KR100497411B1 - Colloidal silica slurry with uniformed big sized particle for chemical mechanical polishing and method for manufacturing of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 균일한 큰 입자를 갖는 옥사이드 또는 STI-CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMP에 사용하는 콜로이달 실리카를 주제로 한 균일한 큰 입자를 갖는 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a colloidal silica slurry useful for oxides or STI-CMP having uniform large particles, and to a method for producing the same. More specifically, CMP having uniform large particles based on colloidal silica used for CMP. It relates to a colloidal silica slurry useful in the process of the present invention and a method for preparing the same.

본 발명은 120㎚이상의 큰 입자 크기를 제조하여도 입도분포가 균일하고, 입자크기가 크기 때문에 종래의 기존 연마 슬러리는 연마제의 함량이 12.5 중량%에서 연마가 가능하지만 본 발명의 연마 슬러리는 연마제의 함량이 10 중량%일 경우에도 기존 연마 슬러리의 연마 성능과 대비하여 동등 이상의 연마율을 나타내기 때문에 연마율의 효과가 매우 좋고, 일반적으로 연마입자가 커지면 안정성이 떨어지지만 본 발명의 슬러리는 1년 이상이 경과하여도 응집되어 침전되는 현상이 일어나지 않는 장기간 안정성을 보여준다. 또한 퓸드 실리카의 경우는 고분자 물질, 계면활성제, 아민계의 물질 등 환경유해물질들이 다량 포함되어 있지만 본 발명의 콜로이달 실리카에는 상기와 같은 화학물질들이 거의 포함되어 있지 않아 친환경적인 CMP에 유용한 콜로이달 실리카인 것이 장점이다. In the present invention, even when a large particle size of 120 nm or more is produced, the particle size distribution is uniform, and the particle size is large, so that the conventional abrasive slurry can be polished at 12.5 wt% of the abrasive. Even when the content is 10% by weight, the polishing rate is very good because the polishing rate is equal to or higher than the polishing performance of the existing polishing slurry. It shows long-term stability that does not occur due to aggregation and precipitation even after the above process. In addition, fumed silica contains a large amount of environmentally harmful substances such as polymers, surfactants, and amines, but the colloidal silica of the present invention contains little such chemicals, which is useful for environmentally friendly CMP. Silica is an advantage.

Description

균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법{Colloidal Silica Slurry with Uniformed big sized particle for Chemical Mechanical Polishing and Method for manufacturing of the same} Colloidal Silica Slurry with Uniformed big sized particle for Chemical Mechanical Polishing and Method for manufacturing of the same}

본 발명은 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 'CMP'라 약한다)에 유용한 콜로이달 실리카 (Colloidal silica) 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMP에 사용하는 콜로이달 실리카를 주제로 한 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a colloidal silica slurry useful for chemical mechanical polishing (hereinafter abbreviated as 'CMP') having uniform large particles, and a method for preparing the same, and more particularly, to a CMP. The present invention relates to a colloidal silica slurry useful for chemical mechanical polishing having uniform large particles based on colloidal silica, and a method of manufacturing the same.

CMP법은 1980년대 말 미국 IBM에서 기계적 제거가공과 화학적인 제거가공을 하나의 가공 방법으로 혼합한 새로운 연마공정으로서 개발한 것으로 기존의 기계적인 연마방식은 가공 변질층이 형성이 되는데 이러한 변질층은 반도체 칩(chip) 상의 결점이 되며 화학적인 연마는 변질층이 생성되지는 않지만 평탄화(planarization) 된 형상 즉 형상정밀도를 얻을 수가 없으며 단순히 평활한 면만을 얻을 수밖에 없다. 이러한 두 가지 공정의 장점들을 잘 접목시켜 대상체를 연마하는 것이 CMP의 기본 개념이다.The CMP method was developed in the late 1980s by IBM in the US as a new polishing process that combines mechanical removal and chemical removal into a single processing method. In the conventional mechanical polishing method, a modified layer is formed. It is a defect on a semiconductor chip, and chemical polishing does not produce a deteriorated layer, but a planarized shape, that is, shape precision, cannot be obtained, and only a smooth surface can be obtained. Polishing the object by combining the advantages of these two processes is the basic concept of CMP.

