KR101128983B1 - 금속 배선용 화학기계적 연마 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속막의 평판화를 위한 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 조성물에 관한 것으로, 아민(-NH2)기, 카복실기(-COOH) 및 아마이드 결합(-NHCO-)을 갖는 화합물과 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물을 착화제로 함유하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 연마 조성물은 금속 배선 웨이퍼 표면의 단차를 줄이면서 연마시키므로, 반도체 제조시 금속층의 평판화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 연마 조성물을 반도체의 금속 배선 연마에 이용할 때 일어나는 에칭 작용 및 금속막 보호 작용을 도시하는 개략도이다.
본 발명은 금속막의 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 공정에 사용될 수 있는 연마 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정에는 텅스텐, 알루미늄 및 구리 등의 금속 배선층과 산화 규소(SiO2) 및 질화 규소(Si3N4) 등의 절연막의 평판화를 구현하기 위해 연마 슬러리를 사용하여 웨이퍼로 연마하는 화학 기계적 연마(CMP) 공정이 수행된다.
이러한 연마 공정에 사용되는 연마 슬러리는 연마제, 물, 분산제 및 첨가제 가 포함되며, 이때 첨가제로는 산화제, 착화제, 부식방지제 및 pH 조절제 등이 사용된다. 이 중, 착화제는 에칭제라고도 하며 산화제에 의해 금속 배선막 표면에 형성된 금속 산화물을 제거하는 역할과, 금속 산화물과 착물을 형성하여 더 이상의 산화를 막는 역할을 동시에 수행하며, 따라서 금속 배선막의 연마에 있어서 특히 중요한 성분이다.
기존 연마 조성물에는 착화제로 글라이신과 같은 아미노산계 화합물이 주로 사용되어 왔는데, 이러한 아미노산계 화합물의 에칭속도가 너무 빨라 금속 배선막 표면의 단차를 줄이는데 어려움이 있어왔으며 이로 인해 연마 후 디싱(dishing) 등을 발생시키는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 미국 특허 제5,954,997호에서는 벤조트리아졸 등의 부식 방지제를 사용하여 에칭속도를 줄이는 방법을 개시하고 있으며, 미국 특허 제6,679,928호에서는 계면활성제를 이용하여 디싱을 감소시키는 방법을 개시하고 있으나, 이러한 방법들 역시 반도체 공정에서의 금속 배선막 연마의 디싱을 효과적으로 감소시키기에는 한계가 있어 왔다.
이에, 본 발명의 목적은 금속 배선막의 단차를 줄이면서 연마할 수 있도록 하여 디싱을 효과적으로 감소시키는 새로운 에칭제 함유 연마 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명에서는 연마제 및 착화제를 포함하는 금속 배선용 화학기계적 연마 조성물에 있어서, 착화제로서 아민(-NH2)기, 카복실기(-COOH) 및 아마이드 결합(-NHCO-)을 갖는 화합물 및 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 조성물에서 특징적으로 사용하는 착화제인 아민기, 카복실기 및 아마이드 결합을 갖는 화합물과 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물은 각각 아민기(-NH2) 및 카복실기(-COOH) 말단과 아마이드 결합중의 아민기(-NH)를 가지고 있어, 예를 들면 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 단차가 높은 지역에 많이 생성되는 구리 2가 이온과 결합하여 하나의 착화물을 형성함으로써 구리 2가 이온이 다시 구리막에 접하지 않도록 하여 연마를 도울 수 있다.
또한, 아마이드기를 포함하는 싸이클로화합물은 -NH 및 -N-의 비공유 전자쌍에 의해 단차가 낮은 지역에 주로 생성되는 구리 1가 이온과 결합하여 더 이상의 산화를 방지함으로써 에칭을 줄여준다.
즉, 본 발명의 연마 조성물은 이같이 특징적인 착화제의 사용으로 인해, 도 1에서와 같이, 금속 배선막 표면에서 단차가 높은 지역에서는 연마 조성물 중의 산화제에 의해 산화된 금속 산화막과 본 발명의 착화제가 킬레이트를 형성하여 용해시키므로 산화막의 에칭이 일어나 연마제에 의한 금속 층의 빠른 연마가 이루어지는 반면, 단차가 낮은 지역에서는 착화제 중의 -NH기 및 -N-기가 금속 이온들과 결합하여 보호막을 형성함으로써 에칭 속도를 늦추므로, 결과적으로 금속 배선막의 단차를 줄이면서 연마가 이루어지도록 하여 금속막의 디싱 문제 등을 방지한다.
본 발명에서 착화제로 사용되는 아민기, 카복실기 및 아마이드 결합을 갖는 화합물의 대표적인 예로는 글라이실글라이신(glycylglycine), 글라이실프롤린(glycylproline), 글라이실세린(glycylserine), 글라이실아르기닌(glycylarginine), 글라이실글루타민(glycylglutamine) 및 글라이실알라닌(glycylalanine) 등이 있으며, 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물의 대표적인 예로는 크리아티닌(creatinine), 카프로락탐(caprolactam), 아제티디논(2-azetidinone), 아자사이클로옥타논(2-azacyclooctanone), 아자사이클로노나논(2-azacyclononanone) 및 라우로락탐(laurolactam) 등이 있다.
또한, 아민기, 카복실기 및 아마이드 결합을 갖는 화합물은 본 발명의 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량% 범위로 사용할 수 있으며, 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물은 본 발명의 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량% 범위로 사용할 수 있다. 또한, 두 착화제간의 혼합비는 약 1:1인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연마 조성물은 통상의 방법에 따라 제조할 수 있으며, 바람직하게는 연마제를 밀링하면서 물과 분산제를 처리하는 습식 밀링 공정 후 상기 착화제와 첨가제를 추가로 포함시켜 슬러리로 제조될 수 있으며, 이때 첨가제에는 산화제, 부식방지제 및 pH 조절제 등이 있다.
