KR20020047417A - 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리 - Google Patents

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    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마제 0.10~10.00중량%, 과산화 수소수 1.00∼3.00중량%, 질산철 0.03∼0.10중량%, 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산) 0.001~0.01중량%, pH 조절제 0.05∼0.20중량% 및 탈이온수 87.00∼95.00중량%를 포함하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리에 관한 것이며, 본 발명의 금속층 연마용 슬러리는 매우 안정하여 장기 보관시에도 연마속도가 일정하게 유지되고, 금속 불순물의 함량이 낮아 금속오염으로 인한 반도체 불량을 방지할 수 있다.

Description

반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리{Slurry for polishing metal layer of semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마제, 과산화 수소수, 질산철, 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산), pH 조절제 및 탈이온수를 포함하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이라 "CMP"라 함) 공정이란 반도체 제조시 반도체 웨이퍼 표면에 연마제가 포함된 슬러리를 가한 후 연마패드와 접촉시킨 상태에서 회전 및 직선운동이 혼합된 오비탈 운동을 실시하여 웨이퍼 표면을 평탄화시키는 공정을 말한다.
CMP 공정에 사용되는 연마용 슬러리(이하, "CMP" 슬러리라 함)는 일반적으로 수용성 조성물로, 연마제, 산화제, pH 조절제 및 안정제 등으로 구성된다. CMP 슬러리는 물리적 작용 및 화학적 작용을 통하여 웨이퍼 표면의 노출된 부분을 선택적으로 식각함으로써 보다 향상되고 최적화된 평탄화를 달성한다.
CMP 슬러리의 종류는 연마 대상에 따라 절연층 연마용 슬러리와 금속층 연마용 슬러리로 구분되며, 이들은 주로 구성성분 중 산화제의 종류에 있어서 차이가 난다. 예를 들면, 금속층 연마용 슬러리에 사용되는 산화제로는 일반적으로 과산화 수소와 질산철을 사용하며, 이때 과산화 수소는 1차 산화제로 작용하고 질산철은 2차 산화제로 작용한다. 2차 산화제인 질산철은 과산화 수소에 의해 웨이퍼 표면에 형성된 산화막을 제거함으로써 연마시 산화력 감소 현상을 개선하는 역할을 한다.
그러나, 과산화 수소를 산화제로 사용하는 금속층 연마용 슬러리의 경우 과산화 수소가 수용액 상태에서 지속적으로 분해되는 특성 때문에 시간이 지남에 따라 과산화 수소의 농도가 감소하고, 그에 따라 슬러리의 연마속도가 저하되므로 일정한 연마속도를 유지하는 것이 어렵고 장기 보관하기가 힘들다. 따라서, 과산화 수소는 연마 직전에 슬러리에 첨가하는 것이 일반적이다.
또한, 과산화 수소가 분해되면서 2차 산화제인 질산철의 산화 반응을 촉진시키므로, 금속층 산화에 충분한 양으로 환원상태의 질산철을 유지하기 위해서는 질산철의 첨가량을 증가시켜야 한다. 그러나, 질산철의 첨가량을 증가시킬 경우 슬러리의 금속오염이 증가하는데, 이는 반도체 웨이퍼 연마시 금속 이온의 접촉으로 이어져 반도체 칩의 금속 배선막과 절연막의 합선 또는 단선을 유발시켜 결과적으로 반도체 생산 수율을 저하시키게 된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 종래의 금속층 연마용 슬러리에 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)을 소량 첨가함으로써 과산화 수소의 분해가 억제된 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 연마제 0.10~10.00중량%, 과산화 수소수 1.00∼3.00중량%, 질산철 0.03∼0.10중량%, 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산) 0.001~0.01중량%, pH 조절제 0.05∼0.20중량% 및 탈이온수 87.00∼95.00중량%를 포함하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리를 제공한다.
이하, 본 발명의 연마용 슬러리의 각 구성성분을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용된 연마제는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 및 티타니아(TiO2)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 산화물의 분말이다. 상기 연마제의 함량은 전제 조성물에 대하여 0.1~10.0중량%인 것이 바람직하며, 상기 함량을 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
본 발명에서 사용된 과산화 수소수는 CMP 공정시 반도체 소자의 금속층 표면을 산화시키는 1차 산화제의 역할을 한다. 상기 과산화 수소수의 함량은 전체 슬러리에 대하여 1.00 내지 3.00중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 1.00중량%미만이면 산화가 불충분하게 일어나고, 3.00중량%를 초과하면 최종 슬러리중의 금속 불순물의 함량이 증가하게 되어 금속오염이 발생할 우려가 높고 비경제적이므로 좋지 않다.
본 발명에서 사용된 질산철은 상기 과산화 수소수에 의하여 웨이퍼 표면에 형성된 산화막을 제거하는 2차 산화제의 역할을 한다. 상기 질산철의 함량은 전체 슬러리에 대하여 0.03 내지 0.10중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.03중량% 미만이면 산화막 제거 효과를 달성할 수 없고, 0.10중량%를 초과하면 금속오염이 발생할 우려가 높고 비경제적이므로 좋지 않다.
본 발명에서 사용된 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)은 1차 산화제로 사용된 과산화 수소의 분해를 방지하는 역할을 한다. 따라서, 상기 포스폰산 화합물을 종래의 금속층 연마용 슬러리에 첨가하면 소량의 과산화 수소만으로도 원하는 수준의 산화력을 얻을 수 있으며, 과산화 수소의 농도가 거의 변하지 않으므로 슬러리의 연마속도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 과산화 수소가 안정화됨으로써 2차 산화제인 질산철이 환원 상태로 유지되므로 질산철의 첨가량을 종래의 슬러리 제조에 사용되는 양의 절반 정도로 줄이는 것이 가능하고, 아울러 pH 조절제로 사용되는 질산, 황산 또는 초산 등의 첨가량도 줄일 수 있어, 슬러리의 금속오염이 전반적으로 감소된다. 상기 포스폰산 화합물의 함량은 전체 슬러리에 대하여 0.001 내지 0.10중량%인 것이 바람직하며, 0.005 내지 0.02중량%인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에서 사용된 pH 조절제는 슬러리의 pH를 2 정도로 유지하기 위한 것으로 질산, 황산 또는 초산이다. 상기 pH 조절제의 함량은 0.05∼0.20중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1
