KR101279962B1 - 금속 배선 연마용 ｃｍｐ 슬러리 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초순수, 연마제, 산화제, 및 부식 억제제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 부식 억제제로 인산 또는 인산염을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선 연마 시의 연마 속도를 어느 정도 유지하면서 금속 배선에 대한 에칭 속도를 감소시킬 수 있으므로, 연마 속도 및 연마 후 금속 표면 특성이 우수한 금속 배선 연마 공정에 유용하다.
금속 배선, CMP 슬러리, 부식 억제제, 인산 또는 인산염, 연마, 에칭, 표면 특성

Description

금속 배선 연마용 ＣＭＰ 슬러리 조성물{Chemical mechanical polishing slurry compositions for polishing metal wirings}
본 발명은 반도체 제조 공정 중 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다. 그 중에서 텅스텐, 알루미늄, 구리 등과 같이, 연마 시 슬러리로 대상막을 부식, 에칭하는 방법으로 불필요한 부분을 제거하는 재료의 연마에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다.
CMP 공정은 반도체 웨이퍼 표면을 연마 패드에 접촉하여 오비탈 운동을 실시하면서 연마제와 각종 화합물들이 함유된 슬러리를 이용하여 평탄하게 연마하는 공정을 말한다. CMP 슬러리는 연마 대상에 따라 분류할 수 있으며, 절연층인 산화실리콘(SiO2) 등을 연마하는 산화막(oxides layer) 연마용 슬러리와 구리나 텅스텐, 알루미늄 층을 연마하는 금속 연마용 슬러리로 크게 분류할 수 있다.
금속은 CMP 슬러리 내에 포함되어 있는 산화제 혹은 에천트를 이용하여 표면을 부식시키면 제거가 용이한 상태의 화합물이 형성된다. 이 금속 화합물을 슬러리 에 함유된 금속 산화물 입자가 물리적으로 제거함으로써 광역적인 평탄화를 이룰 수 있다. 따라서 대상 물질의 신속한 제거를 위해서는 대상 금속에 대한 슬러리의 높은 부식 또는 에칭 효율이 중요하다. 그러나 한편으로 높은 부식 특성은 결함이 없는 소자의 형성에 악영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어 금속은 반도체 소자 내에서 전자를 전달하는 전도성 배선물질로 사용되며, 일반적으로 절연막을 에칭하여 배선의 틀을 만들고 상부에서 대상 금속의 전구 물질을 도포함으로써 배선을 형성시킨다. 이 과정에서 배선의 중심 부분은 배선의 형상에 따라, 혹은 절연층과의 접착 특성에 따라 밀도가 다르게 증착되므로, CMP 공정 시 사용되는 슬러리의 화학적 부식성이 클 경우, 해당 부분이 심한 공격을 받게 되므로, 균일한 배선의 형성이 어려워진다. 따라서 성능이 좋은 금속 CMP 슬러리는 제거 대상이 되는 부분에는 연마가 쉬운 형태의 금속 산화물을 형성하고, 실제 배선 부분에는 치밀한 막을 형성하여 화학적 에칭을 방지하는 특성을 가져야 한다.
금속 CMP 슬러리에 첨가되는 산화제로는 과산화수소(H2O2), 페리시안화칼륨(K3Fe(CN)6), 과망간산칼륨(KMnO4), 질산제이철(Fe(NO3)3) 등이 사용될 수 있다. 상기 산화제중 과산화수소는 CMP 공정 후 웨이퍼에 금속 불순물을 남기지 않을 뿐만 아니라, 값이 저렴하고 사용 후 물과 산소로 분해시켜 처리하므로 유해 잔류 물질을 발생시키지 않는다. 따라서 금속용 CMP 슬러리로는 최적의 산화제라고 할 수 있다. 하지만 산화제로서 과산화수소 등 퍼옥사이드기를 가지는 산화 제를 사용할 경우 상기 화학적 에칭이 많아지는 현상이 발생하여 웨이퍼의 수율을 저하시킬 수 있으므로, 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 배선을 산화시키기 위하여 사용되는 산화제에 의한 과도한 화학적 에칭을 방지하기 위한 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공하고자 한다.
그러므로 본 발명에 의하면 초순수, 연마제, 산화제, 및 부식 억제제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 부식 억제제로 인산 또는 인산염을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물이 제공된다.
상기 연마제로 실리카, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 및 티타니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 금속 산화물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 15 중량%로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 10 중량%로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 인산염은 제일인산칼륨, 제이인산칼륨, 제일인산암모늄, 제이인산암모늄, 인산알루미늄, 제일인산철, 및 제이인산철로 구성되는 군으로부터 선택되는 적 어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 인산염이 제일인산칼륨 또는 제이인산암모늄인 것을 특징으로 한다.
상기 인산 또는 인산염이 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.001 ~ 5 중량%로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 텅스텐, 알루미늄, 구리 중에서 선택된 1종 이상의 금속 배선을 연마하는 방법이 제공된다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선 연마 시의 연마 속도를 어느 정도 유지하면서 금속 배선에 대한 에칭 속도를 감소시킬 수 있으므로, 연마 속도 및 연마 후 금속 표면 특성이 우수한 금속 배선 연마 공정에 유용하다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 초순수, 연마제, 산화제, 및 부식 억제제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 부식 억제제로 인산 또는 인산염을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
