KR100643632B1 - 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한연마방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 연마 슬러리에 관한 것으로 상세하게는 평균 입경이 50 ∼ 150㎚인 콜로이드 실리카, 아민류, 금속 킬레이트제, pH 조절제, 수산기 이온 완충제 및 탈이온수를 포함하는 슬러리에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연마용 슬러리를 사용하여 연마 공정을 수행하면 연마 후 웨이퍼 평탄도를 크게 향상시키고, 결함인 긁힘 현상 및 잔류 이물 발생량이 크게 감소하고, 연마 슬러리로부터 웨이퍼 표면으로 흡착 또는 확산되어 스며드는 금속이온들의 함량을 줄일 수 있으며, 패키지 후 신뢰성 개선 효과를 제공할 수 있다.
실리콘 웨이퍼, 콜로이드 실리카, 아민류, 연마 슬러리, 금속 킬레이트제
Description
도 1은 표면 연마 전 웨이퍼의 현미경사진,
도 2는 본 발명의 슬러리로 연마한 후의 웨이퍼 표면의 현미경 사진이다.
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 연마 슬러리에 관한 것으로 상세하게는 평균 입경이 50 ∼ 150㎚인 콜로이드 실리카졸, 아민류, 금속 킬레이트제, pH 조절제, 수산기이온 완충제 및 탈이온수를 포함하는 슬러리에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연마용 슬러리를 사용하여 연마 공정을 수행하면 연마 후 웨이퍼 평탄도를 크게 향상시키고, 결함인 긁힘 현상 및 잔류 이물 발생량을 크게 감소시키고, 연마 슬러리로부터 웨이퍼 표면으로 흡착 또는 확산되어 스며드는 금속이온들의 함량을 줄일 수 있으며, 패키지 후 신뢰성의 개선 효과를 제공할 수 있다.
실리콘 웨이퍼의 두께는 700∼800㎛ 인데 일반적으로 400∼500㎛ 이 되도록 후면연마(back side grinding)를 한다. 이러한 연마는 연마기에 다이아몬드 돌기(grain)로 표면 처리된 패드를 장치하고 웨이퍼의 후면인 실리콘 기판을 연마하는 것이다. 이때 회로가 구성된 전면은 가공중 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 패키지하는 공정이 시도되고 있어 실리콘 웨이퍼의 두께를 얇게 조절하는 후면 연마 공정이 더욱 부각되고 있는 실정이다. 이러한 추세로 핸드폰 등의 고속처리, 소형화를 요구하는 용도를 위하여 두께 20∼50㎛까지 연마를 하기도 한다.
후면 연마용 슬러리는 100㎛ 혹은 그 이하의 두께로 정밀 연마하기 위하여 필수적인 공정으로 적용되고 있다.
연마는 짧은 시간 내에 대량의 실리콘층(300∼400㎛)을 제거하는데 적합하기는 하지만 웨이퍼 가공면에 패드의 휠마크를 남기고 수십미크론 수준의 거친 표면을 남기며 특히 100㎛ 수준으로 연마를 하는 경우는 웨이퍼 깨짐의 문제를 일으킬 수 있기 때문에 연마 후 공정으로 실리카 혹은 알루미나계 슬러리와 우레탄계의 연마포를 사용하는 연마(polishing) 공정을 적용하고 있다.
현재 주종을 이루는 슬러리는 주로 실리카계(퓸드실리카, 콜로이드 실리카)인데 그 중 퓸드실리카는 알루미나계와 마찬가지로 연마속도는 우수하나 분산안정성 및 저장성이 떨어지고 연마 후 표면에 긁힘 현상 및 잔류 이물 흔적을 남기는 단점이 있으며, 이에 반해 콜로이드 실리카는 이러한 단점이 개선된 것이다.
연마 중 슬러리와 전면 보호막간이 반응하여 회로가 오염되지 않도록 보호막류에 대하여 반응 비활성의 조성물을 구성해야 하고, 웨이퍼의 두께가 20∼50㎛ 까 지 얇아짐에 따라 표면의 잔류금속이온성분들이 웨이퍼로 확산되어 패키지(package)후 회로의 특성을 파괴하거나, 신뢰성이 규격 내로 유지되지 않는 문제점들이 새로운 이슈(issue)가 되고 있다.
