KR101259489B1 - 금속연마액 및 그것을 이용하는 연마방법 - Google Patents

금속연마액 및 그것을 이용하는 연마방법 Download PDF

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Abstract

일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 금속용 연마액, 및 상기 금속용 연마액을 이용한 화학적 기계적 연마방법. 일반식(1)에 있어서, R1은 알킬렌기를 나타내고, R2 및 R3은 각각 독립적으로, 수소원자, 할로겐원자, 아실기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 또는 아릴기를 나타낸다.

Description

금속연마액 및 그것을 이용하는 연마방법{METAL POLISHING LIQUID AND POLISHING METHOD USING IT}
본 발명은 반도체 디바이스의 제조에 관한 것으로, 특히 반도체 디바이스의 배선공정에 있어서의 금속용 연마액 및 금속의 화학적 기계적 연마방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로(이하 LSI로 기재한다)로 대표되는 반도체 디바이스의 개발에 있어서는, 소형화·고속화를 위해서, 배선의 미세화와 적층화에 의한 고밀도화·고집적화가 요구되고 있다. 최근 배선용의 금속으로서 배선저항이 낮은 동을 이용한 LSI가 개발되어 있다. 이것을 위한 기술로서는, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 CMP로 기재한다) 등의 여러가지 기술이 이용되어 오고 있다.
CMP는 적층화로 발생한 웨이퍼 표면의 요철을 평탄화하기 위한 기술이다. 일반적인 방법은, 원형의 연마정반(플래튼)상에 연마패드를 부착하고, 연마패드 표면을 연마액으로 적시고, 패드에 기반(웨이퍼)의 표면을 밀착시킨다. 그 후, 그 이면으로부터 소정의 압력(연마압력)을 가한 상태로, 연마정반 및 기반의 쌍방을 회전 시켜, 발생되는 기계적 마찰에 의해 기반의 표면을 평탄화하는 것이다.
CMP에 이용하는 금속용 연마액은, 일반적으로는 숫돌입자(예를 들면 알루미나, 실리카)와 산화제(예를 들면 과산화수소)를 함유하는 것이다. 이것은, 산화제에 의해 금속표면을 산화시키고, 그 산화피막을 숫돌입자로 제거함으로써 연마하고 있다고 생각되고 있다.
그러나, 이러한 금속용 연마액을 이용하여 CMP를 행하면, 연마 흠집(스크래치), 연마면 전체가 필요 이상으로 연마되는 현상(시닝), 연마 금속면이 평면상은 아니고, 중앙만이 보다 깊게 연마되어서 접시상의 움푹 패인 곳을 발생시키는 현상(디싱), 금속 배선간의 절연체가 필요 이상으로 연마된다. 또한, 복수의 배선 금속면 표면이 접시상의 오목부를 형성하는 현상(에로젼) 등이 발생하는 일이 있다. 특히, 근래에는 한층 더 고밀도화·고집적화가 꾀해지고 있기 때문에, 디싱 저감에의 요구는 점점 강해지고 있다. 또한, 최근에는 생산성 향상을 위해서, LSI 제조시의 웨이퍼 직경이 대형화되고 있다. 이 때문에, 현재는 직경 200㎜이상이 범용되고, 300㎜이상의 크기로의 제조도 개시되기 시작했다. 이러한 대형화에 따라, 웨이퍼 중심부와 주변부에서의 연마 속도의 차가 커져, 면내 균일성에 대한 개선 요구가 강해져 오고 있다. 또한, 최근에는, 기계적 강도가 약한 절연재료를 이용해도 막박리가 발생하지 않도록, 저압력하에서 연마를 행했을 때라도 충분한 연마 속도가 얻어지는 방법이 요구되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 숫돌입자를 함유하지 않고, 과산화수소/말산/벤조트리아졸/폴리아크릴산 암모늄 및 물로 이루어지는 금속용 연마액이 일본 특허공개 2001-127019호 공보에 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 오목부에 금속막이 남겨진 도체패턴이 얻어진다. 그러나, 충분한 연마 속도를 얻기 어렵다는 문제점을 갖고 있었다. 또한 연마패드의 열화를 억제하는 유기 화합물을 함유하는 화학기계 연마용 수계 분산체가 일본 특허공개 2001-279231호 공보에 개시되어 있다. 그러나, 디싱현상 대한 우려가 남는다. 디싱 억제 방법으로서, 처음에 상온에서 제 1 단계의 연마를 행하고, 계속해서 계의 온도를 저하시켜서 제 2 단계의 연마를 행함으로써 디싱을 억제하는 방법이 일본 특허공개 평 8-83780호 공보에 기재되어 있다. 그러나, 프로세스 비용이 높아, 범용성이 결여된다.
