KR101432852B1 - 화학 기계적 평탄화 조성물, 시스템, 및 사용 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 화학 기계적 평탄화(CMP) 폴리싱 조성물에 관한 것이다. 웨이퍼 폴리싱 조성물은 연마 입자가 실질적으로 없는 용액으로서 사용될 수 있으며, 이 용액의 조성은 고정형 연마 CMP 공정을 사용하는 반도체 웨이퍼의 얕은 트렌치 소자 분리(STI) 처리에서 산화물 제거 속도 및 산화물/질화물 선택비를 제어하도록 조절될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 본 발명은 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 pH 9 내지 11의 고정형 연마 CMP용 작업 액체를 제공한다. STI를 위한 고정형 연마 CMP 시스템 및 방법에서 사용될 때, 예시적인 작업 액체는 적어도 500 옹스트롬/분의 산화물 제거 속도, 및 적어도 5의 산화물/질화물 선택비를 얻을 수 있다.
화학 기계적 평탄화, CMP, 폴리싱, 작업 액체, 프롤린, 불소화합물, 계면활성제, 웨이퍼
Description
본 발명은 일반적으로 화학 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization, CMP)를 위한 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 CMP 시스템 및 방법에서 고정형 연마 용품(fixed abrasive article)과 함께 사용될 수 있는 조성물에 관한 것이다.
집적 회로 제조 동안, 반도체 제작에 사용되는 반도체 웨이퍼는 전형적으로 증착, 패터닝(patterning) 및 에칭 단계를 비롯한 많은 처리(processing) 단계들을 겪게 된다. 이러한 반도체 웨이퍼 제조 단계들의 상세 사항은 문헌[Tonshoff et al., "Abrasive Machining of Silicon", published in the Annals of the International Institution for Production Engineering Research, (Volume 39/2/1990), pp. 621-635]에 보고되어 있다. 각각의 제조 단계에서, 후속 제작 또는 제조 단계들을 위한 웨이퍼를 제조하기 위하여 웨이퍼의 노출된 표면을 개질 또는 정제하는 것이 종종 필요하거나 바람직하다. 예를 들어, 얕은 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 구조물을 갖는 반도체 웨이퍼는 추가의 처리에 앞서 유전체(dielectric) 재료의 평탄화를 필요로 한다.
웨이퍼의 노출된 표면을 개질 또는 정제하는 한가지 방법은 액체 중에 분산된 복수의 성긴(loose) 연마 입자를 포함하는 슬러리로 웨이퍼 표면을 처리하는 공정을 채용한다. 전형적으로, 웨이퍼 표면으로부터 재료를 없애거나 제거하기 위하여, 이러한 슬러리를 폴리싱 패드(polishing pad)에 적용하고, 이어서 웨이퍼 표면을 패드에 대고 연마하거나 움직인다. 일반적으로, 슬러리는 웨이퍼 표면과 화학적으로 반응하며 CMP 공정 선택성, 예를 들어, "스톱 온 질화물(stop on nitride)" 선택성을 제공할 수 있는 첨가제를 또한 함유한다. 이러한 유형의 공정을 통상적으로 슬러리-기반 화학-기계적 평탄화(CMP) 공정이라고 말한다.
그러나, 슬러리-기반 CMP 공정의 한가지 한계는 원하는 웨이퍼 표면 토포그래피(topography)를 달성하고 웨이퍼 표면의 디싱(dishing)을 피하기 위해서 슬러리 연마 공정이 주의깊게 모니터링되어야만 한다는 것이다. 두 번째 한계는 성긴 연마 슬러리의 사용과 관련하여 웨이퍼 표면에 스크래치를 발생시킬 수 있는 잠재성이다. 다른 한계는 슬러리와 관련된 더러워짐(mess), 및 웨이퍼의 표면으로부터 제거되어야 하고 후속 웨이퍼 처리에서 폐기되어야 하는 다수의 입자이다. 이러한 슬러리의 취급 및 폐기는 반도체 웨이퍼 제작자에 대해 추가적인 처리 비용을 발생시킨다.
슬러리-기반 CMP 공정에 대한 대안은 반도체 표면을 개질 또는 정제하는 연마 용품을 사용한다. 연마 용품을 사용하는 CMP 공정은, 예를 들어, 미국특허 제5,958,794호에서 브룩스부르트(Bruxvoort) 등에 의해 그리고 미국특허 제6,194,317호에서 가이사끼(Kaisaki) 등에 의해 보고되었다. 개시된 연마 용품은 결합제 중 에 분산된 연마 입자를 포함하는 텍스처 형성된(textured) 연마 표면을 가질 수 있다. 사용시, 연마 용품은 흔히 유체 또는 작업 액체(working liquid)의 존재 하에 반도체 웨이퍼 표면과 접촉되어 평평하고 균일한 웨이퍼 표면을 제공할 수 있다. 연마 용품의 사용은 CMP 슬러리와 관련된 일부 한계를 극복하지만 모든 한계를 극복하지는 못한다. 당업계에서는 무-슬러리(slurry-free) CMP 공정을 위한 신규하고 개선된 연마 조성물 및 방법을 계속 찾고 있다.
