KR100511843B1 - 연마용슬러리및이연마용슬러리를사용하는연마방법 - Google Patents
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Abstract
피연마체 표면의 스크래치를 억제할 수 있어, 양호한 연마를 할 수 있는 슬러리와 이 슬러리를 사용한 연마방법을 제공한다.
피연마체(5)에 연마플레이트(7)를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 사용되는 슬러리에 있어서, 슬러리(10)의 연마입자(10a)가 최소한 카르복실기, 아미노기, 술폰산기를 함유하는 표면처리제에 의하여 처리되어 있는 슬러리와 이 슬러리를 사용한 연마방법이다.
연마입자 표면에 간편하게 처리를 할 수 있고, 피연마체 표면의 스크래치를 억제할 수 있는 슬러리와 양호한 연마를 행할 수 있는 연마방법을 실현할 수 있다.
Description
본 발명은, 연마용 슬러리 및 이 연마용 슬러리를 사용하는 연마방법에 관한 것이다.
디바이스의 고밀도에 따라서 배선기술은, 미세화 다층화의 방향으로 진전되고 있다. 그러나, 고집적화는 신뢰성을 저하시키는 요인으로 되는 경우가 있다. 이것은, 배선의 미세화와 다층화의 진전에 의하여 층간절연막의 단차(段差)는 크고 또한 급준하게 되어 그 위에 형성되는 배선의 가공정밀도, 신뢰성을 저하시키기 때문이다. 그러므로 Al (알루미늄)배선의 단차피복성을 대폭 개선할 수 없는 현재, 층간절연막의 평탄성을 향상시킬 필요가 있다.
이제까지 각종의 절연막의 형성기술 및 평탄화 기술이 개발되어 왔으나, 미세화, 다층화된 배선층에 적용한 경우, 배선간격이 넓은 경우의 평탄성의 부족이 중요한 문제로 되어 있다.
평탄화 기술로서 근년, 염기성 용액중에서 실리콘산화물의 미립자를 사용한 화학적 기계연마기술이 보고되어 있다. 이 연마방법에 있어서는, 회전정반(定盤)에 팽팽하게 장착된 연마포상에 슬러리를 공급하면서 이 연마포에 층간절연막이 형성된 웨이퍼의 피연마면을 슬라이드접하여 웨이퍼의 평탄화를 행한다. 그리고, 슬러리로서는 통상 입자경 10 nm 정도의 산화실리콘 미립자 등의 금속산화물을 수산화 칼륨수용액에 분산시킨 것이 사용되고 있다.
그래서, 도 3을 참조하면서 층간절연막의 평탄화공정에 CMP를 적용한 예에 대하여 설명한다. 먼저, 도 3 (a)에 나타낸 바와 같이 실리콘기판(1)상에 실리콘산화막(2) 및 Al 배선층(3)을 형성한다. 다음에, 포토리소그라피 및 반응성 이온에칭 (RIE)에 의하여 Al 배선층을 가공한다.
그 후, 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이 층간절연막(4)을 형성한다. 또한 CMP에 의하여 층간절연막(4)의 철부(凸部)를 제거하면 도 3 (c)에 나타낸 바와 같이 층간절연막(4)이 평탄화된다. 본 내용은, 예를 들면 일본국의 월간 세미콘덕터 월드 (Semiconduclor World) 1994년 1월호 및 일본국 특개평 6 (1994) - 010146호 공보에 기재되어 있다.
한편, 연마기술의 다층배선에의 또 하나의 응용으로서 평탄화 배선층을 검토하는 시도가 보고되어 있다. 예를 들면, IBM의 Damascen 프로세스가 유명하다. 이것은 층간절연막을 연마방법에 의하여 평탄화한 후, 상하의 배선을 접속하는 비어콘택트와 상층의 배선층을 에칭으로 형성하고, 그 위에 금속층을 형성하여 연마법으로 비어콘택트와 홈 이외의 금속층을 제거, 매입하여 금속배선을 형성하는 것이다. 이 기술은 문헌 (S. Roeht et al PROC. IEEE Conf., 22 (1992))에 상세히 기재되어 있다.
