KR102275303B1 - 상승된 온도 cmp 조성물 및 이의 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

상승된 패드 또는 웨이퍼 표면 온도에서 안정하고 견고한 폴리싱 성능을 제공하는 CMP 조성물, 뿐만 아니라 이의 사용 방법이 개시된다. 본 개시내용의 조성물은 웨이퍼 표면에 대한 상승된 폴리싱 온도에서 슬러리 화학에서 발생하는 다양한 화학 반응을, 개별 웨이서 내에서 제거율 변화가 <10% 인 것과 같이 최적화하는 반응 속도 최적화(RRO) 화합물을 포함한다.

Description

상승된 온도 CMP 조성물 및 이의 사용 방법
본 개시내용은 일반적으로 화학적기계 폴리싱(chemical mechanical polishing: CMP) 공정에 사용되는 폴리싱 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 개시내용은 CMP 공정 중 제거율의 균일도(uniformity of removal rate)를 최적화하는 반응속도 최적화(reaction rate optimizing: RRO) 화합물이 함유된 폴리싱 조성물에 관한 것이다.
화학적기계 폴리싱(CMP) 또는 평탄화(planarization)는 후속층을 구성(construction)하기 전에 과도하거나 원치않는 물질층을 폴리싱제거하기 위하여 폴리싱 패드와 슬러리를 사용하여 반도체 웨이퍼상의 다른 층을 평탄화하는 것이다. 구리의 뛰어난 전도도로 인하여, 반도체 제조에 있어서 인터코넥트(interconnect)를 형성시키기 위한 물질로 통상적으로 구리가 사용된다. 예를 들어, 스텐실된 템플릿에 의해 지시된 패턴에 따라 기판 위에 구리를 증착시키는 다마신 공법(damascene process)에 의해 구리 인레드 구조(inlaid structure)가 일단 형성되면, 인레드 와이어 사이에 구리와 확산장벽(diffusion barrier) 물질을 폴리싱 및 세정함으로써 고립된 구리 와이어가 만들어진다. 구리와 장벽층 CMP는 칩의 라인층 후미 말단이 제조됨에 따라 각 층에 대해 구리와 장벽층 폴리싱 사이클을 반복하는 것이다. 슬러리중 바람직하지 못한 외래 입자에 의해 일부에서 원인이 될 것으로 생각되는 전체적인 결함, 특히 스크래치의 수가 낮은 것과 같은 선호되는 웨이퍼 특징은 유지하면서, 처리량(throughput)을 향상시기키 위해 물질을 높은 제거율로 웨이퍼를 폴리싱하는 것이 바람직하다.
도 1a부터 1d는 전형적인 폴리싱 공정을 보여준다. 도 1a는 기판 위에 구리와 장벽층이 있는 웨이퍼 기판을 보여준다. 제1 단계(1b)에서, 구리는 대량으로 제거하기 위하여 높은 속도로 폴리싱된다. 다음 단계(1c)에서는, 화학층(chemical layer)을 더욱 평탄하게 만들고, 장벽층의 일부를 노출시키기 위하여 약한 다운포스(downforce)가 사용된다. 나머지 두 단계에서는, 높은-속도 폴리싱 슬러리(high-rate polishing slurry)가 전형적으로 사용된다. 마지막 단계(1d)에서는, 기판과 추가 층들을 평탄화하기 위하여 낮은 제거 속도 슬러리(low removal rate slurry)가 사용될 수 있다.
도 2는 폴리싱 단계 후 웨이퍼에서 나타날 수 있는 전형적인 결함 중 일부를 보여준다. 구리층은 "디시(dish)"일 수 있는데, 이는 구리층이 주변의 장벽층보다 더 낮음을 의미한다. "침식(erosion)"은 구리층, 주변의 장벽층, 및 기판 모두에서의 바람직하지못한 과폴리싱(overpolishing)을 의미한다. "돌출(protrusion)"은 구리층의 제거가 충분하지않은 때일 수 있다.
마찰(friction)과 마모(wear) 공정인 CMP 공정은 열을 발생시킨다. 일반적으로 폴리머 소재로 제조되는, CMP 패드는 절연체이다. 따라서, 폴리싱 공정 중에 발생되는 열의 대부분은 웨이퍼 또는 슬러리를 통하여 소멸된다. 웨이퍼 표면 상의 온도는 CMP 중에 크게 변화될 수 있다 (Proc 1999 Spring MRS, P. Renteln and T Ninh). 패드 표면 온도 또한 10 내지 15℃ 만큼 변화될 수 있다. 웨이퍼 표면 온도는 폴리싱 중 70℃ 를 초과할 수 있다. 웨이퍼 표면에서의 온도 프로파일은 많은 파라미터에 의존한다. 사용되는 패드의 종류, 회전 속도, 다운포스, 슬러리 조성물 및 플래턴(platen)의 종류가 모두 웨이퍼 표면에서의 온도에 기여한다. 도 3a 내지 3c는 온도가 제거율에 어떻게 영향을 줄 수 있는 가의 예를 보여준다.