발명의 개요
본 발명은 일반적으로 반도체 웨이퍼의 노출된 표면을 개질하기 위한 조성물, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고정형 연마 CMP 공정을 사용하여 반도체 웨이퍼를 개질하기 위해 산화물 제거 속도(oxide removal rate) 및 선택비(selectivity ratio)를 제어하도록 조절될 수 있는 조성물에 관한 것이다.
일 태양에서, 본 발명은 연마 입자가 실질적으로 없고 프롤린(proline) 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 작업 액체를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 고정형 연마 용품을 사용하는 화학 기계적 평탄화(CMP)에 유용하다.
다른 태양에서, 본 발명은 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 용품과, 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 작업 액체를 포함하는 웨이퍼 평탄화 시스템을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 고정형 연마 용품은 다수의 연마 입자 및 결합제를 포함한다. 소정 실시 형태에서, 작업 액체는 9 내지 11의 pH를 나타내고 연마 입자가 실질적으로 없다. 일부 시스템에서, 연마 용품은 정밀하게 형상 화된 연마 복합재를 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 이산화규소를 포함하는 제1 영역 및 질화규소를 포함하는 제2 영역을 포함하는 웨이퍼를 제공하고, 웨이퍼를 다수의 연마 입자 및 결합제를 포함하는 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 용품과 접촉시키고, 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 액체 매질의 존재 하에 웨이퍼 및 고정형 연마 용품을 상대적으로 움직임으로써 웨이퍼를 폴리싱하기 위한 방법을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 9 내지 11의 pH를 나타낸다. 소정 실시 형태에서, 작업 액체는 10 내지 10.5의 pH를 나타낸다.
본 발명의 조성물 및 방법은 폴리싱 패드 및 슬러리보다는 고정 연마재를 사용하는 화학 기계적 평탄화 공정의 성능을 예상외로 향상시킨다. 고정형 연마 CMP 공정에서 프롤린을 갖는 용액 중에 불소화합물계 계면활성제를 사용하는 것은 스톱 온 질화물 선택성을 유지하면서 높은 유전체 산화물 재료 제거 속도를 달성하는 것으로 밝혀졌다.
유전체 재료(예를 들어, 이산화규소와 같은 금속 산화물)의 제거 속도는, 일부 실시 형태에서, 작업 유체의 조성, 특히 불소화합물계 계면활성제의 농도에 의해 영향을 받는 고정형 연마 CMP 공정의 중요한 특성일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 약 500 옹스트롬/분 (Å/min)의 산화물 제거 속도를 갖도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 700 Å/min의 산화물 제거 속도를 갖도록 선택된다.
다른 실시 형태에서, 작업 유체의 조성은 적어도 부분적으로, 산화물 제거 속도 및 선택비를 증가시키도록 선택된다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 알칼리성 pH 조건 하에 프롤린과 함께 불소화합물계 계면활성제를 사용하는 것은 얕은 트렌치 소자 분리(STI)에서 질화물 제거 속도를 유지하면서 산화물 제거 속도를 증가시키며, 이에 의해 STI를 위한 고정형 연마 CMP 공정의 작업 유체에서 프롤린의 사용과 관련된 산화물/질화물 선택비(oxide over nitride selectivity ratio)를 증가시킨다. 소정 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 약 500 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 5의 산화물/질화물 선택비를 나타낼 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 700 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 30의 선택비를 나타낼 수 있다.
일부 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 적어도 부분적으로, 산화물 제거속도를 제어하도록 선택된다. 예시적인 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 중량 기준으로 작업 액체의 0.005％ 초과, 소정 실시 형태에서 적어도 0.02％가 되도록 선택된다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 중량 기준으로 1.0％ 미만, 소정 실시 형태에서 0.6％ 이하이다.
본 발명의 일부 실시 형태는 슬러리-기반 CMP와 관련된 기술에 비해 소정 이점을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 본 발명의 조성물, 시스템 및 방법은 웨이퍼 표면의 감소된 디싱, 더 낮은 CMP 패드 압력을 사용하는 능력, 및 슬러리-기반 CMP 공정에 비해 CMP 공정의 향상된 제어를 제공할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태는 고정형 연마 CMP와 관련된 기술에 비해 소정 이점을 제공한다. 일부 실시 형 태에서, 본 발명의 조성물, 시스템 및 방법은 신속한 산화물 제거 속도 및 적당히 알칼리성인 pH 조건, 예를 들어, pH 9 내지 11에서 산화물/질화물 선택비의 증가를 제공할 수 있다.
