KR101395542B1

KR101395542B1 - 반도체 물질의 ｃｍｐ를 위한 조성물 및 방법

Info

Publication number: KR101395542B1
Application number: KR1020087029338A
Authority: KR
Inventors: 스리람 안주르; 제프리 디사드; 폴 피니; 티모씨 존스; 리차드 젠킨스
Original assignee: 캐보트 마이크로일렉트로닉스 코포레이션
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2014-05-14
Also published as: US20090156006A1; KR20090009285A; CN101437918B; CN101437918A; WO2007130350A1

Abstract

본 발명은 반도체 물질을 연마하기에 적당한 화학적-기계적 연마(CMP) 조성물을 제공한다. 그 조성물은 연마제, 유기 아미노 화합물, 산성 금속 착화제 및 수성 담체를 포함한다. 그 조성물을 이용하여 반도체 물질의 표면을 연마하는 CMP 방법이 또한 개시되어 있다.

연마 조성물, CMP

Description

반도체 물질의 ＣＭＰ를 위한 조성물 및 방법{COMPOSITIONS AND METHODS FOR CMP OF SEMICONDUCTOR MATERIALS}

본 발명은 연마 조성물, 및 이를 이용한 기재의 연마 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 반도체 표면을 연마하기에 적당한 화학적-기계적 연마 조성물에 관한 것이다.

기재의 표면의 화학적-기계적 연마(CMP)를 위한 조성물 및 방법이 당업계에 공지되어 있다. 반도체 기재(예를 들어 집적 회로)의 금속-함유 표면의 CMP를 위한 연마 조성물(연마 슬러리, CMP 슬러리 및 CMP 조성물로도 알려짐)은 전형적으로 연마제(abrasive), 각종 첨가제 화합물 등을 함유한다.

일반적으로, CMP는, 제1 층이 그 위에 형성된 비평면 제2 층의 표면을 노출시키기 위해 위에 놓인 제1 층의 동시적 화학적 및 기계적 연마를 수반한다. 그러한 한 방법이 미국 특허 제4,789,648호(Beyer 등)에 기재되어 있다. 간략히, Beyer 등은 물질의 위에 놓인 제1 층의 표면이 피복된 제2 층의 상부 표면과 동일면이 될 때까지, 제2 층보다 빠른 속도로 제1 층을 제거하기 위한, 연마 패드 및 슬러리를 이용한 CMP 방법을 개시한다. 화학적 기계적 연마에 대한 보다 구체적 설명이 미국 특허 제4,671,851호, 제4,910,155호 및 제4,944,836호에 나와 있다.

통상적 CMP 기법에서, 기재 캐리어 또는 연마 헤드를 캐리어 어셈블리 상에 탑재하여, CMP 장치에서 연마 패드와 접촉하도록 위치시킨다. 캐리어 어셈블리는 기재에 조절가능한 압력을 제공하여, 기재를 연마 패드에 대해 압착한다. 패드 및 캐리어를, 부착된 기재와 함께 서로에 대해 상대 이동시킨다. 패드 및 기재의 상대 이동은 기재의 표면을 마모시켜, 기재 표면으로부터 물질의 일부가 제거되도록 하고, 이로써 기재가 연마된다. 기재 표면의 연마는 전형적으로 연마 조성물의 화학적 활성에 의해(예를 들어, CMP 조성물 내에 존재하는 산화제 또는 기타 첨가제에 의해), 또한/또는 연마 조성물 내에 현탁된 연마제의 기계적 활성에 의해 더욱 보조된다. 전형적인 연마 물질(abrasive material)에는 이산화규소, 산화세륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄 및 산화주석이 포함된다.

예를 들어, 미국 특허 제5,527,423호(Neville 등)는 금속 층의 표면을 수성 매질 내 고순도 미세 금속 산화물 입자가 현탁되어 있는 연마 슬러리와 접촉시킴으로써, 금속 층을 화학적으로-기계적으로 연마하는 방법을 기재한다. 대안적으로, 연마 물질은 연마 패드에 혼입될 수 있다. 미국 특허 제5,489,233호(Cook 등)는 표면 텍스쳐 또는 패턴을 갖는 연마 패드의 용도를 개시하고, 미국 특허 제5,958,794호(Bruxvoort 등)는 고정된 연마제 연마 패드를 개시한다.

반도체 웨이퍼는 전형적으로 복수개의 트랜지스터가 기재 위에 형성되어 있는 규소 또는 갈륨 비화물과 같은 기재를 포함한다. 트랜지스터는 기재 내의 패턴화 영역 및 기재 상의 층에 의해 기재에 화학적으로 또한 물리적으로 연결된다. 트랜지스터 및 층은 일부 형태의 산화규소(SiO₂)로 주로 이루어진 수준간 유전체(ILD)에 의해 분리된다. 트랜지스터는 공지된 다수준 인터커넥트(interconnect)를 통해 상호 연결된다. 전형적인 다수준 인터커넥터는 하기 물질들 중 하나 이상으로 구성된 적층 박막으로 이루어진다: 티탄(Ti), 질화티탄(TiN), 탄탈(Ta), 알루미늄-구리(Al-Cu), 알루미늄-규소(Al-Si), 구리(Cu), 텅스텐(W), 도핑된 다결정규소(polysilicon; poly-Si), 및 이들의 각종 조합. 또한, 트랜지스터 또는 트랜지스터들의 군은, 종종 이산화규소, 질화규소 및/또는 다결정규소와 같은 절연 물질로 충전된 트렌치를 통해, 상호로부터 절연된다.