상기 문제점을 고려해서 이루어진 본 발명은, 반도체 디바이스 제조의 피연마체의 저디싱을 달성하고, 동 등의 금속배선과 동의 확산 방지막인 배리어 금속의 연마 속도비의 확보가 뛰어난, 화학적 기계적 평탄화에 이용할 수 있는 금속용 연마액, 및 이러한 연마액을 이용한 화학적 기계적 연마방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 제 1 형태는, 일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 금속용 연마액이다.
Figure 112006068194750-pat00002
〔R1은 알킬렌기를 나타낸다. R2 및 R3은 각각 독립적으로, 수소원자, 할로겐원자, 아실기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 또는 아릴기를 나타낸다.〕
본 발명의 제 2 형태는, 일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 금속용 연마액을 피연마면과 접촉시키고, 피연마면과 연마면을 상대운동시켜서 연마하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마방법이다.
이하, 본 발명의 구체적 형태에 대해서 설명한다.
(금속용 연마액)
본 발명의 금속용 연마액은, 구성성분으로서 일반식(1)에서 나타내어지는 화합물, 복소 방향환 화합물 및 산화제를 함유한다. 상기 금속용 연마액은, 숫돌입자를 함유하는 것이 바람직하다. 통상은, 각 성분을 용해해서 이루어지는 수용액에 숫돌입자를 분산시켜 이루어지는 슬러리의 형태를 취한다.
금속용 연마액이 함유하는 각 성분에 대해서, 이하에 상세하게 서술한다. 각각의 성분은 1종만을 이용해도 좋고, 2종이상을 병용해도 좋다.
또한, 본 발명에 있어서 「금속용 연마액 」이란, 연마에 사용하는 조성(농도)의 연마액 뿐만 아니라, 사용시에 필요에 따라 희석해서 이용하는 연마 농축액도 본 발명에서는 특별히 언급하지 않는 한, 연마액이라고 칭한다. 농축액은 연마에 사용할 때에, 물 또는 수용액 등으로 희석하여 연마에 사용된다. 희석배율은 일반적으로는 1~20체적배이다.
다음에, 본 발명의 연마액의 성분에 대해서 설명한다.
(일반식(1)에서 나타내어지는 화합물)
Figure 112006068194750-pat00003
R1은 알킬렌기를 나타낸다.
R2 및 R3은 각각 독립적으로, 수소원자, 할로겐원자, 아실기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 또는 아릴기를 나타낸다.
일반식(1)에서 나타내어지는 화합물은 당업계에서 소위 「유기산」으로 불리는 것 중 하나로, 동배선의 연마 속도에 크게 관계된다. 종래 알려져 있던 유기산은, 글리신 등의 아미노산이나 말산, 주석산, 구연산 등의 카르복실산류이다. 공지의 유기산에 비해서, 본 발명의 상기식 아미노산은 디싱의 발생이 억제되어, 동배선과 배리어 금속의 연마 속도비가 높다.
그 메커니즘은 명확하지 않지만, 술폰산기의 높은 해리성이 영향을 주고 있다고 추측하고 있다.
일반식(1)에 있어서의 R1로서의 알킬렌기는, 직쇄상, 분기상, 환상 중 어느 하나이여도 좋다. 바람직하게는 탄소수 1~8이며, 보다 바람직하게는 탄소수 1~3이다. 예를 들면 메틸렌기, 에틸렌기를 들 수 있다. 알킬렌기가 갖고 있어도 좋은 치 환기로서는, 수산기, 할로겐원자 등을 들 수 있다.
일반식(1)에 있어서, R2 및 R3은 각각 독립적으로, 수소원자, 할로겐원자, 아실기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 또는 아릴기를 나타낸다. R2 및 R3으로 나타내어지는 알킬기, 알케닐기, 및 알키닐기는 직쇄상, 분기상, 환상 중 어느 하나이여도 좋다.
R2 및 R3으로서의 알킬기는, 바람직하게는 탄소수 1~8이다. 예를 들면 메틸기, 에틸기를 들 수 있다.
R2 및 R3으로서의 아실기는, 바람직하게는 탄소수 2~9이다. 예를 들면 메틸카르보닐기를 들 수 있다.
R2 및 R3으로서의 각 기가 가져도 좋은 치환기로서는, 수산기, 아미노기, 할로겐원자를 들 수 있다.
하기에, 대표적인 일반식(1)에서 나타내어지는 화합물을 하기에 나타내지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
Figure 112006068194750-pat00004
Figure 112012097671120-pat00010
일반식(1)에서 나타내어지는 화합물의 첨가량은, 연마에 사용할 때의 연마액의 1L 중, 0.0005~0.5mol로 하는 것이 바람직하고, 0.005mol~0.3mol로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.01mol~0.1mol로 하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 첨가량은, 에칭의 억제의 점에서 0.5mol이하가 바람직하다. 충분한 효과를 얻는 경우에는 0.0005mol이상이 바람직하다.