층간절연막의 화학적 기계연마에서는 통상 화학적 연마효과를 발생시키기 위하여, 비교적 염기성 영역에서 연마가 행해지고 있다. 물리적 연마효과를 발생시키기 위하여, 첨가한 실리콘산화막 미립자는 표면의 성질이 산성 산화물이므로 염기성 용액중에서는 미립자의 분산성은 확보된다고 생각된다. 그러나, 보존 등에 의하여 실리콘산화물의 2차 입자가 침강하여, 슬러리중의 실리콘산화물 농도가 변화한다. 그러므로, 연마속도의 변동이 문제로 되어 있다.
또한, 금속배선층의 연마에서는 통상 화학적 연마효과를 발생시키기 위하여, 비교적 산성 영역에서 연마를 행할 필요가 있다. 그러므로 물리적 연마효과를 발생시키기 위하여 첨가한 실리콘산화물 미립자는 표면의 성질이 산성 산화물이므로 산성 용액중에서는 입자의 분산이 불층분하여 응집체(凝集體)를 형성하는 것이 알려져 있다.
본 내용은 일본국의 잡지 「표면」 Vol. 23 No. 5 (1985)에 상세히 기재되어 있다.
그러므로 배선층의 연마시에 실리콘산화막입자의 응집체에 의하여 배선층 및 층간절연막에 이른바 스크래치라고 하는 상흔이 발생하는 것이 우려되고 있다.
편(片)이나. 연마재 표면에 간편하게 처리를 행하여, 배선층 및 층간절연막 표면의 스크래치의 발생을 억제하고, 안정되게 층간절연막 및 금속배선층의 연마를 달성할 수 있는 슬러리 및 이 슬러리를 사용한 연마방법이 절실히 요망되고 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 청구항 1의 발명의 연마용 슬러리는 연마입자가 최소한 카르복실기, 아미노기, 술폰산기를 함유하는 표면처리제에 의하여 처리되어 있는 구성으로 하였다.
청구항 2의 발명에 관한 연마용 슬러리는 표면처리제의 카르복실기 함유물질로서, 옥시카르본산류 예를 들면 주석산(酒石酸), 구연산, 능금산 등, 아미노카르본산류 예를 들면 니트릴로 3 아세트산, 우라닐 2 아세트산, 이미노 디아세트산 등, 다가 카르본산류 예를 들면 벤젠 트리카르본산, 말레인산, 이소프탈산 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 연마용 슬러리의 구성으로 하였다.
청구항 3의 발명에 관한 연마용 슬러리는 표면처리제의 술폰산기 함유물질로서 알킬술폰산류 예를 들면 에틸 디술폰산, 부틸 디술폰산 등, 페닐술폰산류 예를들면 페닐 디술폰산 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 연마용 슬러리의 구성으로 하였다.
청구항 4의 발명에 관한 연마용 슬러리는 표면처리제의 아미노기 함유물질로서 알킬아민류 예를 들면 에틸 디아민, 프로필 디아민, 부틸 디아민 등, 방향족(芳香族) 아민류 예를 들면 디아미노벤젠 등을 사용하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 기재의 연마용 슬러리의 구성으로 하였다.
청구항 5의 발명에 관한 연마방법은 피연마체에 연마플레이트를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 있어서, 청구항 1에 기재한 연마용 슬러리를 사용하는 구성으로 하였다.
청구항 6의 발명에 관한 연마방법은 피연마체에 연마플레이트를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 있어서, 청구항 2에 기재한 연마용 슬러리를 사용하는 구성으로 하였다.
청구항 7의 발명에 관한 연마방법은 피연마체에 연마플레이트를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 있어서, 청구항 3에 기재한 연마용 슬러리는 사용하는 구성으로 하였다.
청구항 8의 발명에 관한 연마방법은 피연마체에 연마플레이트를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 있어서, 청구항 4에 기재한 연마용 슬러리를 사용하는 구성으로 하였다.
이상의 구성의 작용에 대하여 설명한다. 산화물 미립자의 분산성은 표면의 성질과 분산하는 용액의 성질에 전술한 바와 같이 크게 의존하고, 층간절연막의 연마에 사용되는 실리콘산화물의 표면은 산성 수산기와 염기성 수산기에 의하여 분류되는 수산기에 덮여 있다.
층간절연막의 연마에 사용되는 실리콘산화막의 염기성 용액에서의 분산성은, 표면성질이 보다 산성으로 됨에 따라서 향상된다. 즉, 실리콘산화막 표면의 염기성 수산기를 산성으로 변성함으로써 분산성을 향상시킬 수 있다. 변성제로서는, 예를 들면 카르복실기 함유물질로서 옥시카르본산류를 첨가함으로써 산성 표면으로 변성할 수 있다.