인터커넥트를 형성하기 위한 종래 기법은 기판 상에 동일면 다수준 금속/절연체 필름을 생성시키는 방법에 관한 미국 특허 제4,789,648호(Chow 등)에 개시된 방법에 의해 향상되었다. 폭넓은 관심을 받았고 다수준 인터커넥터를 생성시키는 그 신규 기법은 장치 제작의 각종 단계 중에 금속층 또는 박막의 표면을 평면화하기 위해, 화학적 기계적 연마를 이용한다.

알려진 CMP 슬러리 조성물들 중 다수가 제한된 목적을 위해서는 적당하나, 상기 기재된 슬러리는 허용가능하지 않은 연마 속도 및 웨이퍼 제조에 사용되는 절연체 물질들에 대해 대등한 선택성 수준을 나타내는 경향이 있다. 또한, 알려진 연마 슬러리는 기저 필름에 대해 불량한 필름 제거 특질을 생성시키거나, 유해한 필름-부식을 일으키는 경향이 있어, 제조 수율을 좋지 않게 한다.

다결정규소와 같은 반도체 물질에 대해 유용한 제거 속도를 나타내는 신규 CMP 조성물을 개발할 필요가 여전히 있다. 본 발명은 그러한 향상된 CMP 조성물을 제공한다. 본 발명의 이러한 이점 및 기타 이점, 및 부가적 본 발명의 특성은 본원에 제공된 본 발명의 기술내용으로부터 명료해질 것이다.

발명의 간단한 개요

본 발명은 다결정규소를 포함한 반도체 물질을 연마하기에 적당한 화학적-기계적 연마(CMP) 조성물을 제공한다. 조성물은 중성 또는 염기성 pH(예를 들어, 약 7 내지 약 9)를 가지고, 약 0.1 내지 약 15 중량%의 입상 연마 물질, 약 10 내지 약 5000 백만분율(ppm)의 하나 이상의 유기 아미노 화합물, 약 10 내지 약 5000 ppm의 하나 이상의 산성 금속 착화제, 및 이를 위한 수성 담체를 포함한다. 유기 아미노 화합물은 아미노 알코올 화합물, 알콕실화 아미노 화합물, 폴리아미노 화합물, 4급 아미노 화합물, 또는 이들 중 2종 이상의 조합일 수 있다.

바람직하게, 입상 연마 물질은 약 1 내지 약 12 중량%, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 약 6 중량% 범위의 양으로 조성물 내에 존재한다. 입상 연마 물질은 반도체 물질 연마용 CMP 조성물에 사용하기에 적당한 임의의 연마 물질(예를 들어, 실리카)일 수 있다.

바람직하게, 하나 이상의 유기 아미노 화합물은 약 50 내지 약 2000 ppm, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 1000 ppm 범위의 양으로 조성물 내에 존재한다. 특히 바람직한 한 실시양태에서, 하나 이상의 유기 아미노 화합물은 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올(유리 염기), 이의 염, 또는 유리 염기와 염의 조합을 포함한다.

하나 이상의 산성 금속 착화제는 바람직하게 디카르복실산, 폴리카르복실산, 아미노카르복실산, 인산염, 폴리인산염, 포스폰산, 중합체성 킬레이트화제, 이들의 염, 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 하나 이상의 산성 금속 착화제는 바람직하게 약 50 내지 약 1000 ppm, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 500 ppm 범위의 양으로 조성물 내에 존재한다.

한 바람직한 실시양태에서, 본 발명은, 중성 또는 염기성 pH을 가지고, 약 3 내지 약 6 중량%의 비정형 실리카(즉, 흄드 실리카), 약 100 내지 약 1000 ppm의 유기 아미노 화합물(예를 들어, 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올) 및/또는 이의 염, 약 100 내지 약 500 ppm의 하나 이상의 산성 금속 착화제, 및 물과 같은 수성 담체를 포함하는 화학적-기계적 연마 조성물을 제공한다. 바람직하게, 하나 이상의 산성 금속 착화제는 인산, 디카르복실산, 폴리카르복실산, 포스폰산, 이들의 염 및 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 반도체 기재를 연마하기 위한 화학적-기계적 연마 방법을 제공한다. 방법은 반도체 기재의 표면을 연마 패드 및 본 발명의 수성 CMP 조성물과 접촉시키는 단계, 및 반도체 표면의 적어도 일부가 마모되도록 하기에 충분한 시간 동안 CMP 조성물의 일부가 패드와 기재 사이의 표면과 접촉하도록 유지하면서 연마 패드와 기재 사이의 상대 이동을 유발하는 단계를 포함한다. CMP 조성물은 중성 또는 염기성 pH를 가지고, 약 0.1 내지 약 15 중량%의 입상 연마 물질, 약 10 내지 약 5000 ppm의 하나 이상의 유기 아미노 화합물, 약 10 내지 약 5000 ppm의 하나 이상의 산성 금속 착화제, 및 물과 같은 수성 담체를 포함한다. 한 바람직한 실시양태에서, CMP 조성물은 약 1 내지 약 12 중량%, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 약 6 중량%의 비정형 실리카와 같은 연마제, 약 50 내지 약 2000 ppm, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 1000 ppm의 유기 아미노 화합물, 약 50 내지 약 1000 ppm, 더욱 바람직하게는 100 내지 약 500 ppm의 하나 이상의 산성 금속 착화제, 및 물과 같은 수성 담체를 포함한다. 하나 이상의 산성 금속 착화제는 바람직하게 인산, 디카르복실산, 폴리카르복실산, 포스폰산, 이들의 염 및 이들 착화제 중 2종 이상의 조합이다.

