KR101718788B1 - 화학 기계 연마 조성물 및 관련 방법 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 화학 기계 연마 조성물, 그의 제조방법 및 사용방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 연마하기 위한 화학 기계 연마 조성물에 관한 것이다.
소스/드레인(source/drain) 접합 또는 채널 중단과 같이 트랜지스터 및 트랜지스터 부품을 분리하기 위해 STI(쉘로우 트렌치 분리, Shallow trench isolation) 구조가 사용되고 있다. STI 구조는 전형적으로 기판상에 일련의 유전체 물질을 침착시킨 후, 기판을 연마하여 과량의 유전체 물질을 제거함으로써 형성된다. 통상적인 STI 구조의 일례는 실리콘 기판상에 형성된 산화물 층상에 질화규소층을 침착시키고, 기판을 패턴화 및 에칭하여 피처 영역(feature definition)을 형성한 후, 피처 영역에 산화규소를 충분히 침착시킨 다음, 기판 표면을 연마하여 과량의 산화규소를 제거하여 피처를 형성하는 단계를 포함한다. 질화규소층은 배리어 (barrier) 층, 기판내 피처를 에칭하는 동안 하드 마스크 및 후속 연마 공정동안 연마 중단층으로 작용한다. 이러한 STI 제조 공정은 하부 물질이 피해를 입지 않도록 질화규소를 최소량 제거하면서 질화규소층에 대해서 실리콘 산화물 층을 연마하는 것을 필요로 한다.
STI 기판을 연마하는데 가장 널리 사용되고 있는 방법은 상이한 세 연마 슬러리와 함께 별도의 세 연마 단계를 이용하는 화학 기계 연마 쉘로우 트렌치 분리(CMP-STI) 공정이다. 제 1 연마 단계는 전형적으로 벌크(bulk) 산화물 제거를 위해 연마제 수준이 높은 실리카 기반 슬러리를 이용한다. 제 2 연마 단계는 전형적으로 질화규소에 비해 산화규소에 대한 선택성이 높은(예: >15)인 산화세륨(ceria) 기반 슬러리를 이용한다. 웨이퍼 표면으로부터 입자를 청정화시킬 목적으로 제 3 연마 단계인 버프(buff) 단계가 이어진다. 제 3 연마 단계는 일부 산화규소 및 질화규소를 제거함으로써 토포그래피를 보정할 수 있다. 제 3 연마 단계가 최종 단계이며, 따라서 이 단계 후 기판 표면의 평탄성 및 결함이 중요하다.
장비의 기하구조가 축소됨에 따라, STI 공정에 대한 평탄성 요구가 점점 더 엄격해지고 있다. 항상 존재하는 비용 압박에 따라, 점점 더 많은 칩 제조업체들이 훨씬 더 비싸면서 시간 모소적인 역 마스킹 STI 제조법 대신 직접 연마 CMP-STI를 지향하고 있다. CMP-STI의 주 공정 성능 바로미터는 연마후 트렌치 산화물 두께, 활동 영역 질화물 두께 및 다이내(within-die, WID) 및 웨이퍼내(within-wafer, WIW) 양자 두께 범위이다.
직접 연마 CMP-STI 공정에서 제기되는 요구들을 만족시키기 위한 일환이 프랍휴(Prabhu) 등에 의한 미국 특허 제7,063,597호에 기재되어 있다. 프랍휴 등은 패턴화된 유전체 물질의 피처 영역을 충전하기에 충분한 양으로 패턴화된 유전체 물질상에 배치된 벌크 유전체 물질을 포함하는 기판을 제공하고; 기판을 제 1 연마 조성물 및 무연마제 연마품으로 벌크 유전체 물질이 실질적으로 제거될 때까지 연마한 후; 기판을 제 2 연마 조성물 및 연머제 고정 연마품으로 잔류 벌크 유전체 물질이 제거될 때까지 연마한 다음; 피처 영역 사이에 패턴화된 유전체 물질을 노출하는 단계를 포함하는, 기판 처리방법을 교시하였다.
그럼에도 불구하고, 3 단계 CMP-STI 공정의 최종 단계에 사용하기 위한, 산화규소 및 질화규소 모두의 제거를 조정 및 촉진할 수 있는 화학 기계 연마(CMP) 조성물 및 방법이 여전히 필요한 실정이다.