상기 발명의 개요는 본 발명의 각각 개시된 실시 형태 또는 모든 구현예 및 그 이점들을 설명하고자 하는 것은 아니다. 하기 발명의 상세한 설명이 예시적인 실시 형태를 보다 구체적으로 예시한다. 이러한 개시로부터 다른 이점들이 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명과 관련하여:
"연마 복합재"는 결합제 내에 분포된 연마 입자를 포함하는 텍스처 형성된 3-차원의 연마 용품을 집단적으로 제공하는 복수의 형상화된 몸체들 중 하나를 말하며;
"고정형 연마 용품"은 평탄화 공정 동안에 발생될 수 있는 것을 제외하고는 부착되지 않은 연마 입자가 실질적으로 없는 일체형 연마 용품을 말하고;
"정밀하게 형상화된 연마 복합재"는 복합재가 주형(mold)으로부터 제거된 후에 유지되는 주형 공동(cavity)의 역상인 성형된 형상을 갖는 연마 복합재 - 여기서, 복합재는 미국 특허 제5,152,917호에서 피에퍼(Pieper) 등에 의해 기술된 바와 같이 연마 용품이 사용되기 전에 상기 형상의 노출된 표면을 지나 돌출된 연마 입자가 실질적으로 없을 수 있음 - 를 말하고;
"텍스처 형성된 연마 용품"은 융기부 및 함몰부를 가지며, 적어도 융기부가 연마 입자 및 결합제를 포함하는 연마 용품을 말하고;
"3-차원 연마 용품"은, 평탄화 동안의 입자의 일부의 제거가 평탄화 기능을 수행할 수 있는 추가적인 연마 입자를 노출시키도록, 그 두께의 적어도 일부분에 걸쳐 연장되는 많은 연마 입자들을 갖는 연마 용품을 말하고;
"웨이퍼"는 블랭크(blank) 웨이퍼(즉, 금속화 영역 및 절연 영역과 같은 토포그래픽 특징부(topographical feature)를 부가할 목적으로 처리하기 전의 웨이퍼) 또는 처리된 웨이퍼(즉, 토포그래픽 특징부를 웨이퍼 표면에 부가하기 위한 하나 이상의 처리 단계에 처해진 후의 웨이퍼) 형태의 반도체 웨이퍼를 말하고;
"산화물 제거 속도"는 일반적으로 분당 옹스트롬(Å/min)으로 표현되는, 유전체 산화물 재료가 CMP 공정 동안에 웨이퍼로부터 제거될 수 있는 속도를 말한다.
"선택비"는 CMP 공정 동안에 제2 재료(예를 들어, 질화규소와 같은 장벽 재료)를 웨이퍼로부터 제거할 수 있는 속도에 대한 제1 재료(예를 들어, 이산화규소와 같은 유전체 산화물 재료)를 제거할 수 있는 속도의 비를 말한다.
일부 실시 형태에서, 본 발명은 연마 입자가 실질적으로 없으며 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 작업 액체가 고정형 연마 CMP 공정에 사용되는 조성물, 시스템 및 방법을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 조성물은 고정형 연마 CMP 시스템에서 고정형 연마 용품과 함께 사용되는 작업 액체이다. 고정형 연마 CMP 조성물, 시스템 및 방법은 패터닝된 웨이퍼의 얕은 트렌치 소자 분리(STI)에 유용할 수 있는데, 여기서, 뤼브(Rueb) 등의 미국 특허 제6,997,785호에 기재된 바와 같이 작업 액체에서 선택적인 화학 특성을 사용하여 "스톱 온 질화물" 산화물 제거 선택성을 얻는 것이 바람직할 수 있다.
STI에서, 기재(base) 및 복수의 얕은 트렌치 소자 분리 구조물을 갖는 웨이퍼가 제공된다. 얕은 트렌치 소자 분리 구조물은 질화규소 층을 침착시키고 패터닝하여 웨이퍼의 표면 상에 마스크를 형성한 다음에, 당업자에게 공지된 임의의 에칭 공정을 사용하여 트렌치를 형성함으로써 전형적으로 형성된다. 얕은 트렌치 소자 분리 구조물의 표면 위에 그리고 얕은 트렌치 소자 분리 구조물들 사이의 공간에 유전체 층이 침착될 수 있다. 예를 들어, 이산화규소와 같은 다양한 유전체 재료가 사용될 수 있다. 본 발명과 관련하여 사용될 때, "이산화규소"는 이산화규소뿐만 아니라, 예를 들어, 불소, 붕소 및/또는 인 도핑된 이산화규소와 같은 이산화규소의 도핑된 변형물을 말한다.
그리고 나서, 유전체 층의 일부분이 본 발명의 CMP 공정을 사용하여 제거되어 원하는 패턴을 형성한다. 폴리싱된 유전체 재료 및 질화물 마스크 층은 일반적으로 평탄 표면을 형성한다. 마스크 층은 CMP 처리에 대한 노출로부터 얕은 트렌치 소자 분리 구조물을 보호하는 CMP 공정용 스톱 층(stop layer)으로서 기능한다. 마스크 층은 전형적으로 질화물 재료, 예를 들어, 질화규소를 사용하여 생성된다. 본 발명에 따른 고정형 연마 용품 및 작업 액체의 사용이 슬러리-기반 CMP 공정과 비교하여 고정형 연마 CMP 공정에서 웨이퍼의 디싱을 감소시킬 수 있음이 입증되었다.