도 1은 본 발명의 각종 CMP 조성물을 이용하여 블랭킷 웨이퍼를 연마함으로써 수득되는, 다결정규소, 질화규소 및 산화규소 제거 속도들을 보여준다.

도 2는 CMP 중에 기재에 적용되는 제형물의 농도를 변화시키면서 수득되는, 질화규소, 다결정규소 및 산화규소의 제거를 위한, 본 발명의 CMP 조성물의 조정가능한 선택성을 도시한다.

발명의 상세한 설명

본 발명은 반도체 기재를 연마하기에 유용한 CMP 조성물을 제공한다. CMP 조성물은 본원에 기재된 바와 같은, 연마 물질, 유기 아미노 화합물 및 산성 금속 착화제를 함유한다. 본 발명의 CMP 조성물은 종래 CMP 조성물에 비해 다결정규소를 보다 더 급속히 제거되도록 한다. 또한, 본 발명의 CMP 조성물은 다결정규소, 산화규소 및 질화규소의 제거에 대한 선택성이 사용자에 의해 선택되어 다양화될 수 있도록 하는 방식으로 이용될 수 있다.

본 발명의 CMP 조성물에 유용한 연마 물질은 반도체 물질의 CMP에 사용하기에 적당한 임의의 연마 물질을 포함한다. 적당한 연마 물질의 예에는 CMP 기술업계에 공지된, 실리카, 알루미나, 티타니아, 세리아, 지르코니아, 또는 이들 중 2종 이상의 조합 연마제가 포함되나, 이에 국한되지 않는다. 바람직한 금속 산화물 연마제에는 실리카 및 알루미나, 가장 바람직하게는 실리카(예를 들어, 콜로이드성 실리카 또는 비정형 실리카)가 포함된다. 연마 물질은 약 0.1 내지 약 15 중량% 범위의 양으로 조성물 내에 존재한다. 바람직하게, 연마 물질은 약 1 내지 약 12 중량%, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 약 6 중량% 범위의 양으로 CMP 조성물 내에 존재한다. 연마제 입자는 바람직하게 당업계에 공지된 레이저 광산란법에 의해 결정 시에, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 더욱 바람직하게는 약 100 nm 내지 약 200 nm 범위의 평균 입자 크기를 가진다.

연마제는 바람직하게 CMP 조성물, 보다 구체적으로 CMP 조성물의 수성 성분 내에 현탁된다. 연마제가 CMP 조성물 내에 현탁될 때, 연마제는 바람직하게 콜로이드상으로 안정하다. 용어 "콜로이드"는 액체 담체 내 연마제 입자의 현탁액을 가리킨다. "콜로이드상에서의 안정성"은 시간 경과에 따른 그 현탁액의 유지능을 가리킨다. 본 발명의 문맥에서, 연마제를 100 ml 눈금 실린더에 두어 2시간 동안 교반하지 않고 방치할 때, 눈금 실린더의 하부 50 ml 내 입자의 농도(g/ml 단위의 [B])와 눈금 실린더의 상부 50 ml 내 입자 농도(g/ml 단위의 [T])의 차이를, 연마제 조성물 내 입자의 초기 농도(g/ml 단위의 [C])로 나눈 값이 0.5 이하(즉, {[B]-[T]}/[C]≤0.5)일 때, 그 연마제는 콜로이드상으로 안정한 것으로 간주된다. [B]- [T]/[C]의 값은 0.3 이하이며, 바람직하게 0.1 이하이다.

본 발명의 조성물 및 방법과 관련하여 본원 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 용어 "유기 아미노 화합물"은 아미노 알코올(예를 들어, 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올; 2-메틸아미노-2-메틸-1-프로판올; 2-((2-((2-히드록시에틸)아미노)에틸)아미노)에탄올; N,N-비스(2-히드록시에틸)에틸렌디아민; 2-{[2-(디메틸아미노)에틸]메틸아미노}에탄올; 2,2-아미노에틸아미노에탄올; 2-(3-아미노프로필아미노)에탄올; 1-(2-히드록시에틸)피페라진; 1,4-비스(2-히드록시에틸)피페라진; 콜린; 2-(부틸아미노)에탄올; 2-(t-부틸아미노)에탄올; 2-(디이소프로필아미노)에탄올; 트리이소프로판올아민; 트리스(히드록시메틸아미노)에탄; N,N-디에탄올아민; 2-아미노-2-메틸-1-프로판올; 등), 알콕실화 아민(예를 들어, 3-메톡시프로필아민; 비스(2-메톡시에틸)아민; 등), 폴리아미노 화합물(예를 들어, N-프로필에틸렌디아민; 2-((2-((2-히드록시에틸)아미노)에틸)아미노)에탄올; 2,2-아미노에틸아미노에탄올; 2-(3-아미노프로필아미노)에탄올; 디에틸렌트리아민; 등), 4급 암모늄 히드록시드(예를 들어, 치환 또는 비치환 테트랄킬 암모늄 히드록시드, 예컨대 테트라메틸암모늄 히드록시드; 테트라에틸암모늄 히드록시드; 부틸트리메틸암모늄 히드록시드; 벤질트리메틸암모늄 히드록시드; 콜린; 등), 이들의 염, 및 이들 중 2종 이상의 조합을 포괄한다.

