KR100549714B1 - 반도체 웨이퍼 후면연마용 슬러리의 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼 후면(back side)에 대한 연마 슬러리에 관한 것으로, 상세하게는 평균 입경이 50-150nm인 콜로이드 실리카졸, 고리형 질소화합물, 4급암모늄염기 및 아민류, pH 조절제, 수산기 이온의 완충작용제 및 탈이온수를 포함하는 슬러리에 관한 것이다.

본 발명은 PVC 보호막과 반응 비활성이며, 연마속도를 높이고 연마 후 표면에 스테인(stain) 잔류가 없도록 세정성을 크게 개선한 연마용 슬러리 조성물로서, 특히 패킹 신뢰성을 크게 개선한 조성물을 제공한다.

반도체 웨이퍼, 후면 연마, 콜로이드 실리카, 아민류, 연마 슬러리

Description

반도체 웨이퍼 후면연마용 슬러리의 조성물{Slurry Composition for back side polishing of semiconductor wafer}

도1은 실시예1의 연마슬러리를 이용하여 연마한 반도체 웨이퍼 후면의 마이크로스코피이다.

도2는 실시예2의 연마슬러리를 이용하여 연마한 반도체 웨이퍼 후면의 마이크로스코피이다.

도3은 비교예1의 연마슬러리를 이용하여 연마한 반도체 웨이퍼 후면의 마이크로스코피이다.

본 발명은 반도체 웨이퍼 후면(back side)에 대한 연마 슬러리에 관한 것으로, 상세하게는 평균 입경이 50-150nm인 콜로이드 실리카졸, 고리형 질소화합물, 4급암모늄염기 및 아민류, pH 조절제, 수산기 이온의 완충작용제 및 탈이온수를 포함하는 슬러리에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 두께는 700~800㎛ 인데 일반적으로 400~500㎛ 이 되도록 후면 연마(grinding)를 한다. 이러한 연마(grinding)는 연마기에 다이아몬드 돌기 (grain)로 표면 처리된 패드를 장치하고 반도체 웨이퍼의 후면인 실리콘 기판을 연마하는 것이다. 이때 회로가 구성된 전면은 가공 중 오염을 막기 위하여 자외선 감광 보호막(일반적으로 PVC film)을 붙인다.

최근에는 소형, 고속의 디스플레이 제품과 통신기기 시장의 확대로 고처리능의 회로구현을 위해 반도체 칩의 두께는 더욱 얇아지고, 여러 개의 칩을 겹쳐 쌓아 하나로 패킹하는 공정이 시도되고 있어, 반도체 웨이퍼의 두께를 얇게 조절하는 후면 연마 공정은 더욱 중요시 되고 있는 실정이다. 이러한 추세로 핸드폰 등의 고속처리, 소형화 요구에 부응하기 위하여 반도체 웨이퍼의 두께를 20~50㎛ 까지 연마 하기도 한다.

한편, 연마용 슬러리를 이용한 연마는 반도체 웨이퍼를 100㎛ 혹은 그 이하의 두께로 정밀 연마하기 위한 것으로 연마기를 이용한 연마 공정의 후공정으로 필수적이다.

이것은 연마기를 이용할 경우 짧은 시간내에 300~400㎛ 정도의 두꺼운 실리콘층 제거에는 적합하지만, 웨이퍼 가공면에 패드의 휠마크(wheel mark)를 남기고 수십미크론 수준의 거친 표면을 남기며, 특히 100㎛ 수준으로 연마하는 경우는 웨이퍼가 깨지는 문제점이 있기 때문이다.

연마기를 이용한 연마 공정 후에 실리카 혹은 알루미나계 슬러리와 우레탄계의 연마포를 사용하는 연마(polishing) 공정을 적용하고 있다.

현재 주종을 이루는 슬러리는 주로 실리카계(퓸드실리카, 콜로이드 실리카)인데 알루미나계와 실리카 중 퓸드실리카는 연마속도가 우수하나 분산안정성 및 저 장성이 떨어지고 연마후 표면에 긁힘 현상 및 잔류 이물 흔적을 남기는 단점이 있는데 반해 콜로이드 실리카는 이러한 단점이 개선된 것이다.

근래 슬러리 조성물을 디자인하는데 이슈가 되고 있는 것은, 연마 중 슬러리와 전면의 보호막간이 반응하여 회로가 오염되지 않도록 보호막류에 대하여 반응 비활성의 조성물이어야 하며, 반도체 웨이퍼의 패킹 후 가혹 조건하의 신뢰성이 규격내로 유지 또는 개선되어야 할 것 등이다.

본 발명은 PVC 보호막과 반응 비활성이며, 연마속도를 높이고 연마 후 표면에 스테인(stain) 잔류가 없도록 세정성을 크게 개선한 연마용 슬러리 조성물로서, 연마용 슬러리에 대한 상기 요구 조건 중 특히 패킹 신뢰성을 크게 개선한 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 콜로이드 실리카, 고리형 질소화합물, 연마촉진제인 4급암모늄염기 및 아민류, pH조절제로 암모니아수, 연마공정 과정에서 수산기 이온의 농도 변화를 최소화 하기 위하여 수산기 이온의 완충작용제로 암모늄염 및 탈이온수를 포함하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리의 조성물을 제공한다.