CMP 적용 공정에는 ① 규소(Si) 웨이퍼 반사면 연마(wafer mirror polishing) - 규소(Si) 웨이퍼 제조 공정 ② 옥사이드(oxide) CMP 공정 - 평탄화 목적으로 절연막 연마 ③ 금속(W) CMP 공정 - 연마율(yield) 개선 목적으로 텡스텐 플러그 공정대체 ④ 좁은지역 분리(shallow trench isolation : STI) CMP 공정 - 좁은 지역 분리(isolation) 목적으로 산화물 및 질화물 연마(oxide & nitride polishing), 산화물에 대한 질화물의 선택도(oxide to nitride selectivity) 확보, 산화물 디싱(oxide dishing) 최소화 ⑤ AI CMP 공정(Al을 Al2O2로 산화시켜 연마하는 공정) - 물결(damascene)구조를 이용한 금속 에칭 공정 대체, 화학적 공격에 의한 디싱(dishing) 정도 최소화 ⑥ AI CMP 공정(Al을 Al2O2로 산화시켜 연마하는 공정) - 물결구조를 이용한 금속 에칭 공정 대체 ⑦ 폴리규소 CMP 공정 - 프레 폴리 플러그(pre poly plug(3P) 형성 공정으로 폴리규소에 대한 산화물의 선택도(poly Si to oxide selectivity) 확보, 우수한 후세정(Post Cleaning : 연마 후 웨이퍼 표면의 이 물질 제거 공정) 효과 및 산화물 표면의 스크래치 최소화 등이 있다.CMP application process includes: ① Silicon wafer wafer mirror mirror polishing-Silicon wafer manufacturing process ② Oxide CMP process-Polishing of insulating film for planarization purposes ③ Metal (W) CMP process-Polishing rate ( Replacement of tungsten plug process for improving yield ④ Shallow trench isolation (STI) CMP process-Oxide and nitride polishing, nitride selectivity to oxide for narrow isolation (oxide to nitride selectivity), minimizing oxide dishing ⑤ AI CMP process (oxidation and polishing of Al to Al 2 O 2 )-Substituting metal etching process using damascene structure, by chemical attack dishing (dishing) about minimize ⑥ AI CMP step (the step of grinding by oxidation of Al to Al 2 O 2) - metal etch process replaced by the wavy structure ⑦ polysilicon CMP process-frame poly plug (pre poly plug (3P) type A selection step of an oxide on the polysilicon also (poly Si to oxide selectivity) ensuring, after good cleaning: scratches and the like to minimize the effects and the oxide surface (Post Cleaning the material removal process after the polishing of the wafer surface).

층간절연막(InterLayer Dielectric : ILD) CMP와 금속 CMP는 디바이스(device) 층의 모든 표면에서 계속적으로 적용이 되어져야 하며 3차원의 형상정도를 얻기 위해서 각 층의 광역적인 평탄화를 형성하는 역할을 한다.InterLayer Dielectric (ILD) CMP and metal CMP must be applied continuously on all surfaces of the device layer and form the global planarization of each layer to obtain three-dimensional shape.

첨부된 도면을 중심으로 일반적인 CMP공정을 개략적으로 살펴보면, 도 1은 일반적인 CMP 공정의 개략도이고, 도 2는 일반적인 CMP 장비의 개략도에 관한 것으로, 웨이퍼(wafer)는 패드(pad : 기계적 연마 요소를 갖는 연마포)와 슬러리(slurry : 화학적 연마 요소를 갖는 연마 완충제)에 의해서 연마되어지며 패드가 부착되어진 연마 테이블은 단순한 회전운동을 하고, 헤드(head)부는 회전운동과 요동운동을 동시에 행하며 일정한 압력으로 가압을 하여 준다. 웨이퍼는 표면장력 또는 진공에 의해서 헤드부에 장착되어지고, 헤드부의 자체하중과 인가되는 가압력에 의해 웨이퍼 표면과 패드는 접촉하게 되고 이 접촉면 사이의 미세한 틈(패드의 기공부분) 사이로 가공액인 슬러리가 유동을 하여 슬러리 내부에 있는 연마입자와 패드의 표면돌기들에 의해 기계적인 제거작용이 이루어지고 슬러리 내의 화학성분에 의해서는 화학적인 제거작용이 이루어진다. CMP 공정에서 패드와 웨어퍼간의 가압력에 의해 디바이스 돌출부의 상부에서부터 접촉이 이루어지고 이 부분에 압력이 집중되어 상대적으로 높은 표면제거 속도를 가지게 되며, 가공이 진행되어 갈수록 요출부는 줄어들어 전 면적에 걸쳐 균일하게 제거되어진다. A schematic view of a general CMP process with reference to the accompanying drawings, Figure 1 is a schematic diagram of a general CMP process, Figure 2 relates to a schematic diagram of a general CMP equipment, the wafer (wafer) having a pad (mechanical polishing element) Abrasive table) and slurry (polishing buffer with chemical polishing elements), and the pad is attached to the polishing table for simple rotational movements, and the head part performs both rotational and oscillating movements at a constant pressure. Pressurize. The wafer is mounted on the head part by surface tension or vacuum, and the surface of the head and the pad are brought into contact with each other by the self-load of the head part and the pressing force applied, and the slurry which is the processing liquid between the minute gaps (pores of the pad) between the contact surfaces The flow is mechanically removed by the abrasive particles in the slurry and the surface protrusions of the pad, and chemically by the chemical components in the slurry. In the CMP process, contact is made from the upper part of the device protrusion by the pressing force between the pad and the wafer, and the pressure is concentrated on this part to have a relatively high surface removal rate. Is removed.

CMP의 화학 작용에서 가장 중요한 부분이 연마제의 역할로서, 반도체 생산량과 직접적인 연관이 있는 연마제의 함량이 낮음에도 불구하고 연마율을 높이는 기술은 화학약품으로서만 가능한 현실이다. 전 세계적으로 반도체 연마제용으로 실리카를 많이 사용하고 있으며, 주로 퓸드 실리카(fumed silica) 및 콜로이달 실리카(colloidal silica)로 구분되어진다. 반도체 연마제로서의 가장 중요한 요소는 연마율, 흠 및 균일성 등이 있으며, 현재 흠 및 균일성은 많은 연구개발을 통하여 증진되었지만 반도체 생산량과 직접 관련된 연마율을 증가시키는 기술은 화학약품으로서만 가능하였다.The most important part of the chemistry of CMP is the role of abrasives. Despite the low content of abrasives, which is directly related to semiconductor production, the technique of increasing the polishing rate is a reality only possible with chemicals. Silica is widely used for semiconductor abrasives around the world, and mainly divided into fumed silica and colloidal silica. The most important factors as semiconductor abrasives are polishing rate, nicks and uniformity, and at present, the scratches and uniformity have been improved through many research and development, but the technique of increasing the polishing rate directly related to semiconductor production was possible only with chemicals.