본 발명의 일 측면으로, 초기 성분으로 하기 화학식 1에 따른 제 1 물질; 화학식 2에 따른 제 2 물질; 연마제; 및 물을 포함하는 화학 기계 연마 조성물이 제공된다:
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹(bridging group)이고, 여기에서 n은 1 내지 10 중에서 선택되는 정수이며,
임의로, 화학식 1에 따른 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며;
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹중에서 선택되고,
임의로, R8, R9, R10, R11 및 R12에서 두개 이상이 결합하여 환 구조를 형성하며,
임의로, 화학식 2에 따른 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다.
본 발명의 다른 측면으로, 화학식 1에 따른 제 1 물질을 제공하는 단계; 화학식 2에 따른 제 2 물질을 제공하는 단계; 연마제를 제공하는 단계; 물을 제공하는 단계; pH 조절제를 제공하는 단계; 제 1 물질, 제 2 물질, 연마제 및 물을 배합하여 슬러리를 형성하는 단계; 및 슬러리에 pH 조절제를 첨가하여 슬러리의 pH를 7 미만으로 조절하는 단계를 포함하는, 화학 기계 연마 조성물의 제조 방법이 제공된다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기에서 n은 1 내지 10 중에서 선택되는 정수이며,
임의로, 화학식 1에 따른 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며;
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹중에서 선택되고,
임의로, R8, R9, R10, R11 및 R12에서 두개 이상이 결합하여 환 구조를 형성하며,
임의로, 화학식 2에 따른 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다.
본 발명의 또 다른 측면으로, 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 하기 화학식 1에 따른 제 1 물질 및 하기 화학식 2에 따른 제 2 물질중 적어도 하나를 제공하는 단계; 연마제를 제공하는 단계; 물을 제공하는 단계; pH 조절제를 제공하는 단계; (a) 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나, (b) 연마제 및 (c) 물을 배합하여 화학 기계 연마 조성물을 형성하는 단계; pH 조절제를 첨가하여 화학 기계 연마 조성물의 pH를 7 미만으로 조절하는 단계; 화학 기계 연마 패드를 제공하는 단계; 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스(interface)에 동적 접촉을 발생시키는 단계; 및 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스 또는 그 부근의 화학 기계 연마 패드상에 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계를 포함하며; 산화규소 물질 및 질화규소 물질의 적어도 일부가 기판으로부터 제거되는, 기판의 화학 기계 연마 방법이 제공된다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기에서 n은 1 내지 10 중에서 선택되는 정수이며,
임의로, 화학식 1에 따른 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며;
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹중에서 선택되고,
임의로, R8, R9, R10, R11 및 R12에서 두개 이상이 결합하여 환 구조를 형성하며,
임의로, 화학식 2에 따른 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 연마하는데 적합하다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 물질(예: TEOS) 및 질화규소 물질(예: Si3N4)을 포함하는 기판을 연마하는 데에 유용하다. 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 표면 평탄화 및 결함 최소화가 열쇠인, 3 단계 CMP-STI 공정의 제 3 연마 단계에 특히 유용하다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마 조성물의 특유 제제는 초기 성분으로 조성물에 첨가되는 제 1 물질 및 제 2 물질의 농도를 변경시킴으로써 화학 기계 연마 조성물의 산화규소 대 질화규소에 대한 제거 속도 선택성을 조정한다. 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 대 질화규소의 제거 속도 선택성을 0.2 내지 5.0으로 조정할 수 있는 것으로 나타났다. 바람직하게, 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 0.5 내지 2.0; 더욱 바람직하게는 0.75 내지 1.5; 더욱 더 바람직하게는 0.8 내지 1.2; 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.2의 산화규소 대 질화규소의 제거 속도 선택성을 나타내도록 제제화된다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로, 하기 화학식 1에 따른 제 1 물질을 포함한다:
[화학식 1]
