KR102275429B1 - Cmp용 슬러리 조성물 및 이에 포함된 연마입자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CMP용 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연마입자는, 1차 입자가 자기 조립되어 형성된 구형의 2차 입자를 포함하는, CMP 연마용 산화세륨 입자이다.

Description

CMP용 슬러리 조성물 및 이에 포함된 연마입자{SLURRY COMPOSITION FOR CMP AND THE POLISHING PARTICLE THEREIN}
본 발명은 CMP용 슬러리 조성물 및 이에 포함된 연마입자에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마 입자가 포함된 슬러리를 기판 상에 투입하고 연마 장치에 장착된 연마 패드를 이용하여 실시하게 된다. 이때, 연마입자는 연마 장치로부터 압력을 받아 기계적으로 표면을 연마하게 되고, 슬러리 조성물에 포함된 화학적 성분이 기판의 표면을 화학적으로 반응시켜 기판의 표면 부위를 화학적으로 제거하게 된다.
일반적으로 슬러리 조성물은 제거 대상의 종류 및 특성에 따라 다양한 종류가 있다. 그 중에서 특정 피연마막을 선택적으로 제거하는 슬러리 조성물은 매우 다양하나 최근 반도체 장치 구조에서는 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 동시에 연마할 수 있는 슬러리 조성물이 필요하다. 그러나, 종래의 슬러리 조성물은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 선택적으로 연마할 수 없고, 원하는 수준의 연마 속도를 얻지 못하거나 결함 및 스크래치가 발생하고 낮은 분산 안정성으로 응집이 일어나는 문제가 있다. 또한, 건식 세리아 입자는 제조 방식의 한계로 인해 각진 결정립 형상과 광범위한 입경 분포를 가지기 때문에 폴리실리콘막의 마이크로 스크래치의 발생이 불가피하게 된다.
이에 비해, 습식 세리아 입자는 건식 세리아 입자에 비해 입자 분포가 좁고 2차 입경이 큰 입자가 생성되지 않으며 다면체 구조를 가지고 있어 기존의 건식 세리아 입자에 비해 마이크로 스크래치를 크게 개선할 수 있다.
그러나, 습식 세리아 입자는 크기가 40 nm 이하일 경우 절연막 연마율이 매우 낮고, 입경이 100 nm 이상일 경우 다면체 구조의 날카로운 결정면 부분에 의해서 마이크로 스크래치 수가 급격히 증가하게 된다.
본 발명의 목적은, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막에 대한 연마 선택비를 자유롭게 조절하여 높은 연마 속도 및 선택비를 가지고, 연마 후 스크래치 발생을 최소화할 수 있는 CMP용 슬러리 조성물 및 이에 포함된 연마입자를 제공하는데 있다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측에 따르면, 1차 입자가 자기 조립되어 형성된 구형의 2차 입자를 포함하는, CMP 연마용 산화세륨 입자를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 입자의 비표면적은 50 m2/g 내지 180 m2/g 인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 1차 입자 입경은 1 nm 내지 50 nm이고, 상기 2차 입자 입경은 50 nm 내지 400 nm인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 입자의 50% 이상이, 3개 이상의 1차 입자를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 1차 입자 : 2차 입자의 입경비는 1 : 3 내지 1 : 500 인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 2차 입자의 기공률은 10 % 내지 40 % 인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자 : 2차 입자의 입경비는 1 : 3 내지 1 : 500이고, 상기 2차 입자의 기공률은 1 % 내지 40 % 인 것인 CMP용 슬러리 조성물을 제공한다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자의 비표면적은 5 m2/g 내지 70 m2/g이고, 상기 2차 입자의 비표면적은 50 m2/g 내지 180 m2/g인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 입경은 1 nm 내지 50 nm이고, 상기 2차 입자 입경은 50 nm 내지 400 nm 인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 내지 10.0 중량%인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 2차 입자의 50% 이상이, 3개 이상의 1차 입자를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자는, 각각, 금속산화물, 유기물 또는 무기물로 코팅된 상기 금속산화물 및 콜로이달 상태의 상기 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 금속산화물은 세리아, 실리카, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 바륨티타니아, 게르마니아, 망가니아 및 마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 및 2차 입자는, 각각, 액상법으로 제조되고, 입자 표면이 양전하를 갖는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 및 2차 입자의 형상은, 각각, 구형, 코쿤형(cocoon shape), 각형, 침상형 및 판상형으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 분산제, pH 조절제, 양쪽성 계면 활성제, 선택비 조절용 첨가제 및 점도 조절제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 첨가제;를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 점도 조절제는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리옥시알킬렌알킬에테르, 폴리옥시알킬렌알킬에스테르, 