이에 연마제의 전반적인 기능을 상승시켜 적은 연마제 함량에서도 연마율은 높이고, 결함율은 낮추며, 120 내지 130㎚크기의 입자를 제조하여도 아주 균일한 입도 분포도를 나타내어 주고, 장기간 안정하게 사용가능하고, 친환경적인, 반도체 웨이퍼용 연마제의 개발이 절실한 실정이다.Therefore, the overall function of the abrasive is increased, so that the polishing rate is high, the defect rate is low even at a low abrasive content, and even a particle size of 120 to 130 nm shows a very uniform particle size distribution, and it can be used stably for a long time. There is an urgent need to develop an abrasive for a semiconductor wafer.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에서는 반도체용 연마제를 제조함에 있어 기존 연마 슬러리는 연마제의 함량이 12.5 중량%에서 연마가 가능하지만 본 발명의 연마 슬러리는 연마제의 함량이 10 중량%일 경우에도 기존 연마 슬러리의 연마 성능과 대비하여 동등 이상의 연마율을 나타내기 때문에 연마율의 효과가 좋고, 120 내지 130㎚크기의 큰 입자에서도 균일한 입도 분포도를 나타내는 것을 특징으로 하는 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다. Therefore, the present invention was devised to solve the above problems, in the present invention, in the manufacture of a semiconductor abrasive, the conventional polishing slurry can be polished at 12.5% by weight of the abrasive, but the polishing slurry of the present invention Even when the content is 10% by weight, the effect of the polishing rate is good since the polishing rate is equal to or higher than the polishing performance of the existing polishing slurry, and even particle size distribution of 120 to 130nm is characterized by the uniform particle size distribution. It is an object of the present invention to provide a colloidal silica slurry useful for chemical mechanical polishing having uniform large particles and a method for producing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 콜로이달 실리카 슬러리가 현탁액 슬러리를 안정시키기 위한 안정제인 계면활성제 등을 첨가하지 않아도 퓸드 실리카에 비해 안정성 유지가 월등하게 뛰어나기 때문에 환경유해물질을 거의 포함하고 있지 않아 친환경적인 것을 특징으로 하는 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법을 제공함에 있다. It is still another object of the present invention that the colloidal silica slurry contains little environmentally harmful substances because it is excellent in maintaining stability compared to fumed silica even without adding a surfactant, which is a stabilizer to stabilize the suspension slurry. The present invention provides a colloidal silica slurry useful for chemical mechanical polishing having a large uniform particle size, and a method of manufacturing the same.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 균일한 큰 입자를 갖는 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMP에 사용하는 콜로이달 실리카를 주제로 한 균일한 큰 입자를 갖는 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention for achieving the above object relates to a colloidal silica slurry useful for CMP having uniform large particles, and a method for producing the same, and more particularly, uniform large particles based on colloidal silica used for CMP. It relates to a colloidal silica slurry useful for CMP having a and a method for producing the same.

일반적으로 반도체 연마제용으로는 슬러리를 많이 사용하고 있으며 그 제조방법에 따라 주로 퓸드 실리카(fumed silica) 및 콜로이달 실리카(colloidal silica)로 구분하여 사용하고 있다. 본 발명에서는 콜로이달 실리카 연마제에 관한 것으로 우선, 상기 두 슬러리를 비교하여보면 다음과 같다. Generally, a slurry is used for a semiconductor abrasive, and it is mainly classified into fumed silica and colloidal silica according to its manufacturing method. In the present invention relates to a colloidal silica abrasive, first, comparing the two slurries as follows.

콜로이달 실리카는 규산용액의 이온 변화법으로 제조하며 비교적 비용이 비싸고 금속 오염이 많이 포함되어 있었다는 단점이 있으나 입자가 균일하고 안정성이 매우 높은 장점을 가지고 있으며, 이와는 반대로 퓸드 실리카는 입자균일성이 낮고 안정성이 6개월을 넘지 못한다.Colloidal silica is manufactured by ion-change method of silicic acid solution and has the disadvantage that it is relatively expensive and contains a lot of metal contamination. However, colloidal silica has the advantage of uniform and stable particles. On the contrary, fumed silica has low particle uniformity and Stability is not more than six months.

이하, 본 발명에 따른 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 대해 첨부된 도면을 중심으로 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명에 따른 균일한 큰 입자를 갖는 콜로이달 실리카 슬러리의 제조 공정도이다. Hereinafter, a colloidal silica slurry useful for CMP according to the present invention and a method for preparing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 3 is a flow chart of the preparation of a colloidal silica slurry having large uniform particles according to the present invention.