(복소 방향환 화합물)
본 발명의 금속용 연마액은, 연마대상의 금속표면에 부동태막을 형성하는 화합물로서 복소 방향환 화합물을 함유한다. 또한, 본 발명에 있어서 「복소 방향환 화합물」이란, 적어도 1개의 헤테로원자를 함유한 방향환을 갖는 화합물이다.
복소 방향환 화합물에 함유되는 헤테로원자의 수는 한정되는 것은 아니다. 복소 방향환 화합물의 헤테로원자수는, 2개이상이 바람직하다. 복소 방향환 화합물 은, 더욱 바람직하게는 4개이상의 헤테로원자를 함유하는 화합물이다. 특히, 3개이상의 질소원자를 함유하는 복소 방향환 화합물을 이용하는 것은 바람직하다. 4개이상의 질소원자를 함유하는 복소 방향환 화합물을 이용하면 본 발명의 현저한 효과가 얻어져, 바람직하다.
또한, 복소 방향환은 단환이여도 축합환을 갖는 다환이여도 좋다. 단환인 경우의 원수는, 바람직하게는 5~7이며, 특히 바람직하게는 5이다. 축합환을 갖는 경우의 환수는, 바람직하게는 2 또는 3이다.
이들 복소환으로서 구체적으로, 이하의 것을 들 수 있다.
피롤환, 티오펜환, 푸란환, 피란환, 티오피란환, 이미다졸환, 피라졸환, 티아졸환, 이소티아졸환, 옥사졸환, 이소옥사졸환, 피리딘환, 피라진환, 피리미딘환, 피리다진환, 피롤리딘환, 피라졸리딘환, 이미다졸리딘환, 이소옥사졸리딘환, 이소티아졸리딘환, 피페리딘환, 피페라진환, 모르폴린환, 티오모르폴린환, 크로만환, 티오크로만환, 이소크로만환, 이소티오크로만환, 인돌린환, 이소인돌린환, 피린딘환, 인돌리진환, 인돌환, 인다졸환, 퓨린환, 퀴놀리진환, 이소퀴놀린환, 퀴놀린환, 나프틸리딘환, 프탈라진환, 퀴녹살린환, 퀴나졸린환, 신놀린환, 프테리딘환, 아크리딘환, 페리미딘환, 페난트롤린환, 카르바졸환, 카르볼린환, 페나진환, 안티리딘환, 티아디아졸환, 옥사디아졸환, 트리아진환, 트리아졸환, 테트라졸환, 벤조이미다졸환, 벤조옥사졸환, 벤조티아졸환, 벤조티아디아졸환, 벤조푸록산환, 나프토이미다졸환, 벤조트리아졸환, 테트라아자인덴환 등을 들 수 있고, 보다 바람직하게는 트리아졸환, 테트라졸환을 들 수 있다.
본 발명에서 이용하는 복소 방향환 화합물에 도입할 수 있는 치환기로서는, 예를 들면 이하의 것을 들 수 있다.
복소환을 가질 수 있는 치환기로서는, 예를 들면 할로겐원자, 알킬기(직쇄, 분기 또는 환상의 알킬기이며, 비시클로알킬기와 같이 다환 알킬기이여도, 활성 메틴기를 함유해도 좋다), 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 아미노기, 헤테로환기를 들 수 있다. 또한, 복수의 치환기 중 2이상이 서로 결합되어 환을 형성해도 좋고, 예를 들면 방향환, 지방족 탄화수소환, 복소 방향환 등을 형성할 수도 있다.
본 발명에서 특히 바람직하게 이용할 수 있는 복소 방향환 화합물의 구체예로서는 이하의 것을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
즉, 1,2,3,4-테트라졸, 5-아미노-1,2,3,4-테트라졸, 5-메틸-1,2,3,4-테트라졸, 1,2,3-트리아졸, 4-아미노-1,2,3-트리아졸, 4,5-디아미노-1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸이다.
본 발명에서 이용하는 복소 방향환 화합물은, 단독으로 이용해도 좋고, 2종이상 병용해도 좋다. 또한, 본 발명에서 이용하는 복소 방향환 화합물은, 상법에 따라서 합성할 수 있다. 그 밖에, 시판품을 사용해도 좋다.
본 발명에서 이용하는 복소 방향환 화합물의 첨가량은, 총량으로서, 연마에 사용할 때의 금속용 연마액(즉, 물 또는 수용액으로 희석하는 경우에는 희석 후의 금속용 연마액. 이후의 「연마에 사용할 때의 금속용 연마액」도 동의이다.)의 1L 중, 0.0001~0.1mol이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0005~0.05mol, 더욱 바람직 하게는 0.0005~0.01mol이다. 0.0001mol보다 적으면, 디싱이 저감되지 않고, 0.1mol보다 많으면, 연마 속도가 현저하게 저하되는 경우가 있다.
