KR100445759B1 - 금속배선 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 웨이퍼의 평탄화를 목적으로 하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization) 공정에 사용되는 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속산화물 미분말, 유로퓸계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물, 질산 및 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리조성물에 관한 것이며, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물을 사용하면 높은 연마속도와 우수한 연마균일도를 달성할 수 있으며, 분산안정성이 높아 장기 보관이 용이하다.

Description

금속배선 연마용 슬러리 조성물{Slurry For Polishing Metal Lines}
본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 웨이퍼의 평탄화를 목적으로 하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization) 공정에 사용하는 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유로퓸계 화합물과 인계 화합물 첨가에 의해 연마성능 및 분산안정성이 향상된 금속배선 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
고집적회로의 집적도가 점차 증가함에 따라 반도체 웨이퍼의 평탄성에 대한 요구사항도 함께 증가하고 있다. 그 이유는 반도체 배선이 점점 얇아질 뿐만 아니라 밀도가 점점 증가되면서 포토레지스트 공정에서의 초점심도의 여유가 감소함으로 인하여 웨이퍼 표면의 평탄성이 중요한 문제로 부각되었기 때문이다.
웨이퍼 표면의 평탄성을 증가시키기 위한 방법으로는 SOG EB(Spin On Glass Etch Back)나 DEP'N EB(Deposition Etch Back) 등의 다양한 방법이 제안되어 왔으나, 광범위한 평탄화 및 고집적 회로에 적용되는 방법으로는 CMP 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 광범위한 평탄화가 CMP 공정에 의해서만 가능할 뿐 아니라 평탄성에 대한 만족도 면에서도 CMP 방법이 가장 우수하기 때문이다.
CMP 공정이란 반도체 웨이퍼 표면에 초순수와 연마제, 산화제, 보조 첨가제등이 함유된 슬러리를 가한 후 연마패드와 접촉시킨 상태에서 회전 및 직선운동이 혼합된 오비탈 운동을 실시하여 웨이퍼 표면을 평탄화시키는 공정을 말한다. CMP 공정에 사용되는 슬러리는 물리적인 작용과 화학적인 작용에 의해서 웨이퍼 표면에 노출된 부분을 선택적으로 식각하여, 보다 향상되고 최적화된 평탄화를 달성하는 것을 가능케 한다.
이와 같은 CMP용 슬러리의 종류는 연마대상에 따라 구분될 수 있으며, 절연층을 연마하는 산화물(oxide)용 슬러리와 텅스텐이나 알루미늄층을 연마하는 금속(metal)용 슬러리로 분류할 수 있다. 일반적으로 금속배선(metal line) 연마용 슬러리의 경우, 연마제와 산, 산화제, 안정제 등을 초순수에 첨가하여 제조된다. 이때 연마제로는 금속산화물인 실리카(SiO2)나 알루미나(Al2O3) 등이 가장 많이 사용되고 있으며, 산화제로는 과산화수소와 무기 산화제들이 주로 사용되고 있다.
예를 들어, 미합중국 특허 제 5,244,534호에서는 연마제로 알루미나를 사용하고 산화제로 과산화수소를 사용하며 pH 조절제로 수산화암모늄이나 수산화칼륨을 사용하였다. 또한, 동특허 제 5,340,370호에서는 연마제로 실리카를 사용하고 산화제로 페리시안화 칼륨(potassium ferricyanide)을 사용하였다. 그러나, '534 특허의 경우, 첫째, 2단계로 연마를 수행해야 하므로 실제 공정상 불편함이 따르고 1단계 연마와 비교하여 경제적으로 비효율적이며, 둘째, 과산화수소만을 산화제로 사용하므로 슬러리내 과산화수소의 지속적인 분해로 인한 연마속도 저하 등이 문제가 된다. 한편, '370 특허의 경우에는 산화제로 산화철 계통의 무기 산화제를 사용하고 있으나, 이러한 화합물은 슬러리의 분산안정성을 크게 떨어뜨리는 것으로 밝혀졌다. CMP용 슬러리는 연마제를 수용액상에서 분산시켜 제조하는 것으로, 그 분산안정성이 매우 중요하다. 그 이유는 슬러리의 분산안정성이 저하되면 연마중에 웨이퍼 표면에 스크래치가 발생되거나 일정한 연마속도를 유지하는데 어려움이 있으며, 슬러리의 이송에 문제가 생길 수 있기 때문이다. 더욱이 그러한 화합물은 금속이온에 의한 오염원으로 작용할 수 있어 반도체 칩 수율 저하를 초래한다. 그 밖에 불소계 화합물과 같은 할로겐 화합물을 산화제로 사용하는 예가 미합중국 특허 제 5,516,346호에 개시되어 있으나, 이 경우 불소계 화합물이 연마기에 부식 등의 손상을 유발할 수 있어 장기 사용시 문제가 된다.
