KR101206076B1 - 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 산화세륨 0.01 내지 5 중량%, 아미노 술폰산 0.001 내지 10 중량%, 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물 0.001 내지 10 중량%, 그리고 나머지 함량의 용매를 포함하며, pH 1 내지 7의 범위에서 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가진다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 반도체 소자 제조 중 단차가 큰 요철부를 가지는 패턴 웨이퍼를 적은 양으로 빠르게 연마할 수 있으며, 실리콘 질화막의 제거속도 또한 극히 낮은 상태를 유지하여 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 연마의 선택성을 요구하는 공정에 사용할 수 있다.

Description

화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법{CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING SLURRY COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE BY USING THE SAME}
본 발명은 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자 제조 중 단차가 큰 요철부를 가지는 패턴 웨이퍼를 적은 양으로 빠르게 연마할 수 있으며, 실리콘 질화막의 제거속도 또한 극히 낮은 상태를 유지하여 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 연마의 선택성을 요구하는 공정에 사용할 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 미세화, 고밀도화 됨에 따라 더욱 미세한 패턴 형성 기술이 사용되고 있으며, 그에 따라 반도체 소자의 표면 구조가 더욱 복잡해지고 표면 막들의 단차도 더욱 커지고 있다. 반도체 소자를 제조하는데 있어서 기판상에 형성된 특정한 막에서의 단차를 제거하기 위한 평탄화 기술로서 화학 기계적 연마(chemical-mechanical polishing, CMP) 공정이 이용된다.
특히, 실리콘 산화막을 연마하는 CMP가 적용되는 공정은 대표적으로 층간 절연막(ILD) 및 쉘로우 트렌치 분리(shallow trench isolation, STI)용 절연막의 평탄화를 위한 공정에서 많이 사용되고 있다.
STI 공정의 목적은 불연속 장치 소자들 사이에 발생하는 전류 유출을 방지하기 위하여 주어진 패턴 층에 불연속 장치 소자들을 분리하는 것이다. STI 공정에서 실리콘 산화막의 트렌치 충전 물질의 제거 속도는 패드 압력을 증가시키고, 보다 큰 연마 입자들을 사용하며 초기 실리콘 산화막의 단차를 빠르게 연마하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이러한 연마 조건은 실리콘 질화막의 제거 속도 또한 증가시키는 경향이 있다.
기존의 STI 공정의 CMP 방법은 위와 같은 문제로 첫 단계에서는 단차 제거용 슬러리를 사용하여 실리콘 산화막을 빠르게 연마를 진행 후, 다음 단계에서는 폴리아크릴레이트 및 특정 아미노산들이 첨가된 슬러리로 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 선택성을 구현하는 공정을 진행한다. 이때, 첨가되는 첨가제는 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 연마 속도를 감소시키는 작용을 하여 보다 많은 참가제가 사용될 때에는 실리콘 산화막에 대한 제거 속도가 너무 느려져 STI 구조에 대한 제조 처리량이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
반도체 기판의 산화막 연마용 조성물에 대하여, 한국공개특허공보 제2005-4051호에는 산화세륨 연마제, 카르복실산 또는 그의 염 및 알코올계 화합물을 포함하는 슬러리 조성물이 공지되어 있고, 한국공개특허공보 제 2004-16154호에는 금속 산화물 연마 입자, 제거 속도 가속제, 1000 내지 100000의 분자량을 가지는 음이온성 폴리머 페시베이션제 등이 공지되어 있으나, 이는 실리콘 질화막에 대한 실리콘 산화막의 선택비가 높은 슬러리로 단순히 STI 형성을 위한 연마 조성물이다.
또한, 단차 제거 및 자동연마정지 기능을 갖는 연마물 조성물에 대하여 한국 공개특허공보 제2001-7534에는 마이너스로 조정된 표면 전위를 갖는 연마 입자와 수용성 고분자로 구성되는 계면 활성제를 함유하는 CMP 연마 방법이 공지되어 있으며, 한국공개특허공보 제1998-63482호에는 연마 입자의 전하와 상이한 전하의 이온을 갖는 고분자 전해질을 추가로 포함하는 연마 조성물이 공지되어 있다.