상기 식에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기에서 n은 1 내지 10 중에서 선택되는 정수이다. 바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7에서 n은 1 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이다. 더욱 바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7에서 n은 2 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이다. 가장 바람직하게, 제 1 물질은 하기 화학식의 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이다:
임의로, 화학식 1에 따른 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물의 초기 성분으로 제 1 물질이 첨가되는 경우, 산성 pH 수준에서 화학 기계 연마 조성물의 산화규소 제거율에는 최소로 영향을 미치면서 질화규소 제거율을 증가시키는 작용을 하는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 화학 기계 연마 조성물의 초기 성분으로 제 1 물질을 선택적으로 첨가함으로써, 화학 기계 연마 조성물로 나타나는 질화규소의 제거율을 특정 연마 적용에 적합하도록 조정할 수 있다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로, 0.001 내지 1 중량%의 제 1 물질을 포함한다. 화학 기계 연마 조성물에 사용된 제 1 물질의 양은 산화규소 제거율에 대해 질화규소 제거율이 조정되도록 선택된다. 일부 바람직한 적용에서, 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로, 0.001 내지 0.2 중량%, 더욱 바람직하게는 0.008 내지 0.03 중량%, 가장 바람직하게는 0.009 내지 0.015 중량%의 제 1 물질을 포함한다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 또한 초기 성분으로, 하기 화학식 2에 따른 제 2 물질을 포함한다:
[화학식 2]
상기 식에서,
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹(예: N,N,N',N'-테트라메틸-N",N"-디에틸구아니디늄) 중에서 선택된다. 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹, 에틸 그룹, 프로필 그룹 및 부틸 그룹 중에서 독립적으로 선택된다. 더욱 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹 및 에틸 그룹 중에서 독립적으로 선택된다. 가장 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘이다. 임의로, 하나 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹이고, 여기에서 알킬 그룹은 할로겐화된 알킬 그룹, 예컨대 완전 또는 부분 할로겐화된 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸 그룹이다. 임의로, 2 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12가 결합하여 포화 또는 불포화 환 구조(예: 1-메틸-7-n-프로필-1,5,7-트리아자비사이클로[4.4.0]덱-5-에늄)를 형성할 수 있다. 임의로, 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물의 초기 성분으로 제 2 물질이 첨가되는 경우, 산성 pH 수준에서 화학 기계 연마 조성물의 질화규소 제거율을 감소시키면서 산화규소 제거율을 증가시키는 작용을 하는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 화학 기계 연마 조성물의 초기 성분으로 제 1 물질과 함께 제 2 물질을 선택적으로 첨가함으로써, 화학 기계 연마 조성물로 나타나는 산화규소 및 질화규소 제거율을 특정 연마 적용에 적합하도록 조정할 수 있다.
화학 기계 연마 조성물에 사용되는 제 2 물질의 양은 산화규소 및 질화규소의 제거율을 조정하도록 선택된다. 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로, 0.001 내지 5 중량%의 제 2 물질을 포함한다. 더욱 바람직하게, 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로, 0.01 내지 1 중량%, 더욱 더 바람직하게는 0.01 내지 0.5 중량%, 더 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.1 중량%, 가장 바람직하게는 0.02 내지 0.06 중량%의 제 2 물질을 포함한다.
화학 기계 연마 조성물에 사용되는 연마제의 양은 산화규소 및 질화규소의 제거율을 조정하도록 선택된다. 화학 기계 연마 조성물중에 연마제의 농도 증가는 산화규소 제거율 및 질화규소 제거율을 증가시키는 작용을 한다. 바람직하게, 화학 기계 연마 조성물은 400 내지 1100 Å/분의 산화규소 제거율; 및 400 내지 1100 Å/분의 질화규소 제거율을 나타내기에 충분한 농도의 연마제를 함유하도록 제제화된다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물에 사용하기에 적합한 연마제로는, 예를 들어, 무기 산화물, 무기 수산화물, 무기 수산화 산화물, 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 폴리머 입자 및 이들 적어도 하나를 포함하는 혼합물을 들 수 있다. 적합한 무기 산화물에는, 예를 들어, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 산화세륨(CeO2), 산화망간(MnO2), 산화티탄(TiO2) 또는 이들 산화물의 적어도 하나를 포함하는 혼합물이 포함된다. 이들 무기 산화물의 개질 형태, 예컨대 유기 폴리머-코팅된 무기 산화물 입자 및 무기 코팅 입자가 또한 필요에 따라 이용될 수 있다. 