본 발명은 이러한 요구 특성을 개선한 것으로 특히 웨이퍼 표면의 잔류금속이온의 함량을 줄여 패키지 신뢰성을 크게 개선한 조성물에 관한 것이다.
PVA 보호막과 반응 비활성으로 연마속도를 높이고 연마후 스테인의 잔류가 없도록 세정성을 크게 개선한 연마 조성물로써 평균 입경이 50∼150㎚인 콜로이드 실리카, 연마촉진제인 4급암모늄염기 및 아민류, pH 조절제인 암모니아수를 함유하였고, 연마공정 과정에서 수산기 이온의 농도변화를 최소화 하기 위하여 암모늄염을 사용하여 완충작용이 가능하도록 하였으며, 궁극적으로 패키지 신뢰성을 크게 개선하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물을 발명할 수 있었다.
그러므로 본 발명에 의하면 콜로이드 실리카, 아민류, 4급암모늄염기, 금속 킬레이트제, pH 조절제, 수산기이온 완충제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물이 제공된다.
상기 금속 킬레이트제의 함량이 전체 조성물 대비 0.001 ∼ 1중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 킬레이트제의 함량이 전체 조성물 대비 0.05 ∼ 0.5중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 킬레이트제는 EDTA계, PDTA계, CyDTA계, NTA계, DTPA계, HEDTA계 킬레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
전체 슬러리에 대하여 콜로이드 실리카 0.2 ∼ 40 중량%, 아민류 0.05 ∼ 7 중량%, 4급암모늄염기 0.01 ∼ 2 중량%, 금속 킬레이트제 0.001 ∼ 1 중량%, pH조절제 0.01 ∼ 2 중량%, 수산기이온 완충제 0.01 ∼ 2 중량% 및 잔부로써 탈이온수를 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 콜로이드 실리카는 구형의 형태로 평균입경이 50∼150㎚인 것을 특징으로 한다.
상기 아민류는 에탄올 아민(ethanol amine), 아미노에틸에탄올아민(amino ethyl ethanol amine), 아미노 에틸 피파라진(amino ethyl piparazine), 피파라진(piparazine) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 4급암모늄염기는 TMAH인 것을 특징으로 한다.
상기 수산기이온 완충제는 탄산암모늄, 황산암모늄, 염화암모늄 및 초산암모늄 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의하면 상기 연마용 슬러리를 반도체 후공정인 웨이퍼 후면 연마 공정의 연마용 슬러리로 사용하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리의 조성에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평균 입경이 50∼150㎚인 콜로이드 실리카졸, 4급암모늄염기 및 아민류, 금속 킬레이트제, pH조절제, 수산기 이온의 완충작용제 및 탈이온수를 포함하는 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
상기 실리카의 함량은 전체 슬러리에 대하여 바람직하게는 0.2 ∼ 40 중량%, 보다 바람직하게는 10 ∼ 40중량%, 가장 바람직하게는 15∼30중량%이며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 실리카 연마제는 기계연마의 효과를 최적화하기 위하여 평균 크기가 50∼150㎚, 바람직하게는 70∼120㎚ 인 콜로이드 실리카를 사용한다. 퓸드실리카나 알루미나계 연마제를 사용하는 경우는 연마속도는 높으나 연마 후 세정성과 저장안정성이 열악하며, 표면 결함(긁힘현상)이 높아 상대적으로 세정성과 저장안정성이 우수하며, 표면의 결함이 낮은 콜로이드 실리카를 사용하게 되었다. 입경이 50㎚보다 작은 경우는 기계적 연마효과가 작고 연마 중 연마제거물(실록산치환체류)에 대하여 불안정화 될 수 있어 바람직하지 않다. 반면에 150㎚ 초과의 입자를 사용하는 경우는 연마속도가 크나 분산안정성과 세정성이 좋지 않아 적당하지 않다.