폴리싱 조성물은 또한 폴리싱 온도 변화에 매우 강력한 기여도를 가진다. 대부분의 폴리싱 조성물은 연마 입자(abrasive particle)를 함유하며 연마 입자의 양과 크기는 온도를 상승시키는, 웨이퍼 표면에서의 마찰에 영향을 줄 수 있다. 다른 한편으로는, 폴리싱 조성물이 윤활제를 함유할 경우, 마찰계수를 감소시킬 수 있으며 따라서 온도가 떨어지게 된다.
AMAT Reflexion®과 같은 일부 폴리싱 도구는 플래턴에 대한 냉각 메카니즘을 포함하고 있다. 따라서, 플래턴은 미리설정된 온도를 최적화할 수 있다. 그러나, 이런 유용한 도구를 사용함에도 불구하고 웨이퍼와 패드 온도는 5 내지 15℃ 만큼 변화될 수 있다.
CMP 공정은 화학적일 뿐만 아니라 기계적 공정이다. 상기 공정의 화학적 부분은 수많은 화학 반응을 포함할 수 있다. 폴리싱 조성물의 성분은 상이한 방식으로 구리와 반응하여, 상이한 타입의 산화물, 구리 착화합물을 형성시킬 수 있으며 또한 구리와 구리 산화물을 다양한 정도로 해리(dissolution)시킬 수 있다. 대부분의 화학 반응은 온도에 매우 민감하다. 대부분의 화학 반응의 반응 속도는 온도에 따라 증가한다. 따라서, 더 높은 폴리싱 온도에서 산화, 에칭(etching), 패시베이션(passivation), 또는 해리는 크게 증가할 수 있다. 이러한 반응들 중 하나라도 온도에 매우 민감하면 구리 폴리싱 중에 주요 문제가 될 수 있다. 전술한 바와 같이, 웨이퍼 표면 온도는 CMP 중에 크게 변화될 수 있다. 편차가 5 내지 15℃일 경우, 웨이퍼 상의 다른 포인트에서의 구리 제거는 크게 달라질 것이며, 이에 따라 제거율에 큰 문제가 발생할 수 있다. 실제로, 패드 온도에서의 10℃ 편차는 제거율을 2배로 할 수 있다고 언급하는 보고서가 있다 (Proc 1999 Spring MRS, P. Renteln and T Ninh).
폴리싱 조성물의 pH가 또한 온도 변동에 의해 영향을 받는다. 대부분의 폴리싱 조성물은 고온에서 폴리싱 용액에 용해되어, 폴리싱 조성물의 pH를 변화시키는 콜로이드상 실리카와 같은 연마 입자를 함유한다. 폴리싱 조성물의 pH의 변화는 다양한 층들의 제거율에 크게 영향을 줄 수 있다. 대부분의 CMP 사용자들은 폴리싱 조성물의 pH에 대해 매우 엄격한 규격(specification)을 요구한다. 폴리싱 조성물의 pH의 변화는 따라서 폴리싱 온도에서 제거율 변화의 좋은 지표이다 (H J Kim et al J of Mat Proc Technology, 2002, pages 330-334).
본 개시내용은 CMP 중 경험하게 되는 넓은 범위의 웨이퍼/패드 표면 온도에 의해 발생되는 제거율 변화 문제를 다룬다. 본 개시내용의 조성물 및 방법은 주어진 폴리싱 온도 범위 내에서 견고하고 안정한 폴리싱 CMP 공정을 제공한다.
하나의 실시양태로, 본 개시내용은 적어도 하나의 반응 속도 최적화(RRO) 화합물을 포함하는 CMP 조성물을 제공하며, 여기서 상기 RRO 화합물은 40 내지 65℃의 온도 범위에서 웨이퍼 표면에서 10% 미만의 제거율 변화를 제공한다. 상기 조성물은 또한 연마재(abrasive), 산화제, 착화제, 및 부식 억제제를 포함한다.
다른 실시양태로, 본 개시내용은 CMP 공정 중 제거율 변화를 최소화하는 방법을 제공한다. 그러한 방법은 예를 들어, 적어도 하나의 반응 속도 최적화(RRO) 화합물을 가지는 조성물을 표면이 있는 웨이퍼 기판에 도포함으로써 수행될 수 있으며, 여기서 상기 RRO는 40 내지 65℃의 온도 범위에서 상기 표면에서 10% 미만의 제거율 변화를 제공한다.
도 1a 내지 1d는 통상의 구리 CMP 공정에서의 단계를 보여준다.