이하 본 발명의 연마용 조성물의 각 구성성분을 더욱 상세하게 설명한다.

상기 실리카의 함량은 전체 슬러리에 대하여 10~40중량%, 바람직하게는 15~30중량%이며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.

실리카 연마제는 기계연마의 효과를 최적화하기 위하여 평균 입경이 50~150㎚, 바람직하게는 70~120nm인 콜로이드 실리카를 사용한다.

퓸드실리카나 알루미나계 연마제를 사용하는 경우는 연마속도는 높으나 연마후 세정성과 저장 안정성이 열악하므로, 표면 결함(긁힘현상)이 높아 상대적으로 세정성과 저장안정성이 우수하며, 표면의 결함이 낮은 콜로이드 실리카를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 입경이 50nm보다 작은 경우는 기계적 연마효과가 작고 연마 중 연마제거물(실록산치환체류)에 대하여 불안정화 될 수 있어 바람직하지 않다. 반면, 150nm이상의 입자를 사용하는 경우는 연마속도가 크나 분산안정성과 세정성이 좋지 않아 적당하지 않다.

상기 고리형 질소화합물의 함량은 전체 슬러리에 대하여 0.05~0.3중량%를 사용하는데 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 고리형 질소화합물로는 피롤리돈(pyrrolidone) 계열을 사용하여 금속표면에 대하여 침투성이 좋고 흡습성이 있어 패킹 신뢰성 개선에 좋은 효과를 나타내도록 하였다.

상기 피롤리돈계 질소화합물은 친유기로 긴 알킬기 사슬을 갖는 경우가 바람직하다.

상기 알킬기 사슬은 탄소수가 5~15개, 바람직하게는 8~12이다. 탄소수가 5개 미만인 경우는 흡습성이 좋지않고, 15개를 초과하는 경우는 친유성이 커 용해가 되지 않거나 표면에 스테인을 잔류시키는 경향이 있어 바람직하지 않다. 또한, 상기 알킬기 사슬은 피롤리돈 고리의 2번 위치에 치환된 것을 사용할 때 가장 바림직하다.

연마 속도의 개선을 위해 강염기인 4급 암모늄염기를 사용할수 있다. 4개의 치환체 알킬기는 동일하고, 그 탄소수는 1~3개인 경우에 효과가 있다. 특히, 테트라메톡시암모늄히드록사이드(TMAH)가 바람직하다.

상기 4급 암모늄염기는 전체 슬러리 조성물 대비 0.4~2중량% 가 바람직하며, 이 범위를 벗어나는 경우 연마속도 감소하거나 슬러리의 분산 안정성이 저하되는 효과가 나타난다.

아민류 첨가제는 연마가공율 증가 및 슬러리의 수산기이온 농도 변화를 줄여 주는 완충작용을 함께 하며, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 트리에탄올 아민, 에틸렌디아민, 아미노에틸에탄올아민 중에서 선택된 단독 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 아민류의 함량은 전체 슬러리의 조성물 대비 0.5~5중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며 최적으로는 2~4중량% 이다.

pH 조절제는 실리카의 화학적 분산성을 배가하고 화학적 기계 연마공정(CMP)에서 화학적 연마효과를 부가하기 위하여 사용하는데, 약염기인 암모니아가 바람직하다. 그 함량은 전체 슬러리 조성물 대비 0.5~2중량%를 사용하여 pH가 12.4~12.9이 되도록 한다. 이 범위를 벗어나는 경우 약염기인 암모니아의 pH 완충효과가 약해지거나 암모니아 냄새가 심해져 작업성이 저하되는 효과가 나타난다.

수산기 이온의 완충작용제는 슬러리 희석과정에서 발생되는 급격한 pH 변화를 방지하고, 연마 공정에서의 수산기 이온의 농도 변화를 방지하여 일정한 연마가공율을 유지하므로써, 표면의 평탄도 및 거침도 정도를 크게 향상시킬 수 있다. 완충작용제로는 탄산암모늄, 황산암모늄, 염화암모늄, 초산암모늄 등을 사용하며, 전 체 슬러리 조성물 대비 0.5~2중량%를 사용한다. 첨가량이 2중량%를 초과할 경우 콜로이드 실리카의 응집을 발생시켜 슬러리의 안정성을 크게 저하 시킬 수 있다.

이하 실시예에서 본 발명을 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예1

평균 입경이 80nm 인 콜로이드 실리카를 탈이온수로 희석하여 전체 슬러리 조성물의 23중량%가 되도록 하였고, pH가 12.3~12.6가 되도록 암모니아를 전체 슬러리 조성물의 1중량%로 첨가하였으며, 테트라메톡시암모늄히드록사이드(TMAH)를 전체 슬러리 조성물의 1.5중량%로 사용하였다. 수산기 이온 완충작용제로 탄산암모늄 2중량%를 첨가하였으며, 가공연마율 향상을 위한 아민류는 아미노에틸에탄올아민을 3중량% 첨가하였다. 고리형 질소화합물로 n-옥틸-2-피롤리돈을 1.3중량%가 되도록 슬러리를 각기 제조하였다.