본 발명의 공정에 유용한 CMP 기계는 구매가능하며 당업자에게 공지되어 있다. 예시적인 CMP 기계는 미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스(Applied Materials)로부터, 예를 들어, "어플라이드 머티리얼스 미라™ CMP 폴리셔(APPLIED MATERIALS MIRRA™ CMP POLISHER)" 및 "리플렉시온 웨브™(REFLEXION WEB™)"로서 시판되는 기계로 구매가능하다. 본 발명의 공정에 유용한 CMP 기계는, 예를 들어, 미국 특허 제5,958,794호에서 브룩스부르트 등에 의해 그리고 미국 특허 제6,194,317호에서 가이사끼 등에 의해 보고된 바와 같은 고정형 연마 폴리싱 용품이 설치될 수 있다.
연마 용품은 액체 매질(즉, 작업 액체)의 존재 하에 웨이퍼의 노출된 표면을 폴리싱하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 방법에 유용한 연마 용품은 전형적으로 직경이 250 내지 1,000 밀리미터의 범위이다. 연마 용품은 적어도 5 회전/분 (rpm), 더 바람직하게는 10 rpm의 속도로 회전할 수 있다. 연마 용품은 바람직하게는 최대 10,000 rpm의 속도, 더 바람직하게는 최대 1,000 rpm의 속도, 더욱 더 바람직하게는 최대 250 rpm의 속도, 가장 바람직하게는 최대 60 rpm의 속도로 회전한다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품 및 웨이퍼는 동일한 방향으로 회전될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 웨이퍼와 연마 용품은 반대 방향으로 회전될 수 있다.
연마 용품은 또한 예를 들어, 시트, 롤, 또는 벨트를 포함하는 다른 형태로 제공될 수 있다. 이들 형태에서, 연마 용품은, 예를 들어, 폴리싱 작업 동안에 CMP 공정으로 선형적으로 공급될 수 있다.
연마 용품은 장시간 지속되도록 선택될 수 있는데, 예를 들어, 연마 용품은 적어도 부분적으로, 최소 개수의 상이한 웨이퍼들을 폴리싱하도록 선택될 수 있다. 연마 용품은 또한 산화물 제거 속도에 기초하여 선택될 수 있다. 부가적으로, 연마 용품은 원하는 평탄도, 표면 마무리, 및 최소 디싱을 갖는 반도체 웨이퍼를 산출할 수 있는 그의 능력에 기초하여 선택될 수 있다. 재료, 원하는 텍스처, 및 연마 용품을 제조하는 데 사용되는 공정 모두는 이러한 기준이 충족되는지 여부에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 CMP 공정에 유용한 연마 용품은 미국 특허 제5,958,794호에서 브룩스부르트 등에 의해 그리고 미국 특허 제6,194,317호에서 가이사끼 등에 의해 보고된 것들을 포함한다. 소정 실시 형태에서, 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 용품이 사용된다. 일부 실시 형태에서, 연마 용품은 산화세륨(ceria) 연마 입자를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 연마 용품은 정밀하게 형상화된 연마 복합재를 포함한다.
본 발명의 공정에 유용한 산화세륨 입자를 포함하는 정밀하게 형상화된 연마 복합재를 갖는 예시적인 연마 용품은 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구매가능하며, "쓰리엠 슬러리프리 CMP 픽스드 어브레이시브(3M SLURRYFREE CMP FIXED ABRASIVE) 3152" 및 "쓰리엠 슬러리프리 CMP 픽스드 어브레이시브 3154"로 시판되는 것들을 포함한다. 정밀하게 형상화된 연마 복합재를 갖는 현재 바람직한 연마 용품은 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 상품명 SWR542-125/10로 판매되는 고정형 연마 패드이다.
본 발명의 공정을 사용한 CMP 처리 동안에, 작업 액체는 연마 용품과 웨이퍼 사이의 계면에 존재한다. 전형적으로, 평탄화 동안에, 연마 용품과 웨이퍼 사이의 계면으로의 일관된 작업 액체 유동이 있다. 액체 유량은 전형적으로 적어도 약 10 밀리리터/분 (㎖/min), 더 바람직하게는 적어도 25 ㎖/min이다. 액체 유량은 전형적으로 최대 약 10,000 ㎖/min, 더 바람직하게는 최대 약 500 ㎖/min, 가장 바람직하게는 최대 약 250 ㎖/min이다.