도 2는 높은 제거율 변화로 인해 발생할 수 있는 일부의 결함을 보여준다.
도 3a는 전형적인 CMP 공정 중 웨이퍼 결함에 대한 온도의 영향을 보여준다.
도 3b 및 3c는 전형적인 CMP 조성물로부터 제거율에 대한 온도의 영향을 보여준다.
도 4는 전형적인 폴리싱 조성물의 pH에 대한 온도의 영향을 보여준다.
도 5a는 실온 pH로 공칭화된 도 4의 데이터를 보여준다.
도 5b는 선행 기술의 조성물과 본 개시내용의 조성물을 비교하는 pH 데이터를 보여준다.
본 개시내용은 폴리싱 온도 범위에 대한 제거율의 변화를 최소화하는 폴리싱 조성물과 이의 사용 방법을 제공한다. 이후 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본 개시내용은 제거율 최적화제 (RRO) 화합물의 사용을 통하여 이런 결과를 성취한다. 여기에서 사용되는 바와 같은, 제거율에 대한 "최소 변화"는 주어진 온도 범위에 대한 웨이퍼 표면에서의 변화가 약 10% 미만인 것으로 정의된다.
여기서 기재되는 농도 범위는 "사용 시점(point of use)" 또는 "사용 준비가 된(ready for use)" 폴리싱 조성물에 대한 것으로 이해된다. 농축된 폴리싱 조성물의 경우 이들 양은 증가(scale upward)될 것이다. 예를 들어, 10배 농축물의 경우 10 ppm 농도는 100 ppm이 될 것이다.
본 개시내용의 조성물은 주어진 폴리싱 온도 범위 내에서 견고하고 안정한 폴리싱 공정을 제공한다. 일반적으로, 폴리싱 온도 범위는 40℃에서 65℃이다. 상이한 폴리싱 조성물에 대해 수많은 다른 화학 반응들이 존재하는데, 구리 CMP 공정의 경우 3개의 통상적인 반응이 전형적으로 관찰된다: 산화, 착화 및 입자 해리. 해리와 산화는 또한 비제한적으로, 산화물, 장벽층, 텅스텐, 및 FEOL을 포함하는, 수많은 다른 CMP 공정의 일부이다.
본 개시내용의 폴리싱 조성물은 다양한 폴리싱 온도에서 다양한 반응 속도를 안정화시키는 RRO 화합물을 포함한다. 본 개시내용의 조성물 및 방법은 구리 CMP 조성물에 대해 유용하다. 또한, 본 개시내용의 조성물 및 방법은 예를 들어, 산화물, FEOL, 텅스텐, 코발트, 장벽층 등과 같은 다른 CMP 공정에 대해 유용하다.
여기서 사용되는 바와 같은, 문구 "반응 속도 최적화"는 산화반응 속도, 착화반응 속도, 및 입자 해리 속도를 최적화하는 것을 언급한다. 여기서 사용되는 바와 같은, 산화반응 속도, 착화반응 속도, 및 입자 해리 속도는 이들이 약 40 내지 65℃의 온도 범위에 걸쳐서 약 10% 미만으로 변화될 때 "최적화된" 것이다.
본 개시내용의 일부의 실시양태로, 적어도 하나의 반응 속도 최적화(RRO) 화합물을 포함하는 CMP 조성물이 제공되며 여기서 상기 RRO는 약 40 내지 65℃의 온도 범위에서 웨이퍼 표면에서 약 10% 미만의 제거율 변화를 제공한다.
동일한 시간에 일어나는 다중 화학 반응의 경우, 낮은 제거율 변화를 성취하기 위해서는 반응을 모두 최적화하는 것이 중요하다. 예를 들어, 연마 입자의 해리와 침전을 최소로 유지하고 싶을 수 있다. 이는 기계적 제거 효율을 최대로 만들 것이다. 과산화수소와 같은 산화제의 분해 반응은 최적화되어야 한다. 과산화수소와 같은 산화제의 분해는 기판의 금속 표면상에서 산화물의 형성 및 종류에 관련된다. 산화물층이 너무 얇을 경우, 폴리싱 중 초기(nascent) 구리가 노출되어 결함이 발생할 수 있다. 산화물층이 너무 두꺼울 경우, 기계적 제거에 나쁜 영향을 준다. 착화제에 의한 착화 반응에 대해서도 마찬가지이다. 금속 착화물의 형성과 해리는 최적화된 제거율을 성취하기 위해서 반드시 최적화되어야 한다. 이들 메카니즘 각각에 대한 반응 속도가 너무 높거나 너무 낮으면 바람직하지 못하다. 반응 속도 최적화 화합물은, 이들의 화학적 성질 뿐만 아니라 양이, 상술한 바람직한 효과를 가질 수 있도록 선택되어야 한다.
