KR101279963B1 - CMP slurry composition for polishing metal wiring and polishing method using the same - Google Patents
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Abstract
초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다.In the CMP slurry composition comprising ultrapure water, an abrasive, an oxidizing agent, and a pH adjusting agent, colloidal silica having a primary particle diameter of 30 to 70 nm is used as the polishing agent in an amount of 0.5 to 3 wt% based on the total CMP slurry composition, and One or more peroxide compounds selected from the group consisting of hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, calcium peroxide, barium peroxide, sodium peroxide, and ammonium peroxide are used at 0.1 to 5% by weight, based on the total CMP slurry composition. pH regulators include nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, glutaric acid, glutic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, malonic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, tartaric acid, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, ammonia, The at least one compound selected from the group consisting of tetra methyl ammonium hydroxide (TMAH) is 0.01 to 1 with respect to the total CMP slurry composition. It is used in 1% by weight, the pH of the total CMP slurry composition relates to a metal wire polishing CMP slurry composition, characterized in that the 2.3.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내어 연마 공정 시간이 짧으며, 이로전(erosion)과 디싱(dishing) 등의 표면 결함이 적으므로 금속 배선 연마 공정에 유용하다.The CMP slurry composition of the present invention exhibits a high polishing rate with respect to metal wires and thus has a short polishing process time, and is useful in metal wire polishing processes because of fewer surface defects such as erosion and dishing.
금속 배선, CMP 슬러리, 콜로이드 실리카, 과산화 화합물, pH 조절제, 연마 속도, 이로전(erosion), 디싱(dishing), 표면 결함 Metallization, CMP slurries, colloidal silica, peroxide compounds, pH regulators, polishing rates, erosion, dishing, surface defects
Description
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. The present invention relates to a slurry composition used in a chemical mechanical polishing (CMP) process in a semiconductor manufacturing process. Among them, the present invention relates to a slurry composition used for polishing a material that removes unnecessary portions by a method of etching and etching a target film with a slurry during polishing, such as tungsten, aluminum, copper, and the like.
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.The CMP process is a process of smoothly polishing a semiconductor wafer surface using a slurry containing an abrasive and various compounds while performing orbital motion by contacting the polishing pad. CMP slurries can be classified according to the polishing target, and they can be broadly classified into an oxides polishing slurry for polishing an insulating layer of silicon oxide (SiO2) and a metal polishing slurry for polishing a copper, tungsten or aluminum layer. Can be.
금속 연마용 슬러리로 금속 층을 연마하는 공정의 경우에는 초기 금속 층만을 연마하는 단계, 금속 층과 배리어 층을 연마하는 단계, 및 금속 층과 배리어 층 과 산화막을 연마하는 단계로 연마 공정이 진행되게 된다. 이 중 제일 마지막 단계인 금속 층과 배리어 층과 산화막을 연마하는 단계에서는 특히 금속 층과 산화막이 적절한 연마 속도로 함께 연마되어야 우수한 연마 평탄화를 달성할 수 있다. 그렇지 못할 경우에는 연마 공정 시간이 길어지거나, 이로전(erosion) 또는 디싱(dishing) 등의 표면 결함(defect)이 나타날 수 있으므로, 이에 대한 대책이 절실히 요구되고 있다.In the process of polishing a metal layer with a metal polishing slurry, the polishing process is performed by polishing only the initial metal layer, polishing the metal layer and the barrier layer, and polishing the metal layer, the barrier layer and the oxide film. do. In the last step of polishing the metal layer, the barrier layer and the oxide film, in particular, the metal layer and the oxide film must be polished together at an appropriate polishing rate to achieve excellent polishing planarization. If not, the polishing process may take a long time, or surface defects such as erosion or dishing may appear. Therefore, countermeasures are urgently required.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내며, 이로전(erosion)과 디싱(dishing) 등의 표면 결함이 적은 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and exhibits a high polishing rate for the metal wiring, and a CMP slurry composition for polishing metal wiring with less surface defects such as erosion and dishing. To provide.