본 발명에서는 연마 속도의 개선을 위해 강염기인 4급 암모늄염기를 사용한다. 4개 치환체 알킬기는 동일하고 그 탄소수는 1∼3 개인 경우에 효과가 있다. 특히 테트라메톡시암모늄히드록사이드(TMAH)가 효과가 좋다. 전체 슬러리 조성물 대 비 0.01 ∼ 2 중량%가 바람직하며 이 범위를 벗어나는 경우 연마속도 감소하거나 슬러리의 분산안정성이 저하되는 효과가 나타날 수 있다.
상기 아민류 첨가제는 연마가공율을 증가시킬 뿐 아니라 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. 1차 아민과 2차 아민은 연마속도 향상에 특히 효과가 있으며, 3차 아민은 슬러리 조성물의 안정성과 연마 후 세정성에 좋은 효과가 나타난다. 아민류의 함량은 전체 슬러리의 조성물 대비 0.05 ∼ 7 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5 ∼ 7 중량%, 가장 바람직하게는 4 ∼ 5중량%를 사용한다.
상기 금속 킬레이트제는 슬러리 용액 내의 금속 이온들과 착화합물을 형성하여 금속이온이 웨이퍼로 흡착되거나 확산 침투되는 현상을 제거하거나 감소시키는 효과를 나타낸다. 수용성 금속 킬레이트제로 사용 가능한 물질들은 에틸렌디아민 4아세트산(EDTA; Ethylene Diamine Tetraacetic acid)계, 프로필렌디아민 4아세트산(PDTA; Propylene Diamine Tetraacetic acid)계, 1.2 시크로헥산디아민 4아세트산(CyDTA)계, 니트리로 3아세트산(NTA; Nitrilo Triacetic Acid)계, 디에틸렌트리아민6초산 (DTPA; Diethylene Triamine Pentaacetic Acid)계, 하이드록시에틸렌디아민3초산 (HEDTA)계 등이 있으며, 전체 슬러리 조성물 대비하여 0.001 ∼ 1 중량% 를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05 ∼ 0.5 중량%를 사용한다. 금속 킬레이트제의 첨가량이 1중량%를 초과할 경우 슬러리내의 실리카 입자간의 응집을 발생시켜 슬러리의 저장안정성 및 분산안정성을 저하 시킬 수 있으며, 0.001중량% 미만의 경우 킬레이제의 효과가 나타나지 않는다.
상기 pH 조절제는 실리카의 화학적 분산성을 배가하고 CMP에서 화학적 연마효과를 부가하기 위하여 사용하는데, 약염기인 암모니아가 바람직하며 전체 슬러리 조성물 대비 0.01∼2중량%를 사용하여 최종 슬러리의 pH가 11 ∼ 12가 되도록 한다. 이 범위를 벗어나는 경우 약염기인 암모니아의 pH 완충효과가 약해지거나 암모니아 냄새가 심해져 작업성이 저하되는 효과가 나타날 수 있다.
상기 수산기이온(OH-) 완충제는 슬러리 희석과정에서 발생되는 급격한 pH변화를 방지하며, 연마공정 과정에서의 수산기이온(OH-)의 변화를 방지하여 일정한 연마가공율을 유지하고, 표면의 평탄도 및 거칠기를 크게 향상시킬 수 있다. 완충제로는 탄산암모늄, 황산암모늄, 염화암모늄,초산암모늄 중 어느하나를 사용하며 바람직하게는 전체 슬러리 조성물 대비 0.01 ∼ 2 중량%, 보다 바람직하게는 0.5∼2중량%를 사용하며, 가장 바람직하게는 0.5 ∼ 0.8 중량%를 사용한다. 첨가량이 2 중량%를 초과할 경우 콜로이달 실리카의 응집을 발생시켜 슬러리의 안정성을 크게 저하시킬 수 있다.