폴리옥시에틸렌메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜술포닉산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리알킬옥사이드, 폴리옥시에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 공중합체, 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 메틸히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸히드록시에틸셀룰로오스, 설포에틸셀룰로오스 및 카르복시메틸설포에틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 점도 조절제는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 1.0 중량%인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 양쪽성 계면 활성제는, 글리신, 알라닌, 세린, 페닐알라닌, 트레오닌, 발린, 류신, 이소류신, 프롤린, 히스티딘, 리신, 아르기닌, 아스파르트산, 트립토판, 글루타민, 베타인, 코코미도프로필베테인 및 라우릴프로필베테인으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 양쪽성 계면 활성제는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.01 내지 1 중량%인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 니코틴 산(nicotinic acid), 이소니코틴 산(isonicotinic acid), 퓨자릭 산(fusaric acid), 디니코틴 산(dinicotinic acid), 디피코니릭 산(dipiconilic acid), 루티디닉 산(lutidinic acid), 퀴노릭 산(quinolic acid), 글루탐산(glutamic acid), 글루콘산(gluconic acid), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 옥살산(oxalic acid), 숙신산(succinic acid), 말산(malic acid), 말레산(maleic acid), 말론산(malonic acid), 디에틸말론산(diethylmalonic acid), 피콜리닉 산(picolinic acid), 시트르산(citric acid), 젖산(lactic acid), 트리카발산(tricarballyic acid), 타르타르산(tartaric acid), 아스파트산(aspartic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 수베르산(suberic acid), 푸마르산(fumaric acid), 프탈산(phthalic acid), 벤젠테트라카르복실산(benzenetetracarboxylic acid), 피리딘카르복실산(pyridinecarboxylic acid) 및 이들의 염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기산을 더 포함하고, 상기 유기산은, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 5 중량%인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마막을 동시에 연마하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 실리콘산화막의 제거율(RR)은 2,000 Å/min 내지 20,000 Å/min, 실리콘질화막의 제거율(RR)은 50 Å/min 내지 100 Å/min, 상기 폴리실리콘막의 제거율(RR)은 30 Å/min 내지 70 Å/min인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 1 : 10 내지 20 : 1 내지 30인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물의 pH는 3 내지 8인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물의 제타전위는 30 mV 내지 60 mV인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물은, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자를 포함하는 3차 입자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 의한 CMP용 슬러리 조성물은, 본 발명의 연마입자 (1차 입자 및 2차 입자)를 포함함으로써, 산화막과 질화막 또는 폴리막의 연마에 있어서, 고단차 영역에서는 연마속도를 빠르게 하여 제거하고 높은 선택비를 가지며, 연마 후 마이크로 스크래치 및 디싱의 발생을 최대한 억제할 수 있다. 그에 따라 문턱 전압 변화 등을 방지할 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 단차가 제거된 이후에는 연마속도가 매우 느려지게 하고, 실리콘산화막과 폴리실리콘막의 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄일 수 있고, 그에 따라 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자 및 2차 입자의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자를 포함하는 2차 입자의 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자를 포함하는 2차 입자의 TEM 사진이다.
발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 CMP용 슬러리 조성물 및 이에 포함된 연마입자에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 1차 입자를 포함하는 2차 입자를 포함하고, 상기 1차 입자 : 2차 입자의 입경비는 1 : 3 내지 1 : 500이고, 상기 2차 입자의 기공률은 1 % 내지 40 % 인 것인 CMP용 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명에서 2차 입자의 기공률은 연마 속도와, 연마되는 피연마막의 표면 스크래치 발생 여부와 관계있는 요소일 수 있다. 이 때, 상기 기공률을 적절한 정도로 제어하면, 연마 후의 마이크로 스크래치 및 디싱의 발생을 최대한 억제할 수 있고, 또한 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄이고 생산성을 향상시킬 수 있다.