본 발명에서는 초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in a CMP slurry composition comprising ultrapure water, an abrasive, an oxidizing agent, and a pH adjusting agent, colloidal silica having a primary particle size of 30 to 70 nm is used as the abrasive in an amount of 0.5 to 3 wt% based on the total CMP slurry composition, As the oxidizing agent, one or more peroxide compounds selected from the group consisting of hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, calcium peroxide, barium peroxide, sodium peroxide, and ammonium peroxide are used in an amount of 0.1 to 5 wt% based on the total CMP slurry composition. As the pH adjuster, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, glutaric acid, glutic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, malonic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, tartaric acid, potassium hydroxide, ammonium hydroxide CMP slurry composition comprising at least one compound selected from the group consisting of ammonia, tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) It is used at 0.01 to 1% by weight, characterized in that to provide a CMP slurry composition for metal wire polishing, characterized in that the pH of the entire CMP slurry composition is 2.3 to 3.
본 발명에 따르면 상기 산화제로 과산화수소를 사용하는 것을 특징으로 한 다.According to the invention it is characterized in that the use of hydrogen peroxide as the oxidant.
본 발명에 따르면 상기 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.5 ~ 2.8인 것을 특징으로 한다.According to the present invention is characterized in that the pH of the entire CMP slurry composition is 2.5 ~ 2.8.
본 발명에 따르면 상기 CMP 슬러리 조성물의 금속 층에 대한 연마 속도가 1800Å/min 이상인 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the polishing rate for the metal layer of the CMP slurry composition is characterized in that 1800 Å / min or more.
또한, 본 발명은 상기 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 금속 배선을 연마하는 단계를 포함하는 금속 연마 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a metal polishing method comprising the step of polishing the metal wiring using the CMP slurry composition.
또한, 본 발명은 상기 CMP 슬러리 조성물로부터 제조된 금속 배선을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.In addition, the present invention provides a semiconductor device comprising a metal wiring prepared from the CMP slurry composition.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내어 연마 공정 시간이 짧으며, 이로전과 디싱 등의 표면 결함이 적으므로 금속 배선 연마 공정에 유용하다.The CMP slurry composition of the present invention exhibits a high polishing rate with respect to metal wires and thus has a short polishing process time, and is useful in metal wire polishing processes because of fewer surface defects such as erosion and dishing.
본 발명은 초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.The present invention provides a CMP slurry composition comprising ultrapure water, an abrasive, an oxidizing agent, and a pH adjusting agent, using colloidal silica having a primary particle diameter of 30 to 70 nm as 0.5 to 3% by weight, based on the total CMP slurry composition. As the oxidizing agent, one or more peroxide compounds selected from the group consisting of hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, calcium peroxide, barium peroxide, sodium peroxide, and ammonium peroxide are used in an amount of 0.1 to 5 wt% based on the total CMP slurry composition. As the pH adjuster, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, glutaric acid, glutic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, malonic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, tartaric acid, potassium hydroxide, ammonium hydroxide At least one compound selected from the group consisting of ammonia, tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH) And by using 0.01 to 1% by weight, there is provided a metal interconnection polishing CMP slurry composition, it characterized in that the whole CMP slurry composition pH of 2.3 to 3;
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 조성물에 포함되는 상기 콜로이드 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica)에 비해 산화막에 대하여 상대적으로 높은 연마 속도를 나타내며, 금속 배선과 산화막의 단차를 줄여 디싱을 최소화할 수 있는 장점이 있다. The colloidal silica included in the composition of the present invention exhibits a relatively high polishing rate with respect to the oxide film, compared to fumed silica, and has the advantage of minimizing dishing by reducing the step between the metal wiring and the oxide film.
상기 콜로이드 실리카의 1차 입경은 슬러리 조성물의 분산 안정성, 연마 균일도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 상기 범위인 것이 바람직하다. The primary particle size of the colloidal silica is preferably in the above range in terms of dispersion stability, polishing uniformity, and surface properties of the polishing object.