본 발명의 작업 액체는 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하며, 연마 입자가 실질적으로 없다. 일부 실시 형태에서, L-프롤린은 불소화합물계 계면활성제와 함께 사용될 수 있다. 작업 액체는 물, 및 첨가제, 예를 들어, 착화제, 완충제, 분산제 등을 또한 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 약 9의 pH로 조절된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 약 10의 pH로 조절된다. 소정의 현재 바람직한 실시 형태에서, 작업 액체의 pH는 약 10.5로 조절된다. 이들 실시 형태들 중 일부에서, 작업 액체는 약 11 이하인 pH로 조절된다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 약 10.5 이하인 pH로 조절된다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 약 9 내지 약 11 범위의 pH로 조절된다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 약 10 내지 약 10.5 범위의 pH로 조절된다. pH는, 예를 들어, KOH 또는 NH4OH의 첨가를 포함하는 당업자에게 공지된 방법 및 용액을 사용하여 조절될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 완충된다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 다른 아미노산, 예를 들어, 히스티딘, 글리신, 라이신, 아르기닌 등을 사용하여 완충될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 0.1 중량％의 프롤린을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 0.5 중량％의 프롤린을 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 적어도 1 중량％의 프롤린을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 약 2.5 중량％의 프롤린을 포함한다. 이들 실시 형태들 중 일부에서, 작업 액체는 최대 8 중량％의 프롤린을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 최대 5 중량％의 프롤린을 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 최대 3 중량％의 프롤린을 포함한다.
불소화합물계 계면활성제는 표면 활성을 나타내는 사실상 임의의 고도로 또는 완전히 플루오르화된 화학적 화합물일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제는 비이온성 계면활성제이다. 소정의 현재 바람직한 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제는 화학식 R1CH2CH2O(CH2CH2O)xH - 여기서, R1은 F(CF2CF2)3-8 이고, x는 1 이상의 정수임 - 을 갖는다. 적합한 불소화합물계 계면활성제에는 조닐(Zonyl)™ 계면활성제(미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀폰 디 네모아 코포레이션(E.I. DuPont de Nemours Corp.)에 의해 제조됨) 및 플루오라드(Fluorad)™ 계면활성제(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 제조됨)가 포함된다. 바람직한 불소화합물계 계면활성제에는 조닐™ FSN; 및 쓰리엠 L19909, 쓰리엠 L19330, 및 쓰리엠 노벡(Novec)™ 4432 계면활성제가 포함된다.
본 발명의 공정에 유용한 불소화합물계 계면활성제의 농도("농도")는 유전체(예를 들어, 이산화규소) 제거 속도, 유전체 대 장벽 층(예를 들어, 이산화규소 대 질화규소) 선택성, 또는 이들의 조합을 제어하도록 선택될 수 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 0.005％ 초과이도록 선택된다. 소정의 예시적인 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 중량 기준으로 작업 액체의 적어도 0.01％가 되도록 선택된다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 적어도 0.02 중량％의 불소화합물계 계면활성제 농도가 사용될 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 적어도 0.2 중량％의 불소화합물계 계면활성제 농도가 사용될 수 있다. 추가의 예시적인 실시 형태에서, 적어도 0.6 중량％의 불소화합물계 계면활성제 농도가 사용될 수 있다.
불소화합물계 계면활성제의 바람직한 최대 농도는, 예를 들어, CMP 공정 동안에 마찰에 의해 유도되는 가청 "스퀼링(squeeling)" - 이는 일부 불소화합물계 계면활성제의 경우에 약 0.2 중량％ 초과의 농도에서 발생할 수 있음 - 의 개시에 의해 쉽게 결정될 수 있다. 대안적으로, 바람직한 최대 농도는, 예를 들어, 고정형 연마 패드 표면으로부터의 웨이퍼의 제거(즉, "디-척킹(de-chucking)") 동안에 웨이퍼의 바람직하지 않은 미끄러짐 - 이는 일부 불소화합물계 계면활성제의 경우에 약 0.5 중량％ 초과의 농도에서 발생할 수 있음 - 의 시각적 관찰에 의해 결정될 수 있다. 소정의 예시적인 실시 형태에서, 1.0％ 미만의 불소화합물계 계면활성제 농도가 사용될 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 0.6％ 이하의 불소화합물계 계면활성제 농도가 사용될 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제 농도는 작업 액체의 중량을 기준으로 0.2％ 이하이고, 특정의 예시적인 실시 형태에서 0.02％ 이하이다.
본 발명의 처리 파라미터는 본 개시 사항에 의해 안내되는 숙련자에 의해서 원하는 제거 속도 및/또는 선택성을 달성하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 작업 액체의 pH와, 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제의 농도는 유전체 재료의 제거 속도를 제어하도록 조절될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 불소화합물계 계면활성제의 농도는 유전체 재료의 제거 속도를 제어하도록 조절된다. 원하는 제거 속도 또는 선택성을 달성하는 데 필요한 불소화합물계 계면활성제의 적절한 농도를 결정하기 위하여, 농도를 달리한 일련의 적어도 2개의 작업 액체를 시험하여 최적 농도를 결정할 수 있다. 마찬가지로, 원하는 제거 속도 또는 선택성을 위한 작업 액체 pH를 결정하기 위하여, pH 수준을 달리한 일련의 적어도 2개의 작업 액체를 시험하여 최적 pH 수준을 결정할 수 있다.
유전체 재료(예를 들어, 이산화규소와 같은 금속 산화물)의 제거 속도는, 일부 실시 형태에서, 작업 유체의 조성, 특히 불소화합물계 계면활성제의 농도에 의해 영향을 받는 고정형 연마 CMP 공정의 중요한 특성일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 산화물 제거 속도가 적어도 약 500 옹스트롬/분 (Å/min)이 되도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 산화물 제거 속도가 적어도 1000 Å/min이 되도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 산화물 제거 속도가 적어도 2,000 Å/min이 되도록 선택된다. 추가의 실시 형태에서, 작업 액체는 산화물 제거 속도가 적어도 2,500 Å/min이 되도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 산화물 제거 속도가 적어도 약 3,000 Å/min이 되도록 선택된다.
