KR20020004425A - Ｃｍｐ용 슬러리 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면적이 100 - 300m²/g인 전혼합 상태의 실리카 슬러리(premixed silica slurry)를 고압 펌프를 사용하여 100 - 2500기압으로 가압시킨후 오리피스가 내장된 챔버에 통과시켜 제조된, 연마 균일도가 향상되고 결함 발생이 감소된 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의하여 제조된 CMP용 슬러리는 피연마 재료를 광역 평탄화시킬 수 있으므로 반도체 웨이퍼 연마용으로 유용하다.

Description

ＣＭＰ용 슬러리 및 이의 제조 방법{CMP SLURRY AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 실리카를 연마재로서 사용한 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing ; 이하 CMP라 칭함)용 슬러리 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면적이 큰 실리카를 사용함과 동시에 압력을 가해줌으로써 분산 상태의 실리카 입자가 연질 클러스터(soft cluster) 구조를 갖게 해주어 연마 균일도를 향상시키고 결함 발생을 감소시킨 CMP용 슬러리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

집적 회로(IC)의 집적도가 증가함에 따라 소자의 크기를 최소화시키고 다층의 상호 연결(multilevel interconnection)의 필요성이 대두되었는데, 이를 위해서는 리소그래피를 효과적으로 수행하여 피연마 재료를 전면적으로 평탄화시켜야 할 필요가 있다. 이런 가운데에 화학적 기계적 연마 기술이 새로운 평탄화 기술로서 주목받기 시작하였다. 고집적 반도체 소자는 도체 재료 및 절연체 재료를 반복적으로 증착하여 패턴을 형성시킴으로써 제조된다. 그러나, 만일 패턴을 형성시킬때 각 재료층의 표면이 평탄화되어 있지 않으면 새로운 패턴층을 형성시키는데에 많은 어려움이 따른다. 즉, 재료층 사이의 표면이 균일하지 못한 상태에서 계속 적층되어 가는 경우 굴절된 막질에 의해서 입사 광선이 난반사되어 현상시 광 절연 패턴(photo resist pattern)이 부정확하게 되는 문제가 발생하게 된다.

반도체 CMP 공정에 사용되는 연마용 조성물은 탈이온수와 금속 산화물이 주종을 이루고 있으며, 상기 금속 산화물중에서도 상업적으로 용이하게 입수 가능하고 저렴하며 반도체 절연층(SiO₂)과 동일 재질이기 때문에 오염의 우려가 없다는 점등으로 인해서 발연 실리카(fumed silica)가 가장 널리 사용되고 있다. 이와 같은 발연 실리카를 연마제로 사용한 CMP용 슬러리의 연마 성능을 개선시키기 위하여 첨가제를 포함시키는 방법 또는 기타 다양한 방법들이 고안되어 왔다. 예를 들어, 연마속도를 증가시키기 위한 방법으로서, 미국 특허 제 4,169,337호에는 아미노에틸에탄올아민등과 같은 에칭제를 첨가하는 방법이 개시되어 있고 ; 미국 특허 제 3,262,766호 및 제 3,768,989호에는 SiO₂제조시에 CeO₂와 같은 타성분 입자를 소량 공침시킨후 조성하여 제조하는 방법이 개시되어 있으며 ; Mechanism of Glass Polishing Vol.152, 1729 및 1971에는 제조된 슬러리에 Ce(OH)₄, NH₄SO₄, Fe(SO₄)등과 같은 무기염들을 첨가하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 저장 안정성 향상 및 사용시 경시 변화를 방지하게 위한 방법으로서, 일본 특개소 제 63-272459호에는 고분자를 첨가하는 방법이 개시되어 있고 ; 일본 특개소 제 63-272호, 제 63-460호에는 킬레이트를 첨가하는 방법이 개시되어 있으며 ; 일본 특개평 제 4-291723호에는 아크릴아미드 및 아크릴산 중합체를 첨가하는 방법이 개시되어 있다. 뿐만 아니라, 절연층(SiO₂)과 배리어 재료(barrier material)의 선택도를 개선시키기 위한 방법으로서, 일본 특개평 제 9-208933호에는 SiN을 연마제로서 사용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법들은 연마 속도의 증대, 저장 안정성 향상 및 경시 변화 방지, 선택도를 향상시키는 것에 관한 것들일뿐, 결함(특히 μ-스크래치)을 감소시키고 연마 균일도를 향상시키기 위한 방법들은 아니다. CMP 공정에 있어서 결함(defect)이 발생하면 얇은 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation;이하 STI라 칭함)과 같은 공정에서는 트렌치를 이루는 구조가 200nm 정도로 얇고 미세하기 때문에 μ-스크래치가 발생하거나 각각의 층이 평탄하지 못한 상태에서 다음 층을 적층시킬 경우 절연 또는 배선등의 부분에 단전이 일어날 수있고, 위층에 형성되는 트렌치 또는 게이트 형성등에도 영향을 미치게 되어 디바이스 고장(device fail)을 유발시켜 치명적이라는 문제점이 있다. 따라서 상기 공정에서 μ-스크래치가 발생되지 않도록 하는 것은 매우 중요하다. 뿐만 아니라, 연마 균일도는 표면을 얼마나 균일하게 연마하느냐를 나타내는 것으로서 반도체 수율을 좌우하는 중요 인자인데, 반도체가 점차 고집적화 될수록 또는 300mm 이상의 대구경 웨이퍼 사용이 증가할수록 연마 균일도의 중요성은 점차 증가하고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 CMP용 슬러리 제조시 이의 주원료인 실리카의 표면적을 적정 수준까지 증가시킴과 아울러 적절한 범위의 압력을 가해줌으로써 연마 균일도를 향상시키고 결함 발생을 감소시킨 CMP용 슬러리 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은