실리카 분말(Aerosil 90G, Degussa사) 50g, 탈이온수 939.2g, 질산철 0.3g 및 초산 0.4g을 2ℓ의 폴리에틸렌 플라스크에 넣고, 2,000rpm으로 2시간 동안 교반시켜 혼합하였다. 상기 혼합물을 고압 분산법으로 1,200psi에서 1회 분산시켜 슬러리 상태로 만들었다. 상기 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth) 필터를 이용하여 여과한 후, 과산화수소수(50%) 10g 및 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 0.1g을 첨가하고 교반시켜 금속층 연마용 슬러리를 완성하였다. 상기 금속층 연마용 슬러리의 연마 성능을 3회 반복 평가하고, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산)을 0.05g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속층 연마용 슬러리를 제조하고 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 3
에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 대신에 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)을 0.1g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속층 연마용 슬러리를 제조하고 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 4
에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 대신에 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)을 0.05g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속층 연마용 슬러리를 제조하고 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 5~6
상기 실시예 1 및 실시예 3으로부터 수득한 각각의 금속층 연마용 슬러리를 4개월 동안 장기 저장한 후 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산)을 사용하지 않고 질산철과 초산을 각각 0.5g 및 0.75g으로 증가시킨 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 금속층 연마용 슬러리를 제조하고 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
상기 비교예 1로부터 수득한 금속층 연마용 슬러리를 4개월 동안 장기 저장한 후 연마 성능을 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구 분 과산화 수소분해 방지제 연마속도(Å/분) 금속 총량 (ppm)
웨이퍼 1 웨이퍼 2
실시예 1 EDTMPA 0.10g 3,120 3,120 3,140 2,860 2,840 2,840 2.538
실시예 2 EDTMPA 0.05g 3,220 3,200 3,220 3,030 3,040 3,020 2.534
실시예 3 ATMPA 0.10g 3,080 3,060 3,050 2,790 2,800 2,800 2.431
실시예 4 ATMPA 0.05g 3,140 3,130 3,110 2,890 2,870 2,890 2.408
실시예 5 EDTMPA 0.10g 3,090 3,090 3,120 2,810 2,820 2,810 2.531
실시예 6 ATMPA 0.10g 3,000 2,990 3,000 2,740 2,730 2,730 2.429
비교예 1 - 3,240 3,320 3,390 3,100 3,210 2,910 6.169
비교예 2 - 2,210 2,450 2,130 1,950 1,830 2,090 6.160
* EDTMPA: 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산)
* ATMPA: 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)
* 금속: Na, K, Cu, Cl, Al, Cr, Mn 및 Ni
[연마 성능 평가]
다음과 같은 조건으로 연마를 3회 반복 수행한 후, 웨이퍼 금속층의 두께 감소량을 측정하였다.
o 연마기: 6EC(Strasbaugh사)
o 연마조건
- 패드형: IC1000/SubaⅣ Stacked(Rodel사)
- 평탄화 속도: 120rpm
- 퀼(Quill) 속도: 120rpm
- 압력: 6psi
- 배경 압력: 0psi
- 온도: 25℃
- 슬러리 플로우: 150㎖/분
- 연마시간: 2분
o 연마대상
- 웨이퍼 1: 텅스텐이 증착된 6인치 웨이퍼
- 웨이퍼 2: 알루미늄이 증착된 6인치 웨이퍼
상기 표 1로부터 알 수 있듯이, 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산)이 첨가된 본 발명의 슬러리를 사용한 경우, 과산화 수소의 분해가 억제되어 연마속도가 일정하게 유지되고, 슬러리를 4개월간 장기 보관시에도 연마속도가 감소하지 않는다. 반면, 포스폰산 화합물이 첨가되지 않은 종래의 슬러리를 사용한 경우, 4개월간 장기 보관시 연마속도가 현저히 감소된 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 슬러리에는 질산철과 같은 2차 산화제를 소량 사용하여도 충분하므로 종래의 슬러리에 비하여 최종 슬러리 중의 금속 불순물 함량을 절반 이하로 감소시킬 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 금속층 연마용 슬러리는 매우 안정하여 장기 보관시에도 연마속도가 일정하게 유지되며, 금속 불순물의 함량이 낮아 금속오염으로 인한 반도체 불량을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 연마제 0.10~10.00중량%, 과산화 수소수 1.00∼3.00중량%, 질산철 0.03∼0.10중량%, 에틸렌 디아민 테트라(메틸렌 포스폰산) 또는 아미노 트리(메틸렌 포스폰산) 0.001~0.01중량%, pH 조절제 0.05∼0.20중량% 및 탈이온수 87.00∼95.00중량%를 포함하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마제는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 및 티타니아(TiO2)로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 산화물 분말인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 pH 조절제는 질산, 황산 또는 초산인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 금속층 연마용 슬러리.
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