선택비, 즉 질화물 제거 속도에 대한 산화물 제거 속도의 비는 CMP에 유용한, 특히 얕은 트렌치 소자 분리에 유용한 스톱 온 질화물 선택성의 척도로서 취해질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 작업 액체는 유전체(예를 들어, 산화물) 대 장벽 층(예를 들어 질화물) 선택비가 적어도 약 5가 되도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 유전체 대 장벽 층 선택비가 적어도 약 20이 되도록 선택된다. 소정 실시 형태에서, 작업 액체는 유전체 대 장벽 층 선택비가 적어도 약 50이 되도록 선택된다. 추가의 실시 형태에서, 작업 액체는 유전체 대 장벽 층 선택비가 적어도 약 100이 되도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 작업 액체는 유전체 대 장벽 층 선택비가 적어도 약 250이 되도록 선택된다.
다른 실시 형태에서, 작업 유체의 조성은, 적어도 부분적으로, 산화물 제거 속도 및 선택비를 증가시키도록 선택된다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 알칼리성 pH 조건 하에 프롤린과 함께 불소화합물계 계면활성제를 사용하는 것은 얕은 트렌치 소자 분리(STI)에서 질화물 제거 속도를 유지하면서 산화물 제거 속도를 증가시키며, 이에 의해 STI를 위한 고정형 연마 CMP 공정의 작업 유체에서 프롤린의 사용과 관련된 산화물/질화물 선택비를 증가시킨다. 소정 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 약 500 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 5의 산화물/질화물 선택비를 나타낼 수 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 700 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 30의 선택비를 나타낼 수 있다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 1000 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 50의 산화물/질화물 선택비를 나타낼 수 있다. 다른 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 2000 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 100의 산화물/질화물 선택비를 나타내도록 개질될 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 본 발명의 조성물은 적어도 약 3000 Å/min의 산화물 제거 속도와, 적어도 250의 산화물/질화물 선택비를 나타내도록 개질될 수 있다.
본 발명의 이점 및 다른 실시 형태는 하기의 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이러한 실시예들에서 언급되는 특정 재료 및 그의 양과 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 예를 들어, 작업 액체의 조성과, 양이온 선택 및 농도는 변경될 수 있다. 모든 부 및 백분율은 달리 표시되지 않는다면 중량 기준이다.
표 1에 나타낸 재료 명칭은 실시예 전체에 걸쳐 사용된다. 하기의 실시예의 모든 조성 백분율은 작업 액체의 중량 퍼센트로서 표현된다.
비교예 A
(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터의) SWR542-125/10 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 패드를 사용하여 (미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스로부터의) 미라 툴(Mirra tool)에서 하기의 폴리싱 시험을 수행하였다. 기재된 각각의 11개 웨이퍼의 시험 시퀀스(sequence) 이전에, 탈이온수 중에서 50 회전/분 (rpm) 및 5 스위프(sweep)/분으로 작동하는, 4 kg(9 lb)의 하향력에서의 모건(Morgan) CMP-20000TS 컨디셔너(미국 캘리포니아주 헤이워드 소재의 모건 어드밴스드 세라믹스, 인크.(Morgan Advanced Ceramics, Inc.))를 사용하여 36초간 표면을 컨디셔닝함으로써 미리 사용된 고정형 연마 패드를 준비하였다.
컨디셔닝 후에, 수산화칼륨을 사용하여 pH 10.5로 조절된 탈이온수 중의 L-프롤린의 2.5％ 용액을 포함하는 작업 액체를 사용하여, 10개의 200 ㎜ 블랭킷 테트라에틸실리케이트(TEOS) 블랭킷 웨이퍼를 60초간 20.7 ㎪(3 psi) 및 30 rpm에서 폴리싱하였다. 폴리싱 용액을 200 ㎖/min으로 공급하였다. 그리고 나서, 시험될 작업 액체를 사용하여 10개의 200 ㎜ TEOS 블랭킷 웨이퍼를 폴리싱하여 산화규소 제거 속도를 확립한 후, 1개의 미리 세척된 0.17 마이크로미터 DRAM 웨이퍼를 폴리싱하여 질화규소 제거 속도를 확립하였다. 옵티프로브(Optiprobe) 2600(미국 캘리포니아주 프레몬트 소재의 써마-웨이브(Therma-Wave))을 사용하여 폴리싱 전후의 각 재료의 두께를 측정함으로써 제거 속도를 얻었다. 고정형 연마 CMP 공정에서 불소화합물계 계면활성제 없이 pH 10.5의 2.5％ L-프롤린을 사용한 폴리싱 결과가 표 2에 제공되어 있다.
