KR101252390B1 - 폴리실리콘막 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents
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Abstract
슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 포함하는 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 폴리실리콘막의 화학 기계적 연마 공정에 사용하기 위한 슬러리 조성물에 관한 것이다.
반도체 소자의 고성능화, 고집적화에 따라 다층배선구조가 필수적으로 요구되고 있으며 이러한 다층배선구조는 도전막이나 절연막의 성막 공정 및 식각 공정을 수 차례 걸쳐 진행하여 형성되는 것으로서, 각 층에서 요구되는 일정한 패턴을 형성한 후에 후속의 리소그래피 공정을 용이하게 하기 위해 표면 평탄화 공정을 수행하게 된다. 이러한 평탄화의 형태로서는 국소적 평탄화(local planarization)와 광역 평탄화(global planarization)가 있으나, 평탄화 기술의 궁극적 목표는 광역 평탄화를 실현하는 것이다.
평탄화를 실현하기 위한 공정은 예를 들어 에치백(etch back), 리플로우(reflow), 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 등의 공정이 있으나 광역 평탄화 및 고집적 회로에 적용되는 방법으로는 화학 기계적 연마공정이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 광역 평탄화가 화학 기계적 연마 공정에 의해서만 가능할 뿐 아니라 평탄성에 대한 만족도 면에서는 화학 기계적 연마 공정이 가장 우수하기 때문이다.
화학 기계적 연마 공정이란 1980년대 말 미국 IBM사에서 개발된 공정으로서 연마 헤드에 평탄화 공정을 수행할 반도체 기판을 장착시키고 상기 반도체 기판과 연마 패드 사이에 탈이온수와 연마 입자, 첨가제 등을 포함하는 슬러리 조성물을 제공한 후 상기 반도체 기판을 상기 연마 패드와 접촉시킨 상태에서 회전 및 직선운동이 혼합된 오비탈 운동을 실시하여 상기 반도체 기판의 표면을 평탄화시키는 공정을 말한다. 즉, 슬러리 조성물에 포함된 연마 입자 및 연마 패드의 표면돌기를 상기 반도체 기판의 표면과 기계적으로 마찰시켜 상기 반도체 기판의 표면을 기계적으로 연마하는 동시에 슬러리 조성물에 포함된 화학적 성분과 상기 반도체 기판의 표면을 화학적으로 반응시켜 상기 반도체 기판의 표면을 화학적으로 연마하게 된다.
상기 화학 기계적 연마 공정의 연마 효율은 화학 기계적 연마 장비, 슬러리 조성물, 연마 패드의 종류 등에 의해 결정된다. 특히, 상기 슬러리 조성물은 연마 효율에 중요한 영향을 미친다. 일반적으로 게이트 패턴을 형성하는 과정에서는 연마 정지층으로서 사용되는 실리콘 산화막 상에 연마 대상막으로 사용되는 벌크한 폴리 실리콘막을 증착한 후, 상기 폴리 실리콘막의 연마를 실시한다.
폴리실리콘막에서 높은 연마율을 보유하고, 산화막에서 연마 정지 기능을 갖는 높은 선택비를 보유하여, 피연마면의 고평탄화를 실현할 수 있는 슬러리 조성물을 제공한다.
슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 포함하는 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물을 제공한다. 아민계 화합물은 트리에틸렌테트라아민(TETA), 에틸렌디아민 및 N,N-디메틸포름아마이드, 수산화 테트라에틸 암모늄, 수산화 테트라메틸 암모늄, 염화 테트라에틸 암모늄, 염화 테트라메틸 암모늄, 불화 테트라에틸 암모늄, 불화 테트라메틸 암모늄, 에탄올 아민, 디메탄올 아민 및 트리메탄올 아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다. 연마입자는 세리아, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 및 게르마니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 연마입자의 직경은 10 내지 500 nm일 수 있다.
폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물의 제조방법은, 슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 포함한 슬러리 조성물을 상온에서 10분 이상 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 아민계 화합물은 트리에틸렌테트라아민(TETA), 에틸렌디아민 및 N,N-디메틸포름아마이드, 수산화 테트라에틸 암모늄, 수산화 테트라메틸 암모늄, 염화 테트라에틸 암모늄, 염화 테트라메틸 암모늄, 불화 테트라에틸 암모늄, 불화 테트라메틸 암모늄, 에탄올 아민, 디메탄올 아민 및 트리메탄올 아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.
폴리실리콘막에 대한 고단차 제거 능력과 산화막에서의 연마정지 및 고평탄화기능 구현이 우수한 1액형 또는 2액형 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 균일성 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 균일성 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 및 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 산화막에서의 연마정지 기능 구현 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 분산안정성 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 균일성 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 균일성 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 및 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 산화막에서의 연마정지 기능 구현 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 분산안정성 결과를 도시한 그래프이다.
반도체 기판에 패턴을 형성하기 위해서, 일반적으로 연마 정지층으로 사용되는 실리콘 산화막 상에 연마 대상막으로 사용되는 벌크한 폴리실리콘막을 증착한 후, 상기 폴리실리콘막의 연마를 실시한다. 벌크한 폴리실리콘막을 연마하는 과정에서 폴리실리콘막에 대한 제거율이 낮은 슬러리 조성물을 사용하여 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 경우 공정 시간이 지연되는 문제점이 있다. 또한, 상기 벌크한 폴리실리콘막을 연마한 후 연마 정지층으로 사용되는 실리콘 산화막이 노출되기 시작하면서 반도체 기판 상에 부식 현상 또는 디싱 현상이 발생한다.
부식 현상이란 화학 기계적 연마 공정을 수행하는 과정에서 광역에서 리세스(recess)가 발생하는 현상이고, 디싱 현상이란 단일 패턴에서 리세스가 발생하는 현상을 말한다. 부식 현상은 연마 정지층에 대한 연마 대상막의 선택비가 낮은 경우에 발생한다. 선택비가 낮은 경우 연마 대상막이 연마될 동안 상기 연마 정지층이 허용 이상으로 연마되어 연마 정지층으로서 충분한 역할을 수행하지 못하기 때문이다. 부식 형상이 발생하는 경우 패턴의 최대 높이와 최소 높이의 차가 커지기 때문에 웨이퍼 내 균열성이 저하된다. 디싱 현상은 연마 정지층에 대한 연마 대상막의 선택비가 높은 경우에 발생한다. 선택비가 높은 경우 연마 정지층에 의해 상대적으로 연마 패드가 저지되고 있는 동안 슬러리 조성물에 포함된 화학 성분이 연마 대상막을 과도하게 화학적으로 연마되기 때문이다.
화학 기계적 연마에 있어서는, 폴리실리콘막에 대한 높은 제거율을 갖는 슬러리 조성물로 1차적으로 연마한 후(고단차 제거), 폴리실리콘막을 효과적으로 보호하면서 산화막에 대한 폴리실리콘막의 높은 선택비를 갖는 조성물로 2차적으로 연마하는(연마정지기능 구현에 따른 고평탄화 실현) 2액형 슬러리를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면 1액형 또는 2액형 슬러리 조성물을 이용하여 한 단계의 공정만으로 우수한 고단차 제거 능력과 고평탄화 및 높은 선택비를 보유하는 폴리실리콘막 슬러리 조성물을 제공한다.
일반적으로 연마입자로 세리아를 이용하는 슬러리 조성물은 입자의 밀도가 크기 때문에 연마성이 우수하지만, 반면 응집이 잘 이루어져 분산안정성 및 저장안정성이 우수하지 못한 단점이 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘막 슬러리 조성물은 슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자를 1 내지 10 중량%의 함량으로 포함하는 것으로, 통상적으로 14중량% 이상을 포함하여야 하는 실리카 슬러리 조성물에 비교하여 상대적으로 적은 양을 포함한다는 장점이 있고, 2 종류의 슬러리 조성물을 이용하여 2 단계로 진행하는 통상적인 공정과는 달리 1액형 또는 2액형 슬러리 조성물로 고단차 제거 및 고평탄화, 높은 선택비 실현이 가능하다.