이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 균일한 연마성능을 가지며 장기보관시 분산안정성이 우수하고 연마기에 손상을 주지 않는, 금속배선의 CMP 공정에 적합한 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 금속산화물 미분말, 유로퓸계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물, 질산 및 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 금속배선 연마용 슬러리 조성물은 금속산화물 미분말, 유로퓸계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물 및 질산을 탈이온수에 분산시켜 제조하며, 바람직하게는
금속산화물 미분말 1~30중량%;
유로퓸계 화합물 0.01~0.5중량%;
과산화수소 0.5~4.0중량%;
인계 화합물 0.01~0.05중량%; 및
질산 0.3~0.5중량%
를 포함한다.
본 발명에 사용된 금속산화물 미분말은 연마제의 역할을 하며, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(Zirconia) 및 세리아(Ceria) 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 사용한다.
상기 금속산화물 미분말의 함량은 전체 슬러리 대비 1~30중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 실리카의 경우 3~12중량%, 알루미나의 경우 3~10중량%가 적합하다. 만일 금속산화물 미분말의 함량이 30중량%를 초과하는 경우에는 분산안정성 및 연마속도를 조절하기 어려운 문제가 발생하는 반면, 1중량% 미만인 경우에는 분산안정성은 좋으나 연마입자의 양이 적어 물리적 연마성능을 기대하기 어렵다.
본 발명에 사용된 유로퓸계 화합물은 과산화수소와 함께 금속배선을 산화시키는 산화제의 역할을 하며, 구체적으로는 질산유로퓸(Europium nitrate), 과염소산유로퓸(Europium perchlorate) 및 황산유로퓸(Europium sulfate) 로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물을 사용한다. 본 발명에서는 이러한 유로퓸계 화합물을 산화제로 사용함으로써 높은 연마속도를 달성할 수 있었다. 아울러, 단일 무기 산화제만 사용시에는 높은 연마성능을 확보하기 위해서 과량을 첨가해야 하고, 이는 결과적으로 슬러리의 분산안정성 저하를 초래하는 문제점이 있는 것으로 지적되어 왔으나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 유로퓸계 화합물과 과산화수소를 병용하기 때문에 분산안정성의 저하를 방지하는 효과를 얻을 수 있었다. 나아가, 상기 유로퓸계 화합물은 종래의 불소계 화합물과는 달리 연마기의 부식을 유발하지 않아 사용상에 문제를 일으키지 않는다.
상기 유로퓸계 화합물의 함량은 전체 슬러리 대비 0.01~0.5중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.02~0.1중량%이다. 아울러 상기 유로퓸계 화합물과 함께 산화제로 사용되는 과산화수소는 전체 슬러리 대비 0.25~2중량%, 보다 바람직하게는 0.5~1.5중량%가 되도록 첨가된다. 만일 상기 유로퓸계 화합물과 과산화수소가 각각 상기 함량범위를 초과하는 경우에는 반도체 회로의 플러그 등에서 이로젼(erosion)이나 디싱(dishing)이 심하게 발생하는 반면, 상기 함량범위 미만인 경우에는 슬러리의 산화력이 너무 약하여 정상적인 연마성능을 가지기 어렵다. 특히, 유로퓸계 화합물의 과량 첨가시에는 슬러리의 분산안정성이 저하되며, 연마시에도 코로젼(corrosion)이나 피칭(pitching) 현상이 일어나 반도체 회로의 생산 수율을 저하시키는 등의 문제점을 가지게 된다.