ⅰ) 규산소다 5 내지 10 중량%, 탈이온수 90 내지 95 중량%를 규산소다 희석조에서 혼합시켜 규산소다를 희석시키는 단계(규산소다 희석 단계);V) diluting the sodium silicate by mixing 5 to 10% by weight of sodium silicate and 90 to 95% by weight of deionized water in a sodium silicate dilution tank (dilution of sodium silicate);

ⅱ) 별도로 35% 염산 20 내지 30 중량%를 탈이온수 70 내지 80 중량%로 염산 희석조에서 염산을 희석시키는 단계(염산 희석 단계);Ii) separately diluting hydrochloric acid in a hydrochloric acid dilution tank with 20 to 30% by weight of 35% hydrochloric acid in 70 to 80% by weight of deionized water (dilution of hydrochloric acid);

ⅲ) 상기 ⅱ)단계에서 제조한 희석된 염산 수용액으로 양이온 교환수지를 재생한 후 탈이온수로 수세하는 단계(양이온 교환수지 재생 단계);Iii) regenerating the cation exchange resin with the diluted aqueous hydrochloric acid solution prepared in step ii) and washing with deionized water (cation exchange resin regeneration step);

ⅳ) 상기 ⅰ)단계에서 제조한 희석된 규산소다 수용액을 상기 ⅲ)단계에서 재생시킨 양이온 교환수지탑에서 규산소다용액을 통액 시킴으로서 올리고머(oligomer) 형태의 활성화된 실리식산(active silicic acid) 제조 및 불순물을 제거하는 단계(실리식산 제조 및 불순물 제거 단계);Iii) preparing an active silicic acid in the form of oligomer by passing the dilute aqueous sodium silicate solution prepared in step iii) through a solution of sodium silicate in a cation exchange resin tower regenerated in step iii), and Removing impurities (silic acid preparation and impurity removal step);

ⅴ) 올리고머 형태의 실리식산을 50ℓ/hr 내지 200ℓ/hr의 속도로 반응조로 이송한 후 수산화칼륨을 실리식산 액의 1 내지 20 중량%를 첨가하여 80 내지 200℃의 온도에서 0.5 내지 6시간동안 반응시키면서 콜로이달 실리카 입자의 핵을 성장시켜 입자상태로 형성시키는 단계(입자 핵 형성 및 입자 성장 단계);Iii) Silic acid in the form of oligomer is transferred to the reactor at a rate of 50 l / hr to 200 l / hr, and potassium hydroxide is added to 1 to 20% by weight of the silicic acid solution at a temperature of 80 to 200 ° C. for 0.5 to 6 hours. Growing the nuclei of the colloidal silica particles while forming the particles into a particle state (particle nucleation and particle growth steps);

vi) 입자상태로 성장한 콜로이달 실리카 현탁액을 상온까지 냉각시킨 후 농축조에서 농축 멤브레인을 이용하여 콜로이달 실리카의 농도가 5 내지 40 중량%가 될 때까지 농축시키는 단계(콜로이달 실리카 현탁액 농축 단계);vi) cooling the colloidal silica suspension grown in the particulate state to room temperature and concentrating the colloidal silica using a concentrated membrane in a concentration tank until the concentration of colloidal silica becomes 5 to 40% by weight (colloidal silica suspension concentration step);

vii) vi) 단계에서 제조된 원액을 저장조에 저장하는 단계(저장 단계);vii) storing the stock solution prepared in step vi) in a reservoir (storage step);

ⅷ) 필터링을 시키는 단계(필터링 단계)Ⅷ) Filtering step (filtering step)

를 거쳐 최종 포장되어지고, 콜로이달 실리카 입자의 크기는 120 내지 130㎚가 될 때까지 상기 ⅴ) 내지 vii)단계를 2 내지 4회 반복 실행시켜 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리가 제조되어진다. After final packaging, the colloidal silica slurry useful for CMP is prepared by repeating steps iv) to vii) two to four times until the size of the colloidal silica particles is 120 to 130 nm.

상기 ⅱ)단계에서는 바람직한 염산의 양은 20 내지 30 중량%인데, 염산의 양이 20 중량% 미만일 경우에는 양이온 교환수지의 재생이 전체적으로 완전히 이루어지지 않는다. 이 경우 규산소다가 이온 교환수지를 통과하면서 생성되는 실리식산의 pH가 4이상 높게 나타나고 실리식산이 겔(gel) 상태가 되기 때문이다. 그리고 30 중량%를 초과할 경우에는 양이온 교환수지에 잔존하는 염산의 량이 너무 많아 규산소다가 양이온 교환 수지탑을 통과한 후 실리식산의 pH가 잔존 염산에 의해 너무 낮게(pH 1이하) 나타나기 때문에 후 공정 즉 입자생성 단계에서 과다한 염소 때문에 입자 생성이 제대로 이루어지지 않고 응집현상이 두드러진다. In step ii), the preferred amount of hydrochloric acid is 20 to 30% by weight. When the amount of hydrochloric acid is less than 20% by weight, the regeneration of the cation exchange resin is not entirely performed. In this case, the pH of the silicic acid produced while sodium silicate passes through the ion exchange resin is higher than 4, and the silicic acid is in a gel state. If the amount exceeds 30% by weight, the amount of hydrochloric acid remaining in the cation exchange resin is too high, so that the sodium silicate passes through the cation exchange resin column and the pH of the silicic acid is too low (pH 1 or less) due to the remaining hydrochloric acid. Excessive chlorine in the process, namely the particle generation step, prevents the particles from being produced properly and becomes prominent.