상기 예들로부터 명백한 바와 같이, 제시된 화합물은 화합물 내에 존재하는 아미노기의 수 및 히드록실 치환기의 존재 또는 부재에 따라, 아미노 알코올, 폴리아미노 화합물, 또는 양자 모두로 분류될 수 있다. 아미노 알코올 및 폴리아미노 화합물은 1급 아미노기, 2급 아미노기, 3급 아미노기, 4급 아미노기, 또는 질소-함유 복소환 기일 수 있는 아미노기를 포함한다. 폴리아미노 화합물은 2개 이상의 아미노 관능기를 포함하는 반면, 아미노 알코올은 하나 이상의 히드록실기를 포함한다. 4급 암모늄 히드록시드는 그 자체로 제형물에 첨가되거나, 4급 암모늄 염(예를 들어, 할로겐화물)과 히드록시드 이온과의 반응에 의해 제형물 내에서 발생될 수 있다.

한 바람직한 아미노 알코올 화합물은 N-메틸화 2-아미노-2-메틸프로판올 화합물이다. 본원에 사용되는 용어 "N-메틸화 2-아미노-2-메틸프로판올 화합물"은 2-메틸아미노-2-메틸프로판올, 2-디메틸아미노-2-메틸 프로판올, 상기 것들 중 어느 하나의 염(예를 들어, 염산염, 산성 금속 착화제와의 염, 예컨대 인산염, 옥살산염 등), 및 하나 이상의 유리 염기 물질 및/또는 하나 이상의 염의 조합의 유리 염기를 포괄한다. 본 발명의 CMP 조성물은 또한 미량의 2-아미노-2-메틸프로판올 (즉, 비메틸화 아민)도 포함할 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 CMP 조성물 내에 존재하는 대부분의 N-메틸화 2-아미노-2-메틸프로판올 화합물은 2-디메틸아미노-2-메틸 프로판올 및/또는 이의 염으로 구성된다.

본 발명의 CMP 조성물은 약 10 내지 약 5000 ppm의 하나 이상의 유기 아미노 화합물을 포함한다. 바람직하게, CMP 조성물은 약 50 내지 약 2000 ppm, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 1000 ppm의 유기 아미노 화합물을 포함한다.

본원 및 첨부된 특허청구범위에 사용되는 용어 "산성 금속 착화제"는, 반도체 물질의 CMP 중에 CMP 조성물 내에 존재하거나 그 조성물 내로 방출되는 금속성 이온과 착체 또는 킬레이트를 형성할 수 있는 유리 산 화합물, 염 화합물, 또는 이들의 조합을 포괄한다.

적당한 금속 착화제의 예에는 디카르복실산(예를 들어, 옥살산, 말론산, 숙신산, 말레산, 프탈산, 타르타르산, 아스파르트산, 글루탐산 등), 폴리카르복실산(예를 들어, 시트르산, 1,2,3,4-부탄 테트라카르복실산, 폴리아크릴산, 폴리말레산 등), 아미노카르복실산(예를 들어, 알파-아미노산, 베타-아미노산, 오메가-아미노산 등), 인산염(예를 들어, 인산 및 이의 염), 폴리인산염(예를 들어, 폴리인산 및 이의 염), 포스폰산 (예를 들어 아미노 포스폰산염, 포스포노카르복실산 등), 중합체성 킬레이트화제, 이들의 염, 이들 중 2종 이상의 조합 등이 포함되나, 이들에 국한되지 않는다.

바람직한 산성 금속 착화제에는 인산, 디카르복실산(예를 들어, 옥살산 또는 숙신산), 폴리카르복실산(예를 들어, 시트르산), 포스폰산, 이들의 염, 및 이들 중 2종 이상의 조합이 포함된다. 바람직한 포스폰산 킬레이트화제에는 디퀘스트(DEQUEST)

2000LC 상표명의 아미노-트리(메틸렌포스폰산), 및 디퀘스트

2010 상표명의 히드록시에틸리덴-1,1-디포스폰산(이들은 솔루티아(Solutia)로부터 입수가능함), 이들 중 임의의 것의 염, 또는 이들 중 2종 이상의 조합이 포함된다.

산성 금속 착화제는 약 10 내지 약 5000 ppm, 바람직하게는 약 50 내지 약 1000, 더욱 바람직하게는 약 100 내지 약 500 ppm 범위의 양으로 조성물 내에 존재한다.

본 발명의 CMP 조성물은 임의적으로 하나 이상의 산화제(예를 들어, 반도체 표면의 성분, 예컨대 금속 성분을 산화하기 위한 산화제)를 포함할 수 있다. 본 발명의 CMP 조성물 및 방법에 사용하기에 적당한 산화제에는 과산화수소, 과황산염(예를 들어, 일과황산암모늄, 이과황산암모늄, 일과황산칼륨 및 이과황산칼륨), 과요오드산염(예를 들어, 과요오드산칼륨), 이들의 염 및 이들 중 2종 이상의 조합이 포함되나, 이에 국한되지 않는다. 바람직하게, 산화제는 반도체 CMP 기술업계에 공지되어 있는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 내에 존재하는 하나 이상의 선택된 금속성 또는 반도체 물질을 산화하기에 충분한 양으로 조성물 내에 존재한다.

본 발명의 CMP 조성물은 또한 임의적으로 적당량의, CMP 조성물 내에 통상 포함되는 하나 이상의 기타 첨가제 물질, 예컨대 부식 억제제, 점도개질제, 살생물제 등을 포함할 수 있다.