본 발명에 따르면, 슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 포함하는, 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
아민계 화합물은 트리에틸렌테트라아민(Triethylenetetraamine, TETA), 에틸렌디아민, N,N-디메틸포름아마이드, 수산화 테트라에틸 암모늄, 수산화 테트라메틸 암모늄, 염화 테트라에틸 암모늄, 염화 테트라메틸 암모늄, 불화 테트라에틸 암모늄, 불화 테트라메틸 암모늄, 에탄올 아민, 디메탄올 아민 및 트리메탄올 아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한, 연마입자로는 세리아, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 및 게르마니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 세리아를 사용할 수 있다. 이때, 연마입자는 직경 10 내지 500 nm일 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 300 nm일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물은 1액형으로 사용할 수 있으며, 2액형으로도 사용할 수 있다.
폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물의 제조방법은, 슬러리 조성물 전체 100중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부 및 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 15 내지 35℃의 상온에서 10 분 이상 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 아민계 화합물은 트리에틸렌테트라아민(TETA), 에틸렌디아민, N,N-디메틸포름아마이드, 수산화 테트라에틸 암모늄, 수산화 테트라메틸 암모늄, 염화 테트라에틸 암모늄, 염화 테트라메틸 암모늄, 불화 테트라에틸 암모늄, 불화 테트라메틸 암모늄, 에탄올 아민, 디메탄올 아민 및 트리메탄올 아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이다.
본 발명을 하기 실시예로 더욱 상세하게 설명하며, 다만 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예
1
100nm 입경을 갖는 세리아 연마입자 1 내지 10중량%, 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제 0.001 내지 3중량%, 탈이온수 87 내지 98.999중량%를 상온에서 10분 이상 혼합하여 슬러리 조성물을 제조하였다.
실시예
2
트리에틸렌테트라아민 대신 에틸렌디아민을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리 조성물을 제조하였다.
실시예
3
트리에틸렌테트라아민 대신 N,N-디메틸포름아마이드를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리 조성물을 제조하였다.
실시예
4
300 nm 입경을 갖는 세리아 연마입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리 조성물을 제조하였다.
비교예
100nm 입경을 갖는 세리아 연마입자 1 내지 10중량%, 탈이온수 90 내지 99중량%를 상온에서 10분 이상 혼합하여 슬러리 조성물을 제조하였다.
슬러리
조성물의 물성 평가
산화막
제거율
실시예 1 내지 4 및 비교예에 있어서, 38회에 걸쳐 연마 전후의 산화막 두께를 측정하여 산화막 제거율을 평가하였다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율 결과를 도시한 그래프이다. 도 1 및 2를 참조하면, 비교예, 실시예 2 및 3의 경우 연마 후 산화막의 제거가 많이 이루어진 반면, 실시예 1 및 4의 경우 산화막 제거가 거의 이루어지지 않았음을 확인할 수 있다. 이로써, 1 내지 10중량%의 세리아연마입자, 87 내지 98.999중량%의 탈이온수, 0.001 내지 3중량%의 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제를 포함한 슬러리 조성물에 있어서 산화막에서의 연마정지 기능이 특히 우수하였음을 알 수 있으며, 산화막에서의 연마 정지기능 구현에 있어서 슬러리에 포함된 세리아의 입경에는 크게 좌우되지 않음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 균일성 결과를 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 세리아 및 탈이온수만을 포함하는 비교예와 비교하였을 때, 본 발명의 실시예에 있어서 균일성이 더 우수하였음을 확인할 수 있으며, 트리에틸렌테트라아민을 포함하는 실시예 1 및 4의 경우 특히 고평탄화 실현이 우수하였음을 확인할 수 있었다.
