KR101206075B1 - 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 모두 화학 기계적 연마할 수 있는 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 콜로이달 실리카, 옥살산 및 용매를 포함하며, 상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 0.8 내지 1.5이다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 실리콘산화막 대비 0.5 내지 2.0의 연마 선택비로 화학 기계적 연마할 수 있다.

Description

화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법{SLURRY COMPOSITION FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE BY USING THE SAME}
본 발명은 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 실리콘산화막 대비 0.5 내지 2.0의 연마 선택비로 연마할 수 있는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 슬러리 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
표면 평탄화 공정 방법 중 하나인 화학적, 기계적 연마 공정에서는 회전판 상에 평탄화 공정을 수행할 웨이퍼(wafer)를 안착시키고, 상기 웨이퍼의 표면과 연마기의 패드(pad)를 접촉시킨 후, 슬러리(slurry)의 공급과 함께 회전판 및 연마기의 패드를 회전시켜 연마 공정을 수행한다. 즉, 웨이퍼 표면과 패드 사이로 슬러리가 유동하여 슬러리 내의 연마 입자와 패드의 표면 돌기에 의한 기계적 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지는 동시에, 슬러리 내의 화학적 성분과 웨이퍼 표면의 화학적 반응에 의해 화학적 제거가 이루어진다.
일반적으로 슬러리는 제거 대상의 종류 및 특성에 따라 다양한 종류가 있다. 그 중에서 특정 피연마막을 선택적으로 제거하는 슬러리는 매우 다양하나 최근 반도체 장치 구조에서는 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 동시에 연마할 수 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물이 필요하다.
그러나, 일본공개특허 제2004-00304651호의 경우 퓸드 실리카를 사용하여 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 비선택적으로 연마할 수 없고, 일본공개특허 제2007-074537호의 경우 연마 조성물의 pH가 4 내지 5일 경우 원하는 수준의 폴리실리콘 연마 속도를 얻을 수 있으나 콜로이드 실리카의 응집이 일어나는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 실리콘산화막 대비 0.5 내지 2.0의 연마 선택비로 연마할 수 있는 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 콜로이달 실리카, 옥살산 및 용매를 포함하며, 상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1:1 내지 1:1.5이다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0일 수 있다.
상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm일 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 콜로이달 실리카를 0.5 내지 6 중량%로 포함할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 옥살산을 0.2 내지 5 중량%로 포함할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 콜로이달 실리카와 1차 입자의 평균 입경이 서로 다른 제2 콜로이달 실리카를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm이고, 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체 중량에 대하여 0.5 내지 6 중량%로 포함될 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물을 0.001 내지 5 중량%로 더 포함할 수 있다.
상기 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물은 1,2,4H-트리아졸, 테트라졸, 5-아미노테트라졸, 이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 피페라진 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 수용성 고분자를 0.001 내지 5 중량%로 더 포함할 수 있다.
상기 수용성 고분자는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 히드록시에틸셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 실리콘산화막, 실리콘질화막, 폴리실리콘막 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 연마하는 단계를 포함한다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막으로 이루어지는 군에서 선택되는 2개의 막을 비선택적으로 연마할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 콜로이달 실리카, 옥살산 및 용매를 포함한다.
상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비(1차 입자의 평균 입경:2차 입자의 평균 입경)가 1:1 내지 1:1.5고, 바람직하게는 1:1 내지 1:1.3일 수 있다. 상기 2차 입자는 1차 입자들이 뭉쳐서 이루어진 입자를 의미한다.
상기 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비는 1 미만일 수 없으며, 1.5를 초과하면 폴리실리콘막의 연마 속도가 지나치게 높아지거나 낮아지게 되어 원하는 연마 선택비를 얻을 수가 없을 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0일 수 있다. 상기 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비는 상기 실리콘질화막 또는 상기 폴리실리콘막의 연마 속도를 상기 실리콘산화막의 연마 속도로 나눈 값을 의미한다.
상기 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 미만이거나, 2.0을 초과하면 상기 실리콘산화막에 대하여 상기 실리콘질화막 및 상기 폴리실리콘막을 비선택적으로 연마하는 것이 어려울 수 있다.