여기에 개시된 RRO 화합물의 기능 중 하나는 폴리싱 조성물에서 산화물 입자의 해리를 최적화시키는 것이다. 대부분의 폴리싱 조성물은 크기가 20 내지 100 nm 범위인 콜로이드상 실리카 나노입자를 포함한다. 이들 입자는 매우 큰 표면적을 가지며 따라서 폴리싱 조성물에서 계속해서 해리된다. 해리 속도는 pH, 온도, 콜로이드상 실리카의 종류 및 폴리싱 조성물중의 화학물질을 포함한, 수많은 인자에 영향을 받는다. 해리는 폴리싱 조성물의 화학적 성질에 이온성 변화를 야기하여, 이에 따라 폴리싱 조성물의 안정성에 영향을 준다. 해리 속도를 최적화하는 것은 CMP 공정에서 제거율 및 궁극적으로는 제거율 변화에 영향을 주게 된다. 상술한 pH 변화의 경우 콜로이드상 실리카 입자 재-침전 반응이 또한 일어날 수 있다. 이것도 물론 제거율에 영향을 줄 것이다.
산화물 입자 (예를 들면, 실리카 입자 등)의 해리를 최적화하기 위하여 사용되는 RRO 화합물로 특정 완충제(buffering agent)가 있다. 완충제로는, 비제한적으로, 다양한 염들이 있다. 이들 염들에 염기성 화합물, 예로서 황산칼륨, 질산칼륨, 황산암모늄, 질산암모늄, 및 기타 황산염 및 질산염이 포함될 수 있다. 이들 화합물들은 염기와 산을 함께 또는 별도로 첨가함으로써 형성될 수 있다. 이들 화합물들은 폴리싱 조성물의 pH에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 이들은 소량으로 주의해서 첨가한다. 총량은 연마 입자에 대해 완충된 용액을 생성시키기에 딱 충분하여야 한다.
하나의 실시양태로, 이후 상세하게 기재되는 바와 같이, RRO가 산 및/또는 알칼리일 수 있으며, 약 10 내지 약 10,000 ppm의 농도 범위, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위로 존재할 수 있다. 전술한 단락의 염이 사용될 경우, 농도 범위는 약 20 내지 약 20,000 ppm, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위이다. 이들 범위는 다음과 같은 이유로 중요하다. 매우 낮은 양 (<10 ppm)을 첨가할 경우 pH에 대해 어떠한 영향도 주지 않을 수 있지만, RRO 기능을 수행할 수 없게 될 것이다. 더 많은 양일 경우, 산을 단독으로 10,000 ppm 이상 첨가할 경우, 이들은 pH에 큰 영향을 주게 될 것이다. 그뿐만 아니라, 더 높은 함량의 산 (>10,000 ppm)은 금속을 부식시키게 될 것이다. >10,000 ppm의 산은 폴리싱 조성물의 전도도를 상승시키게 되며 따라서 특정 제거율 (예를 들면, 탄탈, Ta)도 따라서 오르게 되어, 하나의 예로서, Cu:Ta 폴리싱 선택도에 나쁜 영향을 줄 것이다.
수산화칼륨(KOH)과 같은 알칼리가 Ta 제거율뿐만 아니라 pH에 매우 강력한 영향을 주지만, 알칼리도 유사한 효과가 있다. 그러한 경우 상한치는 약 5000 ppm이다. 상기 한계치보다 높을 경우, Ta 또는 TaN 제거율이 상승하기 시작하며, 이는 평탄화 효율, 토포그래피(topography) 및 결함에 부정적인 영향을 미친다. KOH의 양이 많을수록 산화물 제거율에 나쁜 영향을 준다.
산과 알칼리는 둘다 조성물의 pH를 유지하기 위하여 첨가되며, 따라서 전도도는 상승하게 된다는 것을 유의해야 한다. 10,000 ppm 한계치보다 높을 경우 (즉, 산과 알칼리가 둘다 최대량으로 사용될 경우), 이들 성분을 둘다 첨가하는 것과 더 높은 전도도는 부식으로 인한 평탄화 비효율성, 토포그래피 및 결함 문제에 있어서 주요 원인이 될 것이다.
다른 실시양태로, 산화물 입자의 해리 속도를 최적화하는데 유용한 RRO 화합물이 폴리머성 용매이다. 예로는, 비제한적으로, 폴리알킬렌 글리콜이 있으며, 이의 특정예로 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜이 있다. 다른 실시양태로, 사용이 고려되는 용매로는, 비제한적으로, 알코올, 예를 들면, 디올, 트리올, 및 폴리올, 및 티올, 또는 기타 유기 용매가 있다. 상기 문구에 기재된 용매는 약 100 내지 약 10,000 ppm의 양으로, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위로 첨가된다. 더욱 바람직한 범위는 약 100 내지 약 5000 ppm, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위이다.