바람직한 실시양태에서, CMP 조성물은 살생물성 양의 살생물제(예를 들어, 이소티아졸리논 조성물, 예컨대 롬앤드하스(Rohm and Haas)로부터 입수가능한 캐톤(KATHON)

살생물제)를 추가로 포함한다.

수성 담체는 임의의 수성 용매, 예를 들어, 물, 수성 메탄올, 수성 에탄올, 이들의 조합 등일 수 있다. 바람직하게, 수성 담체는 탈이온수이다.

본 발명의 CMP 조성물은 바람직하게 약 7 내지 약 9, 더욱 바람직하게는 약 7 내지 약 8 범위의 pH를 가진다. CMP 조성물은 임의적으로, 조성물의 기타 산성 및 염기성 성분(예를 들어, 유기 아미노 화합물 및 산성 금속 착화제)에 부가하여, 하나 이상의 pH 완충 물질, 예를 들어, 염산, 아세트산 등과 같은 산, 암모니아, 수산화나트륨 등과 같은 염기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 CMP 조성물은 임의의 적당한 기법에 의해 제조될 수 있으며, 이 기법들 중 많은 것들이 당업자에게 알려져 있다. CMP 조성물은 회분식 또는 연속식 공정으로 제조될 수 있다. 일반적으로, CMP 조성물은 임의의 순서로 조성물의 성분들을 조합함으로써 제조될 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "성분"에는 개별 성분(예를 들어, 연마제, 금속 착화제, 산, 염기, 산화제 등), 및 성분들의 임의의 조합이 포함된다. 예를 들어, 연마제는 물 중에 분산될 수 있고, 금속 착화제 및 유기 아미노 화합물이 첨가되어, CMP 조성물 내로 성분을 혼입할 수 있는 임의의 방법에 의해 혼합될 수 있다. 전형적으로, 산화제를 이용할 때, 그 산화제는 조성물이 CMP 공정에 바로 사용하기 위해 준비될 때까지 CMP 조성물에 첨가되지 않으며, 예를 들어 산화제가 연마 개시 직전에 첨가될 수 있다. pH는 임의의 적당한 시간에 조정될 수 있다.

본 발명의 CMP 조성물은 또한 사용 전에 적절한 양의 수성 용매(예를 들어, 물)로 희석하기 위한 의도의 농축물로서 제공될 수 있다. 그러한 한 실시양태에서, CMP 조성물의 농축물은, 농축물을 적절한 양의 수성 용매로 희석할 때, 연마 조성물의 각 성분이 사용을 위한 적절한 범위 내의 양으로 CMP 조성물 내에 존재하도록 하는 양으로 수성 용매 중에 분산되거나 용해된 각종 성분들을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 반도체 기재를 화학적으로-기계적으로 연마하는 방법을 제공한다. 방법은 (i) 기재의 표면을 연마 패드, 및 본원에 기재된 바와 같은 본 발명의 CMP 조성물과 접촉시키고, (ii) 연마 조성물이 연마 패드와 기재의 표면 사이에 있도록 하면서 기재의 표면에 대해 연마 패드를 상대 이동시킴으로써, 표면의 적어도 일부를 마모하여 기재를 연마하는 것을 포함한다.

본 발명의 CMP 방법은 임의의 적당한 기재를 연마하기 위해 사용될 수 있고, 다결정규소, 질화규소, 산화규소 또는 이들의 조합을 포함하는 기재를 연마하기에 특히 유용하다. 본 발명의 조성물 및 방법의 한 특별한 이점은, 산화규소에 비해 다결정규소의 제거에 대한 상대 속도가 연마하는 기재의 표면에 적용되는 조성물의 농도를 변화시킴으로써 변화될 수 있는 반면, 질화규소 제거 속도는 비교적 넓은 농도 범위에 걸쳐 비교적 일정하게 유지된다는 것이다. 이 "조정가능성"은, 연마자가 원하는 질화규소 제거 속도를 갖는 제형물을 선택한 후, 연마하는 특별한 기재에 대해 필요한 다결정규소 제거 및 산화규소 제거의 상대 속도를 변화시킬 수 있도록 한다. 질화규소 기재를 본 발명의 CMP 조성물로 연마할 때 수득되는 질화규소 제거 속도는 일차적으로 제형물 내에 존재하는 연마제의 농도에 의해 조절된다. 미국 특허 제6,533,832호(Steckenrider 등)에 개시된 것들과 같은 종래 기술의 조성물은 다결정규소 제거와 산화규소 제거 사이에 약간의 선택성을 제공할 수 있으나, 적절한 질화규소 제거 속도를 제공하지 않는다. 종래 기술의 조성물의 이 한계는 본 발명의 CMP 조성물에 의해 극복된다.

본 발명은 또한 기재의 화학적-기계적 연마에서 다결정규소, 질화규소 및 산화규소의 상대 제거 속도를 선택하는 방법을 제공한다. 방법은 (a) 다결정규소 및 산화규소를 포함하는 반도체 기재를 소정 농도의 본 발명의 수성 CMP 조성물로 연마하는 단계(여기에서, CMP 조성물은 질화규소 기재의 CMP 중에 원하는 질화규소 수준을 달성하기에 충분한 소정 농도의 연마제를 포함함); (b) 단계 (a) 동안에 달성되는 다결정규소 및 산화규소에 대한 제거 속도를 결정하는 단계; (c) 다결정규소 및 산화규소를 포함하는 반도체 기재를, 단계 (a)에서 사용된 농도와 상이한 농도의 CMP 조성물을 이용하여 연마하는 단계; (d) 단계 (c) 중에 달성되는 다결정규소 및 산화규소에 대한 제거 속도를 결정하는 단계; 및 (e) 다결정규소 제거, 산화규소 제거 및 질화규소 제거의 원하는 상대 속도가 수득될 때까지, 상이한 농도의 CMP 조성물을 사용하여, 필요한 대로, 단계 (c) 및 (d)를 반복하는 단계를 포함한다.