적합한 금속 탄화물, 붕소화물 및 질화물에는, 예를 들어, 탄화규소, 질화규소, 실리콘 탄소질화물(SiCN), 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화지르콘, 붕소화알루미늄, 탄화탄탈룸, 탄화티탄 또는 적어도 하나의 상기 금속 탄화물, 붕소화물 및 질화물을 포함하는 조합물이 포함된다. 바람직하게, 연마제는 콜로이드성 실리카 연마제이다. 본 발명의 화학 기계 연마 방법에 사용하기에 적합한 콜로이드성 실리카 연마제는 적어도 하나의 침전 실리카 및 응집 실리카를 함유한다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 화학 기계 연마 조성물에 사용된 연마제는평균 입자 크기가 100 nm 이하인 콜로이드성 실리카이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 콜로이드성 실리카는 평균 입자 크기가 1 내지 100 nm이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 콜로이드성 실리카는 평균 입자 크기가 1 내지 50 nm이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 콜로이드성 실리카는 평균 입자 크기가 1 내지 40 nm이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 콜로이드성 실리카는 평균 입자 크기가 1 내지 30 nm이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 콜로이드성 실리카는 평균 입자 크기가 20 내지 30 nm이다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 사용된 화학 기계 연마 조성물은 1 내지 40 중량%의 연마제를 함유한다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 사용된 화학 기계 연마 조성물은 1 내지 25 중량%의 연마제를 함유한다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 사용된 화학 기계 연마 조성물은 1 내지 10 중량%의 연마제를 함유한다. 이들 구체예의 일부 측면에서, 사용된 화학 기계 연마 조성물은 1 내지 5 중량%의 연마제를 함유한다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 사용된 화학 기계 연마 조성물은 1 내지 40 중량%, 바람직하게는 1 내지 25 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 5 중량%의 콜로이드성 실리카 연마제를 함유하며, 이때, 콜로이드성 실리카 연마제의 평균 입자 크기는 100 nm 이하, 바람직하게는 1 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 1 내지 50 nm, 더욱 더 바람직하게는 1 내지 40 nm, 더 더욱 바람직하게는 1 내지 30 nm, 가장 바람직하게는 20 내지 30 nm이다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물에 사용된 물은 바람직하게는 우발적인 불순물을 제한하기 위한 적어도 하나의 탈이온수 및 증류수이다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 pH가 7 미만, 더욱 바람직하게는 5 이하; 더욱 더 바람직하게는 2 내지 4, 가장 바람직하게는 2 내지 3이다. 화학 기계 연마 조성물은 무기 pH 조절제를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, pH 조절제는 무기산(예: 질산, 황산, 염산 및 인산) 및 무기 염기(예: 수산화칼륨) 중에서 선택된다. 이들 구체예의 일부 측면에서, pH 조절제는 질산(HNO3) 및 수산화칼륨(KOH) 중 적어도 하나이다. 이들 구체예의 일부 측면에서, pH 조절제는 인산이다.
임의로, 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로 0.001 내지 1 중량%(바람직하게는 0.001 내지 0.2 중량%, 더욱 바람직하게는 0.008 내지 0.03 중량%, 가장 바람직하게는 0.009 내지 0.015 중량%)의 제 1 물질; 0.001 내지 5 중량%(바람직하게는 0.01 내지 1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.5 중량%, 더욱 더 바람직하게는 0.01 내지 0.1 중량%, 가장 바람직하게는 0.02 내지 0.06 중량%)의 제 2 물질; 1 내지 40 중량%(바람직하게는 1 내지 25 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 5 중량%)의 연마제; 및 물을 포함하며; 이때, 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분이고, 질화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분이며, pH 7 미만(바람직하게는 5 이하, 더욱 바람직하게는 2 내지 4, 가장 바람직하게는 2 내지 3)에서 산화규소 대 질화규소의 선택성이 0.2 내지 4.0(바람직하게는 0.5 내지 2.0, 더욱 바람직하게는 0.75 내지 1.5, 더욱 더 바람직하게는 0.8 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.1)을 나타내도록 제제화되고; 바람직하게 여기에서, 제 1 물질은 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘이다.
본 발명의 화학 기계 연마 방법에 사용되는 화학 기계 연마 조성물은 임의로 분산제, 계면활성제, 완충제, 소포제 및 살생물제중에서 선택되는 추가의 첨가제를 더 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로서, 제 1 물질로 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산) 및 제 2 물질로 테트라메틸구아니딘을 포함한다.