그러나, CMP 공정을 간소화하고, 연마 시간을 단축하여 생산성을 향상시키기 위하여 STI 패턴 웨이퍼의 연마에 있어 실리콘 산화막을 빠르게 제거하고 실리콘 산화막을 제거한 후 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 선택성을 동시에 구현할 수 있는 슬러리 조성물에 대한 요구가 증대되고 있다.
본 발명의 목적은 반도체 소자 제조 중 단차가 큰 요철부를 가지는 패턴 웨이퍼를 적은 양으로 빠르게 연마할 수 있으며, 실리콘 질화막의 제거속도 또한 극히 낮은 상태를 유지하여 실리콘 산화막과 실리콘 질화막 연마의 선택성을 요구하는 공정에 사용할 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 산화세륨 0.01 내지 5 중량%, 아미노 술폰산 0.001 내지 10 중량%, 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물 0.001 내지 10 중량%, 그리고 나머지 함량의 용매를 포함한다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가질 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 10 내지 50mV일 수 있다.
상기 아미노 술폰산은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
H2N-R1-SO3H
(상기 화학식 1에서, 상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기 및 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다)
상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 알도오스(aldose)의 산화에 의하여 얻어지는 산 또는 그의 염일 수 있다.
상기 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산은 우론산, 알돈산, 알다르산(aldaric acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 무기산, 유기산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 pH 조절제를 더 포함할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 이소티아졸론 화합물 0.001 내지 0.2 중량%를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 산화세륨 0.01 내지 5 중량%, 아미노 술폰산 0.001 내지 10 중량%, 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물 0.001 내지 10 중량%, 그리고 나머지 함량의 용매를 포함한다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 음이온 분산제를 포함하지 않음에 따라 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가진다. 구체적으로, 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 10 내지 50mV일 수 있으며, 바람직하게는 pH 3 내지 5의 범위에서 제타 포텐셜 값이 20 내지 40mV일 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물이 음이온 분산제, 특히, 고분자성 음이온 분산제를 포함하지 않음에 따라 상기 산화세륨의 표면은 양의 극성을 가지게 되며, pH 1 내지 7의 범위에서 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가지는 경우 실리콘 산화막 표면의 극성이 음의 값을 나타냄에 따라 상기 산화세륨과 상기 실리콘 산화막의 표면 사이의 인력에 의하여 연마 효율이 증대되어 단차를 가지는 패턴에서의 초기 연마속도가 느린 로딩 이펙트(loading effect)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 연마 입자인 산화세륨은 실리카 입자나 산화알루미늄 입자에 비해 경도가 낮지만 Si와 Ce 원자 간에 Si-O-Ce 결합이 형성되는 화학적 연마 메커니즘에 의해 유리나 반도체 기판과 같은 규소를 포함하는 면의 연마속도가 매우 빨라 반도체 기판의 연마에 유리하다. 상기 산화세륨은 탄산세륨 수화물을 공기 중 600℃ 내지 900℃에서 하소하여 제조되거나 세륨염 용액으로부터 습식으로 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 산화세륨은 평균 입경이 10 내지 500nm, 바람직하게 10 내지 120nm일 수 있다. 상기 산화세륨의 평균 입경이 10nm 미만이면 연마의 효율이 떨어질 수 있고, 500nm를 초과하면 스크레치가 발생할 수 있다. 상기 산화세륨은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게 0.1 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.
상기 아미노 술폰산은 일단에 아미노기와 타단에 술폰산기를 포함하는 화합물로서 아미노기를 가지는 일단은 양의 극성을 가지고, 술폰산기를 가지는 타단은 음의 극성을 가지게 된다. 한편, 음이온 분산제를 포함하지 않는 상태에서 상기 산화세륨의 표면은 양의 극성을 가지게 되어, 상기 아미노 술폰산의 음의 극성을 가지는 타단이 산화세륨을 향하게 배향되어 상기 아미노 술폰산은 상기 산화세륨의 표면에 보호막을 형성하게 된다.