본 발명의 CMP 방법은 특히 화학적-기계적 연마 장치와 함께 사용하기에 적합화되어 있다. 전형적으로, CMP 장치는 사용 시에 이동성으로 되고, 타원형, 선형 및/또는 원형 이동으로부터 비롯되는 속도를 가지는 압반(platen), 압반과 접촉되어 이동 시에 압반에 대해 상대 이동하는 연마 패드, 및 연마 패드의 표면에 접촉시키고, 그에 대해 상대이동시킴으로써 연마되는 기재를 고정하는 캐리어를 포함한다. 기재의 연마는, 기재를 연마 패드 및 본 발명의 CMP 조성물과 접촉하도록 둔 후, 연마 패드를 기재에 대해 상대 이동시켜, 기재의 적어도 일부를 마모시켜 기재를 연마함으로써 일어난다.

기재는 임의의 적당한 연마 패드를 이용하여, 본 발명의 CMP 조성물로 평면화되거나 연마될 수 있다(예를 들어, 연마 표면). 적당한 연마 패드에는 예를 들어 직조 및 부직조 연마 패드, 홈이 있거나 없는 패드, 다공성 또는 비다공성 패드 등이 포함된다. 또한, 적당한 연마 패드는 다양화된 밀도, 경도, 두께, 압착능, 압착 시의 반향, 압착율의 임의의 적당한 중합체를 포함할 수 있다. 적당한 중합체에는 예를 들어, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 플루오로카본, 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 이들의 동반 형성 생성물, 및 이들의 혼합물이 포함된다.

바람직하게, CMP 장치는 인시츄(in situ) 연마 종점(endpoint) 검출 시스템을 추가로 포함할 수 있는데, 이 시스템들 중 많은 것들이 당업계에 알려져 있다. 작업편의 표면으로부터 반사된 광 또는 기타 조사선을 분석함으로써 연마 공정을 조사하고 모니터링하는 기법이 당업계에 알려져 있다. 그러한 방법은 예를 들어 미국 특허 제5,196,353호(Sandhu 등), 미국 특허 제5,433,651호(Lustig 등), 미국 특허 제5,949,927호(Tang), 및 미국 특허 제5,964,643호(Birang 등)에 기재되어 있다. 바람직하게, 연마하는 작업편에 대한 연마 공정의 진전을 조사하거나 모니터링함으로써, 언마 종점을 결정할 수 있는 바, 즉 특별한 작업편에 대한 연마 공정의 종료 시점을 결정할 수 있다.

하기 실시예는 본 발명을 더욱 설명하나, 물론 이는 본 발명의 범주를 어떤 방식으로도 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.

실시예 1

이 실시예는 본 발명에 따른 CMP 조성물의 제형을 설명한다.

N-메틸화 2-아미노-2-메틸프로판올 조성물, 산성 금속 착화제 및 흄드 실리 카의 수성 슬러리를 표 1에 나와 있는 제형 조성을 갖는 조성물을 제공하기에 적당한 양의 탈이온수 중에 혼합함으로써, 하기 CMP 조성물을 제조하였다. 각 제형물은 또한 약 10 ppm(활성제 기준)의 살생물제(롬앤드하스로부터의 캐톤

살생물제)를 포함하였다. 필요한 대로, 수성 암모니아 및/또는 염산을 첨가함으로써, 각 조성물의 pH를 원하는 값으로 조정하였다.

본 발명의 CMP 조성물

실시예 #	제형
1A	흄드 실리카(5 중량%) 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올*(600 ppm) 인산(200 ppm) 필요한 대로, 암모니아 및/또는 인산을 이용하여 pH 7.4로 조정됨
1B	흄드 실리카(5 중량%) 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올*(600 ppm) 인산(200 ppm) 필요한 대로, 암모니아 및/또는 인산을 이용하여 pH 8로 조정됨
1C	흄드 실리카(5 중량%) 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올*(600 ppm) 옥살산(140 ppm) 필요한 대로, 암모니아 및/또는 인산을 이용하여 pH 7.4로 조정됨
1D	흄드 실리카(5 중량%) 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올*(600 ppm) 아미노-트리(메틸렌포스폰산)(240 ppm) 필요한 대로, 암모니아 및/또는 인산을 이용하여 pH 7.4로 조정됨

* DMAMP은 약 2% 미만의 모노메틸화 및 비메틸화 아민을 함유함.

하기 연마 조건 하에서 벤치탑 연마기에서 다결정규소 웨이퍼를 연마함으로써, 상기 조성물을 평가하였다: 약 3 파운드/제곱인치(psi)의 하향력(down-force), 약 63 분당 회전수(rpm)의 압반 속도, 약 57 rpm의 캐리어 속도, 및 분 당 약 200 mL(mL/분)의 슬러리 공급 속도. 제형물 1A는 분 당 약 1600 옹스트롬(Å/분)의 다결정규소 제거 속도를 제공하였다. 제형물 1B는 약 1800 Å/분의 다결정규소 제거 속도를 제공하였다.

