KR20000076877A - Ｃｍｐ용 슬러리 및 ｃｍｐ법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 CMP용 슬러리로서 실리카와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 포함한 것을 사용한다. 연마 입자가 실리카와 알루미나의 혼정 입자인 슬러리를 이용한 CMP는 연마 속도의 하중 의존성이 커지고, 디싱의 증가를 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

ＣＭＰ용 슬러리 및 ＣＭＰ법{SLURRY FOR USING CMP AND CMP METHOD}
본 발명은 Al막 또는 W막 등의 금속막의 연마(grind)에 유효한 CMP용 슬러리(slurry) 및 CMP법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 제조 분야에서는 미세화 및 고밀도화 추세에 있으며, 각종 미세 가공 기술이 연구 개발되고 있다. 그 중에서도 CMP 기술은 다마신(damascene) 배선을 형성하는 아주 중요 기술이다.
종래 기술에서 메탈 CMP를 행하는 경우, 알루미나 입자를 베이스로 한 슬러리를 이용하고 있다. 그 이유로서는 알루미나 자체에 높은 연마력이 있는 것과, 산화제로서 질산 등의 강산 (pH:~2)이 사용되는 것이 많고, 이 영역에서 알루미나 입자의 분산성이 양호해지는 것 등을 예로 들 수 있다.
그러나, 알루미나계의 슬러리에는 이하에서 나타내는 3가지 문제가 있다.
제1 문제는, Cu막 또는 Al막 등의 금속막을 연마하기 위해서는, 슬러리의 pH를 중성 부근으로 할 필요가 있지만, 알루미나계의 슬러리는 중성 부근에서 분산성이 불안정하기 때문에 안정된 폴리싱 특성을 갖는 것이 어렵다는 데 있다.
제2 문제는, 절연막에 대한 금속막의 선택비 (금속막 연마 속도/절연막 연마 속도)를 충분히 확보할 수 없다는 데 있다. 다마신 배선을 형성하는 경우, 절연막에 대한 금속막의 선택비를 충분히 확보할 필요가 있다. 그 때문에, 일반적으로 알루미나 농도를 낮춤으로써 절연막의 연마 속도를 낮추게 된다. 그러나, 동시에 금속막의 연마 속도도 저하되어 버리기 때문에, 높은 선택비를 얻게 되는 것은 어렵고, 시닝 (절연막의 막감소)를 억제할 수 없다.
제3 문제는, 디싱 (홈내 금속막의 완상 후퇴)가 커진다는 데 있다. 특히, 오버 폴리싱 마진이 적어져서 웨이퍼 전면에서의 깊이가 균일한 다마신 배선을 형성할 수 없다. 그 대책으로서 탄성 변형이 작은 경질 연마 패드를 이용하고 있지만, Al과 같이 부드러운 재료인 경우에는 흠과 절충 관계에 있기 때문에 슬러리를 고안해내지 않으면 해결하기 어렵다.
또한, 실리카 입자를 베이스로 한 슬러리를 이용한 메탈 CMP도 고려되고 있지만, 충분한 연마 속도를 얻을 수 없거나 연마면의 모폴로지가 나빠지는 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 메탈 CMP에서는 알루미나 입자를 베이스로 한 슬러리가 이용되고 있지만, 이 종류의 슬러리를 이용한 경우에는 중성 부근에서 안정한 폴리싱 특성을 얻기 어렵거나, 절연막에 대한 금속막의 선택비를 충분히 확보할 수 없거나, 디싱이 커지는 등의 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 중성 근처에서 안정한 폴리싱 특성, 절연막과 도전막과의 사이에서의 높은 선택성, 디싱의 억제를 실현할 수 있는 CMP용 슬러리 및 CMP법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서는, CMP용 슬러리로서 실리카와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 포함하는 것을 사용한다. 연마 입자가 실리카와 알루미나의 혼정 입자인 슬러리를 이용한 CMP는 연마 속도의 하중 의존성이 커져서, 디싱의 증가를 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 이하에서 특히 지적된 수단 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 제1 실시예에 관한 A1 다마신(damascene) 배선의 형성 방법을 도시하는 단면도.
도 2는 제1 실시예에서 실리카와 알루미나의 혼정 입자의 알루미나 농도 (알루미나/실리카 혼정비)와 선택비 (A1막 연마 속도/SiO2막 연마 속도)와의 관계를 도시하는 특성도.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 제2 실시예에 관한 A1 다마신 배선의 형성 방법을 나타내는 단면도.