실시예 1
0.02％ 조닐 FSN 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체가 1006.90 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 12.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 83.9의 선택비를 나타내었다.
실시예 2
0.2％ 조닐 FSN 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체가 1250.80 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 5.0Å/min의 질화물 제거 속도, 및 250.16의 선택비를 나타내었다.
실시예 3
0.02％ 조닐 FSN 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체가 801.20 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 11.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 72.83의 선택비를 나타내었다.
실시예 4
0.2％ 조닐 FSN 및 2.5％ L-프롤린을 포함하는 pH 10.5의 작업 액체가 1050.38 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 29.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 38.11의 선택비를 나타내었다.
비교예 B
10개의 200 ㎜ TEOS 블랭킷 웨이퍼의 일련의 7개 세트 및 1개의 미리 세척된 0.17 마이크로미터 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory, DRAM) 웨이퍼를, 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체를 사용하여 폴리싱하였다. 산화물 제거 속도는 477.42 ± 104.01 Å/min이었고, 질화규소 제거 속도는 21.43 ± 6.08 Å/min이었고, 선택비는 23.76 ± 7.43이었다.
추가 시험을 하기와 같이 실시하였다. 새로운 SWR542-125/10 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 패드를 탈이온수 중에서 50 rpm 및 12 스위프/분으로 작동하는, 4 ㎏(9 lb)의 하향력에서의 모건 CMP-20000TS 컨디셔너로 300초간 초기에 컨디셔닝하였다. 컨디셔닝 후, 수산화칼륨을 사용하여 pH 10.5로 조절된 탈이온수 중의 L-프롤린의 2.5％ 용액을 포함하는 작업 액체를 사용하여, 25개의 200 ㎜ 블랭킷 TEOS 웨이퍼를 60초간 20.7 ㎪(3 psi) 및 30 rpm으로 폴리싱하였다. 각각 6개 웨이퍼의 시험 시퀀스 이전에, 탈이온수 중에서 50 rpm 및 12 스위프/분으로 작동하는, 4 ㎏(9 lb)의 하향력에서의 모건 CMP-20000TS 컨디셔너로 5분간 표면을 컨디셔닝함으로써 패드를 제조하였다.
컨디셔닝 후에, 5개의 200 ㎜ 블랭킷 TEOS 웨이퍼를, 수산화칼륨을 사용하여 pH 10.5로 조절된 탈이온수 중의 L-프롤린의 2.5％ 용액을 포함하는 작업 액체를 사용하여, 60초간 20.7 ㎪(3 psi) 압력 및 30 rpm으로 폴리싱하였다. 폴리싱 용액을 200 ㎖/min으로 공급하였다. 그리고 나서, 시험될 작업 액체를 사용하여 3개의 200 ㎜ TEOS 블랭킷 웨이퍼를 폴리싱하여 산화물 제거 속도를 확립한 후, 1개의 미리 세척된 0.17 마이크로미터 DRAM 웨이퍼를 폴리싱하여 질화규소 제거 속도를 확립하였다. 옵티프로브 2600을 사용하여 폴리싱 전후의 각 재료의 두께를 측정함으로써 제거 속도를 얻었다.
실시예 5
0.2％ 쓰리엠 L19330 불소화합물계 계면활성제 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체가 513.67 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 2.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 256.83의 선택비를 나타내었다.
비교예 C
본 비교예는 500 Å/min의 산화물 제거 속도를 얻는 데 효과적인 양 미만으로 불소화합물계 계면활성제를 사용하는 것을 예시한다. 0.005％ 쓰리엠 L19909 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 11.0의 작업 액체가 260.33 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 24.0 Å/min의 질화물 제거 속도 및 10.84의 선택비를 나타내었다.
실시예 6
0.02％ 쓰리엠 L19909 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 11.0의 작업 액체가 705.33 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 8.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 88.16의 선택비를 나타내었다.
실시예 7
0.2％ 쓰리엠 L19909 및 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 11.0의 작업 액체가 547.00 Å/min의 평균 산화물 제거 속도, 9.0 Å/min의 질화물 제거 속도, 및 60.78의 선택비를 나타내었다.
실시예 1 내지 실시예 8과, 비교예 B 및 비교예 C에 대한 결과가 표 3에 요약되어 있다.
비교예 D
3개의 200 ㎜ TEOS 블랭킷 웨이퍼의 일련의 3개 세트를 2.5％ L-프롤린을 함유하는 pH 10.5의 작업 액체를 사용하여 폴리싱하였다. 산화물 제거 속도는 475.55 Å/min이었다.