본 발명의 화학 기계 연마 조성물의 제조방법은 화학식 1에 따른 제 1 물질[여기에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기서, n은 1 내지 10 중에서 선택되는 정수이며(바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7에서 n은 1 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이고; 더욱 바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7에서 n은 2 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이며; 가장 바람직하게 제 1 물질은 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이다), (임의로, 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다)]을 제공하는 단계; 화학식 2에 따른 제 2 물질[여기에서, R8, R9, R10, R11 및 R12은 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹 중에서 선택되고(예: N,N,N',N'-테트라메틸-N",N"-디에틸구아니디늄), (바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹, 에틸 그룹, 프로필 그룹 및 부틸 그룹중에서 독립적으로 선택되며; 더욱 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹 및 에틸 그룹중에서 독립적으로 선택되고; 가장 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘이다), (임의로, R8, R9, R10, R11 및 R12에서 하나 이상은 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹이고, 여기서, 알킬 그룹은 할로겐화된 알킬 그룹, 예컨대 완전 또는 부분 할로겐화된 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸 그룹이다), (임의로, 2 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 결합하여 포화 또는 불포화 환 구조(예: 1-메틸-7-n-프로필-1,5,7-트리아자비사이클로[4.4.0]덱-5-에늄)를 형성할 수 있다), (임의로, 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다)]을 제공하는 단계; 연마제를 제공하는 단계; 물을 제공하는 단계; pH 조절제를 제공하는 단계; 제 1 물질, 제 2 물질, 연마제 및 물을 배합하여 슬러리를 형성하는 단계; 및 상기 슬러리에 pH 조절제를 첨가하여 슬러리의 pH를 7 미만(바람직하게는 5 이하, 더욱 바람직하게는 2 내지 4, 가장 바람직하게는 2 내지 3)으로 조절하는 단계를 포함한다. 사용된 pH 조절제에는 바람직하게는 무기 pH 조절제가 포함된다. 예를 들어, pH 조절제는 무기산(예: 질산, 황산, 염산 및 인산) 및 무기 염기(예: 수산화칼륨) 중에서 선택될 수 있다. 바람직하게, pH 조절제는 질산(HNO3) 및 수산화칼륨(KOH) 중 적어도 하나이다.
기판을 화학 기계 연마하는 본 발명의 방법은 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 본 발명에 따른 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계; 화학 기계 연마 패드를 제공하는 단계; 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스에 동적 접촉을 발생시키는 단계; 및 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스 또는 그 부근의 화학 기계 연마 패드상에 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계를 포함하며; 산화규소 물질 및 질화규소 물질의 적어도 일부가 기판으로부터 제거된다.
바람직하게, 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 화학 기계 연마하는 본 발명의 방법에서, 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 바람직하게는 산화규소 대 질화규소의 제거 속도 선택성이 0.2 내지 4.0을 나타내도록 제제화된다. 더욱 바람직하게, 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 대 질화규소의 제거 속도 선택성이 0.5 내지 2.0, 더욱 더 바람직하게는 0.75 내지 1.5, 더 더욱 더 바람직하게는 0.8 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.2를 나타내도록 제제화된다.
바람직하게, 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 화학 기계 연마하는 본 발명의 방법에서, 본 발명의 화학 기계 연마 조성물은 바람직하게는 산화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분을 나타내고; 질화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분을 나타내도록 제제화된다.
바람직하게, 본 발명의 화학 기계 연마 방법은 기판 및 화학 기계 연마 패드를 함께 압착하는 공칭력(nominal force)(즉, 연마 패드 압력)을 적용하는 것을 포함한다. 바람직하게, 연마 패드 압력은 3 내지 35 kPa이다. 더욱 바람직하게, 연마 패드 압력은 10 내지 30 kPa이다. 가장 바람직하게, 연마 패드 압력은 17 내지 25 kPa이다.
바람직하게, 기판을 화학 기계 연마하는 본 발명의 방법은 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나(바람직하게는 제 1 물질 및 제 2 물질 모두)를 제공하는 단계[여기에서, 제 1 물질은 화학식 1의 것이고, 이 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 각각 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기서, n은 1 내지 10중에서 선택되는 정수이고(바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7에서 n은 1 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이고; 더욱 바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7에서 n은 2 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이며; 가장 바람직하게 제 2 물질은 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이다), (임의로, 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다); 제 2 물질은 화학식 2의 것이고, 이 식에서, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹중에서 선택되고(예: N,N,N',N'-테트라메틸-N",N"-디에틸구아니디늄), (바람직하게는, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹, 에틸 그룹, 프로필 그룹 및 부틸 그룹중에서 독립적으로 선택되며; 더욱 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹 및 에틸 그룹중에서 독립적으로 선택되고; 가장 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘이다), (임의로, 하나 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹이고, 여기에서, 알킬 그룹은 할로겐화된 알킬 그룹, 예컨대 완전 또는 부분 할로겐화된 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸 그룹이다), (임의로, 2 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 결합하여 포화 또는 불포화 환 구조(예: 1-메틸-7-n-프로필-1,5,7-트리아자비사이클로[4.4.0]덱-5-에늄)를 형성할 수 있다), (임의로, 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다)]; 물을 제공하는 단계; pH 조절제를 제공하는 단계; (a) 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나, (b) 연마제 및 (c) 물을 배합하여 화학 기계 연마 조성물을 형성하는 단계; pH 조절제를 첨가하여 화학 기계 연마 조성물의 pH를 7 미만으로 조절하는 단계; 화학 기계 연마 패드를 제공하는 단계; 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스에 동적 접촉을 발생시키는 단계; 및 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스 또는 그 부근의 화학 기계 연마 패드상에 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계를 포함하며; 산화규소 물질 및 질화규소 물질의 적어도 일부가 기판으로부터 제거되고; 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 대 질화규소의 제거 속도 선택성이 0.2 내지 4.0(더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.0, 더욱 더 바람직하게는 0.75 내지 1.5, 더 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.2)을 나타내고; 산화규소 제거율은 400 내지 1100 Å/분을 나타내며; 질화규소 제거율은 400 내지 1100 Å/분을 나타내도록 제제화되고; 플래튼 속도(platen speed)는 93 rpm(분당 회전)이고, 캐리어(carrier) 속도는 87 rpm이며, 화학 기계 연마 조성물의 유속은 200 ml/분이고, 200 mm 연마 기계상에 공칭 다운포스(nominal down force)는 20.7 kPa이며; 화학 기계 연마 패드는 펠트(felt) 기판상에 코팅된 다공성 폴리우레탄 연마층을 포함(예: 롬앤드하스 일렉트로닉 머티리얼 씨엠피사(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Inc.)로부터 입수가능한 PolitexTM 연마 패드)한다.
