KR20020050161A - ＳｉＯ₂분리층의 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리 - Google Patents

ＳｉＯ₂분리층의 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리 Download PDF

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Abstract

콜로이드성 실리카 마모제 0.1 내지 5 중량% 및 플루오라이드 염 0.5 내지 10 중량%를 함유하는 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리는 발열성 실리카를 함유하는 통상의 연마 슬러리와 비교하여 질화규소가 제거되는 속도에 대한 실리카가 제거되는 속도의 연마 선택도가 높은 것을 특징으로 한다.

Description

ＳｉＯ₂분리층의 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리 {Acidic Polishing Slurry for the Chemical-Mechanical Polishing of SiO2 Isolation Layers}
본 발명은 STI(얕은 골 분리) 기술을 사용하여 제조된 SiO2분리층의 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리, 및 특히 플루오라이드 염을 함유하는 실리카 유형의 콜로이드성 연마 슬러리에 관한 것이다.
오늘날, 화학 기계적 연마(CMP)는 웨이퍼상에서 전체적인 평면화를 달성하기 위해 집적 회로(IC)의 제조에 바람직한 방법이다. 웨이퍼는 규소의 연마된 디스크이며 이 위에 집적 회로가 이루어진다. 먼저, 연마 슬러리가 탄성 연마 패드에 도포되거나 연마하려는 웨이퍼 표면에 직접 도포된다. 그 후, 연마 패드는 연마하려는 표면에 대해 압착되고, 이 방법에서 웨이퍼 표면에 대해 이동되어 연마 슬러리의 입자가 웨이퍼 표면상으로 압착된다. 연마 패드의 이동으로 인해 연마 슬러리가 분포되고 따라서 웨이퍼 표면상의 입자가 분포되어 기재 표면의 화학적 그리고 기계적 제거를 초래한다.
연마 슬러리는 2가지 종류로 나누어질 수 있다. 한 종류는 마모제로서 발열성 실리카의 현탁액을 포함하고, 다른 종류는 마모제로서 콜로이드성 실리카를 함유한다. 발열성 실리카로부터 그리고 실리카졸로서 또한 공지된 콜로이드성 실리카로부터 연마 슬러리의 제조 방법들은 서로 상이하다. 발열성 실리카의 현탁액은 발열성 실리카를 수성 매질중에 분산시킴으로써 얻어진다. 콜로이드성 실리카를 함유하는 연마 슬러리의 경우, 콜로이드성 실리카는 수용액, 예를 들어 규산나트륨 용액으로부터 졸-겔 기술에 의해 직접 제조된다. 발열성 실리카의 경우와 같이, 콜로이드성 실리카는 제조시에는 어떠한 때에도 응집 또는 응결을 초래할 수 있는 건조 상태에 있지 않다. 발열성 실리카의 현탁액은 콜로이드성 실리카 종류로부터의 연마 슬러리보다 넓은 입도 분포를 갖는다. 이는 저장 및(또는) 연마시에 응집되거나 침강물을 형성하는 발열성 실리카를 포함하는 연마 슬러리 입자를 초래하고, 추가적으로 불균일한 입도 분포를 초래한다. 따라서, 발열성 실리카를 포함하는 연마 슬러리를 사용하는 경우, 표면 조도 및 미세 스크래치와 같은 결함이 연마된 반도체 표면상에 생성된다. 이 현상의 심각성은 IC 부품의 선 폭이 0.25 ㎛ 또는 0.18 ㎛ 또는 그 이하인 경우 증가된다. 따라서, 콜로이드성 실리카 종류에 속하는 연마 슬러리가 점점 더 보급되고 있다.
집적 반도체 기술에서, 일반적으로 집적 회로 구조내에서 다수의 능동 및 수동형 소자가 서로 분리되는 것이 필수적이다. 이는 종종 LOCOS 공정에서 발생하는 필드 산화물 확산 및 기계적 응력의 문제를 해결할 수 있으며 양호한 분리 작용을 생성하며 IC 부품의 집적 밀도 및 평면화를 증가시키는 이점을 갖는 STI 기술을 사용하여 달성된다. 따라서, STI는 0.18 ㎛ CMOS 기술에 사용되는 주요 분리 기술이되어 왔다.