한편, 금속배선층의 연마에도 사용되는 실리콘산화막의 산성 용액에서의 분산성은, 표면성질이 보다 염기성으로 됨에 따라서 향상된다. 변성제로서, 예를 들면 아미노기 함유물질로서 알킬아민류를 첨가함으로써 산성 수산기를 아미노기로 치환함으로써, 염기성 표면으로 변성할 수 있다. 이와 같이, 용액 및 연마미립자의 성질에 따라서 변성제 구조를 최적화함으로써 상기 목적을 달성할 수 있다.
또, 분산계에 첨가하고 있으므로 연마시에 표면으로부터 일시적으로 탈리(脫離)하지만, 연마제 표면에 재흡착하여 전술한 배향구조를 취하므로 분산성은 열화되는 일은 없다.
그리고, 이 구성에 의하여 금속배선층 및 층간절연막 표면에서의 스크래치의 발생을 억제하고, 연마속도의 안정성을 향상시킬 수 있다.
실시예 1
본 실시예는 반도체집적회로 제조시에 단차를 가지는 기체상에 층간절연막을 형성하고, 연마를 행하는 경우에 사용되는 슬러리를 얻는 경우에 청구항 2의 발명을 적용한 것이다.
특히, 본 발명은 Al 배선층상에 층간절연막을 형성한 단차를 화학적 기계연마를 행하는 경우의 연마슬러리를 상정(想定)한 경우이다. 1차 입자경 10 nm, 2차 입자경 200 nm의 실리콘산화물을 pH9로 조정한 KOH 용액에 고형분(固形分) 농도 12%로 되도록 첨가하였다. 그 후 구연산을 용액농도 2%로 되도록 첨가, 혼합하여 층간절연막연마용 슬러리를 형성하였다.
슬러리 조성
실리콘산화막 미립자 12 [wt %]
(1차 입자경 10 nm, 2차 입자경 200 nm)
KOH pH 10.3 [ - ]
구연산 농도 2.0 [%]
실리콘산화물 표면의 염기성 수산기에 구연산이 흡착되고, 미립자 표면에서 배향한 카르복실기에 의하여 표면의 산성도는 증가하여, 염기성 용액에서의 분산성은 향상되었다.
실시예 2
본 실시예는 반도체집적회로 제조시에 단차를 가지는 기체상에 배선층을 형성하고, 연마를 행하는 경우에 사용되는 슬러리를 얻는 경우에 청구항 4의 발명을 적용한 것이다.
특히, 본 발명은 층간절연막에 형성한 홈에 팅스텐에 의한 배선층을 상정한 경우이다. 1차 입자경 20 nm, 2차 입자경 200 nm의 실리콘산화물을 pH 5.0으로 조정한 K3 [Fe(CN)6] + KH2PO4 용액에 고형분 농도 12%로 되도록 첨가하였다. 그 후 부틸 디아민을 용액농도 3%로 되도록 첨가, 혼합하여 배선층연마용 슬러리를 형성하였다.
슬러리 조성
실리콘산화막 미립자 12 [wt %]
(1차 입자경 20 nm, 2차 입자경 200 nm)
K3[Fe(CN)6] + KH2PO4 용액 pH 10.3 [%]
부틸 디아민 농도 3[%]
실리콘산화물 표면의 산성 수산기예 부틸 디아민이 흡착되고, 미립자 표면에서 배향한 아미노기에 의하여 표면의 염기도는 증가하여, 산성 용액에서의 분산성은 향상되었다.
실시예 3
본 실시예는 반도체집적회로 제조시에 단차를 가지는 기체상에 층간절연막을 형성한 후, 화학적 기계연마에 의하여 층간절연막을 평탄화하는 공정에 청구항 6을 적용하고, 구연산에 의하여 변성한 실리콘산화물 미립자를 함유하는 슬러리를 사용하여 연마를 행한 경우이다.
여기서 실제의 연마공정의 설명에 앞서, 먼저 본 발명을 실시하기 위하여 사용한 연마장치의 구성예를 도 2를 참조하면서 설명한다. 그리고, 여기서는 상기 연마장치로서, 매엽식(枚業式)의 연마장치를 들었으나, 웨이퍼 재치의 구성이나 사용방법의 방안에 대해서는 특히 한정되는 것은 아니다.
