한, 슬러리에 질산을 첨가할 때 암모늄염을 함께 첨가하면, 암모늄염은 산화제(Oxidizer)로서 작용하여 티타늄알루미늄나이트라이드의 연마속도를 약간 증가시키는 작용을 하지만 오히려 산화막의 연마속도를 더 크게 증가시키는 작용을 하기 때문에 그 농도에 따라 티타늄알루미늄나이트라이드와 산화막의 연마선택비를 조절할 수 있다.
예컨대, 티타늄알루미늄나이트라이드와 산화막의 선택비가 1:1인 슬러리를 사용할 경우, 산화막이 노출되더라도 티타늄알루미늄나이트라이드가 과도연마되는현상을 제거하거나 최소화하여 디싱을 방지할 수 있다.
즉, 통상의 기술에서는 티타늄알루미늄나이트라이드의 연마속도를 증가시킬 수 있는 슬러리를 사용하여 산화막상에 존재하는 결함들을 제거하더라도 연마특성이 좋은 2차 슬러리를 사용하여 디싱이나 침식같은 현상을 제거하여야 하기 때문에, 질산과 암모늄염을 동시에 첨가한 슬러리를 사용할 경우 한 번의 공정으로 통상의 공정에서 발생되는 문제점을 모두 해결할 수 있다.
상술한 질산과 암모늄염을 첨가한 슬러리를 사용하는 화학적기계적연마 공정의 조건은, 먼저 티타늄알루미늄나이트라이드의 연마속도와 산화막과의 연마선택비를 고려하여 공정 조건을 결정하는데, 그 공정 조건은 연마압력을 1psi∼7psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 100fpm∼600fpm(feet per minute)로 설정하며, 종말점검출(End point detect)을 사용하여 산화막의 노출되는 시점을 감지한다.
그리고, 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하다가 산화막이 노출되면 디싱 및 침식을 최소화시킬 수 있는 공정 조건을 사용하는데, 그 공정 조건은 연마압력을 1psi∼2psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 500fpm∼600fpm(feet per minute)로 설정한다.
그리고, 슬러리는 산화세륨(CeO2) 또는 산화지르코늄(ZrO2) 중 어느 하나의 연마제, 질산과 암모늄염을 포함한다. 이 때, 연마제의 입자크기는 0.25㎛∼0.6㎛이며, 첨가되는 암모늄염은 슬러리의 pH에 영향이 없는 NH4NO2를 이용하되 선택비를 고려하여 농도를 10wt%∼20wt%가 되도록 조절한다.
도 3은 질산과 암모늄염을 첨가한 슬러리를 이용하여 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마한 상태를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소정 공정이 완료된 반도체기판(23) 또는 하부층상에 층간절연막으로서 산화막(24)을 형성하고, 산화막(12)을 선택적으로 식각하여 플러그용 콘택홀을 형성한다. 콘택홀을 포함한 전면에 폴리실리콘을 증착한 후 에치백하여 콘택홀의 소정 깊이까지 매립되는 폴리실리콘플러그(25)를 형성한다. 폴리실리콘플러그(25)를 포함한 전면에 티타늄을 증착하고 열처리하여 폴리실리콘플러그(25)상에 티타늄실리사이드(TiSi2)(26)를 형성한 후, 미반응 티타늄을 제거한다. 이 때, 콘택홀의 소정깊이까지 매립된 폴리실리콘플러그(25)와 티타늄실리사이드(26)의 적층구조가 형성된다.
계속해서, 티타늄실리사이드(26)를 포함한 전면에 티타늄알루미늄나이트라이드(27)를 증착한 후, 질산과 암모늄염이 첨가된 산화세륨이나 산화지르코늄을 연마제로 포함하는 슬러리를 이용하여 티타늄알루미늄나이트라이드(15)를 화학적기계적연마하여 티타늄실리사이드(26)에 접하여 콘택홀을 완전히 매립시키는 티타늄알루미늄나이트라이드(27)를 형성한다.
이 때, 산화막(24)이 노출되더라도 티타늄알루미늄나이트라이드(27)의 과도연마로 인한 디싱 현상이 발생되지 않으며, 산화막(24)이 침식되는 현상이 나타난지 않는다.
본 발명의 실시예는 캐패시터에 적용되는 확산배리어막인 티타늄알루미늄나이트라이드를 예로 들어 설명하였으나, 티탄늄알루미늄나이트라이드를 이용한 모든반도체소자에서 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 공정에 적용될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은 확산배리어막인 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마할 때, 질산과 암모늄염을 동시에 첨가한 슬러리를 사용하므로써 티타늄알루미늄나이트라이드의 부식속도와 용해속도를 증가시키고 디싱 또는 침식 현상을 방지하여 확산배리어 특성이 우수한 티타늄알루미늄나이트라이드를 제조할 수 있으며, 일종의 슬러리로 한 번의 공정을 진행하므로써 화학적기계적연마 공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고, 화학적기계적연마 공정이 용이하고 단순하므로 공정 마진을 증가시킬 수 있고 소자의 수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (9)
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- 반도체소자의 확산배리어막 제조 방법에 있어서,소정 공정이 완료된 반도체기판상에 산화막을 형성하는 단계;상기 산화막상에 티타늄알루미늄나이트라이드를 형성하는 단계;질산과 암모늄염이 동시에 첨가된 슬러리를 이용하여 상기 산화막이 노출될때까지 제1조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 단계; 및상기 산화막이 노출되면 디싱 및 침식 현상을 최소화시킬 수 있는 제2조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제1조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 화학적기계적연마하는 단계,연마압력을 1psi∼7psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 100fpm∼600fpm로 설정하여 이루어지며, 종말점검출법을 사용하여 상기 산화막의 노출되는 시점을 감지하는 것을 특징으로 하는 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제2조건으로 상기 티타늄알루미늄나이트라이드를 연마하는 단계,연마압력을 1psi∼2psi로 설정하고, 테이블 회전속도를 500fpm∼600fpm로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 티타늄알루미늄나이트라이드의 화학적기계적연마 방법.
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| KR970074892A (ko) * | 1996-05-10 | 1997-12-10 | 마르타 앤 피네간 | 금속 층 및 필름용 기계화학적 연마 슬러리 |
| JPH10125639A (ja) * | 1996-10-21 | 1998-05-15 | Motorola Inc | 半導体ウェハの研磨方法 |
| KR19990037374A (ko) * | 1997-10-31 | 1999-05-25 | 가나이 쓰도무 | 연마방법 |
| KR19990085105A (ko) * | 1998-05-13 | 1999-12-06 | 윤종용 | 금속막 씨엠피용 슬러리 및 이를 이용한 씨엠피방법 |
| KR20000044554A (ko) * | 1998-12-30 | 2000-07-15 | 김영환 | 연마정지막을 이용한 폴리실리콘 플러그 형성 방법 |
| KR20000048170A (ko) * | 1998-12-17 | 2000-07-25 | 칼 하인쯔 호르닝어 | 반도체의 화학적 기계적 연마동안 금속 제거율을증진시키는 방법 |
| KR20000057476A (ko) * | 1996-12-09 | 2000-09-15 | 마싸 앤 피네간 | 기계화학적 연마 구리 기판 |
-
2000
- 2000-12-18 KR KR10-2000-0077848A patent/KR100407296B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
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