2차 입자의 기공률이 1 % 미만이면, 피연마막을 고속으로 연마할 수 있으나, 표면에 스크래치의 발생 확률이 상당히 높아지는 문제가 생길 수 있고, 기공률이 40 % 를 초과하면 연마 속도가 장시간 지속되고 너무 쉽게 부서지게 되어 연마를 진행하는데 문제가 발생할 수 있다.
입자의 비표면적은 BET(Brunauer-Emmett-Teller; BET)법으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 기공분포 측정기(Porosimetry analyzer; Bell Japan Inc, Belsorp-II mini)를 사용하여 질소 가스 흡착 유통법에 의해 BET 6 점법으로 측정할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자의 비표면적은 5 m2/g 내지 70 m2/g 이고, 상기 2차 입자의 비표면적은 50 m2/g 내지 180 m2/g 인 것일 수 있다. 1차 입자의 비표면적이 5 m2/g 미만이면 미세 스크래치 및 입자 흡착에 위험이 있고, 1차 입자의 비표면적이 70 m2/g 초과이면 연마 속도가 장시간 지속되고, 2차 입자의 비표면적이 50 m2/g 미만이면 피연마막과 접촉하는 부분의 면적이 작아 연마속도가 느리고, 2차 입자의 스크래치와 디싱과 같은 표면 결함이 발생할 수 있고, 2차 입자의 비표면적이 150 m2/g 초과이면 피연마막 표면에 스크래치와 디싱과 같은 표면 결함을 발생시킬 수 있으며, CMP용 슬러리 조성물의 분산 안정성이 저하될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자 및 2차 입자의 개념을 나타낸 도면이다. 1차 입자는, 반응에서 초기에 형성된 입자로서 비-응집된 입자를 의미한다. 2차 입자는, 예를 들어, 3개 이상, 일 예로서, 5개 이상의 상기 1차 입자가 응집된 것일 수 있다. 5개 이상의 1차 입자에 의해 응집된 응집체인 2차 입자는, 5개 이상의 1차 입자가 결합제 또는 1차 입자 자체의 물리적 화학적 성질에 의해 자기조립된 것을 포함하는 개념일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CMP용 슬러리 조성물 내의 2차 입자는 임의의 적합한 응집성을 가질 수 있고, 2차 입자는 1차 입자를 포함할 수 있다는 점에서 비-응집된 것일 수도 있다. 또한, 부분 응집된 것일 수 있다. 부분 응집이란, 2차 입자의 50% 이상이 2개 이상의 응집된 1차 입자를 포함하거나 또는 2차 입자의 30% 이상이 3개 이상의 응집된 1차 입자를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 이와 같이, 응집된 2차 입자는 예를 들어, 자기 조립(self assembly)에 의해 형성되는 것일 수 있다. 또한, 2차 입자는 1차 입자를 먼저 용액 중에서 성장시키는 다단계 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 이어서, 용액의 pH를 응집 (또는 부분 응집)을 촉진시키기 위해 미리 결정된 시간 동안 소정의 산가(acidic value)로 조절할 수 있다. 임의적 최종 단계는 응집체 (및 임의의 잔류 1차 입자)의 추가 성장을 고려할 수 있게 한다.
일 측에 따르면, 1차 입자 및 2차 입자의 입경은 레이저 회절법으로 측정할 수 있고, 측정 장치는 말번 인스투르먼츠(Malvern Instruments)®로부터 입수가능한 제타사이저(Zetasizer)®에 의해 측정되는 바와 같이 규정된 것일 수 있다. 연마입자는 실질적으로 특정 CMP 작업에 적합한 임의의 입자 크기를 가질 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 입경은 1 nm 내지 50 nm이고, 상기 2차 입자 입경은 50 nm 내지 400 nm 인 것일 수 있다. 분산액 중에 현탁된 입자의 입자 크기는 산업계에서 다양한 수단을 사용하여 규정될 수 있다. 1차 입자가 모두 대략 동일한 크기를 갖는 것이 유리할 수 있다 (이에 의해 연마입자는 좁은 1차 입자 크기 분포를 가짐). 1차 입자 크기의 표준 편차는 약 1 nm 미만일 수 있다. 상기 2차 입자의 크기에 있어서, 2차 입자의 크기가 50 nm 미만인 경우 밀링으로 인하여 작은 입자가 과도하게 발생하면 세정성 및 연마율이 저하되고, 웨이퍼 표면에 과량의 결함이 발생하며, 400 nm를 초과하는 경우 단분산성을 달성하지 못하여 스크래치와 같은 표면 결함의 우려가 있고, 패턴 막질에 대한 디싱 발생의 우려가 있다
일 측에 따르면, 상기 1차 입자 및 2차 입자 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 내지 5.0 중량%인 것일 수 있다. 상기 1차 입자 및 2차 입자가 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 미만인 경우 절연막에 대한 연마속도가 감소되고, 5.0 중량% 초과인 경우 연마입자에 의한 절연막에 스크래치가 발생하기 쉽다.