즉, 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0인 경우 최근 반도체 장치 구조에서 필요한 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 동시에 연마할 수 있다.
상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm이고, 바람직하게는 20 내지 75nm일 수 있다. 상기 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경이 100nm를 초과하는 경우 2차 입자가 거대 입자가 되어 스크래치가 발생할 수 있고, 실리콘질화막의 낮은 연마 속도로 인하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없으며, 10nm 미만인 경우 폴리실리콘막의 낮은 연마 속도로 인하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 콜로이달 실리카를 0.5 내지 6 중량%, 바람직하게는 1 내지 6 중량%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량%로 포함할 수 있다. 상기 콜로이달 실리카의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 피연마막들의 연마 속도가 너무 낮아질 수 있고, 6 중량%를 초과하는 경우 원하는 연마 선택비를 얻을 수가 없다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체 중량에 대하여 1차 입자의 평균 입경이 상기 콜로이달 실리카와 상이한 제2 콜로이달 실리카를 더 포함할 수 있다. 1차 입자의 평균 입경이 서로 다른 콜로이달 실리카를 혼합하는 경우 폴리실리콘막의 연마 속도를 조절할 수 있다.
상기 제2 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm이고, 바람직하게는 20 내지 75nm일 수 있으며, 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.5 내지 6 중량%, 바람직하게는 1 내지 6 중량%, 더욱 바람직하게는 2 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 옥살산은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 실리콘산화막의 연마 속도를 증가시킬 수 있다. 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 옥살산을 0.2 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 4 중량%, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 3 중량%로 포함할 수 있다. 상기 옥살산의 함량이 0.2 중량% 미만인 경우 실리콘산화막의 낮은 연마 속도로 인하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없고, 5 중량%를 초과하는 경우 실리콘산화막의 높은 연마 속도로 인하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘질화막의 연마 속도를 증가시키기 위하여 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물을 더 포함할 수 있다.
상기 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물은 1,2,4H-트리아졸, 테트라졸, 5-아미노테트라졸, 이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 피페라진 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.001 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 4 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 실리콘질화막의 연마 속도의 증가가 미비하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없고, 5 중량%를 초과하는 경우 슬러리의 응집으로 인하여 안정성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 피연마막의 결함을 감소시키기 위하여 수용성고분자를 더 포함할 수 있다. 상기 수용성고분자로는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 히드록시에틸셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 수용성고분자는 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 수용성고분자를 0.001 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 2 중량%로 포함될 수 있다. 상기 수용성고분자의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 분산안정성이 저하될 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우 분산성을 저하시킬 수 있고, 연마 속도를 감소시킬 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 pH가 2 내지 4, 바람직하게는 2.5 내지 4일 수 있다. 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 pH가 2 미만인 경우 연마 속도가 감소하여 원하는 연마 선택비를 얻을 수 없고, 4를 초과하는 경우 장기간 보관시 슬러리의 응집으로 인하여 안정성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 pH 조절을 위하여 염기성 물질로는 KOH, NH4OH, NaOH, TMAH 또는 TBAH 등을 사용할 수 있고, 산성 물질로는 질산, 황산 또는 염산 등의 무기산을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물이 포함하는 용매는 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물에 사용되는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 일 예로 탈이온수를 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 용매의 함량은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 콜로이달 실리카, 옥살산, 제2 콜로이달 실리카, 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물 또는 수용성고분자의 함량을 제외한 나머지 함량이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 반도체 소자의 제조 방법은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 실리콘산화막, 실리콘질화막, 폴리실리콘막 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 연마하는 단계를 포함한다. 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 실리콘산화막, 실리콘질화막 또는 폴리실리콘막을 연마함으로써 반도체 소자를 제조 방법은 종래에 일반적으로 사용되는 연마 방법이면 어느 것이나 이용 가능하며 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 명세서에서는 그 구체적인 방법 및 조건 등에 대해서는 생략한다.