바람직하게, 기판을 화학 기계 연마하는 본 발명의 방법은 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나(바람직하게는 제 1 물질 및 제 2 물질 모두)를 제공하는 단계[여기에서, 제 1 물질은 화학식 1의 것이고, 이 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, R6 및 R7은 식 -(CH2)n-의 가교 그룹이고, 여기서, n은 1 내지 10중에서 선택되는 정수이고(바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7에서 n은 1 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이고; 더욱 바람직하게, 각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7에서 n은 2 내지 4 중에서 독립적으로 선택되는 정수이며; 가장 바람직하게 제 2 물질은 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이다), (임의로, 제 1 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다); 제 2 물질은 화학식 2의 것이고, 이 식에서, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 수소 및 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹중에서 선택되고(예: N,N,N',N'-테트라메틸-N",N"-디에틸구아니디늄), (바람직하게는, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹, 에틸 그룹, 프로필 그룹 및 부틸 그룹중에서 독립적으로 선택되며; 더욱 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹 및 에틸 그룹중에서 독립적으로 선택되고; 가장 바람직하게, R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘이다), (임의로, 하나 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 탄소원자수 1 내지 6의 알킬 그룹이고, 여기에서, 알킬 그룹은 할로겐화된 알킬 그룹, 예컨대 완전 또는 부분 할로겐화된 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸 그룹이다), (임의로, 2 이상의 R8, R9, R10, R11 및 R12는 결합하여 포화 또는 불포화 환 구조(예: 1-메틸-7-n-프로필-1,5,7-트리아자비사이클로[4.4.0]덱-5-에늄)를 형성할 수 있다), (임의로, 제 2 물질에서 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우, 질소는 양전하를 띤다)]; 물을 제공하는 단계; pH 조절제를 제공하는 단계; (a) 제 1 물질 및 제 2 물질중 적어도 하나, (b) 연마제 및 (c) 물을 배합하여 화학 기계 연마 조성물을 형성하는 단계; pH 조절제를 첨가하여 화학 기계 연마 조성물의 pH를 7 미만으로 조절하는 단계; 화학 기계 연마 패드를 제공하는 단계; 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스에 동적 접촉을 발생시키는 단계; 및 화학 기계 연마 패드와 기판 사이의 인터페이스 또는 그 부근의 화학 기계 연마 패드상에 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계를 포함하며; 산화규소 물질 및 질화규소 물질의 적어도 일부가 기판으로부터 제거되고; 화학 기계 연마 조성물은 초기 성분으로 0.001 내지 1 중량%(바람직하게는 0.001 내지 0.2 중량%, 더욱 바람직하게는 0.008 내지 0.03 중량%, 가장 바람직하게는 0.009 내지 0.015 중량%)의 제 1 물질; 0.001 내지 5 중량%(바람직하게는 0.01 내지 1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.5 중량%, 더욱 더 바람직하게는 0.01 내지 0.1 중량%, 가장 바람직하게는 0.02 내지 0.06 중량%)의 제 2 물질; 1 내지 40 중량%(바람직하게는 1 내지 25 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 5 중량%)의 연마제; 및 물을 포함하고; 화학 기계 연마 조성물은 산화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분이고, 질화규소 제거율이 400 내지 1100 Å/분이며, pH 7 미만(바람직하게는 5 이하, 더욱 바람직하게는 2 내지 4, 가장 바람직하게는 2 내지 3)에서 산화규소 대 질화규소 선택성이 0.2 내지 4.0(바람직하게는 0.5 내지 2.0, 더욱 바람직하게는 0.75 내지 1.5, 더욱 더 바람직하게는 0.8 내지 1.2, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.2)을 나타내도록 제제화되며; (가장 바람직하게, 제 1 물질은 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)이고, 제 2 물질은 테트라메틸구아니딘)이며; 플래튼 속도는 93 rpm(분당 회전)이고, 캐리어 속도는 87 rpm이며, 화학 기계 연마 조성물의 유속은 200 ml/분이고, 200 mm 연마 기계상에 공칭 다운포스는 20.7 kPa이며; 화학 기계 연마 패드는 펠트 기판상에 코팅된 다공성 폴리우레탄 연마층을 포함(예: 롬앤드하스 일렉트로닉 머티리얼 씨엠피사로부터 입수가능한 PolitexTM 연마 패드)한다.