(산화제)
본 발명의 금속용 연마액은, 연마대상인 금속을 산화시킬 수 있는 화합물(산화제)을 함유한다.
구체적으로는, 과산화수소, 과산화물, 질산염, 요오드산염, 과요오드산염, 차아염소산염, 아염소산염, 염소산염, 과염소산염, 과황산염, 중크롬산염, 과망간산염, 오존수 및 은(Ⅱ)염, 철(Ⅲ)염을 들 수 있지만, 과산화수소가 보다 바람직하게 이용된다.
산화제의 첨가량은, 연마에 사용할 때의 금속용 연마액의 1L 중, 0.003mol~8mol로 하는 것이 바람직하고, 0.03mol~6mol로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.1mol~4mol로 하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 산화제의 첨가량은, 금속의 산화가 충분해서 높은 CMP속도를 확보하는 점에서 0.003mol이상이 바람직하다. 연마면의 거칠함 방지의 점에서 8mol이하가 바람직하다.
(유기산)
본 발명의 금속용 연마액은, 상기 일반식(1)에서 나타내어지는 유기산과는 별도로, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 유기산을 함유할 수도 있다. 이러한 유기산으로서는, 수용성인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 아미노산이나 그 이외의 유기산이다.
이러한 아미노산으로서는, 이하의 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
글리신, L-알라닌, β-알라닌, L-2-아미노낙산, L-노르발린, L-발린, L-류신, L-노르류신, L-이소류신, L-알로이소류신, L-페닐알라닌, L-프롤린, 사르코신, L-오르니틴, L-리신, 타우린, L-세린, L-트레오닌, L-알로트레오닌, L-호모세린, L-티로신, 3,5-디요오드-L-티로신, β-(3,4-디히드록시페닐)-L-알라닌, L-티록신, 4-히드록시-L-프롤린, L-시스틴, L-메티오닌, L-에티오닌, L-란티오닌, L-시스타티오닌, L-시스틴, L-시스틴산, L-아스파라긴산, L-글루타민산, S-(카르복시메틸)-L-시스틴, 4-아미노낙산, L-아스파라긴, L-글루타민, 아자세린, L-아르기닌, L-카나바닌, L-시트룰린, δ-히드록시-L-리신, 크레아틴, L-키뉴레닌, L-히스티딘, 1-메틸-L-히스티딘, 3-메틸-L-히스티딘, 에르고티오네인, L-트립토판, 악티노마이신C1, 아파민, 앤지오텐신Ⅰ, 앤지오텐신Ⅱ 및 안티파인 등의 아미노산 등을 들 수 있다.
아미노산 이외의 유기산으로서는, 이하의 군으로부터 선택된 것이 보다 적합하다.
포름산, 초산, 프로피온산, 낙산, 길초산, 2-메틸낙산, n-헥산, 3,3-디메틸낙산, 2-에틸낙산, 4-메틸펜탄산, n-헵탄산, 2-메틸헥산, n-옥탄산, 2-에틸헥산, 안식향산, 글리콜산, 살리실산, 글리세린산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아지핀산, 피멜린산, 말레인산, 프탈산, 말산, 주석산, 구연산, 유산, 히드록시에틸이미노2초산, 이미노2초산, 디히드록시에틸글리신, 및 이들의 암모늄염이나 알칼리금속염 등의 염을 들 수 있다. 이들 중에서는 말산, 주석산, 구연산, 히드록시에틸이미노2초산, 이미노2초산, 디히드록시에틸글리신 등이 바람직하다.
일반식(1)에서 나타내어지는 유기산과는 별도로 첨가한 유기산의 함유량은, 금속용 연마액 1L 중, 0.0005~5mol인 것이 바람직하고, 0.01~0.5mol인 것이 보다 바람직하다.
(숫돌입자)
본 발명의 금속용 연마액은 숫돌입자를 함유하는 것이 바람직하다. 바람직한 숫돌입자로서는, 예를 들면 실리카(침강 실리카, 흄드 실리카, 콜로이달 실리카, 합성 실리카), 세리아, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 게르마니아, 산화망간, 탄화규소, 폴리스티렌, 폴리아크릴, 폴리테레프탈레이트 등을 들 수 있다. 특히, 콜로이달 실리카를 이용하면, 본 발명의 현저한 효과가 얻어져, 바람직하다.
숫돌입자의 첨가량으로서는, 사용할 때의 금속용 연마액 1L 중에 0.05~20g의 숫돌입자를 함유하는 것이 바람직하고, 특히 0.2~5g의 숫돌입자를 함유하면 본 발명의 효과가 현저하게 얻어져, 바람직하다.
또한, 숫돌입자는 체적 평균 입경 5~200nm가 바람직하고, 특히 20~70nm의 숫돌입자를 이용하면 본 발명의 효과가 현저하게 얻어져, 바람직하다.