약 8 pH, 약 12 중량%의 흄드 실리카, 약 200 ppm의 인산, 및 약 4.3 mmol/Kg(500 ppm 몰 당량의 DMAMP)의 아미노 화합물을 갖는 부가적 제형물을 제조하였고, 여기에서 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올은 상이하게 된 유기 아미노 화합물, 즉 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올; 2-메틸아미노-2-메틸-1-프로판올; 2-((2-((2-히드록시에틸)아미노)에틸)아미노)에탄올; N,N-비스(2-히드록시에틸)에틸렌디아민; 2-{[2-(디메틸아미노)에틸]메틸아미노}에탄올; 2,2-아미노에틸아미노에탄올; 2-(3-아미노프로필아미노)에탄올; 1-(2-히드록시에틸)피페라진; 1,4-비스(2-히드록시에틸)피페라진; 콜린; 2-(부틸아미노)에탄올; 2-(t-부틸아미노)에탄올; 2-(디이소프로필아미노)에탄올; 트리이소프로판올아민; 트리스(히드록시메틸아미노)에탄; N,N-디에탄올아민; 2-아미노-2-메틸-1-프로판올; 3-메톡시프로필아민; 비스(2-메톡시에틸)아민; N-프로필에틸렌디아민; 2-((2-((2-히드록시에틸)아미노)에틸)아미노)에탄올; 2,2-아미노에틸아미노에탄올; 2-(3-아미노프로필아미노)에탄올; 또는 디에틸렌트리아민으로 치환되었다. 각각의 상기 제형물들을 이용하여, 다결정규소, 질화규소 및 산화규소(보로포스포실리케이트 유리, BPSG) 블랭킷 웨이퍼들을 연마하였다. 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올을 함유하는 제형물과 대비하여, 각 제형물에 대해 수득된 다결정규소, 질화규소 및 산화규소 제거 속도들을 도 1에 플로팅하였다. 도 1에서의 데이터는, 상이한 유기 아미노 화합물을 함유하는 각각의 제형물이 다결정규소, 질화규소 및 산화규소에 대한 허용가능한 제거 속도를 제공하였음을 가리킨다.

실시예 2

이 실시예는 다결정규소, 질화규소 및 산화규소의 제거에 대한 본 발명의 CMP 조성물의 선택성 및 조정가능성을 설명한다.

약 pH 8에서, 탈이온수 중에 약 12 중량% 흄드 실리카, 약 600 ppm의 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올(DMAMP), 및 약 200 ppm의 인산을 포함하는 본 발명의 CMP 조성물을 제조하였다. 조성물을 200 ppm, 300 ppm, 400 ppm 및 500 ppm의 유효 DMAMP 수준이 되도록 일련 희석하였고, 각 희석물을, 하기 연마 조건 하에서 미라(Mirra)^TM 3400 연마기(어플라이드 머티리얼즈 인코포레이티드(Applied Materials, Inc.)에서, 다결정규소 웨이퍼, 질화규소 웨이퍼 및 BPSG 웨이퍼를 연마함으로써 평가하였다: 약 3 psi의 하향력, 약 63 rpm의 압반 속도, 약 57 rpm의 캐리어 속도, 및 약 200 mL/분의 슬러리 공급 속도. 각 희석 수준에서 관찰된 다결정규소, 질화규소 및 산화규소(BPSG) 제거 속도가 도 2에 플로팅되어 있다.

도 2에 나와 있는 데이터로부터 명백한 바와 같이, 질화규소 제거 속도는 (DMAMP 기준으로) 200 내지 500 ppm 전체 희석 범위에 걸쳐 약 250 Å/분으로 비교적 일정하게 유지되었다. 이와 대조적으로, 다결정규소 제거 속도는 200 ppm에서의 1600 Å/분에서 500 ppm에서의 약 1900 Å/분으로 꾸준히 증가한 반면, 산화규소 제거 속도는 200 ppm에서의 약 750 Å/분에서 500 ppm에서의 약 100 Å/분으로 감소하였다. 이 데이터는, 산화규소 제거에 대한 다결정규소 제거의 비율이, 비교적 일정한 질화규소 제거 속도를 유지하면서 기재에 적용되는 연마 조성물의 농도를 조정함으로써 용이하게 변화될 수 있음을 입증한다.

동일한 양의 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올 및 인산을 포함하나, 감소된 수준의 연마제, 즉 약 4 중량% 흄드 실리카, 약 5 중량% 흄드 실리카, 및 약 6 중량% 흄드 실리카를 갖는 부가적 제형물들을 제조하였다. 이 제형물들을 약 600 ppm 및 약 1100 ppm의 희석 고형분 수준에서 상기 기재된 바대로 평가하였다. 평가한 각 희석 수준에서 관찰된 다결정규소, 질화규소 및 산화규소 제거 속도가 표 2에 제공된다.

표 2에서의 데이터는, 질화규소 제거 속도가 슬러리 중 실리카 연마제의 농도 증가에 따라 증가한 반면, 다결정규소 제거 속도는 제형물의 희석 시에 감소하였고, 산화규소 제거 속도는 제형물의 희석 시에 증가하였음을 가리킨다. 따라서, 본 발명의 CMP 조성물은 먼저 (예를 들어, 슬러리 중 연마제 농도에 기초하여) 원하는 질화규소 제거 수준을 갖는 제형물을 선택한 후, 슬러리의 희석 수준을 변화시켜, 다결정규소, 산화규소 및 질화규소 제거 속도 간의 원하는 균형이 수득될 때까지 산화규소 제거에 대한 다결정규소 제거의 비를 변화시킴으로써, 다결정규소, 산화규소 및 질화규소의 상대 제거 속도를 조정하는 수단을 제공한다.