상기 연마제로는 실리카, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 및 티타니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 금속 산화물은 슬러리 조성물의 분산 안정성, 연마 속도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 15 중량%로 사용되는 것이 바람직하며, 0.1 ~ 10 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1 ~ 5 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
상기 산화제는 과산화 화합물로서 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산화제인 것이 바람직하며, 산화력과 슬러리의 분산 안정성 측면에서 과산화수소가 가장 바람직하다. 상기 산화제는 연마 속도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 10 중량%로 사용되는 것이 바람직하며, 0.5 ~ 5 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1 ~ 3 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
상기 인산 또는 인산염은 부식 억제제로 사용되는 것으로, 상기 인산염으로는 제일인산칼륨, 제이인산칼륨, 제일인산암모늄, 제이인산암모늄, 인산알루미늄, 제일인산철, 및 제이인산철로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 제일인산칼륨 또는 제이인산암모늄이 보다 바람직하다. 과산화수 소 등의 과산화 화합물을 산화제로 사용할 경우 금속 배선에 과도한 에칭으로 인해 디싱(Dishing)이나 이로전(Erosion) 등 반도체 수율 저하에 영향을 미치는 피연마물의 표면 특성이 나빠지게 된다. 상기 인산 또는 인산염을 부식 억제제로 사용할 경우 금속 배선에 대한 에칭 속도를 감소시켜 반도체 수율을 향상시킬 수 있다. 상기 인산 또는 인산염은 연마 속도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.001 ~ 5 중량%로 사용되는 것이 바람직하며, 0.005 ~ 3 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 0.01 ~ 1 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 슬러리 조성물에는 킬레이팅 에이전트, 금속 산화제, 및 pH 조절제 등 기타의 슬러리 연마 성능을 향상 시킬 수 있는 물질이 추가로 사용될 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예들은 예시적 의미를 지니며 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예 1]
부식 방지제로서 제일인산칼륨을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.05 중량%가 되도록 퓸드 실리카가 3 중량%로 분산되어 있는 현탁액에 첨가하고, 산화제인 과산화수소를 2 중량%로 첨가하여 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다.
[실시예 2]
제일인산칼륨 대신에 제이인산암모늄을 0.1 중량%로 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다.
[비교예 1]
제일인산칼륨을 첨가하지 않은 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다.
[비교예 2]
제일인산칼륨 대신에 벤조트리아졸을 제일인산칼륨과 같은 함량으로 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다.
[시험예 1]
하기 연마 대상에 대하여 상기 제조예 또는 비교 제조예에서 제조된 CMP 슬러리 조성물을 사용하고 하기 연마 조건에서 1분간 연마를 실시하였다. 이후, 텅스텐 및 절연층에 대한 연마 속도와 에칭 속도를 측정하였다. 에칭 속도는 상기 CMP 슬러리 조성물에 텅스텐 웨이퍼를 30분간 담근 후 초순수로 세정하고 건조하여 텅스텐 웨이퍼의 남아있는 두께를 측정하여 분당 에칭 속도를 계산하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
o 연마기 모델: UniPla-211(세미콘 테크)
o 연마조건
- 패드 타입: IC1400/SubaⅣ Stacked(로델 사)
- 헤드 속도: 100rpm
- 평탄 속도: 10rpm
- 압력: 2.8psi
Figure 112008087025295-pat00001
[시험예 2]
상기 제조예 및 비교 제조예에서 제조된 슬러리 조성물에 대하여 패턴 웨이퍼 연마를 실시하였다. 패턴 웨이퍼는 절연층 2500Å 위에 텅스텐 층이 4000Å로 도포된 웨이퍼를 사용하였고, 텅스텐 막질 제거 시간, 이로전, 및 디싱을 측정하였다. 이로전 측정은 0.25㎛, 40% 패턴 밀도에서 측정하였고 디싱은 25㎛에서 측정하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112008087025295-pat00002
상기 결과로부터 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 텅스텐 제거 시간은 어느 정도 유지하면서, 이로전과 디싱이 감소된, 우수한 연마 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

Claims (7)

  1. 초순수, 연마제, 산화제, 및 부식 억제제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 부식 억제제로 인산 또는 인산염을 사용하고,
    상기 인산염은 제일인산칼륨, 제이인산암모늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상이고,
    상기 인산 또는 인산염은 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.001 ~ 5 중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연마제로 실리카, 알루미나, 세리아, 지르코니아, 및 티타니아로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 금속 산화물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 15 중량%로 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 10 중량%로 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 텅스텐, 알루미늄, 구리 중에서 선택된 1종 이상의 금속 배선을 연마하는 방법.
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