일 측에 따르면, 상기 2차 입자의 50% 이상이, 3개 이상의 1차 입자를 포함하는 것일 수 있다. 연마입자는 추가로, 연마입자의 20% 이상이 3개 미만의 1차 입자 (즉, 비-응집된 1차 입자 또는 단지 2개의 1차 입자만을 갖는 응집된 입자)를 포함하고, 연마입자의 50% 이상이 3개 이상의 1차 입자의 응집체를 포함하는 응집체 분포를 가질 수 있다.
일 측에 따르면, 분산제, pH 조절제, 양쪽성 계면 활성제, 선택비 조절용 첨가제 및 점도 조절제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 첨가제;를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 점도 조절제는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리옥시알킬렌알킬에테르, 폴리옥시알킬렌알킬에스테르, 폴리옥시에틸렌메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜술포닉산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리알킬옥사이드, 폴리옥시에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 공중합체, 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 메틸히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸히드록시에틸셀룰로오스, 설포에틸셀룰로오스 및 카르복시메틸설포에틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 점도 조절제는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 1.0 중량% 포함되는 것일 수 있다. 상기 점도 조절제가 0.1 중량% 미만인 경우 폴리실리콘막 연마정지 기능이 구현되지 않아 폴리실리콘막이 과량으로 연마되는 문제가 발생할 수 있고, 1.0 중량% 초과인 경우 분산 안정성이 저하되어 마이크로 스크래치가 발생하는 문제가 있다.
일 측에 따르면, 상기 선택비 조절용 첨가제는, 분자식 내에 2개 이상의 이온화된 양이온을 포함하는 양이온성 중합체인 것일 수 있다. 상기 양이온성 중합체는, 양이온으로 활성화된 질소를 2개 이상 포함하는 것일 수 있다. 상기 양이온성 중합체는, 4급 암모늄 형태인 것일 수 있다.
상기 양이온성 중합체는, 폴리(디알릴디메틸암모늄클로라이드)(poly(diallyldimethyl ammonium chloride); 폴리[비스(2-클로로에틸)에테르-알트-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아](Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea]); 1,4-디클로로-2-부텐 및 N,N,N',N'-테트라메틸-2-부텐-1,4-디아민을 가지는 2,2',2''-니트릴로트리스 에탄올 폴리머(Ethanol, 2,2',2 ' '-nitrilotris-, polymer with 1,4-dichloro-2-butene and N,N,N',N'-tetramethyl-2-butene-1,4-diamine); 히드록시에틸 셀루로오스 디메틸 디알릴암모늄 클로라이드 코폴리머(Hydroxyethyl cellulose dimethyl diallylammonium chloride copolymer); 아크릴아미드/디알릴디메틸암모늄 클로라이드 코폴리머(Copolymer of acrylamide and diallyldimethylammonium chloride); 아크릴아미드/4급화 디메틸암모늄에틸 메타크릴레이트(Copolymer of acrylamide and quaternized dimethylammoniumethyl methacrylate); 아크릴산/디알릴디메틸암모늄 클로라이드 코폴리머(Copolymer of acrylic acid and diallyldimethylammonium Chloride); 아크릴아미드/디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 코폴리머(Acrylamide-dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride copolymer); 4급화 히드록시에틸 셀룰로오스(Quaternized hydroxyethyl cellulose); 비닐피롤리돈/4급화 