본 발명의 금속용 연마액은, 다른 성분을 더 함유해도 좋고, 예를 들면 계면활성제, 친용성 폴리머, 및, 그 밖의 첨가제를 들 수 있다.
(계면활성제/친수성 폴리머)
본 발명의 연마액은, 계면활성제나 친수성 폴리머를 함유하는 것이 바람직하다.
계면활성제와 친수성 폴리머는, 모두 피연마면의 접촉각을 저하시키는 작용을 갖고, 균일한 연마를 재촉하는 작용을 갖는다. 이용되는 계면활성제나 친수성 폴리머로서는, 이하의 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
음이온 계면활성제로서, 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염을 들 수 있고, 양이온 계면활성제로서, 지방족 아민염, 지방족 4급 암모늄염, 염화벤잘코늄염, 염화벤제토늄, 피리디늄염, 이미다졸리늄염을 들 수 있고, 양성 계면활성제로서, 카르복시베타인형, 아미노카르복실산염, 이미다졸리늄베타인, 레시틴, 알킬아민옥사이드를 들 수 있고, 비이온 계면활성제로서, 에테르형, 에테르에스테르형, 에스테르형, 함질소형을 들 수 있고, 또한, 불소계 계면활성제 등을 들 수 있다.
또한, 친수성 폴리머로서는, 폴리에틸렌글리콜 등의 폴리글리콜류, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 알긴산 등의 다당류, 폴리메타크릴산 등의 카르복실산함유 폴리머 등을 들 수 있다.
또한, 상기의 것은, 산 혹은 그 암모늄염 쪽이 알칼리 금속, 알칼리토류 금속, 할로겐화물 등에 의한 오염이 없어 바람직하다. 상기 예시 화합물 중에서도 구체적으로는, 시클로헥사놀, 폴리아크릴산 암모늄염, 폴리비닐알코올, 숙신산 아미드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리옥시에틸렌폴리옥시프로필렌블럭폴리머가 보다 바람직하다.
이들 계면활성제나 친수성 폴리머의 중량 평균 분자량으로서는, 500~100000이 바람직하고, 특히는 2000~50000이 바람직하다.
계면활성제 및 / 또는 친수성 폴리머의 첨가량은, 총량으로서, 연마에 사용할 때의 금속용 연마액의 1L 중, 0.001~10g으로 하는 것이 바람직하고, 0.01~5g으 로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.1~3g으로 하는 것이 특히 바람직하다.
(pH조정제)
본 발명의 금속용 연마액은, 소정의 pH로 하기 위해서, 알칼리/산 또는 완충제를 함유하는 것이 바람직하다.
알칼리/산 또는 완충제로서는, 수산화암모늄 및 테트라메틸암모늄하이드록사이드 등의 유기 수산화암모늄, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 트리이소프로판올아민 등과 같은 알카놀아민류 등의 비금속 알칼리제, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬 등의 알칼리 금속 수산화물, 질산, 황산, 인산 등의 무기산, 탄산나트륨등의 탄산염, 인산3나트륨 등의 인산염, 붕산염, 4붕산염, 히드록시 안식향산염 등을 바람직하게 들 수 있다. 특히 바람직한 알칼리제로서 수산화암모늄, 수산화칼륨, 수산화리튬 및 테트라메틸암모늄하이드록사이드이다.
알칼리/산 또는 완충제의 첨가량으로서는, pH가 바람직한 범위로 유지되는 양이면 좋고, 연마에 사용할 때의 금속용 연마액의 1L 중, 0.0001mol~1.0mol로 하는 것이 바람직하고 0.003mol~0.5mol로 하는 것이 보다 바람직하다.
연마에 사용할 때의 금속용 연마액의 pH는 3~12가 바람직하고, 보다 바람직하게는 4~9이며, 특히 5~8이 바람직하다. 이 범위에 있어서 본 발명의 금속연마액은 특히 뛰어난 효과를 발휘한다.
(킬레이트제)
본 발명의 금속용 연마액은, 혼입되는 다가 금속이온 등의 악영향을 저감시키기 위해서, 필요에 따라서 킬레이트제를 함유하고 있어도 좋다. 킬레이트제로서 는, 칼슘이나 마그네슘의 침전 방지제인 범용의 경수연화제나 그 유연화합물을 이용할 수 있고, 필요에 따라서 이들을 2종이상 병용해도 좋다. 킬레이트제의 첨가량은 혼입되는 다가 금속이온 등의 금속이온을 봉쇄하는데에 충분한 양이면 좋고, 예를 들면 연마에 사용할 때의 금속용 연마액의 1L 중, 0.0003mol~0.07mol이 되도록 첨가한다.
다음에, 연마되는 반도체 집적회로 웨이퍼에 대해서 설명한다.