도 4는 제2 실시예에서 실리카와 알루미나의 혼정 입자, 실리카계 및 알루미나계의 슬러리에 산화제를 첨가한 경우의 각각의 A1 연마 속도를 나타내는 특성도.
도 5는 제2 실시예에서 실리카와 알루미나의 혼정 입자 및 알루미나계의 슬러리를 이용한 경우의 각각의 배선폭과 디싱의 관계를 도시하는 특성도.
도 6a는 제2 실시예에서 실리카와 알루미나의 혼정 입자 및 알루미나계의 슬러리를 이용한 경우의 각각의 하중과 A1 연마 속도와의 관계를 나타내는 특성도.
도 6b는 제2 실시예에서 장소에 의한 하중의 차이를 도시하는 도면.
도 7a는 제2 실시예에서 실리카와 알루미나의 혼정 입자 및 알루미나계의 슬러리에 퀴날딘산을 첨가한 경우의 알루미나 연마 속도를 나타내는 특성도.
도 7b는 제2 실시예에서 연마 속도와 디싱 속도를 도시하는 도면.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 제3 실시예에 관한 W 다마신 배선의 형성 방법을 도시하는 도면.
도 9a 내지 9d는 제4 실시예에 관한 Cu 다마신 배선의 형성 방법을 도시하는 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1: 실리콘 기판
2: SiO2기판
3: 배선홈
4: Al막
12: SOG막
13: 배선홈
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
(제1 실시예)
도 1a 내지 1c는 본 발명의 제1 실시예에 관한 Al 다마신 배선의 형성 방법을 도시하는 공정 단면도이다.
우선, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 소자 (도시 안됨)가 형성된 실리콘 기판(1) 상에 층간 절연막으로서 SiO2막(2)을 퇴적한다.
다음, 도 1b에 도시한 바와 같이, SiO2막(2)의 표면에 배선홈(3)을 형성한 다음, 배선홈(3)의 내부를 충전하는 두께 600 ㎚의 Al막(4)을 전면에 퇴적한다.
마지막으로, 도 1c에 도시한 바와 같이, 연마 입자가 실리카와 알루미나의 혼정 입자, pH 7의 슬러리를 이용한 CMP에 의해, 배선홈(3)의 외부의 나머지 Al막(4)을 제거함으로써 Al 다마신 배선(4)을 완성한다.
본 실시예의 슬러리를 이용하면, 도 2에 도시한 바와 같이 실리카에 대한 알루미나의 알루미나 농도[%] (알루미나/실리카 혼정비)를 변하시키는 것 만으로, SiO2막에 대한 Al막의 선택비(Al 연마 속도/SiO2연마 속도)를 억제할 수 있게 된다.
예를 들면, 알루미나 농도가 10%, 실리카 농도가 90%인 실리카와 알루미나의 혼정 입자 (고형분: 3wt%), pH 7의 슬러리를 이용하고, 하중 300g/cm2, 토플링 회전수: 60 rpm, 테이블 회전수: 1000 rpm인 조건의 CMP를 예를 들면, SiO2막에 대한 Al막의 선택비는 106 (=Al 연마 속도: 159 [nm/min] / SiO2연마 속도: 1.5[nm/min] )이 된다.
종래의 CMP에서는 30 정도의 선택비 밖에 얻어지지 않기 때문에, 본 실시예에 의하면 종래에 비해 3배 이상도 높은 선택비가 얻어지게 된다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 종래에 비해 매우 얇은 Al다마신 배선(4)을 실현시킬 수 있게 된다. 또한, 제2 실시예에서 상세히 설명한 바와 같이, 디싱의 증가도 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 종래에 비해 빠른 연마 속도가 얻어지기 때문에 종래 보다 빠른 연마 속도를 유지하면서 슬러리 농도를 낮아지게 하는 하는 것이 가능하다. 슬러리 농도를 낮게 할 수 있으면, 그만큼 코스트를 절감할 수 있고 또한 슬러리의 폐기량이 절감되어 환경에 대하여 우수한 공정이 가능하게 된다.
(제2 실시예)
도 3a 내지 3d는 본 발명의 제2 실시예에 관한 Al 다마신 배선의 형성 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 본 실시예에서는 라이너 막으로서 Nb막을 사용한 Al다마신 배선의 형성 방법에 대해 설명한다.
우선, 도 3a에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(11) 상에 층간 절연막으로서 SOG막(12)을 퇴적하고, 다음 SOG막(12)의 표면에 배선홈(13)을 형성한다. 여기까지는 층간 절연막의 종류를 제외하고는 제1 실시예와 동일하다.