상기 ⅲ) 내지 ⅳ)단계에서는 희석된 염산 수용액은 양이온 수지를 재생을 하고 재생 후 나오는 염산 수용액은 수처리 공정에서 정화한다. 양이온 수지는 염산의 수소이온(H+)과 양이온 수지의 나트륨이온(Na+)간의 이온치환법에 의하여 재생되어진다. 이때, 양이온 수지 재생과정 시 치환 후 남은 이온(H+, Na+)들은 수세 과정에서 깨끗이 씻어 내고, 수세 후의 물은 별도의 수처리 공정에서 정화한다. 그리고 재생된 양이온 수지탑을 통과하는 희석된 규산소다 수용액에 포함되어 있는 금속화합물 등의 불순물은 양이온 교환수지에 의해 제거되어진다.In the steps iii) to iii), the diluted hydrochloric acid aqueous solution regenerates the cation resin, and the hydrochloric acid aqueous solution after the regeneration is purified in a water treatment process. The cation resin is regenerated by the ion substitution method between hydrogen ions (H + ) of hydrochloric acid and sodium ions (Na + ) of the cation resin. At this time, the ions (H + , Na + ) remaining after substitution during the regeneration of the cation resin are washed off in the washing process, and the water after washing is purified in a separate water treatment process. Impurities such as metal compounds contained in the diluted aqueous sodium silicate solution passing through the regenerated cation resin tower are removed by a cation exchange resin.

상기 iv)단계에서는 올리고머 형태의 실리식산의 생성 및 불순물이 제거되며, 실리식산의 상태에서 콜로이달 실리카 입자의 핵이 3㎚ 이하의 크기로 형성되어진다. In step iv), the generation of the oligomeric form of silicic acid and impurities are removed, and the nuclei of colloidal silica particles are formed to have a size of 3 nm or less in the state of silicic acid.

상기 v)단계에서의 수산화칼륨은 상기 iv)단계에서 형성된 불순물이 제거된 올리고머 형태의 활성화된 규산 수용액(active silicic acid)과 축합 반응을 통하여 콜로이달 실리카 입자성장과 안정화 역할을 위한 베이스(Base)로 첨가하게 되는데 그 첨가량은 활성화된 실리식산 현탁액의 1 내지 20 중량%가 첨가된다. 수산화칼륨의 첨가량이 1중량% 미만일 경우에는 베이스에 비해 과량의 활성화된 실리식산이 반응됨으로써 미반응으로 의한 콜로이달 실리카 입자성장의 저해현상이 일어날 수 있고, 20중량% 초과할 경우는 활성화된 실리식산에 비해 과량의 베이스가 첨가됨으로써 콜로이달 실리카 입자성장 후 용해 현상을 유발할 수 있으며 입자간의 응집현상 등 콜로이달 실리카 안정성을 저해할 수 있다. 그리고 상기에서 수산화칼륨 대신 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 규산소다 중에서 한 가지를 선택하여 첨가할 수 있다. 그 첨가량은 수산화칼륨 첨가량과 같다.Potassium hydroxide in step v) is a base for colloidal silica particle growth and stabilization through condensation reaction with an activated silicic acid solution in the form of oligomer in which impurities formed in step iv) are removed. The addition amount is 1 to 20% by weight of the activated silicic acid suspension is added. When the amount of potassium hydroxide added is less than 1% by weight, excess activated silicic acid is reacted with respect to the base, thereby inhibiting unreacted colloidal silica particle growth, and when exceeding 20% by weight, activated silicium When the base is added in excess of the acid, it may cause dissolution after colloidal silica particle growth and may impair colloidal silica stability such as aggregation between particles. In addition to the potassium hydroxide, one of ammonia water (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH) or sodium silicate may be selected and added. The addition amount is the same as the potassium hydroxide addition amount.

그리고 v)단계에서는 상기 iv)단계에서 형성된 콜로이달 실리카 현탁액이 반응조 1ton을 기준으로 했을때 50ℓ/hr 내지 200ℓ/hr의 속도로 반응조로 유입된다. 콜로이달 실리카 현탁액의 유입속도가 50ℓ/hr 미만일 경우에는 실리카 입자간의 응집현상 증가로 인한 안정성 측면에서 문제시되고, 200ℓ/hr 초과할 경우에는 미반응으로 인한 작은 실리카 입자와 큰 입자의 전반적으로 브로드(broad)한 입자분포를 가지게 된다.And in step v), the colloidal silica suspension formed in step iv) is introduced into the reactor at a rate of 50 l / hr to 200 l / hr based on 1 ton of the reactor. If the inflow rate of the colloidal silica suspension is less than 50 l / hr, it is a problem in terms of stability due to an increase in the aggregation phenomenon between the silica particles, and if it exceeds 200 l / hr, the overall broadness of the small silica particles and the large particles due to unreacted It has a broad particle distribution.

그리고 반응온도는 80℃ 내지 200℃ 가 바람직한데, 온도가 80℃ 미만일 경우에는 베이스와 활성화된 실리식산과의 축합반응성이 현저히 감소해서 본 발명에 목적에 이루기 위한 입자성장에 미달되며, 200℃ 이상일 경우에는 실리카 입자간의 응집현상으로 인한 콜로이달 실리카 안정성을 저해하게 된다.And the reaction temperature is preferably 80 ℃ to 200 ℃, if the temperature is less than 80 ℃ condensation reactivity of the base and the activated silicic acid is significantly reduced to fall below the particle growth for the purpose of the present invention, 200 ℃ or more In this case, colloidal silica stability due to aggregation between silica particles is inhibited.

상기 vi)단계에서 콜로이달 실리카는 수요자의 요구에 따라 희석 가능할 수 있도록 5 내지 40 중량%가 될 때까지 농축시키는 것이 바람직하다. In step vi) colloidal silica is preferably concentrated to 5 to 40% by weight so that it can be diluted according to the needs of the consumer.