이에 따라, 음의 극성을 가지는 실리콘 산화막의 표면에 대한 상기 산화세륨의 밀착성이 향상되어 실리콘 산화막의 연마 속도를 높일 수 있으며, 상기 아미노 술폰산기는 상기 산화세륨에 의하여 연마된 실리콘 산화막의 표면에 결함(defect)가 생기는 것을 방지할 수 있다.
상기 아미노 술폰산은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.001 내지 10 중량%, 바람직하게 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 아미노 술폰산의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 연마 효율 증대 효과가 미미할 수 있으며, 웨이퍼의 손상을 야기시킬 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 경제성이 떨어질 수 있다.
구체적으로, 상기 아미노 술폰산은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
[화학식 1]
H2N-R1-SO3H
상기 화학식 1에서, 상기 R1은 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기 및 탄소수 6 내지 30의 아릴렌기로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 탄소수 1 내지 5의 알킬렌기일 수 있다.
상기 알킬렌기는 알칸(alkane)에서 수소 원자 두 개를 뺀 2가의 원자단이며, 일반식 -CnH2n-으로 표시될 수 있다. 상기 아릴렌기는 1개 이상의 벤젠고리를 포함하는 2가의 원자단이며, 예를들면 벤젠고리, 벤젠고리에 알킬 곁사슬이 붙은 톨루엔 또는 자일렌 등, 2개 이상의 벤젠고리가 단일결합으로 결합한 바이페닐 등, 벤젠고리가 시클로알킬기 또는 헤테로시클로알킬기와 축합한 플루오렌, 크산텐 또는 안트라퀴논 등, 2개 이상의 벤젠고리가 축합한 나프탈렌 또는 안트라센 등에서 수소 원자 두 개를 뺀 2가의 원자단일 수 있다.
상기 알킬렌기 또는 상기 아릴렌기는 치환되거나 비치환된 것일 수 있다. 여기서, 치환된이란 수소가 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 티오기, 메틸티오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 알릴기, 벤질기, 아릴기, 헤테로아릴기, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 대체된 것을 의미한다.
상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 하나의 화합물 내에 카르복실기 및 하이드록시기를 모두 포함하는 화합물로서, 바람직하게는 탄소 사슬의 말단에 카르복실기를 포함하고, 탄소 사슬의 수소들이 하이드록시기로 치환된 것일 수 있다. 상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 선택성 향상 및 분산안정성의 향상에 기여한다. 또한, 상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 1개 또는 2개의 말단 카르복시기 및 1개 이상의 하이드록시기를 가지고 있어 킬레이트성을 지닌다.
상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 구체적으로 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산 또는 그의 염일 수 있다. 상기 알도오스는 화학식 CH2OH-(CHOH)n-CHO로 표시되고, n은 1 내지 4의 정수이다. 상기 n이 1인 알도오스는 글리세르알데하이드를 들 수 있고, n이 2인 알도오스는 에리트로스 또는 트레오스를 들 수 있고, n이 3인 알도오스는 리보스, 아라비노스, 크실로스 또는 릭소스를 들 수 있고, n이 4인 알도오스는 아로스, 알트로스, 글루코스, 만노스, 굴로스, 이도스, 갈락토스 또는 탈로스를 들 수 있다. 또한, 상기 알도오스들은 D체 및 L체의 어느 것이어도 상관 없다.
상기 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산으로는 우론산, 알돈산 및 알다르산(aldaric acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 알도오스는 알데하이드기를 지닌 단당류의 총칭이며, 이를 산화해서 얻어지는 우론산, 알돈산 또는 알다르산은 환경부하가 매우 적은 물질이다.
상기 우론산은 화학식 CHO-(CHOH)n-COOH로 표시되고, 상기 n은 1 내지 4의 정수일 수 있다. 상기 n이 2인 우론산은 에리토루론산 및 트레우론산을 들 수 있고, n이 3인 우론산으로서는 리부론산, 아라비누론산, 크실론산 및 릭스론산을 들 수 있고, n이 4인 우론산으로서는 알론산, 알토루론산, 글루쿠론산, 만누론산, 글루론산, 이즈론산, 갈락트론산을 들 수 있다.