다음 도 3b에 도시한 바와 같이, 두께 30 nm의 Nb 라이너막(14)을 전면에 퇴적한 다음, 배선홈(13)의 내부를 충전하는 두께 600 ㎚의 Al막(15)을 Nb 라이너막(14) 상에 퇴적한다.
다음 도 3c에 도시한 바와 같이, 연마 입자가 실리카(40%)와 알루미나(60%)의 혼정 입자(고형분: 0.5 wt%), pH가 5~ 6.5, 산화제로서 과산화 황산 암모늄을 1%, 패드 상의 입자의 보지력을 높이는 것 및 산화 억제를 위한 퀴날딘산을 0.05wt% 함유하는 슬러리를 사용하여 하중: 300 g/cm2, 토플링 회전수: 60 rpm, 테이블 회전수: 100rpm, 연마 시간:2분이라는 조건의 CMP에 의해, Nb라이너 막(14)의 표면이 나타날 때 까지 Al막(15)을 연마한다.
이 공정에서, 과산화 황산 암모늄과 퀴날딘산을 함유하는 슬러리를 사용한 이유는, Al막(15)의 연마 속도를 빠르게 할 수 있기 때문이다.
구체적으로는, 종래의 실리카계의 슬러리 및 알루미나계의 슬러리에 각각 산화제를 첨가한 경우에는, 도 4에 도시한 바와 같이, Al막의 연마 속도는 각각 최고 200 ㎚/min, 280 ㎚/min인 것에 대해, 연마 입자로서는 실리카와 알루미나의 혼정 입자를 이용한 슬러리에 과산화 황산 암모늄과 퀴날딘산을 첨가한 경우에는, Al막의 연마 속도는 700 ㎚/min로 된다. 즉, 본 실시예에 의하면, 종래의 2배의 연마 속도가 얻어진다.
Al막(15)의 막 두께는 통상 600~ 800 ㎚이다. 한편, Al막(15)의 연마 시간은 스루풋의 관점에서 2분 정도인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예의 슬러리를 이용하지 않으면 이와 같이 바람직한 연마 시간으로도 나머지 Al막(15)을 제거하는 것은 곤란하게 된다.
또한, 산화제인 과산화 암모늄은 슬러리의 pH를 변하게 한다는 장점도 있다. 이상에서 설명한 효과는 산화제로서 과산화 수소를 이용한 경우에도 얻어진다.
또한, 도 3c의 공정을 종래의 슬러리를 이용하여 행하면, 종래 기술의 문제 중 하나인 A1막(15)에 디싱이 커지게 되버리지만, 본 방법에 의하면 디싱의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
실제 오버 폴리싱(just +50%)을 행하여 디싱의 배선폭 의존성을 조사한 바, 도 5에 도시한 방법에 의하면 종래의 1/5 정도로 디싱을 억제할 수 있도록 된다.
그 결과, 도 6a에 도시한 바와 같이, 실리카와 알루미나의 혼정 입자 (본 발명)는 종래의 연마 입자에 비해 연마 속도의 하중 의존성 즉, 하중의 증가에 대한 연마 속도가 커지기 때문인 것으로 생각된다.
그 이유는 다음에서와 같다. 연마 중, 패드의 탄성 변형에 의해 배선폭(3) 내의 A1막(15) 상면의 연마가 진행한다. 도 6b에서와 같이, 기본적으로는 이 부분은 저하중이고, 한편 다른 부분 즉 SOG막(12)은 고하중이다. 이 때문에, 하중이 낮아지는 만큼 연마 속도가 지연되고 슬러리보다 디싱이 적어지게 된다.
따라서, 실리카와 알루미나의 혼정 입자와 같이, 하중의 증가에 대하여 연마 속도의 증가가 커지는 연마 입자를 이용한 슬러리라면, 디싱의 발생을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
또한, 실리카와 알루미나의 혼정 입자는 SOG막(12) 상에서 연마 속도가 빠르기 때문에 (예를 들면 하중 300g/cm2에서 연마 속도 700 ㎚/min), 오버폴리싱 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
마지막으로, 도 3d에 도시한 바와 같이, 배선홈(13)의 외부의 나머지 Al막(15) 및 Nb 라이너막(14)을 CMP 또는 CDE 등의 드라잉 에칭에 의해 제거하여 Al 다마신 배선(15)을 완성한다.
여기에서, CMP로 제거하는 경우에는, 예를 들면 연마 입자가 실리카(40%)와 알루미나(60%)의 혼정 입자 (고형분: 3wt%), 퀴날딘산을 0.05% 함유한 슬러리를 이용한다.