하한치보다 낮을 경우, 알코올, 및 티올 용매는 RRO로서 비효과적이다. 10,000 ppm보다 높은 경우, 이들 용매는 웨이퍼 표면을 코팅하기 시작하게 된다. 이들 용매는 매우 친수성이며 따라서 구리 및 산화물을 포함하는 다양한 표면 위에 층을 형성한다. 이들 코팅은 "유기 잔사(organic residue)"로 불리워지는 전형적인 결함 부위이며, 세정하기 매우 어렵다. 또한, 이들 코팅은 비-균일도에 따라서 ㄷ디싱(dishing) 및 침식(erosion) 및 패턴과 같은 다른 문제를 일으키게 된다. 따라서, 일반적으로 상한치는 약 10,000 ppm이며 약 5000 ppm이 바람직하다.
다른 실시양태로, RRO 화합물은 과산화수소의 분해를 최적화하는데 유용하다. 과산화수소는 Cu CMP에서 통상적으로 사용되는 산화제이다. 과산화수소가 물과 산소로 분해될 수 있으며 이러한 반응이 온도, 금속성 불순물 및 촉매에 크게 영향을 받는다는 것은 잘 알려져 있다. CMP 공정에서의 상승된 폴리싱 온도에서, 폴리싱 조성물중에 발생된 Cu 이온과 금속성 불순물은 과산화수소의 비제어된 분해를 일으킬 수 있으며 이에 따라 제거율의 비-균일도를 일으킬 수 있다.
과산화수소 분해 속도를 최적화하는데 유용한 RRO 화합물로는 비제한적으로, 인산염, 황산염, 주석산염 또는 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid:EDTA)이 있다. 황산염은 또한 연마 입자 해리 속도를 최적화할 수 있으며, 따라서 여기에 기재된 RRO 화합물은 여기에서 제공되는 CMP 조성물 및 방법에서 적어도 이중 (다중이 아닌 경우)-기능성을 가질 수 있음을 알아야 한다. 일부 실시양태로, 과산화수소 분해 속도를 최적화하는데 사용되는 RRO 화합물이 예를 들어, 황산 또는 인산과 같은 무기산이다. 이들은 전형적으로 조성물 중에 약 10 내지 약 10,000 ppm의 농도 범위로, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위로 존재한다.
다른 실시양태로, 여기에 개시된 RRO 화합물이 구리의 부식/패시베이션 속도를 최적화하는데 유용하다. 부식 억제제 (예로서, 벤조트리아졸, BTA)를 구리 슬러리에 첨가하여 부식을 관리한다. 부식 억제제는 구리 표면을 패시베이션하여(passivate) 산화/구리 산화물 해리를 느리게 한다. 그러나, 부식 억제제 효율은 작업 온도가 25에서 50℃로 상승할 때 크게 감소할 수 있다 (Copper Corrosion Inhibitor. A review M.M. Antonijevic* and M.B. Petrovic). 웨이퍼 또는 패드 온도가 15℃까지 변화될 경우, 웨이퍼 표면 상에서 패시베이션이 또한 불규칙적일 것으로 예상된다. 이는 특정 아민을 첨가함으로써 최적화될 수 있는데 특정 아민은 더 높은 온도에서 구리 위에 내구성이 더 큰 보호막을 형성하는데 도움이 된다. 일부 실시양태로, 사용이 고려되는 아민으로는, 비제한적으로, 메틸아민, 에탄올아민, 디메틸 아민 등과 같은 1급, 2급, 및 3급 아민이 있다. 아민은 약 5 내지 약 10,000 ppm 첨가될 수 있다. 하나의 실시양태로, 이런 기능에 대한 RRO 화합물이 옥타데실아민(octadecylamine: ODA)이다. 다시 한번, 5 ppm 보다 낮은 양에서, 이들 화합물은 RRO로서 비효과적이며, 10,000 ppm보다 높은 양에서, 이들은 심각한 금속 부식을 일으킬 뿐만 아니라 산화물에 대한 제거율을 증가시키는 원인이 되는 슬러리의 증가된 전도도의 원인이 된다.
구리 CMP 공정 중에 다른 중요한 화학 반응은 금속 착화를 포함한다. 전형적으로, 글리신과 같은 아미노 아세트산이 구리 슬러리에 사용된다. 글리신은 구리와 착화되며 장벽층 제거를 최소로 유지하면서 구리 제거를 증가시키는데 도움을 준다. 착화합물 형성은 Cu(II)가 Cu(I)로 환원되는 산화환원 화학 반응을 포함한다. 이 반응은 온도 변화에 크게 영향을 받는다. 본 개시내용은 구리의 착화를 효과적으로 최적화시키는 RRO 화합물을 포함한다. 본 개시내용의 관점에서 사용이 고려되는 RRO 화합물로는, 비제한적으로, 황산, 질산 및 HCl과 같은 무기산이 있다. 이들 RRO 화합물에 대해 전형적인 농도 범위는 약 10 내지 약 1000 ppm, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위이다.