또한, 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막으로 이루어지는 군에서 선택되는 2개의 막을 비선택적으로 연마할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 실리콘산화막 대비 0.5 내지 2.0의 연마 선택비로 화학 기계적 연마할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실험예 6에서 연마 전의 폴리실리콘막 표면을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 실험예 6에서 연마 후의 폴리실리콘막 표면을 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
하기 실험예들에서 연마장비는 폴리 400(Poli 400, G&P Technology사)을 사용하였다. 연마조건은 플레이튼(Platen) 속도를 93rpm, 캐리어(Carrier) 속도를 87rpm, 웨이퍼 압력(Wafer Pressure)을 2psi, 슬러리 공급유량을 200ml/min, 연마시간을 60초로 하였다. 연마패드는 IC1000(니타하스사)을 이용하여 연마 평가를 실시하였고, 연마에 사용된 실리콘산화막 웨이퍼는 10,000Å 두께의 4cmX4cm PETEOS 웨이퍼를, 실리콘질화막 웨이퍼는 2,000Å 두께의 4cmX4cm 웨이퍼를 그리고 폴리실리콘막 웨이퍼는 실리콘산화막을 1,000Å 증착하고 그 위에 폴리실리콘을 10,000Å 증착한 4cmX4cm 웨이퍼를 사용하였다. pH 조절제로는 KOH와 HNO3를 사용하였다. 각각의 막 두께는 스펙트라 티크 4000DLX(Spectra Thick 4000DLX, K-mac사)로 측정하였으며, XE-100(AFM, Park system사)을 이용하여 웨이퍼 표면의 거칠기를 측정하였다. 조성물의 평균 입경 크기는 ELS 8000(오츠카 전자)으로 측정 하였다.
[실험예 1: 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비에 따른 연마 특성]
하기 표 1에 정리한 바와 같은 함량으로 콜로이달 실리카와 옥살산을 그 나머지 함량의 탈이온수에 첨가하고 혼합하여 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
하기 비교예 1에서는 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 2.7이고 1차 평균 입경이 15nm인 콜로이달 실리카를 사용하였고, 하기 비교예 2에서는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.7이고 1차 평균 입경이 70nm인 콜로이달 실리카를 사용하였고, 하기 실시예 1에서는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1인 콜로이달 실리카를 사용하였다.
또한, 상기 제조한 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 연마속도를 측정하고, 선택비를 계산하였으며, 그 결과도 하기 표 1에 나타내었다.
구분 비교예 1 비교예 2 실시예 1
콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비 1:2.7 1:1.7 1:1
콜로이달 실리카(중량%) 3.5 3.5 3.5
옥살산(중량%) 0.6 0.6 0.6
연마속도(Å/min) 실리콘산화막 245 369 217
실리콘질화막 427 192 277
폴리실리콘막 65 123 408
연마 선택비 실리콘질화막/실리콘산화막 1.74 0.52 1.28
폴리실리콘막/실리콘산화막 0.27 0.33 1.88
상기 표 1을 참조하면, 비교예 1 및 2의 경우 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1:1 내지 1:1.5를 벗어남에 따라 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0를 벗어남을 알 수 있다.
반면, 실시예 1의 경우 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1:1 내지 1:1.5의 범위를 만족함에 따라 실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0를 만족함을 알 수 있다.
[실험예 2: 옥살산 함량에 따른 연마 특성]
하기 표 2에서와 같이, 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1이고, 1차 입자의 평균 입경이 35nm인 콜로이달 실리카를 이용하고, 옥살산의 함량을 변화시켜 탈이온수에 혼합한 후, pH를 3.5로 조절하여 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
또한, 상기 제조한 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 연마속도를 측정하고, 선택비를 계산하였으며, 그 결과도 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 3 실시예 2 실시예 3 실시예 1 실시예 4
콜로이달 실리카(중량%) 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
옥살산(중량%) - 0.2 0.5 0.6 1
연마속도
(Å/min)		 실리콘산화막 36 226 212 217 238
실리콘질화막 314 256 349 277 269
폴리실리콘막 330 251 358 408 316
연마
선택비		 실리콘질화막/실리콘산화막 8.72 1.13 1.65 1.28 1.13
폴리실리콘막/실리콘산화막 9.17 1.11 1.69 1.88 1.33
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 4에서와 같이 옥살산의 함량이 0.2 중량% 이상인 경우 연마 선택비가 0.5 내지 2.0가 되는 것을 알 수 있다. 반면, 옥살산을 첨가하지 않은 비교예 3의 경우 실리콘산화막이 상대적으로 낮은 연마 속도를 가져 원하는 선택비를 얻을 수 없음을 알 수 있다.