소위 다치 앰프 CMP (예를 들면 도 8c의 CMP)에서는, 오목부의 금속막의 잔여분이나, 배선부 및 절연막부의 흠집을 취하는 것을 목적으로 하기 때문에, 유연한 연마 패드를 이용한다. 이 때문에, 디싱이 커지게 된다. 예를 들면, 하중 300g/cm2, 토플링 회전수 60rpm, 테이블 회전수 100의 조건에서 행한다.
본 발명의 슬러리에는, 도 7a, 도 7b에 도시한 바와 같이, 필드 상의 연마속도 보다도 디싱 속도를 적게할 수 있기 때문에, 침식이 적은 다마신 배선을 형성할 수 있다. 이것은 퀴날딘산에 의해 연마 패드와 연마 입자의 상호 작용이 커지게 되고, 디싱의 원인이 되는 유리 입자의 홈부로서의 축적이 적어지기 때문일 것으로생각된다.
또한, 슬러리는 산화제를 포함하지 않아도 양호하다. CDE에 의해 제거하는 경우에는 반응 가스로서 예를 들면 CF4/O2가스를 이용한다.
(제3 실시예)
도 8a 내지 8d는, 본 발명의 제3 실시예에 관한 W 다마신 배선의 형성 방법을 도시하는 공정 단면도이다.
우선, 도 8a에 도시한 바와 같이, 소자 (도시 안됨)가 형성된 실리콘 기판(21) 상에 층간 절연막으로서 SiO2막(22)을 퇴적하고, 다음에 SiO2막(22)의 표면에 배선홈(23)을 형성한다.
다음에 도 8b에 도시한 바와 같이, 두께 30㎚의 Ti 라이너막(24)을 전면에 퇴적하고, 이어서 500℃의 질화 어닐링에 의해 Ti 라이너막(24)의 표면에 TiN 라이너 막(25)을 형성한 다음, 배선막(23)의 내부를 충전하는 두께 500㎚의 W막(26)을 TiN 라이너막(25) 상에 퇴적한다.
다음, 도 8c에 도시한 바와 같이, 산화제로서 과산화 수소 3%, 산하 억제제로 호박산 3%, 실리카 (60%) 알루미나(40 %) 혼정 입자 3%의 슬러리를 이용하여, 가중 250 g/cm2, 토플링 회전수 50 rpm의 테이블 회전수 50 rpm이라는 조건의 슬러리를 이용한 CMP에 의해 TiN 라이너 막(25)의 표면이 나타낼 때 까지 W막(26)을 연마한다.
최종적으로, 도 8d에 도시한 바와 같이, 연마 입자가 실리카 (40%)와 알루미나 (60%)의 혼정 입자 (고형분: 0.5 wt%)의 슬러리를 이용하여, 하중: 300 g/cm2, 토플링 회전수: 60 rpm, 테이블 회전수: 1000 rpm, 연마 시간: 1분이라는 조건의 CMP에 의해, 실리콘 기판(1)의 표면이 나타날 때 까지 W막(26), TiN 라이너막(25) 및 TiN막(24)을 연마하여, W 다마신 배선(26)을 완성한다.
도 8d의 공정에서 각 막(22, 24, 25)의 연마 속도는 빨라지지 않는 편이 바람직하다. 도 8a 내지 8d의 공정에서 사용한 슬러리의 경우에는, 각 막(22, 24, 25)의 연마 속도는 10~ 20 ㎚/min의 범위에 있고, 연마 속도가 지나치게 빨라지지 않도록 할 수 있다. 또한 각 막(22, 24, 25)의 연마를 동일한 조건으로 행할 수 있고, 또한, 오버 폴리싱 마진도 커지고, 디싱 또는 시닝이 없는 안정한 폴리싱을 실현할 수 있게 된다.
또한, 종래의 W막의 CMP는 pH 1~2의 강산에서 행하고 있지만, 본 실시예에 의하면 W막의 CMP를 pH 5의 중성 영역에서 행하기 때문에, W막의 부식 문제도 없다.
(제4 실시예)
도 9a 내지 9d는, 제 4 실시예에 관한 Cu 다마신 배선의 형성 방법을 도시하는 단면도이다. 도 9a에 도시한 바와 같이, 소자가 형성된 실리콘 기판(31) 상에 층간 절연막으로서 SiO2막(32)을 퇴적하고, 그 표면에 깊이 300 ㎚의 배선홈(33)을 형성한다.