상기 알돈산은 화학식 CH2OH-(CHOH)n-COOH로 표시되고, 상기 n은 1 내지 4의 정수일 수 있다. 상기 n이 2인 알돈산은 에리토론산 및 트레온산을 들 수 있고, n이 3인 알돈산은 리본산, 아라비논산, 크시론산 및 릭손산을 들 수 있고, n이 4인 알돈산은 아론산, 알트론산, 글루콘산, 만논산, 구론산, 이돈산, 갈락톤산 및 타론산을 들 수 있다.
상기 알다르산은 화학식 COOH-(CHOH)n-COOH로 표시되고, 상기 n은 1 내지 4의 정수일 수 있다. 상기 n이 2인 알다르산은 에리트랄산 및 트레알산을 들 수 있고, n이 3인 알다르산은 리바르산, 아라비날산 및 크시랄산을 들 수 있고, n이 4인 알다르산은 아랄산, 알토랄산, 글루칼산, 만날산, 이달산 및 갈락탈산을 들 수 있다.
상기 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산 또는 그의 염은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.001 내지 10 중량%, 바람직하게 0.05 내지 0.1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산 또는 그의 염의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 선택성이 크게 향상되지 않을 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 분산안정성이 저하할 염려가 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 부패를 방지하는 작용을 가지며, 또한 스크래치 및 디싱도 충분히 억제할 수 있는 이소티아졸론 화합물을 사용할 수 있다.
상기 이소티아졸론 화합물로는 1,2-벤조이소티아졸-3-온, 5-클로로-2-메틸-4-이소티아졸-3-온, 2-메틸-4-이소티아졸-3-온, 5-클로로-2-페네틸-3-이소티아졸론, 4-브로모-2-n-도데실-3-이소티아졸론, 4,5-디클로로-2-n-옥틸-3-이소티아졸론, 4-메틸-5-클로로-2-(4'-클로로벤질)-3-이소티아졸론, 4,5-디클로로-2-(4'-클로로벤질)-3-이소티아졸론, 4,5-디클로로-2-(4'-클로로페닐)-3-이소티아졸론, 4,5-디클로로-2-(2'-메톡시-3'-클로로페닐)-3-이소티아졸론, 4,5-디브로모-2-(4'-클로로벤질)-3-이소티아졸론, 4-메틸-5-클로로-2-(4'-히드록시페닐)-3-이소티아졸론, 4,5-디클로로-2-n-헥실-3-이소티아졸론 및 5-클로로-2-(3',4'-디클로로페닐)-3-이소티아졸론 등을 들 수 있다. 상기 이소티아졸론 화합물들은 2종 이상을 함께 사용할 수도 있다. 상기 이소티아졸론 화합물 중 1,2-벤조이소티아졸-3-온, 5-클로로-2-메틸-4-이소티아졸-3-온 및 2-메틸-4-이소티아졸-3-온을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 이소티아졸론 화합물은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.001 내지 0.2 중량%, 바람직하게 0.002 내지 0.15 중량%로 포함될 수 있다. 상기 이소티아졸론 화합물의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 방부 효과가 미미할 수 있으며, 0.2 중량%를 초과하는 경우 제거 속도 등의 연마 성능이 저하될 수 있고, 폐액 처리가 곤란할 수도 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH가 1 내지 7, 바람직하게 3 내지 5일 수 있다. 상기 pH를 조절하기 위한 pH 조절제로는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 특성에 영향을 미치지 않으면서 pH를 조절할 수 있는 질산, 염산, 황산, 과염소산 등의 무기산 또는 유기산으로부터 선택되는 산이나 무기 또는 유기염기를 모두 사용할 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 4급 암모늄 화합물, 윤활제 등을 필요에 따라 추가 포함할 수 있다.
상기 4급 암모늄 화합물은 방부제 기능 및 pH 조절 기능을 추가적으로 부여할 수 있으며, 그 사용양은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.01 내지 10중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5중량%일 수 있다.
상기 4급 암모늄 화합물로는 암모늄하이드록사이드, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드, 테트라프로필암모늄 하이드록사이드 또는 테트라부틸암모늄하이드록사이드 등을 들 수 있다.