[실험예 3: 기타 산들에 대한 연마 특성]
하기 표 3에서와 같이, 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1이고, 1차 입자의 평균 입경이 35nm인 콜로이달 실리카를 이용하고, 옥살산을 대신하여 숙신산, 글루타르산, 아디프산을 각각 포함하는 pH가 3.5인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
또한, 상기 제조한 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 연마속도를 측정하고, 선택비를 계산하였으며, 그 결과도 하기 표 3에 나타내었다.
실시예 1 비교예 4 비교예 5 비교예 6
콜로이달 실리카(중량%) 3.5 3.5 3.5 3.5
옥살산(중량%) 0.6 - - -
숙신산(중량%) - 0.3 -
글루타르산(중량%) - - 0.3 -
아디프산(중량%) - - - 0.6
연마
속도
(Å/min)		 실리콘산화막 217 92 65 104
실리콘질화막 277 447 391 556
폴리실리콘막 408 197 140 131
선택비 실리콘질화막/
실리콘산화막		 1.28 4.86 6.02 5.35
폴리실리콘막/
실리콘산화막		 1.88 2.14 2.15 1.26
상기 표 3을 참조하면, 옥살산이 아닌 숙신산, 글루타르산 또는 아디프산을 각각 첨가한 조성물의 경우 원하는 선택비를 얻을 수가 없음을 알 수 있다.
[실험예 4: 크기가 다른 2종의 콜로이달 실리카 혼합 연마 평가]
하기 표 4에서와 같이 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.0이고 1차 입자의 평균 입경이 35nm인 제1 콜로이달 실리카와, 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.0이고 1차 입자의 평균 입경이 55nm인 제2 콜로이달 실리카를 혼합하여 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때, 옥살산은 0.6 중량%, pH는 3.5로 조절하였다.
또한, 상기 제조한 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 연마속도를 측정하고, 선택비를 계산하였으며, 그 결과도 하기 표 4에 나타내었다.
실시예 5 6 7 8 9 10 11
제1 콜로이달 실리카(중량%) 4 3 2.5 2 1.5 1 -
제2 콜로이달 실리카(중량%) - 1 1.5 2 2.5 3 4
연마
속도
(Å/min)		 실리콘산화막 277 304 237 229 311 295 328
실리콘질화막 231 364 288 281 301 256 249
폴리실리콘막 428 360 362 321 362 370 466
선택비 실리콘질화막/
실리콘산화막		 0.83 1.20 1.22 1.23 0.97 0.87 0.76
폴리실리콘막/
실리콘산화막		 1.55 1.18 1.53 1.40 1.16 1.25 1.42
상기 표 4를 참조하면, 1차 입자의 평균 입경이 서로 다른 콜로이달 실리카를 혼합하여 폴리실리콘막의 연마속도를 조절할 수 있으며 원하는 선택비로 조절할 수 있음을 알 수 있다.
[실험예 5: 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물의 첨가에 따른 연마특성]
하기 표 5에서와 같이 콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.0이고 1차 입자의 평균 입경이 35nm인 콜로이달 실리카 3.5 중량% 및 옥살산 0.6 중량%에 각각 5-아미노 테트라졸, 피페라진, 1,2,4H-트리아졸, 테트라졸, 이미다졸 및 1,2-디메틸이미다졸을 0.1 중량%로 포함하는 pH가 3.5인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
상기 제조한 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 연마속도를 측정하여 연마 선택비를 계산하였고, 연마 후 폴리실리콘의 표면 상태를 관찰하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
상기 연마 후 폴리실리콘의 표면상태는 광학현미경으로 관찰하였으며, 하기의 기준으로 기초해 평가를 진행하였다.
○ : 웨이퍼 표면에 문제시 되는 결함이 관찰되지 않음.
△ : 웨이퍼 표면에 문제시 되는 결함이 1~2개 관찰 됨.
× : 웨이퍼 표면에 문제시 되는 결함이 3개 이상 관찰 됨.