실시예
화학 기계 연마 조성물
표 1에 기술된 양으로 성분들을 배합하고, 질산 또는 수산화칼륨을 사용하여 조성물의 pH를 표 1에 제시된 값으로 조절하여 시험 화학 기계 연마 조성물(CMPC)을 제조하였다.
CMPC | 제 1 물질 ¥ (중량%) | 제 2 물질 I' (중량%) | 연마제 £ (중량%) | 최종 pH |
1 | 0 | 0.02 | 4 | 3.0 |
2 | 0 | 0.03 | 4 | 3.0 |
3 | 0 | 0.04 | 4 | 3.0 |
4 | 0 | 0.05 | 4 | 3.0 |
5 | 0 | 0.1 | 4 | 3.0 |
6 | 0 | 0.03 | 6 | 3.0 |
7 | 0 | 0.05 | 6 | 3.0 |
8 | 0.01 | 0 | 6 | 2.5 |
9 | 0.01 | 0.05 | 6 | 2.5 |
10 | 0.01 | 0.05 | 4 | 2.5 |
¥ 사용한 제 1 물질은 알드리히사(Aldrich)로부터 구입할 수 있는 디에틸렌트리아민펜타키스(메틸포스폰산)임.
I' 사용한 제 2 물질은 알드리히사로부터 구입할 수 있는 테트라메틸구아니딘임.
£ 실시예에 사용된 연마제는 에이지 일렉트로닉 머티리얼사(AZ Electronic Materials) 제품인 Klebosol® PL1598B25 콜로이드성 실리카임.
연마 시험
200 mm 블랭킷(blanket) 웨이퍼, 구체적으로 TEOS 유전체 웨이퍼 및 질화규소 웨이퍼를 이용하여 표 1의 화학 기계 연마 조성물을 시험하였다. 펠트 기판상에 코팅되고 크로스 패턴(cross pattern)으로 엠보싱처리된 PolitexTM HI 엠보싱 다공성 폴리우레탄(롬앤드하스 일렉트로닉 머티리얼 씨엠피사로부터 입수가능)을 사용하여 어플라이드 머티리얼사(Applied Materials)의 AMAT Mirra® 200 mm 연마 기계로 실시예의 모든 블랭킷 웨이퍼를 연마하였다. 모든 실시예에서 사용된 연마 조건은 플래튼 속도 93 rpm; 캐리어 속도 87 rpm; 연마 매체 유속 200 ml/분 및 다운포스 20.7 kPa를 포함한다. 각 연마 실험에 대한 제거율은 표 2에 나타내었다. 제거율은 연마 전과 후 블랭킷 웨이퍼상의 필름 두께로부터 계산되었다. 특히, TEOS 웨이퍼 및 질화규소 웨이퍼에 대한 제거율은 KLA-Tencor에서 입수한 SpectraFX 200 광학 박막 계측 시스템을 이용하여 결정되었다.