본 발명에 사용된 인계 화합물은 슬러리 내의 과산화수소가 지속적으로 분해되는 것을 방지함으로써 슬러리의 산화력을 일정하게 유지시켜 균일한 연마속도를 가지도록 하는 역할을 하며, 이러한 인계 화합물로는 트리메틸아인산염(trimethylphosphite) 또는 트리에틸아인산염(triethyl phosphite)을 사용한다.
상기 인계 화합물의 함량은 바람직하게는 전체 슬러리 대비 0.01~0.05중량%이며, 보다 바람직하게는 0.02~0.04중량%인 것이 적합하고, 상기 함량범위를 벗어나는 경우에는 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
한편, 본 발명에 사용된 질산은 pH 조절제의 역할을 하며, 전체 슬러리 대비 0.3~0.5중량%가 되도록 첨가하는 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
발연 실리카(시판 Aerosil 90G) 50g, 질산유로퓸 0.5g, 과산화수소수(100%) 20g, 질산 4.0g, 및 트리메틸아인산염 0.3g을 2ℓ의 폴리에틸렌 플라스크에 투입하고 탈이온수를 전체 조성물 중량이 1000g이 되도록 투입한 후 2,000rpm의 속도로 90분간 교반시켜 분산하여 얻어진 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth) 필터를 통해 여과하여 연마용 슬러리를 제조하였다.
이와 같이 제조된 슬러리의 연마성능을 평가하고자, 텅스텐(W)이 도포된 웨이퍼를 Strasbaugh社 6EC 연마기를 이용하여 퀼 속도(quill speed) 120rpm, 패드 속도(pad speed) 120rpm, 슬러리 유량 150㎖/min의 조건하에 1분간 연마하고, 그결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2,3
상기 실시예 1에서 질산유로퓸의 첨가량을 각각 0.1g, 5g 로 하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표1과 같다.
실시예4
상기 실시예 1에서 질산유로퓸 대신에 과염소산유로퓸 1.0g 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표1과 같다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 질산유로퓸 대신에 황산유로퓸 1.0g 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표1과 같다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 트리메틸아인산염 대신에 트리에틸아인산염을 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표1과 같다.
실시예 7∼9
상기 실시예 1에서 제조된 슬러리를 각각 30일, 60일, 90일이 경과된 후 평가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.
실시예 10
상기 실시예 1에서 발연 실리카 대신 발연 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 질산유로품 대신에 질산제이철을 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 질산유로품의 첨가량을 8g으로 하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 질산유로품을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
비교예 4
상기 실시예 1에서 트리메틸아인산염을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
비교예 5∼7
상기 실시예 7∼9에서 질산유로품을 첨가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.
[비고]
* 상기에서 평균크기란 발연 실리카 또는 발연 알루미나의 평균크기임.
* 상기 침식(erosion), 디싱(dishing)은 선폭(line width)이 0.2㎛인 패턴 웨이퍼 기준임.
* 상기 스크래치(scratch)는 0.3㎛ 이상의 크기를 갖는 것임.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하면 높은 연마속도와 우수한 연마균일도를 달성할 수 있고, 분산안정성이 높아 장기 보관이 용이하다.

Claims (5)

  1. 금속산화물 미분말 1~30 중량%, 유로퓸계 화합물 0.01~0.5 중량%, 과산화수소 0.5~4.0 중량%, 인계 화합물 0.01~0.05 중량%, 질산 0.3~0.5 중량% 및 나머지는 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 금속산화물이 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(Zirconia) 및 세리아(ceria) 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유로퓸계 화합물이 질산유로퓸 (Europium nitrate), 과염소산유로퓸(Europium perchlorate) 및 황산유로퓸 (Europium sulfate) 으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 인계 화합물이 트리메틸아인산염 또는 트리에틸아인산염인 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
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