STI 기술은 규소중에 좁은 골을 생성시키고, 좁은 골을 실리카(SiO2)로 충전시키는 동시에 전체 웨이퍼 표면을 실리카의 필름으로 피복하고, 그 후 CMP 기술을 사용하여 평면화하는 것으로 이루어진다. 미리, 딱딱한 질화규소(Si3N4) 필름을 연마하려는 실리카 필름의 아래에 형성하여 질화규소 필름이 연마시 정지층으로서 작용하도록 하는 것이 통상적이다. 사용하기에 매우 적합한 이상적인 연마 슬러리는 질화규소 필름을 연마 제거하지 않으면서 좁은 골 위에 실리카 필름을 효과적으로 연마할 수 있다. 이는 실리카 필름의 연마 속도가 가능한 한 높고 질화규소 필름의 연마 속도는 실제로 0인 연마 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.
통상적으로 질화규소상의 실리카의 연마 속도를 평가하는데 사용되는 지수는 실리카의 연마 속도를 질화규소의 연마 속도로 나눔으로써 정의되는 연마 선택도이다. 낮은 SiO2/Si3N4선택도를 갖는 연마 슬러리를 사용하여 골 위에 위치된 SiO2를 연마하는 경우, SiO2의 디싱(dishing) 및 Si3N4의 침식으로서 공지된 현상이 발생된다.
현행의 IC 제조에서, 사용되는 CMP 연마 슬러리의 선택도는 충분히 높지 않다. 따라서, 예를 들어 IBM은 연마 시간을 단축시키고 SiO2의 디싱으로서 공지된 문제를 방지하기 위해 반응성 이온 에칭(RIE) 기술을 사용한다. 그러나, 이러한조합된 RIE + CMP 공정은 전체 제조 시간을 대략 40% 정도 길게 하고, 따라서 제조 비용을 증가시킨다.
발열성 실리카를 포함하는 연마 슬러리의 연마 선택도를 증가시키는데 통상적으로 사용되는 방법은 pH를 12.5 이상으로 증가시키기 위해 고농도의 수산화나트륨 또는 수산화칼륨을 첨가하는 것으로 이루어진다. 그러나, 그 후 피팅(pitting)이 연마된 반도체 표면상에 발생된다.
질화규소가 제거되는 속도와 비교한 실리카가 제거되는 속도에 대한 연마 선택도를 증가시키기 위한 다양한 연마 슬러리가 개발되어 왔다. US-A 4,526,631호는 KOH를 사용하여 pH가 대략 12로 설정되며 SiO2대 Si3N4의 연마 비율이 대략 10:1인 6 중량%의 콜로이드성 실리카를 포함하는 연마 슬러리를 기재하고 있다. US-A 5,738,800호에서, 실리카와 질화규소의 조합물을 연마하기 위한 연마 조성물은 실리카 및 질화규소와 착물을 형성하는 방향족 화합물을 함유한다. US-A 5,759,917호에서, 조성물은 질산암모늄세륨, 아세트산 및 발열성 실리카를 포함한다. US-A 5,733,819호에서, 연마 조성물은 미세 질화규소 분말, 물 및 산을 포함한다. EP-A 853 335호에서, 조성물은 마모제로서의 발열성 실리카, 테트라메틸암모늄 염 및 과산화수소를 포함한다. EP-A 853 110호는 플루오라이드 염을 함유하는, 연마 선택도를 개선시키기 위한 알칼리화 연마 슬러리를 제공한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 문제들을 해결하고, 질화규소가 제거되는 속도와 비교한 실리카가 제거되는 속도에 대한 연마 선택도가 높은 화학 기계적 연마용 실리카 유형의 산성 콜로이드성 연마 슬러리를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 산성 연마 슬러리는 콜로이드성 실리카 마모제 0.1 내지 5 중량% 및 플루오라이드 염 0.5 내지 10 중량%를 함유한다.
특히, 본 발명의 산성 연마 슬러리는 STI 기술을 사용하여 제조된 SiO2분리층의 화학 기계적 연마에 적합하다. 연마 슬러리는 바람직하게는 실리카 및 질화규소를 함유하는 조합물을 연마하는데 사용된다. 연마 슬러리는 특히 바람직하게는 정지층으로서 사용되는 질화규소 필름상에 형성된 유전 필름, 예를 들어 실리카 필름을 연마하는데 사용된다.
본 발명의 연마 슬러리에서, 콜로이드성 실리카 마모제는 바람직하게는 0.1 내지 3.5 중량%의 양으로 존재하고, 플루오라이드 염은 1 내지 6 중량%의 양으로 존재한다. 콜로이드성 실리카의 평균 입도는 10 nm 내지 1 ㎛, 바람직하게는 20 nm 내지 100 nm일 수 있다.
본 발명에 사용되는 플루오라이드 염은 암모늄 염일 수 있다. 암모늄 플루오라이드 및 암모늄 수소 플루오라이드가 특히 적합하다. 플루오라이드 염은 실리카와 강한 결합을 형성할 수 있고, 질화규소 표면을 소수성 상태로 전환시킬 수 있으므로 질화규소의 가수분해가 억제된다. 이러한 방식으로, 질화규소가 제거되는 속도와 비교한 실리카가 제거되는 속도에 대한 연마 선택도가 증가된다.
또한, 본 발명의 연마 슬러리는 연마 슬러리의 pH를 조정하는데 사용되는 무기산을 함유할 수 있다. 본 발명의 연마 슬러리의 pH는 바람직하게는 2 내지 6이다.