놀랍게도, 온도에 크게 영향을 받는, CMP 공정에서 3개의 주요 화학 반응 (산화, 착화, 및 입자 해리)이 모두 RRO로서 무기산 또는 이의 염을 사용함으로써 최적화될 수 있음을 발견하였다. 일부 실시양태로, 황산을 소량으로 첨가함으로써 웨이퍼 표면에서 경험하는 온도 범위에서 3개의 반응이 모두 효과적으로 최적화될 수 있음을 발견하였다. 이 발견은 조성물에 대해 다른 문제를 일으킬 수 있는 수많은 화합물 대신 하나 또는 두 개의 RRO 화합물 (다중 역할을 하는) 만을 사용할 수 있도록 한다.
따라서, 일부 실시양태로, 황산이 RRO 화합물로서 사용이 고려된다. 일부 실시양태로, 황산이 약 10 내지 약 10,000 ppm의 농도 범위로, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위로 존재한다. 일부 실시양태로, 황산이 약 10 내지 약 1000 ppm의 농도 범위로, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위로 존재한다.
그러나, 본 개시내용은 산화, 착화, 및 입자 해리 반응 중 하나에 대해 적합한 상기-기재된 RRO가 다른 것과 함께 사용될 수 있음도 고려한다. 예를들어, 본 개시내용의 조성물은 해리 속도 최적화에 적합한 상기 논의된 황산염 또는 질산염, 과산화수소 분해를 최적화하는데 적합한 인산염 또는 산, 및 착화 최적화에 적합한 질산 중 하나를 포함할 수 있다. 이는 단지 조합의 일례이다.
입자의 해리와 침전 속도를 최소로 유지하는 것이 중요한데, 다른 반응들 (산화, 착화 또는 부식/패시베이션)이 금속(구리) 표면에서의 층 형성 두께와 관련있다. 이들 화학 반응들은 키네틱(kinetic)적이며 온도를 포함한 수많은 인자에 따른다. 이들 반응들은 모두 결국 금속의 상부에서의 화학층 형성에 영향을 준다. 금속이 구리인 경우, 예를 들어, 상기 층은 구리-아미노산 착화합물, 다양한 산화물 또는 패시베이션층일 수 있다. 상기층의 형성 속도 R은 온도에 따른다. 40℃에서의 상기 속도(R40)가 65℃에서의 속도(R65)와 크게 상이할 경우, 두 위치에서의 제거 율에 대한 주요 문제가 발생할 수 있다. 일단 이들 층이 형성된 다음, 이들의 제거는 대부분 기계적 (연마재 관련)이다. 기계적 제거율이 이들 반응의 속도(R)와 매치될 경우, 균일한 제거를 예상할 수 있다.
따라서, RM이 층의 층 제거율이라면, RM이 R65와 R40 사이의 차이보다 훨씬 더 크거나 훨씬 더 작을 경우, 이는 심각한 제거율 문제를 일으키게 된다. RM이 R65와 R40 사이의 차이와 대략 대등하거나, 상기 차이의 10% 이내인 경우, 유익하다. RRO는 이런 것이 일어나도록 선택한다.
본 개시내용의 CMP 조성물은 연마재, 착화제, 부식 억제제, 및 이들의 임의의 조합물, 및 나머지 양의 물을 포함할 수 있다. 연마재는 알루미나, 흄드 실리카(fumed silica), 콜로이드상 실리카, 코팅된 입자, 티타니아, 세리아, 지르코니아, 또는 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 연마재는 각각 조성물의 총중량을 기준으로 하여, 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 10 중량%, 및 상기 범위 사이의 임의의 서브범위의 양으로 존재할 수 있다.
산화제는 과산화수소, 과황산암모늄, 질산은(AgNO3), 질산제2철 또는 염화철, 과산 또는 염, 오존수, 페리시안화칼륨, 이크롬산칼륨, 요오드산칼륨, 브로민산칼륨, 삼산화바나듐, 차아염소산, 차아염소산나트륨, 차아염소산칼륨, 차아염소산칼슘, 차아염소산마그네슘, 질산제2철, KMnO4, 기타 무기 또는 유기 과산화물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 하나의 실시양태로, 산화제가 과산화수소이다. 산화제는 조성물의 총중량을 기준으로 하여, 약 0.1 중량% 내지 약 5중량%, 또는 약 0.4 중량% 내지 약 2 중량%, 및 상기 범위 사이의 임의의 서브범위의 양으로 존재할 수 있다.