이와 같이 제조한 슬러리를 탈이온수로 20배 희석하여 후면연마에 사용하였다.

연마기는 30미크론 다이아몬드 돌기(grain)로 표면처리된 필름이 회전판에 장착된 3헤드 랩핑 장치(3HEAD LAPPING MACHINE)를 사용하여 2분간 연마하여 300㎛ 두께를 제거하였고. 슬러리를 이용한 연마시에는 로델사의 IC1000 패드를 장치하여 50초간 연마하고 다음과 같이 품질 평가를 하였다.

우선, 연마용 슬러리의 보호막 침투성을 평가하기 위하여 반도체 웨이퍼 전면의 PVC 보호막의 들뜸과 전면상에 이물질 잔류 수준을 눈으로 관찰하여 육안 식 별가능한 경우(bad)와 육안 식별불가능한 경우(good)로 나타내었다.

다음으로 마이크로스코프(microscope)를 이용하여 관찰하여 연마표면의 휠마크 잔류 수준을 식별 가능한 경우(bad)와 식별 불가능한 경우(good)로 나타내었다.

도1은 마이크로스코프(microscope)를 이용하여 연마 표면을 촬영한 것이다.

그리고, 연마후의 웨이퍼 두께를 측정하여 연마속도를 계산하였다.

연마 슬러리의 신뢰성을 테잎 KL680를 사용하여 패킹(66TSOP2)한 후, 85℃, 습도 65% 조건에 168시간 방치하였을 때 발생하는 크랙의 발생률로 평가하였다.

상기 품질 평가 결과를 표1에 나타내었다.

실시예2

수산기 이온 완충작용제로 탄산암모늄 0.5중량%를 첨가하는 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 반도체 웨이퍼를 연마한 뒤 품질평가를 하였다. 결과를 표1에 나타내었다.

한편, 도2는 마이크로스코프(microscope)를 이용하여 연마 표면을 촬영한 것이다.

비교예1

평균 입경이 30nm 인 콜로이드 실리카를 사용하는 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 반도체 웨이퍼를 연마한 뒤 품질평가를 하였다. 결과를 표1에 나타내었다.

한편, 도3은 마이크로스코프(microscope)를 이용하여 연마 표면을 촬영한 것이다.

비교예2

아민류인 아미노에틸에탄올아민을 첨가하지 않는 것을 제외하고 실시예1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 반도체 웨이퍼를 연마한 뒤 품질평가를 하였다. 결과를 표1에 나타내었다.

구분	실리카	완충작용제	아민류	보호막 침투	휠마크	연마속도	신뢰성
실시예 1	80nm	2 %	3 %	good	good	2.5	12/80
실시예 2	80nm	0.5 %	3 %	good	good	2.3	13/80
비교예 1	30nm	2 %	3 %	good	bad	1.7	15/80
비교예 2	80nm	2 %	-	good	good	2.0	20/80

상기 표1에서 실시예1과 비교예2의 비교로부터 아민류를 첨가하지 않은 경우에는 연마속도가 낮아지며, 크랙 발생률이 높아 다소 낮은 신뢰성을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 실시예1과 실시예2를 보면 수산기 이온 완충작용제의 농도에 따라 연마속도 및 신뢰성에 다소 차이가 있으나, 상기 농도는 바람직한 범위 즉, 0.5 내지 2중량%에 속하므로, 두 경우 모두에 있어 품질평가 결과는 우수한 것으로 나타났다.

한편, 실시예1과 비교예1을 비교하면 연마 입자의 입경이 50nm 이하일 때, 휠마크 잔류가 나타나며, 연마속도도 열악해짐을 확인할 수 있었다.

본 발명의 연마용 슬러리를 사용하여 반도체 웨이퍼의 후면을 연마하면 연마 흔적인 휠마크를 완전히 제거하는 연마력 효과를 얻을 수 있고, 특히 패킹 신뢰성 개선 효과가 있다.

Claims (5)

1. 콜로이드 실리카 10 내지 40중량%, 고리형 질소화합물 0.05 내지 0.3중량%, 아민류 0.5 내지 5중량%, 4급암모늄염기 0.4 내지 2중량%, pH조절제 0.5 내지 2중량%, 수산기이온 완충작용제 0.5 내지 2중량% 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카는 구형의 형태로 평균입경이 50~150nm인 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고리형 질소화합물은 피롤리돈 계열이고, 상기 수산기이온 완충작용제는 암모늄염이며, 상기 아민류는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 트리에탄올 아민, 에틸렌디아민 및 아미노에틸에탄올아민으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리 조성물.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 피롤리돈은 탄소수 5~15개의 알킬기를 치환기로 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리 조성물.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 피롤리돈은 n-옥틸-2-피롤리돈 또는 n-도데실-2-피 롤리돈 임을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 후면 연마용 슬러리 조성물.

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