CMPC |
TEOS
제거율 (Å/분) |
질화규소
제거율 (Å/분) |
TEOS/Si
3
N
4
선택성 |
1 | 511 | 671 | 0.76 |
2 | 675 | 398 | 1.70 |
3 | 720 | 305 | 2.36 |
4 | 818 | 285 | 2.87 |
5 | 722 | 166 | 4.35 |
6 | 727 | 457 | 1.59 |
7 | 822 | 323 | 2.55 |
8 | 202 | 727 | 0.28 |
9 | 837 | 612 | 1.37 |
10 | 668 | 560 | 1.19 |
Claims (10)
- 초기 성분으로,
화학식 에 따른 제1 물질;
하기 화학식 2에 따른 제2 물질;
연마제; 및
물을 포함하고,
조성물 총중량을 기준으로, 0.009 내지 0.015 중량%의 상기 제1 물질, 0.02 내지 0.06 중량%의 상기 제2 물질 및 1 내지 5 중량%의 상기 연마제를 초기 성분으로서 포함하며,
pH가 2 내지 4이고,
0.9 내지 1.2의 산화규소 대 질화규소의 조정가능한 제거속도 선택성을 나타내는,
쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 연마용 화학 기계 연마 조성물:
[화학식 2]
상기에서,
임의로, 제1 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며,
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고,
임의로, 제2 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다. - 삭제
- 제1항에 있어서, 연마제가 평균 입자 크기 1 내지 50 nm의 콜로이드성 실리카인, 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 연마용 화학 기계 연마 조성물.
- 제1항에 있어서, 분산제, 계면활성제, 완충제, 소포제 및 살생물제로부터 선택되는 추가의 첨가제를 더 포함하는, 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 연마용 화학 기계 연마 조성물.
- 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 연마용 화학 기계 연마 조성물의 제조 방법으로서,
화학식 에 따른 제1 물질을 제공하는 단계;
하기 화학식 2에 따른 제2 물질을 제공하는 단계;
연마제를 제공하는 단계;
물을 제공하는 단계;
pH 조절제를 제공하는 단계;
제1 물질, 제2 물질, 연마제 및 물을 배합하여 슬러리를 형성하는 단계; 및
슬러리에 pH 조절제를 첨가하여 슬러리의 pH를 2 내지 4로 조절하는 단계를 포함하며,
상기 화학 기계 연마 조성물이, 조성물 총중량을 기준으로, 0.009 내지 0.015 중량%의 상기 제1 물질, 0.02 내지 0.06 중량%의 상기 제2 물질 및 1 내지 5 중량%의 상기 연마제를 초기 성분으로서 포함하고,
상기 화학 기계 연마 조성물이 0.9 내지 1.2의 산화규소 대 질화규소 제거 속도 선택성을 나타내는,
쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 연마용 화학 기계 연마 조성물의 제조 방법:
[화학식 2]
상기에서,
임의로, 제1 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며,
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고,
임의로, 제2 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다. - 산화규소 물질 및 질화규소 물질을 포함하는 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판을 제공하는 단계;
화학식 에 따른 제1 물질 및 하기 화학식 2에 따른 제2 물질을 제공하는 단계;
연마제를 제공하는 단계;
물을 제공하는 단계;
pH 조절제를 제공하는 단계;
(a) 제1 물질 및 제2 물질, (b) 연마제 및 (c) 물을 배합하여 화학 기계 연마 조성물을 형성하고; pH 조절제를 첨가하여 화학 기계 연마 조성물의 pH를 2 내지 4로 조절하는 단계;
화학 기계 연마 패드를 제공하는 단계;
화학 기계 연마 패드와 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 사이의 인터페이스에 동적 접촉을 발생시키는 단계; 및
화학 기계 연마 패드와 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판 사이의 인터페이스 또는 그 부근의 화학 기계 연마 패드상에 상기 화학 기계 연마 조성물을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 화학 기계 연마 조성물이, 조성물 총중량을 기준으로, 0.009 내지 0.015 중량%의 상기 제1 물질, 0.02 내지 0.06 중량%의 상기 제2 물질 및 1 내지 5 중량%의 상기 연마제를 초기 성분으로서 포함하고,
산화규소 물질 및 질화규소 물질의 적어도 일부가 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판으로부터 제거되며,
화학 기계 연마 조성물이 0.9 내지 1.2의 산화규소 대 질화규소 제거속도 선택성을 나타내는,
쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판의 화학 기계 연마 방법:
[화학식 2]
상기에서,
임의로, 제1 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띠며,
R8, R9, R10, R11 및 R12는 각각 메틸 그룹이고,
임의로, 제2 물질 내의 하나 이상의 질소는 4급 형태로 제공될 수 있고, 이 경우 질소는 양전하를 띤다. - 제6항에 있어서, 화학 기계 연마 조성물이 400 내지 1100 Å/분의 산화규소 제거속도; 및 400 내지 1100 Å/분의 질화규소 제거속도를 나타내는, 쉘로우 트렌치 분리(STI) 기판의 화학 기계 연마 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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