폴리실리콘막
제거율
실시예 1 내지 4 및 비교예에 있어서, 38회에 걸쳐 연마 전후의 폴리실리콘막 두께를 측정하여 폴리실리콘막 제거율을 평가하였다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 제거율 결과를 도시한 그래프이다. 도 4 및 5를 참조하면, 세리아 및 탈이온수만을 포함하는 비교예와는 달리 실시예 1 내지 4에서 모두 폴리실리콘막 연마 성능이 우수함을 확인할 수 있다. 특히 아민계 화합물로 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제를 사용한 실시예 1 및 4의 경우 폴리실리콘막의 연마 성능이 우수하였다. 이로써, 세리아 연마입자와 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제를 포함한 슬러리 조성물 있어서 폴리실리콘막에서의 연마 성능이 특히 우수하였음을 알 수 있으며, 폴리실리콘막에서의 고단차 제거 기능 구현에 있어서 세리아의 입경에는 크게 좌우되지 않음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 폴리실리콘막 균일성 결과를 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 세리아 및 탈이온수만을 포함하는 비교예의 경우 폴리실리콘막에서의 연마가 거의 이루어지지 않았기 때문에 균일성이 약하게 유지된 반면, 실시예 1의 경우는 폴리실리콘막에서 매우 우수한 연마 성능을 나타냄과 동시에 균일성 역시 우수하였음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서의 산화막 제거율(PETEOS) 및 폴리실리콘막 제거율(POLY) 결과를 도시한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 아민계 화합물로 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제를 사용한 실시예 1 및 4의 경우 폴리실리콘막에 대한 고단차 제거 능력과 산화막에서의 연마정지 기능 구현이 특히 우수함을 확인할 수 있었으며, 슬러리 조성물에 있어서 포함된 세리아 입경의 크기에는 크게 좌우되지 않음을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 산화막에서의 연마정지 기능 구현 결과를 도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 아민계 화합물로 트리에틸렌테트라아민 화합물 첨가제를 사용한 실시예 1 및 4의 경우 산화막에서의 연마정지 기능 구현이 특히 우수함을 확인할 수 있었고, 특히 100 nm 입경의 세리아를 사용한 실시예 1의 경우 산화막에서의 연마정지 기능 구현이 가장 우수한 것으로 확인할 수 있었다.
분산안정성
실시예 1에 있어서, pH 변화에 따른 제타 전위를 측정하였다. 도 9는 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물에 있어서 분산안정성 결과를 도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, pH 변화에도 불구하고 제타 전위값에 변화가 거의 없어 분산안정성이 우수함을 확인할 수 있었다.
Claims (7)
- 슬러리 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 트리에틸렌테트라아민(TETA), 에틸렌디아민 및 N,N-디메틸포름아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서
상기 연마입자는 세리아, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 및 게르마니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인, 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 연마입자는 직경 10nm 내지 500 nm인 것을 특징으로 하는, 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 슬러리 조성물을 1액형 또는 2액형으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물.
- 슬러리 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 연마입자 1 내지 10 중량부, 트리에틸렌테트라아민(TETA), 에틸렌디아민 및 N,N-디메틸포름아마이드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 아민계 화합물 첨가제 0.001 내지 3 중량부를 상온에서 10분 이상 혼합하는 단계를 포함하는, 폴리실리콘 연마용 슬러리 조성물의 제조방법.
- 삭제
Priority Applications (1)
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| KR1020110062988A KR101252390B1 (ko) | 2011-06-28 | 2011-06-28 | 폴리실리콘막 연마용 슬러리 조성물 |
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| KR1020110062988A KR101252390B1 (ko) | 2011-06-28 | 2011-06-28 | 폴리실리콘막 연마용 슬러리 조성물 |
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| KR100611064B1 (ko) * | 2004-07-15 | 2006-08-10 | 삼성전자주식회사 | 화학 기계적 연마 공정용 슬러리 조성물, 상기 슬러리조성물을 이용한 화학 기계적 연마 방법 및 상기 방법을이용한 게이트 패턴의 형성 방법 |
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