상기 vii) 단계에서는 상기에서 원하고자 하는 크기의 콜로이달 실리카 입자로 성장시키기 위해서는 상기 v) 내지 ⅶ) 단계를 2 내지 4회 반복 실행하여 콜로이달 실리카 입자의 크기를 120 내지 130㎚까지 성장시킨다. 실리카 입자의 크기가 120㎚미만일 경우에는 본 발명의 목적인 웨이퍼의 옥사이드층에 대한 기계적 연마작용의 효과가 미미하고, 130㎚를 초과할 경우에는 입자의 크기에 의해 웨이퍼의 옥사이드층의 연마시에 긁힘 현상 및 슬러리의 안정성에 문제가 발생된다. In the step vii), to grow the colloidal silica particles of the desired size, the steps v) to iii) are repeated 2 to 4 times to grow the size of the colloidal silica particles to 120 to 130 nm. When the size of the silica particles is less than 120 nm, the effect of mechanical polishing on the oxide layer of the wafer, which is the object of the present invention, is insignificant. When the size of the silica particles exceeds 130 nm, the particles are scratched when the oxide layer of the wafer is polished. Problems arise in development and stability of the slurry.

본 발명의 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리의 제조방법을 실시예를 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for preparing a colloidal silica slurry useful for CMP of the present invention will be described in detail with reference to Examples.

(실시예 1 내지 3)(Examples 1 to 3)

규산소다 10 중량%를 탈이온수 90 중량%에 용해시켜 규산소다 희석액을 제조한다. 별도로 35% 염산 용액 20 중량%를 탈이온수 80 중량%에 희석시킨 후 이 희석된 염산 수용액으로 양이온 교환수지탑을 재생시킨다. 재생된 양이온 교환수지탑에 상기에서 제조한 규산소다 희석액을 통과시켜 규산소다 희석액 내에 함유되어 있는 불순물을 제거 및 3㎚ 이하 크기의 올리고머 형태의 활성화된 실리식산을 형성시킨다. 여기서 제조된 올리고머 형태의 활성화된 실리식산을 1 ton을 기준으로 했을 때 100ℓ/hr 속도로 반응조로 이송시켜 120±5℃의 온도로 3시간 반응시켜 콜로이달 실리카의 입자를 성장시킨 후 콜로이달 실리카의 농도가 20 중량%가 될 때까지 농축 멤브레인으로 농축시킨다. 이 현탁 슬러리를 다시 반응조로 이송하여 반응, 농축 단계를 3회 더 반복하여 입자의 크기를 120 내지 130㎚ 크기까지 성장시킨 다음 최종적으로 필터링하여 제조한 시료 25 중량%를 3개 채취하였다. A dilute solution of sodium silicate was prepared by dissolving 10% by weight of sodium silicate in 90% by weight of deionized water. Separately, 20% by weight of 35% hydrochloric acid solution is diluted in 80% by weight of deionized water, and then the cation exchange resin tower is regenerated with this diluted aqueous hydrochloric acid solution. The dilute solution of sodium silicate prepared above is passed through the regenerated cation exchange resin tower to remove impurities contained in the dilute solution of sodium silicate and to form activated silicic acid in the form of oligomers of 3 nm or less in size. Activated silicic acid of the oligomer form prepared here was transferred to a reactor at a rate of 100 l / hr based on 1 ton and reacted at a temperature of 120 ± 5 ° C. for 3 hours to grow particles of colloidal silica and then colloidal silica Concentrate with a concentrated membrane until the concentration of is 20% by weight. The suspension slurry was transferred to the reactor again, and the reaction and concentration steps were repeated three more times to grow particles to 120-130 nm in size, and finally, three samples of 25% by weight of the sample prepared by filtering were collected.

(비교예 1 내지 3)(Comparative Examples 1 to 3)

매우 고온에서 즉 사염화규소(SiCl4)를 물 또는 CO2 gas를 이용하여 태워서 실리카 입자를 제조하고, 잘 체질된(sieving) 퓸드 실리카를 우선적으로 정제된 물에 KOH 또는 NH4OH 첨가하여 용액을 pH 10 내지 11 정도의 알칼리로 만든 다음 퓸드 실리카를 25 중량%를 분산시키고, 그에 따라 분산제 또는 분산안정제를 0.1 중량% 이하로 첨가한다. 또한 퓸드 실리카는 입자의 모양이 둥글지 못하고 표면이 날카로워 그냥 사용하면 긁힘 현상이 심하게 나타나기 때문에 반도체 연마에서 발생하는 긁힘(scratch) 현상을 방지하기 위하여 입자 표면을 둘러싸도록 하기 위해 폴리아크릴아마이드류를 고분자 화합물을 첨가한다. 제조한 시료 25 중량%를 3개 채취하였다.Silica particles are prepared at very high temperatures, i.e. by burning silicon tetrachloride (SiCl 4 ) with water or CO 2 gas, and the solution is prepared by adding sieving fumed silica preferentially to KOH or NH 4 OH in purified water. It is made with an alkali of about pH 10 to 11 and then 25% by weight of fumed silica is dispersed, and accordingly a dispersant or dispersion stabilizer is added at 0.1% by weight or less. In addition, fumed silica has polyacrylamides to surround the particle surface to prevent scratches caused by semiconductor polishing because the shape of the particles is not round and the surface is sharp. Add high molecular compound. Three 25 wt% of the prepared samples were collected.