상기 윤활제는 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 윤활 기능을 돕기 위한 것으로서, 글리세린과 에틸렌글리콜을 사용할 수 있다. 상기 윤활제는 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게 0.1 내지 5 중량%를 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 산화세륨, 아미노 술폰산, 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물, 및 추가적인 첨가제의 함량을 제외한 나머지 함량이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자를 제조하는 방법은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 사용하여 실리콘 질화막 또는 폴리실리콘 막이 포함된 실리콘 산화막 패턴을 연마하는 단계를 포함한다. 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 사용하여 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 폴리실리콘 막을 연마하는 방법은 종래 일반적으로 사용되는 연마 방법 및 조건이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 본 명세서에서는 그 구체적인 설명에 대해서는 생략한다.
본 발명의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 반도체 소자 제조 중 단차가 큰 요철부를 가지는 패턴 웨이퍼를 적은 양으로 빠르게 연마할 수 있으며, 실리콘 질화막의 제거속도 또한 극히 낮은 상태를 유지하여 실리콘 산화막 연마의 선택성을 요구하는 공정에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실험예 1에서 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 연마 특성 측정에 사용된 기판을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2-1에서 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 시간별 연마율을 나타내는 그래프이다.
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.
[실험예 1]
탄산세륨 수화물을 860℃에서 로터리킬른으로 하소하여 산화세륨 입자를 제조한 후, 탈 이온수와 pH조절을 하기 위하여 질산 3g을 투입한 후 매체 교반식 분말 분쇄기로 분쇄/분산한 다음, 하기 표 1에서와 같은 함량으로 첨가제 및 탈 이온수와 혼합하여 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제조하였다.
상기 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 음이온성의 분산제를 포함하지 않았으며, 상기 산화세륨의 평균 입경은 120nm이고, 분산액의 pH는 4.6으로 하였다. 상기 산화세륨 입자의 제타포텐셜 값은 pH 4에서 +33mV, pH 5에서 +30mV, pH 7에서 +12mV, pH 9에서-19mV이였다.
상기 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 이용하여 연마 특성을 측정하였다. 도 1은 상기 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 연마 특성 측정에 사용된 기판을 나타내는 단면도이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 기판(100)은 실리콘 웨이퍼 기판(110) 위에 제1 실리콘 산화막(120), 실리콘 질화막(130) 등을 형성한 후 여러 가지 선폭과 밀도로 패턴을 형성한 후, 테트라에톡시 실란(TEOS)을 사용하여 플라즈마 CVD법으로 제2 실리콘 산화막(140)이 형성된 것이다. 상기 기판(100)에서 제거되어야 할 제2 실리콘 산화막(140)의 높이는 약 7000Å이다.
상기 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 각각 CMP장비(G&P테크사)에서 정반 및 헤드의 회전속도를 각 150rpm, 압력을 300g/cm2으로 하여 연마 특성을 평가를 하였다. 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 공급 속도는 200ml/분 이였다.
산화세륨
(중량%)		 아미노 술폰산1)
(중량%)		 실리콘 산화막
연마 속도 (Å/20s)		 실리콘 질화막
연마 속도 (Å/20s)		 선택비
비교예1-1 0.25 0 4856 942 5.4
참고예1-1 0.25 0.05 5338 852 6.3
1) 아미노 술폰산: 상기 화학식 1에서 R1이 탄소수 2의 알킬렌기인 아미노 술폰산
상기 표 1을 참조하면, 상기 아미노 술폰산을 더 포함하는 참고예 1-1이 비교예 1-1에 비하여 실리콘 산화막의 제거 능력이 우수함을 알 수 있다.
[실험예 2]
하기 표 2에서와 같이 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산으로 알돈산을 더 첨가한 것을 제외하고는 상기 실험예 1에서와 동일하게 실시하여 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제조하였고, 그 연마 특성도 상기 실험예 1에서와 동일하게 평가하였고, 그 결과도 하기 표 2에 나타내었다.