웨이퍼(5)는 웨이퍼지지시료대(6)에 진공지지에 의하여 고정된다. 한편, 연마플레이트(7)상에는 연마포 (패드) (8)가 고정되어 있고, 슬러리도입관(9)으로부터 연마입자(10a)를 함유하는 슬러리(10)가 공급된다. 연마처리중에는 상부의 웨이퍼지지대 회전축(11) 및 연마플레이트 회전축(12)을 회전시킴으로써 웨이퍼면내의 연마속도의 균일성을 확보하고 있다. 그리고, 연마시의 웨이퍼의 압착압력에 대해서는 웨이퍼지지시료대(6)에 가하는 힘을 제어함으로써 행한다.
다음에, 도 1 (a)에 나타낸 바와 같이 실리콘 등으로 이루어지는 반도체기체(1)상에 산화실리콘 등으로 이루어지는 층간절연막(2) 및 Al 배선층(3)을 형성한 후, 포토리소그라피 및 반응성 이온에칭(RIE)에 의하여 Al 배선층(3)을 패터닝하였다. 이어서, 도 1 (b)에 나타낸 바와 같이 하기의 조건으로 실리콘산화막을 성막하고, 웨이퍼 전체면에 층간절연막(4)을 형성하였다.
층간절연막(4)의 성막조건
원료가스 TEOS = 800 [sccm]
O2 = 600 [sccm]
압력 = 1330 [pa]
온도 = 400 [℃]
RF 출력 = 700 [w]
그 후, 전술한 바와 같이 하여 형성된 실리콘산화막 (층간절연막) (4)의 철부를 연마제거하기 위하여 웨이퍼를 연마장치의 웨이퍼지지시료대(6)에 지지하였다. 그리고 전술한 연마장치로 웨이퍼의 피연마면의 연마를 행하였다.
이로써 도 1 (c)에 나타낸 바와 같이 실리콘산화막(4)의 철부가 제거되었다. 그 후 HF 수용액을 사용하여 슬러리의 제거를 행하여도 층간절연막(4)의 표면이 조면화(粗面化)되는 일은 없었다.
이상과 같이 하여 웨이퍼의 연마가 행해짐으로써, 실리콘산화막(4)이 평탄화되어, 층간절연막의 평탄화가 완료된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이 본 발명을 적용하면, 연마입자의 표면에 간편하게 처리를 행하고, 피연마체 특히 배선층 및 층간절연막 표면의 스크래치의 발생을 억제하여, 안정되게 층간절연막 및 금속배선층의 연마를 달성할 수 있는 연마용 슬러리 및 연마용 슬러리를 사용하는 연마방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 3의 각 공정에 있어서의 웨이퍼의 측단면도이고, (a)는 Al 배선층을 패터닝한 상태, (b)는 실리콘산화막을 패터닝한 상태, (c)는 연마 후의 상태를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 사용하는 연마장치의 모식도이다.
도 3은 종래의 반도체의 제조공정에 있어서의 웨이퍼의 측단면도이고, (a)는 Al배선층을 패터닝한 상태, (b)는 실리콘산화막을 패터닝한 상태, (c)는 연마 후의 상태를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반도체기체(基體) (실리콘기판), 2 : 층간절연막(실리콘산화막), 3 : Al배선층, 4 : 실리콘산화막 (층간절연막), 5 : 웨이퍼 (피연마체), 6 : 웨이퍼지지시료대, 7 : 연마플레이트, 8 : 연마포(패드), 9 : 슬러리도입관, 10 : 슬러리, 10a : 연마입자, 11 : 웨이퍼지지시료대 회전축, 12 : 연마플레이트 회전축, 13 : 연마장치.
Claims (2)
- 산화실리콘으로 이루어지는 층간절연막을 연마 플레이트와 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법에 사용되는, 실리콘 산화물 미립자를 함유하는 연마용 슬러리로서,상기 슬러리의 연마입자인 실리콘 산화물 미립자의 표면이 옥시카르본산류에 의하여 처리되어, 상기 실리콘 산화물 미립자 표면의 염기성 수산기가 산성으로 변성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마용 슬러리.
- 산화실리콘으로 이루어지는 층간절연막에 연마플레이트를 접촉시켜 슬러리를 공급하면서 연마를 행하는 방법으로서, 제2항에 기재된 연마용 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 층간절연막의 연마 방법.
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