(실험 조건)(Experimental conditions)

CMP 장치 : AMAT Mirra-Mesa사 제품(미국)CMP device: AMAT Mirra-Mesa (USA)

연마 패드 : IC1400/Suba IV(Rodel사)Polishing Pad: IC1400 / Suba IV (Rodel)

표면 플레이트 회전속도 : 87 rpmSurface plate rotation speed: 87 rpm

캐리어 회전속도 : 93 rpmCarrier Speed: 93 rpm

연마슬러리 공급속도 : 160㎖/minGrinding Slurry Feed Speed: 160mL / min

압력(Main air) : 200 hpaMain air: 200 hpa

Wafer(웨이퍼) : PE-TEOS(8")Wafer: PE-TEOS (8 ")

상기 시험조건에 맞추기 위하여 체취한 샘플들을 탈이온수에 50 중량% 희석하여 사용하였다. 상기 시험조건에 의해 연마율, 흠집(defect), 면내 균일성(Non-uniformity)을 측정한 결과 다음 [표 1]의 내용과 같다. Samples taken to meet the test conditions were used diluted 50% by weight in deionized water. As a result of measuring the polishing rate, the defect, the in-plane uniformity (Non-uniformity) by the test conditions, the contents of the following [Table 1].

[표 1]                                 TABLE 1

구 분division 실 시 예Example 비 교 예Comparative Example 1One 22 33 1One 22 33 연마율(Å)Polishing rate 28002800 28202820 28102810 23202320 23602360 23502350 흠집(defect), 갯수Defect, number 22 1One 22 33 22 44 면내 균일성 (%)In-plane uniformity (%) 33 33 33 22 22 22

상기 [표 1]의 결과에 따르면, 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 3이 연마율이 보통 2,320~2,360Å 정도인데 비해, 120 내지 150㎚의 입자크기가 큰 슬러리로 인하여 2,800Å 이상의 높은 연마율을 나타내며, 입자 레벨(흠집, defect)과 면내 균일성은 콜로이달 실리카와 퓸드 실리카에 사이에는 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 그리고 도 4는 실시예 1 을 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과로서, 콜로이달 실리카 입자의 크기가 122.03㎚, 122.57㎚, 123.84㎚ 인 것들을 나타낸 것이다. According to the results of [Table 1], Examples 1 to 3 have a higher polishing rate of 2,800 Pa or more due to a slurry having a large particle size of 120 to 150 nm, while Comparative Examples 1 to 3 are usually about 2,320 to 2,360 Pa. It shows the removal rate, and it can be seen that the particle level (scratch, defect) and in-plane uniformity do not show a big difference between colloidal silica and fumed silica. And Figure 4 is a result of photographing Example 1 with a transmission electron microscope (TEM), showing the size of the colloidal silica particles 122.03nm, 122.57nm, 123.84nm.

본 발명은 균일한 큰 입자를 갖는 옥사이드 또는 STI-CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMP에 사용하는 콜로이달 실리카를 주제로 한 균일한 큰 입자를 갖는 CMP에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a colloidal silica slurry useful for oxides or STI-CMP having uniform large particles, and to a method for producing the same. More specifically, CMP having uniform large particles based on colloidal silica used for CMP. It relates to a colloidal silica slurry useful in the process of the present invention and a method for preparing the same.

본 발명은 120㎚이상의 큰 입자 크기를 제조하여도 입도분포가 균일하고, 입자크기가 크기 때문에 종래의 기존 연마 슬러리는 연마제의 함량이 12.5 중량%에서 연마가 가능하지만 본 발명의 연마 슬러리는 연마제의 함량이 10 중량%일 경우에도 기존 연마 슬러리의 연마 성능과 대비하여 동등 이상의 연마율을 나타내기 때문에 연마율의 효과가 매우 좋고, 일반적으로 연마입자가 커지면 안정성이 떨어지지만 본 발명의 슬러리는 1년 이상이 경과하여도 응집되어 침전되는 현상이 일어나지 않는 장기간 안정성을 보여준다. 또한 퓸드 실리카의 경우는 고분자 물질, 계면활성제, 아민계의 물질 등 환경유해물질들이 다량 포함되어 있지만 본 발명의 콜로이달 실리카에는 상기와 같은 화학물질들이 거의 포함되어 있지 않아 친환경적인 CMP에 유용한 콜로이달 실리카인 것이 장점이다. In the present invention, even when a large particle size of 120 nm or more is produced, the particle size distribution is uniform, and the particle size is large, so that the conventional abrasive slurry can be polished at 12.5 wt% of the abrasive. Even when the content is 10% by weight, the polishing rate is very good because the polishing rate is equal to or higher than the polishing performance of the existing polishing slurry. It shows long-term stability that does not occur due to aggregation and precipitation even after the above process. In addition, fumed silica contains a large amount of environmentally harmful substances such as polymers, surfactants, and amines, but the colloidal silica of the present invention contains little such chemicals, which is useful for environmentally friendly CMP. Silica is an advantage.

도 1은 일반적인 CMP 공정의 개략도.1 is a schematic of a typical CMP process.

도 2는 일반적인 CMP 장비의 개략도.2 is a schematic diagram of a typical CMP equipment.