착화제는 목적하는 기능을 수행하는 임의의 화합물일 수 있다. 하나의 실시양태로, 착화제가 유기산과 이의 염, 아미노아세트산, 글리신 또는 알라닌과 같은 아미노산, 카르복실산, 폴리아민, 암모니아 기재 화합물, 4급 암모늄 화합물, 무기산, 카르복실기 및 아미노기를 둘 다 가지는 화합물, 예로서 에틸렌디아민테트라아세트산 및 디에틸렌 트리아민 펜타아세트산, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 실시양태로, 착화제가 글리신이다. 착화제가 각각 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 약 1 중량% 내지 약 20 중량%, 또는 약 5 중량% 내지 약 13 중량%, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위의 양으로 존재할 수 있다.
부식 억제제는 벤조트리아졸 및 이의 유도체, 톨릴 트리아졸(tolyl triazole) 및 이의 유도체, 및 아졸, 특정 계면활성제, 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 하나의 실시양태로, 상기 부식 억제제가 벤조트리아졸 유도체이다. 부식 억제제는 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 약 10 ppm 내지 약 1000 ppm, 또는 약 10 ppm 내지 약 200 ppm, 또는 상기 범위 사이의 임의의 서브범위의 양으로 존재할 수 있다.
상기 개시내용은 하기 실시예를 참고로 하여 더욱 상세하게 설명되며, 실시예는 설명을 목적으로 하며 상기 개시내용의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
실시예들
하기 실시예들은 웨이퍼 표면 온도가 15℃까지 변화될 때 본 개시내용의 폴리싱 조성물이 안정하고 견고한 CMP 공정을 제공함을 증명한다.
실시예 1
실리카 연마재, 착화제, 부식 억제제, 및 반응 속도 최적화(RRO) 화합물을 사용하여 구리 폴리싱 조성물을 조제한다. 본 실시예에서는 RRO가 황산으로 약 20 ppm의 양으로 존재한다. 본 조성물의 pH는 실온(room temperature)에서 시작하여 다양한 온도에서 문헌에 기재된 표준 pH 측정 기법을 사용하여 측정한다. 당해 온도 범위에 대한 데이터가 도 5a 및 5b에 제시되어 있다. 당해 온도 범위는 폴리싱된 웨이퍼의 다양한 부분에서 경험하게 되는 온도, 즉 45℃에서 60℃ 사이일 것으로 생각된다. 도 5a 의 데이터는 실온 pH로 공칭화된 도 4의 데이터이다.
데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 폴리싱 조성물에 대한 pH 변화는 하이라이트되어 있는 박스에서와 같이 5% 미만 (또는 0.2 pH 단위 미만)이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 선행 기술 데이터는 온도에 대해 pH가 훨씬 더 변화됨을 보여준다. 이는 도 5b에 플로팅되어 있으며 본 개시내용의 폴리싱 조성물과 공지의 조성물 간에 비교를 보여준다. 도 5b에서의 데이터가 설명하는 바와 같이, RRO를 포함하는 본 개시내용의 조성물은 pH 변화를 제한하는데 도움을 줄 수 있다.
실시예 2
실시예 1로부터의 폴리싱 조성물을 사용하여 다음과 같은 파라미터를 사용하여 블랭킷(blanket)과 패턴화된 구리 웨이퍼 둘다를 폴리싱한다:
도구: AMAT Mirra
다운포스: 약 3 PSI
패드: IC 1000
웨이퍼 표면 전체에서의 제거율 변화를 측정하였다. 측정된 변화는 5% 미만이었다.
여기에 기재된 바와 같이, 공지의 CMP 슬러리는 훨씬 더 높은 제거율 변화, 즉, >20%을 나타낸다.
비교실시예 1
Ref 12 		비교실시예 1
Ref 12 		비교실시예 2
Ref 13 		비교실시예 3
Ref 14 		본 개시내용
패드 A 패드 B 다양한 폴리시 조건 다양한 다운포스 다양한 폴리시 조건
WIWNU ~35% ~25% >20% >20% <5%
WIWNU = 웨이퍼 비-균일도 이내
실시예 3
산화제로서 과산화수소, 구리 착화제, 부식 억제제 및 알코올 (300 ppm) 및 알칼리 KOH (25 ppm)의 형태로 두 개의 RRO 화합물을 포함하는 다른 구리 폴리싱 조성물을 조제한다. 실시예 2에 기재된 것과 동일한 폴리시 파라미터를 사용하여 블랭킷과 패턴화된 구리 웨이퍼 둘다를 폴리싱하고 제거율 변화를 측정한다. 웨이퍼 표면 전체에서의 제거율 변화는 5% 미만이었다.
본 발명을 본 발명의 실시양태와 함께 기재하였으나, 수많은 대체, 변형 및 변화가 전술한 설명에 비추어 당해 분야의 숙련가에게 분명함이 자명할 것이다. 따라서, 그러한 대체, 변형 및 변화는 모두 첨부되는 청구범위의 정신 및 광의적 범주내에 속하는 것으로 포괄시키고자 한다.