(배선금속재료)
본 발명에 있어서의 연마대상은 동 또는 동합금으로 이루어지는 배선을 갖는 LSI이며, 동합금 중에서도 은을 함유하는 동합금이 적합하다. 동합금에 함유되는 은함량은, 10질량％이하, 또한 1질량％이하에서 뛰어난 효과를 발휘하고, 0.00001~0.1질량％의 범위인 동합금에 있어서 가장 뛰어난 효과를 발휘한다.
(배선의 폭)
본 발명의 대상인 반도체는, 예를 들면 DRAM 디바이스계에서는 하프 피치에서 0.15㎛이하이며 특히는 0.10㎛이하, 또한 0.08㎛이하의 배선을 갖는 LSI인 것이 바람직하다. 한편, MPU 디바이스계에서는 0.12㎛이하이며 특히는 0.09㎛이하, 또한 0.07㎛이하의 배선을 갖는 LSI인 것이 바람직하다. 이들 LSI에 대하여, 본 발명의 연마액은 특히 뛰어난 효과를 발휘한다.
(배리어 금속)
동배선과 층간 절연막 사이에는, 동의 확산을 막기 위한 배리어층을 형성할 수 있다. 배리어층으로서는 저저항의 메탈 재료, 예를 들면 TiN, TiW, Ta, TaN, W, WN, Ru가 바람직하고, 그 중에서도 Ta, TaN이 특히 바람직하다. 이들 배리어 재료자체가 도전성의 성질을 갖고 있기 때문에, 리크전류 등의 에러 발생을 막기 위해서 절연층상의 배리어 재료는 완전하게 제거되는 것이 바람직하다. 본 발명의 금속용 연마액은, 이러한 배리어층의 연마에 바람직하게 이용할 수 있다.
(절연막)
절연막으로서는, 무기 절연막이나 유기 절연막을 적용할 수 있다. 무기 절연막의 제작방법으로서, 정압 CVD법, 플라즈마 CVD법 등을 들 수 있다. 유기계에서는 테트라알콕시실란의 가수분해 생성물을 주성분으로 하는 도포형의 절연막, 유기 SOG라고 불리는 폴리오르가노실록산을 주성분으로 하는 저비유전률의 층간 절연막을 들 수 있다.
다음에, 연마의 방법에 대해서 설명한다.
(연마장치)
본 발명을 실시할 수 있는 장치는, 피연마면을 갖는 반도체 기판 등을 유지하는 홀더와 연마패드를 부착한(회전수가 변경가능한 모터 등이 부착되어 있다) 연마정반을 갖는 일반적인 연마장치를 사용할 수 있고, 직경 300㎜의 웨이퍼를 연마할 수 있는 장치이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 FREZX300(에바라세이사쿠쇼)을 이용할 수 있다.
(연마액 공급방법)
본 발명에서는 대상금속을 연마하는 동안, 연마정반상의 연마패드에 금속용 연마액을 펌프 등으로 연속적으로 공급한다. 이 공급량에 제한은 없지만, 연마패드 의 표면이 항상 연마액으로 덮여 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 농축된 금속용 연마액에 물 또는 수용액을 첨가하여 희석해서 사용할 수도 있다. 희석방법으로서는, 예를 들면 농축된 금속용 연마액을 공급하는 배관과 물 또는 수용액을 공급하는 배관을 도중에서 합류시켜 혼합하고, 희석된 금속용 연마액을 연마패드에 공급하는 방법 등을 들 수 있다. 이 경우의 혼합은, 압력을 가한 상태로 좁은 통로를 통과시켜 액끼리를 충돌 혼합하는 방법, 배관 중에 유리관 등의 충전물을 채워 플라즈마의 흐름을 분류 분리, 합류시키는 것을 반복해서 행하는 방법, 배관 중에 동력으로 회전하는 날개를 설치하는 방법 등 통상으로 행해지고 있는 방법을 이용할 수 있다.
또한, 다른 희석방법으로서는, 금속용 연마액을 공급하는 배관과 물 또는 수용액을 공급하는 배관을 독립적으로 설치해서, 각각으로부터 소정량의 액을 연마패드에 공급하고, 연마패드와 피연마면의 상대운동에 의해 혼합하는 방법도 본 발명에 이용할 수 있다.
또한, 1개의 용기에 소정량의 농축된 금속용 연마액과 물 또는 수용액을 넣어서 혼합하고, 소정의 농도로 희석한 후에, 그 혼합액을 연마패드에 공급하는 방법도 본 발명에 적용할 수 있다.