산화세륨
(중량%)		 아미노 술폰산
(중량%)		 알돈산2)
(중량%) 		pH 실리콘 산화막 연마 속도
(Å/20s)		 실리콘 질화막
연마 속도
(Å/20s)		 선택비
참고예1-1 0.25 0.05 0 4.2 5338 852 6.3
실시예2-1 0.25 0.05 0.05 4.1 4865 141 35
실시예2-2 0.25 0.05 0.10 3.8 4479 53 85
실시예2-3 0.25 0.05 0.20 3.7 3764 31 120
2) 알돈산: 글루콘산
상기 표 2를 참조하면, 알돈산의 함량이 증가할수록 실리콘 질화막의 연마 속도가 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 알돈산의 함량이 증가할수록 실리콘 산화막의 연마 속도도 함께 감소하는 것을 알 수 있는데, 알돈산의 함량이 0.05 내지 0.1 중량%인 경우 실리콘 산화막의 제거 속도를 크게 감소시키지 않고 상대적으로 실리콘 질화막의 연마 속도를 크게 감소시켜 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 선택성을 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2는 상기 실시예 2-1에서 제조된 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 시간별 연마율을 나타내는 그래프이다. 상기 도 2에서 비교예 2-1은 D6720(캐보트社 제품)를 연마 슬러리 조성물로 사용하고, 비교예 2-2는 HS9610(히타치社 제품)를 연마 슬러리 조성물로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 실시한 결과이다.
상기 도 2를 참조하면 비교예 2-1의 경우 연마 속도는 우수하나 선택성이 좋지 못하여 40초 이후 실리콘 질화막까지 연마되는 것을 알 수 있으며, 비교예 2-2 및 실시예 2-1의 경우 선택성이 우수하여 실리콘 질화막은 연마되지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 2-1의 경우 비교예 2-2에 비하여 연마 속도가 월등히 빠름을 알 수 있다.
[실험예 3]
하기 표 3에서와 같이 이소티아졸론 화합물을 더 첨가한 것을 제외하고는 실시예 2-1과 동일하게 실시하여 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제조하였고, 그 연마 특성은 상기 실험예 1에서와 동일하게 평가하였고, 그 결과도 하기 표 3에 나타내었다.
산화세륨
(중량%)		 아미노 술폰산
(중량%) 		알돈산
(중량%) 		방부제3)
(중량%)		 실리콘 산화막
연마 속도
(Å/20s)		 실리콘 질화막
연마 속도
(Å/20s)		 선택비
실시예3-1 0.25 0.05 0.05 0.01 4692 62 75
실시예3-2 0.25 0.05 0.05 0.05 4524 49 92
실시예3-3 0.25 0.05 0.05 0.10 4502 47 95
3) 방부제: BIOZEN MT100(㈜한선 제품)
상기 표 3을 참조하면, 상기 이소티아졸론 화합물의 함량이 증가할수록 실리콘 산화막의 제거 속도는 크게 감소시키지 않고 실리콘 질화막의 연마 속도는 감소하여 상대적으로 선택성이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 이소티아졸론 화합물은 방부제로서 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 방부 성능을 부여하면서도 선택성 향상에도 도움을 주는 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.
100: 기판 110: 실리콘 웨이퍼
120: 제1 실리콘 산화막 130: 실리콘 질화막
140: 제2 실리콘 산화막 141: 단차

Claims (9)

  1. 산화세륨 0.01 내지 5 중량%,
    아미노 술폰산 0.001 내지 10 중량%,
    카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물 0.001 내지 10 중량%, 그리고
    나머지 함량의 용매를 포함하며,
    상기 아미노 술폰산은 하기 화학식 1로 표시되는 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
    [화학식 1]
    H2N-R1-SO3H
    (상기 화학식 1에서, 상기 R1은 탄소수 2의 알킬렌기이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가지는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 pH 1 내지 7의 범위에서 상기 산화세륨의 제타 포텐셜 값이 10 내지 50mV인 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카르복실기 및 하이드록시기를 포함하는 화합물은 알도오스(aldose)의 산화에 의하여 얻어지는 산 또는 그의 염인 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알도오스의 산화에 의하여 얻어지는 산은 우론산, 알돈산, 알다르산(aldaric acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 무기산, 유기산 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 pH 조절제를 더 포함하는 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 이소티아졸론 화합물 0.001 내지 0.2 중량%를 더 포함하는 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  9. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
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