이하 실시예에서 본 발명을 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1]
평균 입경이 80㎚인 콜로이드 실리카졸을 탈이온수로 희석하여 입자함량이 전체 슬러리 조성물의 20 중량%가 되도록 하였고, pH가 11.5 ∼ 12가 되도록 암모니아를 전체 슬러리 조성물의 1 중량% 첨가하였으며, 테트라메톡시암모늄히드록사이드 (TMAH)를 전체 슬러리 조성물의 1.5 중량%로 사용하였다. 수산기이온 완충제로 탄산암모늄 0.75 중량% 첨가하였으며, 가공연마율 향상을 위한 아민류로는 아미노에탄올아민을 5중량% 첨가하였으며, 금속 킬레이트제(EDTA)의 함량을 0.05%, 0.1%로 슬러리를 각기 제조하였고, 비교예에서는 금속 킬레이트제를 사용하지 않았다.
이와 같이 실시예 및 비교예에서 제조한 슬러리를 각각 탈이온수로 20배 희석하여 실리콘 웨이퍼의 연마에 사용하였다. 그라인더는 30미크론 다이아몬드 돌기(grain)로 표면 처리된 필름이 회전판에 장치된 3헤드 래핑기(HEAD LAPPING MACHINE)를 사용하여 2분간 연마하여 300㎛ 두께를 제거하였고. 슬러리를 이용한 연마 시에는 로델사의 IC1000 PAD 를 장치하여 50초간 연마하고 표1의 항목에 대한 품질을 평가하였다.
*주석 1: 전면의 PVA 보호막의 들뜸과 전면상에 이물질 잔류 수준(육안식별가능 :bad/ 육안식별불가 :good))
*주석 2: microscope를 이용하여 연마표면의 wheel mark 잔류 수준(육안식별가능 :bad/ 육안식별불가 :good) 그림 1~3 의 Microscopy 참조
*주석 3: 연마후의 웨이퍼 두께 측정
*주석 4: Tape는 KL680를 사용한, package(66TSOP2) 후 85℃, 습도 65%, 168hr의 조건에서 crack 발생량 평가.
표 1의 결과에 나타난 바와 같이 실시예 1 및 2에서 금속 킬레이트제의 첨가는 연마 후 웨이퍼 표면의 잔류 금속함량을 줄여 주는 효과를 보였으며, 실시예 2와 3의 비교에서 금속 킬레이트제의 적절한 농도는 0.05중량% 임을 알 수 있다.
도 1에서는 그라인딩 후 휠마크가 보이고 있으나, 본 발명의 조성물에 의한 연마 후 휠마크가 완전히 제거되었음을 알 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하여 실리콘 웨 이퍼의 연마에 사용하면 높은 연마력효과를 얻을 수 있고, 웨이퍼 표면에 대한 잔류금속성분의 함량을 제거하거나 감소시킬 수 있으며, 특히 패키지 신뢰성의 개선에 좋은 효과를 제공 할 수 있다.
Claims (10)
- 콜로이드 실리카, 아민류, 4급암모늄염기, 금속 킬레이트제, pH 조절제, 수산기이온 완충제 및 탈이온수를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 킬레이트제의 함량이 전체 조성물 대비 0.001 ∼ 1중량%인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 킬레이트제의 함량이 전체 조성물 대비 0.05 ∼ 0.5중량%인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 킬레이트제는 EDTA계, PDTA계, CyDTA계, NTA계, DTPA계, HEDTA계 킬레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 전체 슬러리에 대하여 콜로이드 실리카 0.2 ∼ 40 중량%, 아민류 0.05 ∼ 7 중량%, 4급암모늄염기 0.01 ∼ 2 중량%, 금속 킬레이트제 0.001 ∼ 1 중량%, pH조절제 0.01 ∼ 2 중량%, 수산기이온 완충제 0.01 ∼ 2 중량% 및 잔부로써 탈이온수를 함유하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 콜로이드 실리카는 구형의 형태로 평균입경이 50∼150㎚인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 아민류는 에탄올 아민(ethanol amine), 아미노에틸에탄올아민(amino ethyl ethanol amine), 아미노 에틸 피파라진(amino ethyl piparazine), 피파라진(piparazine) 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 4급암모늄염기는 TMAH인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 수산기이온 완충제는 탄산암모늄, 황산암모늄, 염화암모늄 및 초산암모늄 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항 기재의 연마용 슬러리를 반도체 후 공정인 웨이퍼 후면 연마 공정의 연마용 슬러리로 사용하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
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