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 코폴리머(Copolymer ofvinylpyrrolidone and quaternized dimethylaminoethyl methacrylate); 비닐피롤리돈/4급화 비닐이미다졸의 코폴리머(Copolymer of vinylpyrrolidone and quaternized vinylimidazole); 비닐피롤리돈/메타크릴아미도프로필 드리메틸암모늄 코폴리머(Copolymer of vinylpyrrolidone and methacrylamidopropyl trimethylammonium); 폴리(2-메타크릴옥시에틸)트리메틸암모늄 클로라이드(Poly(2-methacryloxyethyltrimethylammonium chloride)); 폴리(아크릴아미드 2-메타크릴옥시에틸드리메틸 암모늄 클로라이드(Poly(acrylamide 2-methacryloxyethyltrimethyl ammonium chloride)); 폴리[2-(디메틸아미노)에틸 메타크릴레이트)메틸 클로라이드](poly[2-(dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride]); 폴리[3-아크릴아미도프로필 트리메틸암모늄 클로라이드](poly[3-acrylamidopropyl trimethylammonium chloride]); 폴리[3-메타크릴아미도프로필 트리메틸암모늄 클로라이드](poly[3-methacrylamidopropyl trimethylammonium chloride]); 폴리[옥시에틸렌(디메틸이미노)에틸렌(디메틸이미노)에틸렌 디클로라이드](Poly[oxyethylene(dimethylimino)ethylene (dimethylimino)ethylene dichloride]); 아크릴산/아크릴아미드/디알릴디메틸암모늄 클로라이드 터폴리머(Terpolymer of acrylic acid, acrylamide and diallyldimethylammonium Chloride); 아크릴산/메타크릴아미도프로필 트리메틸암모늄 클로라이드/메틸 아크릴레이트 터폴리머(Terpolymer of acrylic acid, methacrylamidopropyl trimethylammonium chloride, and methyl acrylate) 및 비닐카프로락탐/비닐피롤리돈/4급화 비닐이미다졸 터폴리머(Terpolymer of vinylcaprolactam, vinylpyrrolidone, and quaternized vinylimidazole); 폴리(2-메타크릴옥시에틸)포스포릴클로린-코-엔-부틸 메타크릴레이트(Poly(2-methacryloxyethylphosphorylcholine-co-n-butyl methacrylate)); 폴리[(디메틸아미노)에틸아크릴레이트 벤질 클로라이드 4차염](PDMAEA BCQ) 및 폴리[(디메틸아미노)에틸아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차염](PDMAEA MCQ)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.상기 선택비 조절용 첨가제는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 내지 5 중량% 포함되는 것일 수 있다. 상기 선택비 조절용 첨가제가 0.1 중량% 미만인 경우에는 연마입자가 응집되어 연마 효율성 및 스크래치 발생 등의 우려가 있고, 5 중량% 초과인 경우에는 질화막 및 폴리막에 대한 연마율이 과도하게 줄어들어 적정 수준의 선택비 구현이 어렵고, 연마입자의 응집발생, 분산 안정성 저하 등의 문제가 발생할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 양쪽성 계면 활성제는 산성 물질에 대해서는 염기의 작용을 하고, 염기성 물질에 대해서는 산의 작용을 하는 화합물을 의미한다. 본 발명에서 양쪽성 계면 활성제는 양쪽성 전하를 가지는 아미노산을 포함할 수 있다. 아미노산은 하나의 분자 중에 산성을 나타내는 카르복실기(-COOH)와 염기성을 나타내는 아미노기(-NH2)를 동시에 가지고 있다. 물에 녹으면 pH에 따라 산이나 염기로 작용되기 때문에 아미노산을 양쪽성 계면 활성제라고 한다. 용액의 pH에 따라 분자구조 중 수소이온(H+)을 받아들인 (염기) 양이온(-NH2 + H+ >>> -NH3 +)과 수소이온(H+)을 방출한 (산) 음이온(-COOH>>>-COO- + H+)을 동시에 지닐 수 있기 때문에 양성이온을 형성하는 것이다.