표면적이 100 - 300m²/g인 전혼합 상태의 실리카 슬러리(premixed silica slurry)를 고압 펌프를 사용하여 100 - 2500기압으로 가압시킨후 오리피스가 내장된 챔버에 통과시켜 제조된, 연마 균일도가 향상되고 결함 발생이 감소된 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1a는 실리카 클러스터 내부에 용매가 침투한 상태를 나타내는 것이다.

도 1b는 실리카 클러스터 내부에 용매가 침투하지 않은 상태를 나타내는 것이다.

도 2는 본 발명의 CMP용 슬러리를 제조하는데에 사용되는 고압 처리 장치를 나타내는 것이다.

* 도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명 *

a:용매 b:실리카 입자 c:분산된 실리카 또는 전혼합된 실리카

d:고압 펌프 e:압력 계기판 f:오리피스 내장 챔버

g:고압 처리된 실리카 슬러리

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서 실리카의 연마 균일도는 하기 표 1과 같이 실리카의 표면적이 증가할수록(실리카 입자가 작아질수록) 향상된다. 연마 균일도를 향상시키는데에 적합한 실리카의 표면적은 100 - 300m²/g, 바람직하게는 130 - 300m²/g이다. 상기 실리카 표면적이 100m²/g 미만이면 연마 균일도가 저하되어 좋지 않으며, 300m²/g 을 초과하면 공업적 생산에 제한이 따르기 때문에 좋지 않다.

(▲실리카 입자 표면적별 연마 균일도 및 결함 발생 경향)

그러나, 표면적이 큰 입자일수록 분산 상태에서 실리카 입자들이 잘 뭉쳐서 클러스터를 더욱 경질화되도록 만들며 상기 경질화된 클러스터는 CMP 공정중 피연마 재료를 손상시키기 때문에 결함(defect)이 발생하게 된다.

본 발명에서 분산 상태에서의 입자 클러스터가 연질(soft)인지 경질(hard)인지의 여부는 클러스터의 내부에 용매가 침투했는지의 여부에 따라서 결정된다.

"연질 클러스터(soft cluster)"란, 도 1a에 나타낸 바와 같이 분산 상태의 실리카 입자(b) 클러스터의 내부에 용매(a)가 침투한 상태를 의미하는데, 이 경우에는 연마중에 실리카 클러스터가 유연한 형태로 작용하여 피연마 재료의 표면과 균일하게 접촉을 하기 때문에 피연마 재료의 표면에 손상을 입히지 않으므로 결함이 최소화된다. 반면에 "경질 클러스터(hard cluster)"란, 도 1b에 나타낸 바와 같이 분산 상태의 실리카 입자(b) 클러스터의 내부에 용매(a)가 침투하지 않은 상태를 의미하는데, 이 경우에는 실리카의 유연성이 없거나 상대적으로 떨어져서 연마시 피연마 재료의 표면과 균일하지 못하게 접촉하여 피연마 재료 표면에 가해지는 스트레스가 편중됨에 따라서 결함이 다량으로 발생되게 된다.

본 발명에 있어서 표면적을 증가시켜 연마 균일도를 향상시킴과 동시에 상기와 같은 결함 발생에 관한 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로서 가압 처리 방법이 있다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이 전혼합 상태(premixed state)의 슬러리(c)를 고압 펌프(d)로 가압한후 오리피스가 내장된 챔버(f)에 통과시킨다. 이때의 압력은 100 - 2500기압, 바람직하게는 500 - 1500기압이다. 만일 상기 압력이 100기압 미만이면 용매 즉, 분산매의 온도 상승 정도가 충분하지 못하게 되어 클러스터 내부에 분산매가 침투하는 정도가 떨어지므로 좋지 않으며, 상기 압력이 2500기압을 초과하면 분산매의 온도 상승 정도가 필요 이상으로 증가하여 클러스터 내부의 분산매가 증발되므로 좋지 않다. 상기와 같은 압력 처리는 전혼합 상태의 실리카를 분산시킴과 동시에 수행하거나 또는 분산시킨 후에 수행할 수도 있다.