연마제는 연마 대상과의 기계적인 마찰로 연마를 수행하는 역할을 한다. 이러한 연마제로는 통상적인 평균입경 1 내지 8 ㎛의 금속 산화물로, 예를 들면 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO2), 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 티타니아(TiO2) 및 산화 텅스텐(WO3) 등을 사용할 수 있으며, 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 5 중량% 범위로 사용할 수 있다.
분산제는 연마제 입자가 연마 슬러리 내에서 잘 분산되도록 하는 역할을 한다. 이러한 분산제로는 시트르산(citric acid, CA), 폴리아크릴산(polyacrylic acid, PAA) 및 아크릴아마이드(acrylamide) 및 아크릴산(acrylic acid)의 공중합체 등의 통상의 계면활성제를 사용할 수 있으며, 연마제 대비 0.05 내지 20중량%로 사용할 수 있다.
산화제는 연마 대상인 금속 배선막이 그에 상응하는 산화물, 수산화물 또는 이온으로 산화되도록 하여 연마를 돕는 역할을 한다. 본 발명의 연마 조성물에 사용될 수 있는 산화제는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들면 CMP 공정에 통상적으로 사용되는 과산화수소(H2O2)를 사용할 수 있으며, 연마 조성물 중량 대비 0.2 내지 30 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량% 범위로 사용할 수 있다.
부식 방지제는 금속 배선막 표면에 부동화층 또는 용해 억제층을 형성시켜 연마 속도를 조절하여 평탄화 향상에 도움을 주는 역할을 한다. 이러한 부식 방지제로는 벤조트리아졸(BTA) 및/또는 트리아졸 유도체가 사용될 수 있으며, 연마 조성물 총 중량 대비 0.001 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.001 내지 0.3 중량% 범위로 사용될 수 있다. 이때, 부식 방지제의 함량의 착화제의 양에 따라 변경될 수 있다.
pH 조절제는 연마 조성물의 pH를 조절하는 역할을 한다. pH 조절제로는 통 상적인 산, 염기 또는 아민 화합물은 모두 사용할 수 있고, 예를 들면 수산화 암모늄 및 아민, 질산, 황산, 인산, 및 유기산 등을 사용할 수 있으며, 본원 발명의 경우 연마제를 보호하기 위해 연마 조성물의 pH가 2 내지 11, 바람직하게는 4 내지 9가 되도록 첨가될 수 있다.
이렇게 얻어진 본 발명의 연마 조성물은 금속 배선막의 단차를 줄이면서 연마를 수행하므로, 반도체 제조 시 금속 배선의 평판화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 연마 조성물 제조
수산화 알루미늄을 500℃에서 합성하여 얻어진 γ-알루미나 연마제에 시트르산(citric acid)을 5 중량%로 처리하면서 습식밀링기(Ultra Apex mill, UAM-150)를 사용하여 각각 20 회까지 습식 밀링을 수행하여 연마 입자를 얻었다. 얻어진 연마 입자에 과산화수소 3 중량%, 글라이실글라이신 0.4 중량%, 크리아티닌(creatinine) 0.4 중량% 및 벤조트리아졸(BTA) 0.005 중량%가 되도록 초순수와 함께 가하여 연마제를 0.7 중량%로 함유하는 연마 조성물 슬러리를 제조하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 아민(-NH2)기, 카복실기(-COOH) 및 아마이드 결합(-NHCO-)을 갖는 화합물과 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물을 착화제로 함유하는 연마 조성물은 금속 배선막의 단차가 높은 지역은 에칭을 가속화하고 단차가 낮은 지역은 에칭속도를 조절시켜 단차를 줄이면서 연마가 수행되도록 하여 결과적으로 디싱 등을 효과적으로 감소시키므로, 반도체 제조 시 평판화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.
Claims (8)
- 연마제 및 착화제를 포함하는 금속 배선용 화학 기계적 연마 조성물에 있어서, 착화제로서 아민(-NH2)기, 카복실기(-COOH) 및 아마이드 결합(-NHCO-)을 갖는 화합물 및 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,아민기, 카복실기 및 아마이드 결합을 갖는 화합물이 글라이실글라이신(glycylglycine), 글라이실프롤린(glycylproline), 글라이실세린(glycylserine), 글라이실아르기닌(glycylarginine), 글라이실글루타민(glycylglutamine) 및 글라이실알라닌(glycylalanine) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물이 크리아티닌(creatinine), 카프로락탐(caprolactam), 아제티디논(2-azetidinone), 아자사이클로옥타논(2-azacyclooctanone), 아자사이클로노나논(2-azacyclononanone) 및 라우로락탐(laurolactam) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,아민기, 카복실기 및 아마이드 결합을 갖는 화합물이 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 5 중량%로 포함되고, 아마이드 결합을 갖는 싸이클로화합물이 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 5 중량%로 포함됨을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,연마제가 알루미나(Al2O3), 마그네시아(MgO2), 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 티타니아(TiO2) 및 산화 텅스텐(WO3) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,산화제를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 1 항에 있어서,분산제를 추가로 포함함을 특징으로 하는 연마 조성물.
- 제 7 항에 있어서,분산제가 시트르산, 폴리아크릴산, 및 아크릴아마이드와 아크릴산의 공중합체 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 연마 조성물.
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