일 측에 따르면, 상기 양쪽성 계면 활성제는, pKa1 값이 1 내지 3이고, pKa2 값이 8 내지 12인 것일 수 있다. 아미노산은 용액의 pH에 따라 단계적인 이온화 반응을 나타내는데 아미노산을 구성하는 카르복실기, 아미노기, 곁사슬의 pKa 값이 다르기 때문이다. pKa 값은 아미노산을 구성하는 각각의 작용기가 평형상태(50%가 이온인 상태)가 될 때의 pH를 의미하는데, 예를 들어, 글리신의 경우 글리신을 구성하는 카르복실기의 pKa1 값은 2.35이고, 아미노기의 pKa2 값은 9.78이다. 이것은 pH 2.35에서 카르복실기의 50%가 음이온(-COO-), 나머지는 카르복실기(-COOH)로 존재하고, pH 9.78에서 글리신 아미노기기의 50%가 양이온(-NH3 +), 나머지는 아미노기(-NH2)로 존재하는 것을 의미한다.
일 측에 따르면, 상기 양쪽성 계면 활성제는, 글리신, 알라닌, 세린, 페닐알라닌, 트레오닌, 발린, 류신, 이소류신, 프롤린, 히스티딘, 리신, 아르기닌, 아스파르트산, 트립토판, 글루타민, 베타인, 코코미도프로필베테인 및 라우릴프로필베테인으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 양쪽성 계면 활성제는, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.01 내지 1 중량%인 것일 수 있다. 상기 양쪽성 계면 활성제가 0.01 중량% 미만인 경우 연마제의 분산성이 저하될 우려가 있고, 1 중량% 초과인 경우 연마속도가 감소할 우려가 있다.
본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물에 함유된 양쪽성 계면 활성제는 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막 막질 표면에 양이온성 중합체의 흡착 정도를 조절하여 연마 막질별 흡착 정도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 연마 공정 수행 시에, 막질이 연마되는 현상을 조절하여 선택비를 구현할 수 있다. 또한, 상기 양쪽성 계면 활성제는 연마입자 표면에 흡착하여 연마 입자들끼리 서로 뭉치는 현상을 방지하는 역할을 한다. 이에 따라 본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물의 분산 안정성이 향상될 수 있다.
일 측에 따르면, 니코틴 산(nicotinic acid), 이소니코틴 산(isonicotinic acid), 퓨자릭 산(fusaric acid), 디니코틴 산(dinicotinic acid), 디피코니릭 산(dipiconilic acid), 루티디닉 산(lutidinic acid), 퀴노릭 산(quinolic acid), 글루탐산(glutamic acid), 글루콘산(gluconic acid), 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 벤조산(benzoic acid), 옥살산(oxalic acid), 숙신산(succinic acid), 말산(malic acid), 말레산(maleic acid), 말론산(malonic acid), 디에틸말론산(diethylmalonic acid), 피콜리닉 산(picolinic acid), 시트르산(citric acid), 젖산(lactic acid), 트리카발산(tricarballyic acid), 타르타르산(tartaric acid), 아스파트산(aspartic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 수베르산(suberic acid), 푸마르산(fumaric acid), 프탈산(phthalic acid), 벤젠테트라카르복실산(benzenetetracarboxylic acid), 피리딘카르복실산(pyridinecarboxylic acid) 및 이들의 염으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기산을 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 유기산은, 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 5 중량%인 것일 수 있다. 상기 유기산이 상기 CMP용 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 미만인 경우 폴리실리콘막에 대해 낮은 연마 특성을 보일 수 있고, 5 중량% 초과인 경우 표면 결함이 증가될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물은 상술한 각 구성 성분을 용해 또는 분산시키기 위한 매질로서 물 또는 이를 함유한 수용매를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마막을 동시에 연마하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 실리콘산화막의 제거율(RR)은 2,000 Å/min 내지 20,000 Å/min, 실리콘질화막의 제거율(RR)은 50 Å/min 내지 100 Å/min, 상기 폴리실리콘막의 제거율(RR)은 30 Å/min 내지 70 Å/min인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 연마 선택비가 1 : 10 내지 20 : 1 내지 30인 것일 수 있다. 실리콘산화막이 노출되는 반도체 공정에서 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 높은 연마 선택비로 연마할 수 있기 때문에 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 선택적인 제거가 요구되는 반도체 제조 공정에 유용하게 적용될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물의 pH는 3 내지 8인 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 첨가제의 pH를 조절하여 피복된 연마 입자의 분산도를 조절하는 역할을 하는 상기 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 상기 pH 조절제는, 예를 들어, 암모니아, AMP(ammonium methyl propanol), TMAH(tetra methyl ammonium hydroxide), 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 트리에탄올아민, 트로메타민, 나이아신아마이드, 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물의 제타전위는 30 mV 내지 60 mV인 것일 수 있다. 상기 범위에서 높은 연마율을 달성할 수 있다. 상기 제타 전위는 0.001M NaCl 염 용액에 각 시료를 0.01 중량% 넣고 Dynamic electrophoretic light scattering method (ELS-8000, Otsuka Electronics)을 사용하여 측정한 값이다.