제형물	희석 수준	다결정규소 제거 속도 Å/분	질화규소 제거 속도 Å/분	다결정규소 제거 속도 Å/분
2A(12% 실리카)	1100 ppm	2100	255	215
2A(12% 실리카)	600 ppm	1750	250	225
2B(6% 실리카)	1100 ppm	1900	150	170
2B(6% 실리카)	600 ppm	1750	150	175
2C(5% 실리카)	600 ppm	1600	125	145
2D(4% 실리카)	1100 ppm	1900	68	142
2D(4% 실리카)	600 ppm	1600	75	150

본원에 인용된 공보, 특허 출원 및 특허를 비롯한 모든 참고문헌들은, 각각의 참고문헌이 개별적이고 특별히 참고 인용되는 것으로 나타내어지고 전체적으로 본원에 나와 있는 것과 동일한 정도로 본원에 참조 인용된다.

본 발명을 기술하는 문맥 내에서 단수 표현의 용어들(즉, 영문 관사 "a" 및 "an" 및 "the"에 해당됨) 및 이와 유사한 용어들은, 본원에 달리 나타내어지거나 문맥상 명료히 반박되는 경우가 아니라면, 단수 및 복수 모두를 포괄하는 것으로 간주되도록 한다. 용어 "포함하는", "가지는", "비롯한", 및 "함유하는"은 달리 명시되지 않는 한, 한계가 개방된 용어임(즉, "그 요소들을 포함하나, 이에 국한되지 않음")을 의미하는 것으로 간주되도록 한다. 본원에서의 값 범위의 인용은 단지 그 범위 내에 속하는 각각의 분리된 값들을 개별적으로 가리키기 위한 간단법일 뿐이며, 각각의 분리된 값은 그것이 개별적으로 본원에 인용된 것처럼 명세서 내에 인용된다. 본원에 기재된 모든 방법들은, 본원에 달리 나타내어지거나 문맥 상 다른 방식으로 명료히 반박되지 않는 한, 임의의 적당한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공되는 임의의 모든 예 또는 예시적 용어(예를 들어, "~와 같은")의 사용은 달리 청구되지 않는 한, 본 발명을 보다 잘 설명하고, 본 발명의 범주를 제한하지 않는 것으로 의도된다. 명세서 내 어떤 언어도 청구되지 않은 임의의 요소들이 본 발명의 수행에 대해 필수적임을 가리키는 것으로 간주되어서는 안된다.

본 발명을 수행하기 위해 본 발명자에게 알려진 최량의 방식을 비롯한, 본 발명의 바람직한 실시양태들이 본원에 기재되어 있다. 그 바람직한 실시양태에 대한 변화는, 상기 기술내용을 읽을 때 당업자에게 자명해질 수 있다. 본 발명자는 당업자가 적절한 대로 상기와 같은 변화를 이용할 것으로 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본원에 구체적으로 기재된 것과 다른 방식으로 수행되도록 의도한다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법이 인정하는 바대로, 본원에 첨부된 특허청구범위에 피력된 요지의 모든 가능한 변형 및 균등 내용을 포함한다. 또한, 상기 요소들와 이의 모든 가능한 변화의 임의의 조합도, 본원에 달리 나타내어지거나 문맥상 명료히 반복되지 않는 한, 본 발명에 의해 포괄된다.

Claims

(a) 다결정규소, 질화규소 및 산화규소를 포함하는 반도체 기재를 소정 농도의 수성 CMP 조성물로 연마하는 단계로서, 상기 CMP 조성물이 질화규소 기재의 CMP 중에 원하는 질화규소 수준을 달성하기에 충분한 소정 농도의 연마제를 포함하고, pH가 7 내지 9이며, (i) 3 내지 6 중량%의 비정형 실리카, (ii) 100 내지 1000 백만분율(ppm)의 2-디메틸아미노-2-메틸프로판올, 이의 염, 또는 이들의 조합, (iii) 100 내지 500 ppm의, 인산, 디카르복실산, 폴리카르복실산, 포스폰산, 이들의 염 및 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산성 금속 착화제, 및 (iv) 이를 위한 수성 담체를 포함하는 것인 연마 단계;

(b) 단계 (a) 동안에 달성되는 다결정규소 및 산화규소에 대한 제거 속도를 결정하는 단계;

(c) 다결정규소, 질화규소 및 산화규소를 포함하는 반도체 기재를 단계 (a)에서 사용된 농도와 상이한 농도의 CMP 조성물을 이용하여 연마하는 단계;

(d) 단계 (c) 중에 달성되는 다결정규소 및 산화규소에 대한 제거 속도를 결정하는 단계; 및

(e) 다결정규소 제거, 산화규소 제거 및 질화규소 제거의 원하는 상대 속도가 수득될 때까지, 상이한 농도의 CMP 조성물을 사용하여, 필요한 대로, 단계 (c) 및 (d)를 반복하는 단계

를 포함하는, 기재의 CMP에서 다결정규소, 질화규소 및 산화규소의 상대 제거 속도를 선택하기 위한 화학적-기계적 연마(CMP) 방법.
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