상기 콜로이드 실리카는 연마 속도, 슬러리 조성물의 분산 안정성, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 1 ~ 2.7 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1.5 ~ 2.4 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다. The colloidal silica is preferably used in the above range with respect to the entire CMP slurry composition in terms of polishing rate, dispersion stability of the slurry composition, and surface properties of the polished product, more preferably in the range of 1 to 2.7% by weight, more preferably 1.5 to Most preferably used at 2.4% by weight.
상기 산화제로는 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼 옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 사용하는 것이 바람직하며, 산화력과 슬러리의 분산 안정성 측면에서 과산화수소가 가장 바람직하다. 상기 산화제는 연마 속도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 0.5 ~ 4 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1 ~ 3 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.As the oxidant, it is preferable to use at least one peroxide compound selected from the group consisting of hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, calcium peroxide, barium peroxide, sodium peroxide, and ammonium peroxide. Hydrogen peroxide is most preferred in view. The oxidizing agent is preferably used in the above range with respect to the entire CMP slurry composition in terms of polishing rate, surface properties of the polished material, more preferably 0.5 to 4% by weight, and is used at 1 to 3% by weight. Most preferred.
상기 pH 조절제는 금속 또는 연마기의 부식을 방지하고, 금속 산화가 쉽게 일어나는 pH 범위를 구현하기 위하여 사용되는 물질로서, 상기 pH 조절제로는 질산, 황산, 인산, 및 염산 등의 무기산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 및 타르타르산 등의 유기산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, 및 TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide) 등의 염기성 물질을 사용할 수 있으며, 이들을 2종 이상을 사용하는 것도 가능하다.The pH adjusting agent is a material used to prevent corrosion of the metal or polishing machine and to implement a pH range where metal oxidation occurs easily. The pH adjusting agent may include inorganic acids such as nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and hydrochloric acid, acetic acid, citric acid, Basic acids such as organic acids such as glutaric acid, glutic acid, formic acid, lactic acid, malic acid, malonic acid, maleic acid, oxalic acid, phthalic acid, succinic acid, and tartaric acid, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, ammonia, and tetra methyl ammonium hydroxide (TMAH) Substances may be used, and it is also possible to use two or more thereof.
상기 pH 조절제는 연마 속도, 슬러리 조성물의 분산 안정성, 연마 균일도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 0.02 ~ 0.5 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 0.05 ~ 0.1 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다. 또한, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH는 상기 범위인 것이 바람직하며, 2.4 ~ 2.9인 것이 보다 바람직하며, 2.5 ~ 2.8인 것이 가장 바람직하다. The pH adjusting agent is preferably used in the above range with respect to the entire CMP slurry composition in terms of polishing rate, dispersion stability of the slurry composition, polishing uniformity, surface properties of the polishing object, more preferably 0.02 to 0.5% by weight. Most preferably 0.05 to 0.1% by weight. Moreover, it is preferable that the pH of the whole CMP slurry composition is the said range, It is more preferable that it is 2.4-2.9, It is most preferable that it is 2.5-2.8.
본 발명에서는 상기 한정된 범위의 콜로이드 실리카, 과산화 화합물, 및 pH 조절제를 사용함으로써, 금속 층에 대한 연마 속도를 1800Å/min 이상으로 높게 구현하여 연마 공정 시간을 짧게 하면서도 이로전(erosion) 현상, 디싱(dishing) 현상, 및 피연마물 표면에 금속 층의 잔류물(residue) 형성 등의 표면 결함(defect)을 크게 낮출 수 있다. In the present invention, by using a colloidal silica, a peroxide compound, and a pH adjusting agent in the above limited range, the polishing rate for the metal layer is realized to be higher than 1800 kW / min, thereby shortening the polishing process time while erosion phenomenon and dishing ( The surface defects such as dishing phenomenon and the formation of residues of the metal layer on the surface of the workpiece can be greatly reduced.