본 발명에 의한 CMP용 슬러리 조성물은, 1차 입자 및 2차 입자를 포함함으로써, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막에 대한 연마 선택비를 자유롭게 조절하고, 각 연마 대상마다 대상에 적합한 각각의 슬러리를 선택할 필요가 없기 때문에 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 연마 후 마이크로 스크래치 발생을 최대한 억제할 수 있다. 그에 따라 문턱 전압 변화 등을 방지할 수 있어 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘산화막의 연마율을 향상시킬 수 있고, 실리콘산화막과 폴리실리콘막의 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄일 수 있고, 그에 따라 생산성을 향상시킬 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 CMP용 슬러리 조성물은, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자를 포함하는 3차 입자를 포함하는 것일 수 있다. 경우에 따라서는, 본 발명의 CMP용 슬러리 조성물은, 1차 입자 자체와, 2차 입자 및 3차 입자를 모두 포함하는 것일 수 있고, 2차 입자 및 3차입자만 포함하는 것일 수도 있다.
본 발명의 CMP 연마용 산화세륨 입자는, 1차 입자가 자기 조립되어 형성된 구형의 2차 입자를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 2차 입자의 비표면적은 50 m2/g 내지 180 m2/g 인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 1차 입자 입경은 1 nm 내지 50 nm이고, 상기 2차 입자 입경은 50 nm 내지 400 nm인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 2차 입자의 50% 이상이, 3개 이상의 1차 입자를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 1차 입자 : 2차 입자의 입경비는 1 : 3 내지 1 : 500 인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 2차 입자의 기공률은 10 % 내지 40 % 인 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[비교예]
분산제를 첨가하여 입자들의 응집 및 뭉침을 방지한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하게 하여 슬러리 조성물을 제조하였다. SEM 이미지 및 TEM 이미지를 통하여 확인한 결과, 비교예의 슬러리 조성물은, 대부분 단일의 입자, 즉 1차 입자로 존재하고 일부 2-3 개의 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 2차 입자를 포함하는 것을 확인하였다.
[실시예]
<연마입자 및 비표면적에 따른 고단차 연마용 슬러리>
용매에, 콜로이달 산화세륨 연마입자 5 중량%를 넣고, 점도 조절제로서 폴리에틸렌글리콜을 0.3 중량%, 양쪽성 계면 활성제로서 젖산 0.05 중량%를 혼합하여 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. SEM 이미지 및 TEM 이미지를 통하여 확인한 결과, 실시예의 슬러리 조성물에는 단일 입자인 1차 입자, 다수의 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 2차 입자를 포함하는 것을 확인하였다.
비교예 및 실시예의 연마 입자에 대하여 1차 입자 입경, 2차 입자 입경, 2차 입자 비표면적 및 2차 입자 기공율에 대하여 측정 및 계산한 값을 하기의 표 1에 기재하였다. 상기 연마 입자의 입경은 Nanoplus Zeta Potential and Nano Particle Analyzer으로 측정한 값이며, 상기 2차 입자의 비표면적에 대해서는 ASAP2460으로 측정하고, 상기 2차 입자의 기공율은 하기 [계산식 1]에 따라 계산하였다.
[계산식 1]
P = {Vp / [(1/D) + Vp]}*100
(P : Porosity, Vp : Total Pore Volume (cc/g), D : True Density (g/cc))
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자를 포함하는 2차 입자의 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 입자를 포함하는 2차 입자의 TEM 사진이다.