이들 방법 이외에, 금속용 연마액이 함유해야 할 성분을 적어도 2개의 구성성분으로 나누고, 이들을 사용할 때에, 물 또는 수용액을 첨가하여 희석해서 연마패드에 공급하는 방법도 본 발명에 이용할 수 있다. 이 경우, 산화제를 함유하는 성분과 산을 함유하는 성분으로 분할해서 공급하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 산화제를 하나의 구성성분(A)으로 하고, 산, 첨가제, 계면활성제 및 물을 하나의 구성성분(B)으로 해서, 이들을 사용할 때에 물 또는 수용액으로 구성성분(A)과 구성성분(B)을 희석해서 사용한다. 이 경우, 구성성분(A)과 구성성분(B)과 물 또는 수용액을 각각 공급하는 3개의 배관이 필요하며, 3개의 배관을 연마패드에 공급하는 1개의 배관에 결합시켜, 그 배관내에서 혼합해도 좋고, 2개의 배관을 결합시키고 나서 다른 1개의 배관을 결합시켜 혼합해도 좋다. 예를 들면, 용해하기 어려운 첨가제를 함유하는 구성성분과 다른 구성성분을 혼합하고, 혼합경로를 길게 해서 용해시간을 확보하고 나서, 다시 물 또는 수용액의 배관을 결합시킴으로써 연마액을 공급하는 것도 가능하다.
또한, 상기의 3개의 배관을 각각 연마패드에 도입하여 연마패드와 피연마면의 상대운동에 의해 혼합해서 공급해도 좋고, 1개의 용기에 3개의 구성성분을 혼합한 후에, 그 혼합액을 연마패드에 공급해도 좋다. 또한, 금속용 연마액을 농축액으로 하고, 희석수를 별도로 해서 연마면에 공급해도 좋다.
(패드)
본 발명의 금속용 연마액을 이용하여 화학적 기계적 연마방법을 실시할 때에 이용하는 연마용의 패드에는 특별히 제한은 없고, 무발포 구조 패드이여도 발포 구조 패드이여도 좋다. 전자는 플라스틱판과 같이 경질의 합성수지 벌크재를 패드에 이용하는 것이다. 또한 후자는 독립 발포체(건식발포계), 연속 발포체(습식발포계), 2층 복합체(적층계)의 3개가 있고, 특히는 2층 복합체(적층계)가 바람직하다. 발포는, 균일해도 불균일해도 좋다.
또한 연마에 이용하는 숫돌입자(예를 들면 세리아, 실리카, 알루미나, 수지 등)를 함유한 것이여도 좋다. 또한, 각각 경도는 연질인 것과 경질인 것이 있고, 어느 쪽이여도 좋고, 적층계에서는 각각의 층에 다른 경도의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 재질로서는 부직포, 인공피혁, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리카보네이트 등이 바람직하다. 또한, 연마면과 접촉하는 면에는, 격자홈/구멍/동심홈/나선상 홈 등의 가공을 실시해도 좋다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 설명한다. 본 발명은 이들의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
하기에 나타내는 연마액을 조제했다.
(연마액의 조제)
·과산화수소(산화제, 간토카가쿠사제) 10g/L
·이미노2초산((주)도우진카가쿠켄큐쇼제) 15g/L
·상기 구체예 화합물1(와코쥰야쿠코교(주)제) 14g/L
·벤조트리아졸(복소 방향환 화합물, 와코쥰야쿠코교사제) 0.5g/L
·콜로이달 실리카(숫돌입자, 후소카가쿠코교사제) 10g/L
·순수를 첨가해서 전체량 1000mL
·pH(암모니아수와 초산으로 조정) 6.8
실시예 2~18 및 비교예 1~4
실시예 1과 마찬가지로 하고, 단, 하기 표 1에 기재된 화합물을 사용하여, 실시예 2~18 및 비교예 1~4의 연마액을 조제했다.
상기 조제한 실시예 1~18 및 비교예 1~4의 연마액에 대해서, 하기의 방법에 의해, 연마시험, CMP속도 및 디싱의 측정을 행하고, CMP속도의 결과로부터 동과 탄탈의 연마 속도비(선택비)를 구했다.
(연마시험)
연마시험에 사용한 부재 및 장치, 및 연마조건은 아래와 같다.
·연마패드: IC1400 K-Grv(로델사)
·연마기: LGP-612(LapmaSterSFT사)
·누름압력: 140kPa
·연마액 공급속도: 200ml/min
·동 블랭킷 웨이퍼: 두께 1.5㎛의 동막을 형성한 웨이퍼(200㎜)
·탄탈 블랭킷 웨이퍼: 두께 1㎛의 탄탈막을 형성한 웨이퍼(200㎜)
·패턴 웨이퍼： atdf사제 CMP 854패턴 웨이퍼(200㎜)
·연마선 속도: 1.0m/sec
·정반 온도조절: 20℃
<CMP속도>
웨이퍼면상의 17개소에 대하여, 금속막의 CMP전후에서의 막두께를 전기 저항값으로부터 환산하여, 평균 연마 속도를 구했다. 이용한 측정장치는, 직류 4탐침식 시트 저항 측정기 VR-120(히타치고쿠사이덴키사제)이다.