Claims (20)

  1. CMP 조성물에 있어서,
    연마재;
    산화제;
    착화제;
    부식 억제제;
    적어도 하나의 반응 속도 최적화 화합물; 및
    물;로만 구성되며,
    상기 반응 속도 최적화 화합물은,
    황산칼륨, 질산칼륨, 황산암모늄, 질산암모늄, 알코올, 티올, 인산염, 황산염, 황산, 인산, 질산, 질산의 염, 염산, 염산의 염 및 KOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    여기서 상기 반응 속도 최적화 화합물은 40℃ 내지 65℃의 온도 범위에서 웨이퍼 표면 상에서 10% 미만의 제거율 변화를 제공하는 CMP 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 속도 최적화 화합물이 폴리싱 조성물 중 연마재 입자의 해리 또는 침전을 최적화하는 것인 CMP 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응 속도 최적화 화합물이 금속 표면의 산화 또는 패시베이션(passivation)을 최적화하는 것인 CMP 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응 속도 최적화 화합물이 금속 표면의 착화를 최적화하는 것인 CMP 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응 속도 최적화 화합물이 황산 및 이의 염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 CMP 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 조성물 중 반응 속도 최적화 화합물의 농도가 10 내지 10,000 ppm인 CMP 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 조성물 중 반응 속도 최적화 화합물의 농도가 10 내지 1000 ppm인 CMP 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조성물이 45℃ 내지 65℃ 사이에서 0.3 단위 미만으로 변하는 pH 값을 가지는 CMP 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 연마재가 알루미나, 흄드 실리카, 콜로이드상 실리카, 코팅된 입자, 티타니아, 세리아, 지르코니아, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 0.2 중량% 내지 30 중량%의 양으로 존재하는 CMP 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 산화제가 과산화수소, 과황산암모늄, 질산은, 질산제2철, 염화은, 과산 또는 그의 염, 오존수, 페리시안화칼륨, 이크롬산칼륨, 요오드산칼륨, 브로민산칼륨, 삼산화바나듐, 차아염소산, 차아염소산나트륨, 차아염소산칼륨, 차아염소산칼슘, 차아염소산마그네슘, 질산제2철, KMnO4, 및 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 0.1 중량% 내지 5 중량%의 양으로 존재하는 CMP 조성물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 착화제가 유기산과 이들의 염, 아미노 아세트산, 아미노산, 카르복실산, 폴리아민, 4급 암모늄 화합물, 무기산, 카르복실기 및 아미노기를 둘 다 가지는 화합물, 및 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 1 중량% 내지 20 중량%의 양으로 존재하는 CMP 조성물.
  13. 제1항에 있어서, 상기 부식 억제제가 벤조트리아졸 및 이의 유도체, 톨릴 트리아졸 및 이의 유도체, 아졸, 및 이들의 임의의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 10 ppm 내지 1000 ppm의 양으로 존재하는 CMP 조성물.
  14. CMP 공정 중 제거율 변화를 최소화하는 방법으로, 적어도 하나의 반응 속도 최적화 화합물을 가지는 조성물을 표면을 가지는 웨이퍼 기판에 도포함을 포함하며,
    상기 조성물은,
    연마재;
    산화제;
    착화제;
    부식 억제제;
    적어도 하나의 반응 속도 최적화 화합물; 및
    물;로만 구성되며,
    상기 반응 속도 최적화 화합물은,
    황산칼륨, 질산칼륨, 황산암모늄, 질산암모늄, 알코올, 티올, 인산염, 황산염, 황산, 인산, 질산, 질산의 염, 염산, 염산의 염 및 KOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나이며,
    상기 반응 속도 최적화 화합물은 40℃ 내지 65℃의 온도 범위에서 상기 표면에서 10% 미만의 제거율 변화를 제공함을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 표면이 금속 표면인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금속 표면이 Cu, W, Ta, Ti, Co, 및 Ru로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 표면이 비-금속 표면인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 표면이 폴리실리콘, SiN, 또는 SiO2인 방법.
  19. CMP 조성물에 있어서,
    연마재;
    산화제;
    착화제;
    부식 억제제;
    적어도 하나의 반응 속도 최적화 화합물; 및
    물;로 구성되며
    상기 반응 속도 최적화 화합물은 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 황산을 10 내지 10,000 ppm의 양으로 포함하며, 상기 반응 속도 최적화 화합물은 40℃ 내지 65℃의 온도 범위에서 웨이퍼 표면에서 10% 미만의 제거율 변화를 제공함을 특징으로 하는 CMP 조성물.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반응 속도 최적화 화합물이 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 10 내지 1000 ppm의 양으로 황산을 포함하는 것인 CMP 조성물.
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