다음, 도 9b에 도시한 바와 같이, TaN막(34)을 전면에 두께 20 ㎚로 퇴적하고, 이어서 Cu막(35)을 두께 600 ㎚로 TaN막(34) 상에 퇴적한다. 이것에 의해 배선홈(33)은 Cu막(35)으로 충전된다.
이어서, 도 9c에 도시한 바와 같이, 산화제로서 과산화 2황산 암모늄(0.5 %)과, 산화 억제제로서 퀴날딘산(0.4%)과, 실리카가 85%인 알루미나가 15% 혼정 입자 (0.5%)와, KOH 수용액으로 되고, pH가 8.5로 조정된 슬러리를 사용하여, TaN막(34)의 표면이 나타날 때 까지 Cu막(35)을 연마한다.
마지막으로, 도 9d에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에서 이용한 다치 앰프 CMP를 행하면, Cu 다마신 배선(36)이 완성된다.
본 실시예는, 침식이 억제된다고 하는 장점을 갖는다. 이 장점은 혼정 입자에 의해 달성된다.
이 슬러리계에서, 실리카가 100% 일 때는, 입자는 마이너스로 하전되기 때문에 플러스로 하전되어 있는 Cu 기반과 친밀해진다. 이 때문에 입자가 과잉하게 Cu 표면에 남아 있기 때문에 침식이 진행된다.
한편, 본 실시예에 의한 실리카계 (실리카 85%, 알루미나 15%)의 액정 입자는 실리카 100%의 경우와 동등한 기계적 연마력을 갖는다. 그러나, 국소적으로 존재하는 알루미나는 플라즈마에 하전되어 있기 때문에, Cu 기반과 반발한다. 이 때문에 입자 저장고가 경감된다. 따라서, 침식이 억제된다.
또한, 상기 실시예에서 본 발명이 적용되는 디바이스에 대해서 언급하였지만, 예를 들면, DRAM 등의 반도체 메모리가 있다. 거기에는 로직 혼재 회로, 로직 회로 등이 있다.
또한, 배선이 되는 도전막 (Al막, W막)은 상술한 실시예에서 설명한 것으로 한정된 것은 아니고, W, Ti, Mo, Nb, Ta 및 V로 된 금속군으로부터 선택된 금속막으로 되는 단층 금속막 혹은 Cu, Al, W, Ti, Mo, Nb, Ta 및 V로 된 금속군으로부터 선택된 적층 금속막, 또는 상기 금속군으로부터 선택된 금속을 주성분으로 하는 합금막, 질화막, 붕화와 막 또는 산화막을 이용할 수 있다. 어떤 도전막의 경우에도 알루미나와 실리카의 액정비를 변화시킴으로써 디싱이나 시닝을 방지하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 실시예에서는 다마신 배선의 경우에 대해서 설명하지만, 본 발명은 듀얼 다마신 배선에 대해서도 유효하다.
당업자라면 본 발명에 추가되는 장점 및 변형이 용이할 것이다. 따라서, 본 발명의 특징은 본원에 설명된 특정한 실시예 및 상세한 설명에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 CMP용 슬러리로서 실리카와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 함유한 것을 사용함으로써, 연마 속도의 하중 의존성이 커져서, 디싱의 증가를 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (8)

  1. 실리카와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 포함하는 CMP용 슬러리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실리카에 대한 상기 알루미나의 혼정비가 1 ~ 9의 범에 있는 CMP용 슬러리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬러리는 pH가 4 ~ 9의 범위로 설정되어 있는 CMP용 슬러리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리는 산화제로서 과산화 황산 암모늄 또는 과산화 수소를 포함하는 CMP용 슬러리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 슬러리는 산화 억제제, 연마 입자, 분산제 및 입자의 연마 패드 유지의 개선을 목적으로 하는 유기산을 포함하는 CMP용 슬러리.
  6. 실리키와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 포함하는 CMP용 슬러리를 이용하여 도전막을 연마하는 CMP법.
  7. 실리카와 알루미나의 혼정 입자로 된 연마 입자를 포함하는 CMP용 슬러리를 이용하여, 홈을 갖는 절연막 상에 형성된 도전막을 상기 절연막의 표면이 노출될 때 까지 연마함으로써, 상기 홈의 내부에 상기 도전막을 선택적으로 남겨두는 CMP법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 도전막은 Al, W, Cu, Ti, Mo, Nb, Ta 및 V로 이루어진 금속군으로부터 선택된 금속으로 된 단층 금속막 또는 적층 금속막, 또는 상기 금속막으로부터 선택된 금속을 주성분으로 하는 합금막, 질화막, 붕화막 또는 산화막인 CMP법.
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