<디싱>
시판의 패턴 웨이퍼를 연마하여, 웨이퍼상의 100㎛ 배선부의 디싱량을 측정했다. 피연마물은, 854마스크 패턴 웨이퍼(Sematech사제)이며, 측정장치로서는, 접촉식 단차 측정장치 DektakV320Si(Veeco사제)를 이용했다.
결과를 표 1에 나타낸다.
Figure 112006068194750-pat00006
표 1로부터 명확하듯이, 본 발명의 연마방법에서 이용하는 연마액이 동과 탄탈의 연마 속도비가 높고 또한 디싱의 저감이라는 본 발명의 효과가 가장 현저하게 인정되었다.
이상과 같이, 본 발명은, (1) 일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 금속용 연마액이다.
Figure 112006068194750-pat00007
〔R1은 알킬렌기를 나타낸다. R2 및 R3은 각각 독립적으로, 수소원자, 할로겐원자, 아실기, 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 또는 아릴기를 나타낸다.〕
(2) 상기 일반식(1)에 있어서의 R1이 탄소수 1~8의 알킬렌기인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 금속용 연마액이다.
(3) 상기 복소 방향환 화합물이 1,2,3,4-테트라졸, 5-아미노-1,2,3,4-테트라졸, 5-메틸-1,2,3,4-테트라졸, 1,2,3-트리아졸, 4-아미노-1,2,3-트리아졸, 4,5-디아미노-1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸로부터 선택되는 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 금속용 연마액이다.
(4) 숫돌입자를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 금속용 연마액이다.
(5) 상기 숫돌입자가 콜로이달 실리카인 것을 특징으로 하는 상기 (4)에 기재된 금속용 연마액이다.
(6) 반도체 집적회로의 연마에 이용하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)~(5) 중 어느 한 항에 기재된 금속용 연마액이다.
(7) 상기(1)~(5)에 기재된 금속용 연마액을 피연마면과 접촉시키고, 피연마면과 연마면을 상대운동시켜서 연마하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마방법이다.
본 발명의 연마액 및 그것을 이용한 연마방법에 의하면, 높은 연마 속도이며, 또한 웨이퍼 표면에 있어서의 디싱의 발생이 억제되어, 동배선과 배리어 금속의 연마 속도비를 확보할 수 있다

Claims (13)

  1. 동 또는 동 합금으로 이루어지는 배선 및 Ta 또는 TaN으로 이루어지는 배리어층을 포함하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액으로서,
    일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
    Figure 112012097671120-pat00008
    〔R1은 알킬렌기를 나타낸다. R2 및 R3은 수소원자를 나타낸다.〕
  2. 제 1항에 있어서, 상기 일반식(1)에 있어서의 R1이 탄소수 1~8의 알킬렌기인 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 복소 방향환 화합물이 1,2,3,4-테트라졸, 5-아미노-1,2,3,4-테트라졸, 5-메틸-1,2,3,4-테트라졸, 1,2,3-트리아졸, 4-아미노-1,2,3-트리아졸, 4,5-디아미노-1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸로부터 선택되는 1개이상인 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
  4. 제 1항에 있어서, 숫돌입자를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 숫돌입자가 콜로이달 실리카인 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
  6. 삭제
  7. 동 또는 동 합금으로 이루어지는 배선 및 Ta 또는 TaN으로 이루어지는 배리어층을 포함하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법으로서,
    일반식(1)에서 나타내어지는 화합물과, 복소 방향환 화합물과, 산화제를 함유하는 연마액을 피연마면과 접촉시키고, 피연마면과 연마면을 상대운동시켜서 연마하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
    Figure 112012097671120-pat00009
    〔R1은 알킬렌기를 나타낸다. R2 및 R3은 수소원자를 나타낸다.〕
  8. 제 7항에 있어서, 상기 일반식(1)에 있어서의 R1이 탄소수 1~8의 알킬렌기인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 복소 방향환 화합물이 1,2,3,4-테트라졸, 5-아미노-1,2,3,4-테트라졸, 5-메틸-1,2,3,4-테트라졸, 1,2,3-트리아졸, 4-아미노-1,2,3-트리아졸, 4,5-디아미노-1,2,3-트리아졸, 1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 3,5-디아미노-1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸로부터 선택되는 1개이상인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
  10. 제 7항에 있어서, 숫돌입자를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 숫돌입자가 콜로이달 실리카인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
  12. 제 1항에 있어서, 일반식(1) 중 R1이 -CH2-, -CH2CH2-, -CH2(OH)CH2- 또는 -CH(CH3)-인 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마액.
  13. 제 7항에 있어서, 일반식(1) 중 R1이 -CH2-, -CH2CH2-, -CH2(OH)CH2- 또는 -CH(CH3)-인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 반도체 집적회로 웨이퍼의 연마방법.
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