도 3은 본 발명에 따른 균일한 큰 입자를 갖는 콜로이달 실리카 슬러리의 제조 공정도이다. 3 is a flow chart of the preparation of a colloidal silica slurry having large uniform particles according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 슬러리 입자의 TEM 사진을 나타낸 것이다.Figure 4 shows a TEM picture of the slurry particles according to the present invention.

Claims (3)

ⅰ) 규산소다 5 내지 10 중량%, 탈이온수 90 내지 95 중량%를 규산소다 희석조에서 혼합시켜 규산소다를 희석시키는 단계(규산소다 희석 단계);V) diluting the sodium silicate by mixing 5 to 10% by weight of sodium silicate and 90 to 95% by weight of deionized water in a sodium silicate dilution tank (dilution of sodium silicate); ⅱ) 별도로 35% 염산 20 내지 30 중량%를 탈이온수 70 내지 80 중량%로 염산 희석조에서 염산을 희석시키는 단계(염산 희석 단계);Ii) separately diluting hydrochloric acid in a hydrochloric acid dilution tank with 20 to 30% by weight of 35% hydrochloric acid in 70 to 80% by weight of deionized water (dilution of hydrochloric acid); ⅲ) 상기 ⅱ)단계에서 제조한 희석된 염산 수용액으로 양이온 교환수지를 재생한 후 탈이온수로 수세하는 단계(양이온 교환수지 재생 단계);Iii) regenerating the cation exchange resin with the diluted aqueous hydrochloric acid solution prepared in step ii) and washing with deionized water (cation exchange resin regeneration step); ⅳ) 상기 ⅰ)단계에서 제조한 희석된 규산소다 수용액을 상기 ⅲ)단계에서 재생시킨 양이온 교환수지탑에서 규산소다용액을 통액 시킴으로서 올리고머(oligomer) 형태의 활성화된 실리식산(active silicic acid) 제조 및 불순물을 제거하는 단계(실리식산 제조 및 불순물 제거 단계);Iii) preparing an active silicic acid in the form of oligomer by passing the dilute aqueous sodium silicate solution prepared in step iii) through a solution of sodium silicate in a cation exchange resin tower regenerated in step iii), and Removing impurities (silic acid preparation and impurity removal step); ⅴ) 올리고머 형태의 실리식산을 50ℓ/hr 내지 200ℓ/hr의 속도로 반응조로 이송한 후 수산화칼륨을 실리식산 액의 1 내지 20 중량%를 첨가하여 80 내지 200℃의 온도에서 0.5 내지 6시간동안 반응시키면서 콜로이달 실리카 입자의 핵을 성장시켜 입자상태로 형성시키는 단계(입자 핵 형성 및 입자 성장 단계);Iii) Silic acid in the form of oligomer is transferred to the reactor at a rate of 50 l / hr to 200 l / hr, and potassium hydroxide is added to 1 to 20% by weight of the silicic acid solution at a temperature of 80 to 200 ° C. for 0.5 to 6 hours. Growing the nuclei of the colloidal silica particles while forming the particles into a particle state (particle nucleation and particle growth steps); vi) 입자상태로 성장한 콜로이달 실리카 현탁액을 상온까지 냉각시킨 후 농축조에서 농축 멤브레인을 이용하여 콜로이달 실리카의 농도가 5 내지 40 중량%가 될 때까지 농축시키는 단계(콜로이달 실리카 현탁액 농축 단계);vi) cooling the colloidal silica suspension grown in the particulate state to room temperature and concentrating the colloidal silica using a concentrated membrane in a concentration tank until the concentration of colloidal silica becomes 5 to 40% by weight (colloidal silica suspension concentration step); vii) vi) 단계에서 제조된 원액을 저장조에 저장하는 단계(저장 단계);vii) storing the stock solution prepared in step vi) in a reservoir (storage step); viii) 필터링을 시키는 단계(필터링 단계); viii) filtering (filtering step); 를 거치고, 콜로이달 실리카 입자의 크기는 120 내지 130㎚가 될 때까지 상기 ⅴ) 내지 vii)단계가 2 내지 4회 반복 실행되어지는 것을 특징으로 하는 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리의 제조방법. Colo useful for chemical mechanical polishing with uniform large particles, characterized in that the steps iii) to vii) are repeated two to four times until the size of the colloidal silica particles is 120 to 130 nm. Method for preparing silica slurry this month. 제 1항에 있어서, 상기 ⅴ)단계에서 수산화칼슘은 암모니아수(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 규산소다 중에서 한 가지를 선택하여 대신 첨가할 수 있는 것을 특징으로 하는 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리의 제조방법.The method of claim 1, wherein the calcium hydroxide in step (iii) is selected from ammonia water (NH 4 OH), sodium hydroxide (NaOH) or sodium silicate can be added instead of a chemical having a uniform large particles, characterized in that Process for preparing colloidal silica slurry useful for mechanical polishing. 제 1항의 방법에 의하여 ⅰ) 내지 ⅷ)단계를 거치고, 콜로이달 실리카 입자의 크기는 120 내지 130㎚가 될 때까지 상기 ⅴ) 내지 vii) 단계가 2 내지 4회 반복 실행되어 제조되어지는 것을 특징으로 하는 균일한 큰 입자를 갖는 화학적 기계적 연마에 유용한 콜로이달 실리카 슬러리.By the method of claim 1 through step iii) to iii), Colloidal silica particles useful for chemical mechanical polishing with uniformly large particles, characterized in that the size of the colloidal silica particles is prepared by repeating steps 2 to 4 two times until the size is 120 to 130nm. Silica slurry.
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