실시예 9
3개의 불소화합물계 계면활성제(표 1에 기재된, 쓰리엠 L19909, 쓰리엠 FC4432, 및 듀폰 조닐 FSN)를, 2.5％ L-프롤린을 갖는 pH 10.5의 작업 액체의 다양한 농도에서 그리고 미라 CMP 폴리셔(미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스로부터 입수가능함)에서의 SWR542-125/10 고정형 연마 패드(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능함)에서 개별적으로 평가하였다. 사용된 SWR542 패드를 미라 캐리어에 두었다. 이 패드를 먼저 4 ㎏(9 파운드)의 힘, 50 rpm, 및 탈이온수 중의 12 스위프/분으로 5분간 컨디셔닝하여 길들였다. 10개의 블랭킷 TEOS 웨이퍼를 pH 10.5의 2.5％ L-프롤린의 작업 액체에서 20.7 ㎪(3 psi) 압력 및 30 rpm으로 60초간 진행시켰다. 그리고 나서, 일련의 작업 액체들을 하기 방식으로 진행시켰다:
1. 5분 컨디셔닝 사이클(전술된 바와 같음)을 진행시켰다;
2. 5개의 블랭킷 TEOS 웨이퍼를 전술된 바와 같이 L-프롤린 화학물질 중에서 진행시켰다;
3. 5개의 블랭킷 TEOS 웨이퍼를, 불소화합물계 계면활성제가 표 4에 나타낸 농도로 첨가된 상태에서, 전술된 바와 같이 L-프롤린 화학물질 중에서 진행시켰다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 0.02％ 계면활성제 농도에서, 쓰리엠 L19909는 적어도 조닐 FSN만큼 높고, 불소화합물계 계면활성제가 없는 대조군의 대략 2배인 폴리싱 속도를 제공하였다. 0.2％ 농도에서, 산화물 제거 속도는 훨씬 더 높았으나, FC4432 및 L19909 계면활성제의 경우에 더 많은 마찰을 겪었다. 마찰은 폴리싱 동안에 큰 고음의 "스퀼링" 소음을 발생시켰다. 부가적으로, 몇몇 웨이퍼는 0.6％ 농도의 쓰리엠 FC4432 및 쓰리엠 L19909에서 디-척킹(패드 표면으로부터의 웨이퍼의 제거) 동안에 미끄러졌다. 조닐 FSN은 디-척킹 동안에 마찰-유도 스퀼링도 웨이퍼 미끄러짐도 나타내지 않았다.
본 발명의 구조 및 기능의 상세 사항과 함께, 상기 설명에 기술된 본 발명의 많은 특성 및 이점에서도, 그 기재는 단지 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 상세 사항에 대하여, 특히 작업 액체의 계면활성제 농도 및 사용 방법에 관하여, 첨부된 청구의 범위를 표현하는 용어의 의미에 의해 나타내어지는 완전한 범위까지의 본 발명의 원리 및 그러한 구조 및 방법의 등가물 내에서 변경이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 범주 및 원리를 벗어남이 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 상기 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이며, 이러한 개시가 상기에 기술된 예시적인 실시 형태로 부당하게 제한될 수 없다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시 형태들이 설명되었다. 이들 및 다른 실시 형태들은 하기의 청구의 범위의 범주 내에 속한다.
Claims (20)
- 고정형 연마 화학 기계적 평탄화용 작업 액체로서,프롤린; 및불소화합물계 계면활성제를 포함하며,상기 작업 액체는 연마 입자가 없고,상기 프롤린 및 불소화합물계 계면활성제는, 이산화규소를 포함하는 제1 영역 및 질화규소를 포함하는 제2 영역을 갖는 웨이퍼의 화학 기계적 평탄화에 상기 작업 액체가 사용될 때, 적어도 500 옹스트롬/분 (Å/min)의 산화물 제거 속도 및 적어도 5의 선택비를 얻기에 유효한 양으로 각각 존재하는 작업 액체.
- 제1항에 있어서, 9 내지 11의 pH를 나타내는 작업 액체.
- 제1항에 있어서, 불소화합물계 계면활성제가 화학식 R1CH2CH2O(CH2CH2O)xH - 여기서, R1은 F(CF2CF2)3-8이고, x는 1 이상의 정수임 - 을 갖는 작업 액체.
- 제1항에 있어서, 불소화합물계 계면활성제의 농도가 중량 기준으로 0.005％ 초과 및 1.0％ 미만인 작업 액체.
- 제1항에 있어서, 프롤린의 농도가 중량 기준으로 1.0％ 내지 4％인 작업 액체.
- 복수의 연마 입자 및 결합제를 포함하는 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 용품; 및프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 작업 액체를 포함하며,작업 액체는 9 내지 11의 pH를 나타내고 연마 입자가 없는 웨이퍼 평탄화 시스템.
- 유전체(dielectric) 산화물을 포함하는 제1 표면 영역 및 장벽 질화물을 포함하는 제2 표면 영역을 갖는 웨이퍼를 제공하는 단계;제1 표면 영역과 제2 표면 영역을 복수의 연마 입자 및 결합제를 포함하는 3-차원의, 텍스처 형성된 고정형 연마 용품과 접촉시키는 단계; 및프롤린 및 불소화합물계 계면활성제를 포함하는 액체 매질의 존재 하에 웨이퍼 및 고정형 연마 용품을 상대적으로 움직이는 단계를 포함하는 웨이퍼의 화학 기계적 평탄화 방법.
- 제7항에 있어서, 산화물 제거 속도가 적어도 700 Å/min인 웨이퍼의 화학 기계적 평탄화 방법.
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