실시예 1 12 13 14
1,2,4H-트리아졸 - 0.1 - -
테트라졸 - - 0.1 -
이미다졸 - - - 0.1
연마속도
(Å/min)		 실리콘산화막 217 225 201 259
실리콘질화막 277 310 298 282
폴리실리콘막 408 337 305 231
선택비 실리콘질화막/실리콘산화막 1.28 1.15 1.38 1.09
폴리실리콘막/실리콘산화막 1.88 1.38 1.50 0.89
폴리실리콘 표면 △ ○ ○ ○
상기 표 5를 참조하면, 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물이 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물을 더 포함하는 경우 폴리실리콘의 표면의 결함 발생을 줄여 줄 수 있고, 또한 다양한 연마 선택비를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
[실험예 6: 수용성고분자 첨가 효과]
콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.0이고 1차 입자의 평균 입경이 55nm인 콜로이달 실리카 3.5 중량% 및 옥살산 0.6 중량%를 혼합하고, pH를 3.5로 조절하여 제1 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다. 또한, 상기 제1 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물에 수용성고분자인 폴리에틸렌글리콜을 3 중량%로 첨가하여 제2 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
상기 제조된 제1 및 제2 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물의 표면 거칠기를 측정하였고, 그 결과를 하기 도 1, 도 2 및 표 6에 나타내었다. 이때, Ra와 Rq는 표면거칠기의 대표적인 파라미터이며 Ra는 표면조도 프로파일에서 중심선을 기준으로 피크(Peak)와 밸리(Valley) 값의 편차 평균값(산술평균)이고, Rq는 제곱평균제곱근으로 계산된 값이다.
Rq(nm) Ra(nm)
제1 슬러리 조성물 0.842 0.662
제2 슬러리 조성물 0.237 0.182
상기 도 1, 도 2 및 표 6을 참조하면, 연마 전과 연마 후의 Rq 및 Ra 값을 비교해 볼 때 그 값이 감소함을 알 수 있다. 즉, 수용성고분자 첨가시 폴리실리콘막의 결함(Defect)을 감소시키는 효과가 있음을 알 수 있다.
[실험예 7: 안정성 평가]
콜로이달 실리카의 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1.0이고 1차 입자의 평균 입경이 35nm인 콜로이달 실리카 4 중량% 및 옥살산 0.8 중량%을 탈이온수에 혼합한 조성물을 각각 pH 3.5, 4.8 및 6.0으로 조절한 후 10일 및 20일이 경과한 다음 평균 입경 크기를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.
실시예 pH 제조 후(nm) 10일 경과(nm) 20일 경과(nm)
15 3.5 54.1 53.2 57.2
16 4.8 51.4 110.2 272
17 6.0 58.8 1128.6 1706.9
상기 표 7을 참조하면, pH가 2 내지 4를 벗어나는 실시예 16 및 17의 경우 10일 이상 경과시 콜로이달 실리카의 평균 입경이 점점 증가하는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 콜로이달 실리카, 옥살산 및 용매를 포함하며,
    상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경과 2차 입자의 평균 입경의 비가 1:1 내지 1:1.5이고,
    상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 콜로이달 실리카를 0.5 내지 6 중량%로 포함하고, 상기 옥살산을 0.2 내지 5 중량%로 포함하며,
    실리콘산화막에 대한 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 각각 0.5 내지 2.0인 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm인 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 콜로이달 실리카와 1차 입자의 평균 입경이 서로 다른 제2 콜로이달 실리카를 더 포함할 수 있으며,
    상기 제2 콜로이달 실리카는 1차 입자의 평균 입경이 10 내지 100nm이고, 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체 중량에 대하여 0.5 내지 6 중량%로 포함되는 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물을 0.001 내지 5 중량%로 더 포함하는 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 질소 원자를 2개 이상 포함하는 헤테로고리화합물은 1,2,4H-트리아졸, 테트라졸, 5-아미노테트라졸, 이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 피페라진 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 수용성 고분자를 0.001 내지 5 중량%로 더 포함하는 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수용성 고분자는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 히드록시에틸셀룰로오스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
  11. 제1항, 제3항, 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 실리콘산화막, 실리콘질화막, 폴리실리콘막 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 연마하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막으로 이루어지는 군에서 선택되는 2개의 막을 비선택적으로 연마하는 것인 반도체 소자의 제조 방법.
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