1차 입자
입경
(nm)		 2차 입자
입경
(nm)		 2차 입자
비표면적
(m2/g)		 2차 입자
기공율
(%)
비교예 51 180 43 1.3
실시예1 3 133 86 10
실시예2 4 138 79 12
실시예3 3 150 112 13
실시예4 5 151 94 15
실시예5 7 166 161 16
실시예6 3 158 143 18
실시예7 6 142 138 20
<연마입자 및 기공율에 따른 고단차 연마용 슬러리>
실시예1 내지 실시예6의 조성물 및 선택비 조절용 첨가제 0.3 중량%를 혼합하여 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. SEM 이미지 및 TEM 이미지를 통하여 확인한 결과, 실시예의 슬러리 조성물에는 단일 입자인 1차 입자, 다수의 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 2차 입자를 포함하는 것을 확인하였다.
선택비 조절용 첨가제 실리콘
산화막 제거율
(Å/min)		 실리콘
질화막 제거율
(Å/min)		 폴리
실리콘막
제거율
(Å/min)		 스크래치
(ea)
비교예 폴리[비스(2-클로로에틸)에테르-알트-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 3,500 153 68 151
실시예2-1 폴리[비스(2-클로로에틸)에테르-알트-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 3,200 78 43 61
실시예2-2 폴리[비스(2-클로로에틸)에테르-알트-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 3,250 70 55 55
실시예2-3 아크릴아미드/디알릴디메틸암모늄 클로라이드 코폴리머 3,300 59 59 58
실시예2-4 아크릴아미드/디알릴디메틸암모늄 클로라이드 코폴리머 3,600 62 61 61
실시예2-5 폴리(아크릴아미드 2-메타크릴옥시에틸트리메틸 암모늄 클로라이드 3,550 66 57 54
실시예2-6 폴리(아크릴아미드 2-메타크릴옥시에틸트리메틸 암모늄 클로라이드 3,800 80 55 60
[CMP 평가]
상기 실시예 및 비교예의 CMP용 슬러리 조성물을 이용하여 하기와 같은 조건으로 CMP 평가를 진행하였다.
1. 연마기: AP-300 (300mm, CTS 社)
2. 패드: IC1010 (Rohm&Hass 社)
3. 연마 시간: 60 s(블랭킷 웨이퍼(blanket wafer))
4. 플레이튼 RPM (Platen RPM): 110
5. 헤드 RPM (Head RPM): 108
6. 유량 (Flow rate): 200 ml/min
7. 사용된 웨이퍼: 8인치 SiO2 블랭킷 웨이퍼 (PE-TEOS)
8. 압력: 3.5 psi
[Defect 평가]
상기 실시예 및 비교예의 CMP용 슬러리 조성물을 이용하여 하기와 같은 조건으로 세정 전, 후에 대한 Defect 평가를 진행하였다.
1. 연마기: UNIPLA 231 (Doosan Mechatech 社)
2. 패드: IC1010 (Rohm&Hass 社)
3. 연마 시간: 60 s(블랭킷 웨이퍼(blanket wafer))
4. 플레이튼 RPM (Platen RPM): 24
5. 헤드 RPM (Head RPM): 90
6. 유량 (Flow rate): 200 ml/min
7. 사용된 웨이퍼: 8인치 SiO2 블랭킷 웨이퍼 (PE-TEOS,Poly)
8. 압력: 4.0 psi
Figure 112020032716487-pat00001
본 발명의 실시예에 따른 CMP용 슬러리 조성물을 이용할 경우 높은 제거율을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 스크래치도 저감되는 것을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

Claims (6)

1차 입자가 자기 조립되어 형성된 구형의 2차 입자를 포함하고,
상기 1차 입자 입경은 3 nm 내지 7 nm이고,
상기 2차 입자 입경은 133 nm 내지 166 nm이고,
상기 2차 입자의 50 % 이상이, 3개 이상의 1차 입자를 포함하는 것이고,
상기 2차 입자의 기공률은 10 % 내지 20 %인 것이고,
상기 1차 입자 : 2차 입자의 입경비는 1 : 23 내지 1 : 52 인 것인,
CMP 연마용 산화세륨 입자.
제1항에 있어서,
상기 2차 입자의 비표면적은 50 m2/g 내지 180 m2/g 인 것인,
CMP 연마용 산화세륨 입자.
삭제
삭제
삭제
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