본 발명에서 전혼합 상태의 클러스터 입자가 압력을 받아 오리피스 내부를통과할 때에는 분산됨과 동시에 표면적이 급격하게 증가하게 될 뿐만 아니라, 온도가 상승하게 되는데 바로 이러한 과정을 통해 입자 클러스터 내부에 용매가 침투하여 클러스터가 연질화되는 것이다. 상기 온도 변화의 원인은 유체끼리의 충돌, 벽면과 유체의 충돌 또는 유체가 고속으로 오리피스를 통과할때 벽면과 일으키는 마찰열에 의한 것으로서 하기 식으로 정의될 수 있으며, 이를 통하여 알 수 있는 바와 같이 가압 압력이 커질수록 온도 변화량은 증가하게 된다. 즉,

ΔT = 23.4 P/kρ

(상기 식중, P는 기압 압력, k는 유체의 비열, ρ는 유체의 밀도임)

상기 식에 의하면, 분산매가 물인 경우 통상적으로 온도 상승은 100 기압당 2.5℃정도 상승하게 된다. 따라서 1000 기압으로 가압 처리를 해줄 경우, 초기 온도에 비하여 약 25℃가 상승하는데, 이로써 가압 처리 및 온도 상승이 클러스터 입자 연질화의 중요 요인인 것으로 생각된다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 구체화할 것이며, 다음의 실시예는 어디까지나 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기재된 것이지 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1.

시판되는 Aerosil 130(Degussa社, 표면적 130m²/g) 130g, 20%-KOH 용액 18g,탈이온수 860g의 혼합물을 전혼합 탱크(premixing tank)에서 혼합시킨후 2대의 강화 펌프(intensifier pump)가 장착된 고압 분산 장치에서의 압력 맥동이 18,000±180psi 범위에서 유지되도록 조정한후 Z-타입의 오리피스(87㎛)가 내장된 분산 챔버에 1회 통과시켰다. 이후 Zetasizer(Malvern社)를 사용하여 상기 분산 챔버를 통과하여 배출된 시료의 입자 분포 및 평균 크기를 측정하였으며, Accusizer 780(PSS社)를 이용하여 1㎛이상의 거대 입자를 측정하였다. 이에 더하여, 이하의 연마 조건에서 연마시킨후 Surfscan 6420을 사용하여 0.3㎛이상의 크기를 갖는 결함의 발생수를 측정하였다. 물성 및 연마 성능 시험 결과를 표 2에 나타내었다.

< 연마조건 >

1)연마기 모델 : 6EC (STRASBAUGH社)

2)연마 조건 :

*패드 타입 : IC1000/SubaIV Stacked (Rodel社)

*평삭반(platen) 속도 : 120rpm

*퀼(quill) 속도 : 120rpm

*압력 : 6psi

*배압 : 0psi

*온도 : 25℃

*슬러리 유속 : 150㎖/min

3)피연마막질 : p-TEOS가 도포된 6"-웨이퍼

실시예 2 - 5.

실시예 1에서 원료인 실리카의 표면적과 처리 압력을 상이하게 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며 물성 및 연마 성능을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

실시예 6.

시판되는 슬러리인 'SS-25'(Cabot社) 500L에 초순수 500L를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였으며 물성 및 연마 성능을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

(▲고압 처리된 실리카 물성 및 연마 성능)

[물성 평가 방법]

1) *연마 균일도 : 10mm 에지(edge)를 제외한 49 포인트(point) 분석으로 평가하였다.

2) WIWNU(Within Wafer Non-Uniformity) : (표준 편차/평균 연마 속도)×100

비교예 1-5.

시판되는 Aerosil 130(Degussa社, 표면적 130m²/g), 20%-KOH 용액 18g, 탈이온수 860g 및 2mm 크기의 지르코니아 비드 300g을 2L 용량의 Dynomill 분산기에 넣은후 2000rpm에서 1시간 동안 분산시켰다. 슬러리의 물성 및 연마 성능에 대한 평가를 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 결과를 표 3에 나타내었다.

비교예 6.

시판되는 슬러리인 'SS-25'(Cabot社) 500L에 초순수 500L를 첨가한후 압력 처리를 하지 않는 상태에서 물성 및 연마 성능에 대한 평가를 수행하여 결과를 표 3에 나타내었다.

(▲고압 처리되지 않은 실리카의 물성 및 연마 성능)

상기 실시예의 결과를 통하여 확인되는 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조된 CMP용 슬러리는 연마 균일도가 향상되어 결함 발생률이 저하된 이점을 갖는다.

Claims (3)

1. 표면적이 100 - 300m²/g인 전혼합 상태의 실리카 슬러리(premixed silica slurry)를 고압 펌프를 사용하여 100 - 2500기압으로 가압시킨후 오리피스가 내장된 챔버에 통과시키는 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 실리카는 발연 실리카(fumed silica)인 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 제조 방법.
3. 제 1항의 방법에 의해서 제조된 CMP용 슬러리.