이외에, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 당 업계에서 통상적으로 사용하는 첨가제를 추가하는 것도 가능하다.In addition, the CMP slurry composition of the present invention may add an additive commonly used in the art.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선을 연마하는 데에 특히 효과적이며 금속 배선을 포함하는 반도체 소자 제조에 유용하다.The CMP slurry composition of the present invention is particularly effective for polishing metal wires and is useful for manufacturing semiconductor devices including metal wires.
다음에 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하나, 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by Examples.
[실험예 1][Experimental Example 1]
초순수에 표 1에 기재된 1차 입경을 갖는 콜로이드 실리카 또는 퓸드 실리카를 표 1에 기재된 함량으로 투입하고, 질산 또는 수산화칼륨을 사용하여 전체 슬러리 조성물의 pH를 표 1에 기재된 값으로 조절하였다. 연마 직전 과산화수소를 전체 슬러리 조성물에 대하여 2 중량%가 되도록 첨가하여 1분간 교반한 이후에 아래와 같은 조건에서 연마를 1분간 진행하였으며, 평가 결과를 표 1에 나타내었다. In ultrapure water, colloidal silica or fumed silica having a primary particle size shown in Table 1 was added to the content shown in Table 1, and the pH of the entire slurry composition was adjusted to the values shown in Table 1 using nitric acid or potassium hydroxide. Hydrogen peroxide was added to 2% by weight based on the total slurry composition immediately before polishing, followed by stirring for 1 minute, followed by polishing for 1 minute under the following conditions, and the evaluation results are shown in Table 1 below.
o 연마기 Model: Mirra (AMAT社) o Grinder Model: Mirra (AMAT)
o 연마조건: o Polishing condition:
- 연마 패드: IC1000/SubaⅣ Stacked(Rodel社) Polishing pads: IC1000 / SubaIV Stacked (Rodel)
- Spindle 속도: 133rpm Spindle speed: 133 rpm
- Platen 속도: 110rpm Platen speed: 110rpm
- 압력: 3psi Pressure: 3 psi
- 슬러리 유량: 200㎖/분 Slurry flow rate: 200 ml / min
o 연마 대상: 다결정 실리콘 기판 위에 P-TEOS 산화막과 텅스텐을 각각 o Polishing target: P-TEOS oxide and tungsten on polycrystalline silicon substrate
2,500Å과 4,000Å으로 증착하여 제작한 블랭킷(blanket) 웨이퍼 Blanket wafers fabricated at 2,500Å and 4,000Å
입경
(nm)Primary
Particle size
(nm)
(중량%)Abrasive content
(weight%)
조성물의 pHSlurry
PH of the composition
속도(Å/min)Tungsten polishing
Speed (Å / min)
속도(Å/min)Oxide polishing
Speed (Å / min)
상기 결과로부터 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 텅스텐에 대한 연마 속도가 1800Å/min 이상으로 높게 나타나 연마 공정 시간 단축에 효과가 있음을 확인할 수 있었다.From the above results, the CMP slurry composition of the present invention was confirmed that the polishing rate for tungsten was higher than 1800 Pa / min or more, which was effective in shortening the polishing process time.
[실험예 2][Experimental Example 2]
상기 실험예 1에서 텅스텐에 대한 연마 속도가 우수한 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 대하여 이로전과 디싱을 측정하였다. 이로전 측정은 0.25㎛, 20% 패턴 밀도에서 측정하였고, 디싱은 25㎛에서 측정하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다. In Experimental Example 1, erosion and dishing were measured for Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 having excellent polishing rates for tungsten. The erosion measurements were taken at 0.25 μm, 20% pattern density and dishing at 25 μm. The results are shown in Table 2 below.
상기 결과로부터 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 이로전과 디싱 값이 낮아 표면 결함이 매우 적음을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed that the CMP slurry composition of the present invention had very low surface defects because of low erosion and dishing values.
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| KR (1) | KR101279963B1 (en) |
Citations (4)
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-
2008
- 2008-12-24 KR KR1020080133805A patent/KR101279963B1/en active IP Right Grant
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