본 발명의 연마 슬러리의 선택도는 12까지 증가될 수 있고, 따라서 평면화를 수행하기 위한 RIE와 같은 추가 기술이 필요 없다. 따라서, 전체 제조 시간이 감소될 수 있고, 제조 비용이 절약될 수 있다.
본 발명의 연마 슬러리는 산성이다. 따라서, 연마된 반도체 표면상에서의 피팅과 같은 염기성 연마 슬러리에 발생되는 문제가 방지될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 방법 및 이점을 더욱 넓게 설명하기 위한 것이며, 많은 변형 및 변화가 당업계의 숙련자에 명백하기 때문에 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
실시예 및 비교예의 연마 슬러리를 하기 기재된 지시에 따라 제조하였다. 연마 슬러리를 사용하여 웨스텍(Westech)-372 연마기에 의해 저압 CVD 실리카(SiO2) 또는 저압 CVD 질화규소(Si3N4)를 포함하는, 규소 웨이퍼상의 필름을 연마하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 연마 전 및 후의 두께 차이를 연마 시간으로 나눔으로써 연마 속도를 계산하였고, 이 때 필름 두께는 나노스펙(Nanospec)에 의해 측정하였다. 실리카의 연마 속도를 질화규소의 연마 속도로 나눔으로써 연마 선택도를 계산하였다.
<실시예 1>
콜로이드성 실리카 졸인 레바실(Levasil)(등록상표) 50 CK/30% -V1(Bayer AG, Leverkusen)을 탈이온수로 희석시켰고, 2 중량%의 콜로이드성 실리카를 함유하는 연마 슬러리가 얻어졌다. 콜로이드성 실리카의 평균 입도는 60 내지 90 nm이고, 비표면적은 50 내지 180 m2/g이었다. 4 중량%의 암모늄 수소 플루오라이드를 묽은 연마 슬러리에 첨가하여 혼합물을 철저히 혼합하였다. pH를 3.8로 조정하기 위해, 무기산을 혼합물에 첨가하였고, 그 결과 바람직한 연마 슬러리가 얻어졌다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 2>
연마 슬러리의 pH를 5로 설정하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 사용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 3>
암모늄 수소 플루오라이드를 1 중량%의 양으로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 사용하였다. 또한, 연마 슬러리의 pH를 3.8로 설정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 4>
암모늄 수소 플루오라이드를 1 중량%의 양으로 첨가하고 연마 슬러리의 pH를 5로 설정한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 사용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예 1>
캐보트 마이크로일렉트로닉스(Cabot Microelectronics, 미국 일리노이주 오로라 소재)에서 구입한 발열성 실리카를 함유하는 연마 슬러리인 SS 25를 탈이온수로 희석시켜서 2 중량%의 실리카를 함유하는 연마 슬러리를 얻었다. 연마 슬러리의 pH는 11.2이었다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
상기 실시예들로부터 콜로이드성 실리카 유형의 연마 슬러리는 플루오라이드 염을 첨가한 결과로서 질화규소가 제거되는 속도와 비교한 실리카가 제거되는 속도에 대해 발열성 실리카를 포함하는 통상의 연마 슬러리보다 휠씬 높은 연마 선택도를 갖는다는 것을 알 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시 양태의 설명은 설명 및 기재의 이유로 기재되었다. 명백한 변형 또는 변화가 상기 교시의 관점에서 가능하다. 본 발명의 원리 및 그의 실제적 적용을 가장 잘 설명하고 이러한 방식으로 당업계의 숙련자가 본 발명을 의도하는 특정 용도에 적절한 다양한 실시 양태 및 다양한 변형으로 사용할 수 있도록 하기 위해 실시 양태가 선택되어 기재되었다. 모든 변형 및 변화는 본 발명의 범위내에 있다.
실시예 실리카 원료 실리카 농도(중량%) 암모늄 수소 플루오라이드 농도(중량%) pH 연마 속도, SiO2(Å/분) 연마 선택도
실시예 1 콜로이드성 실리카 2% 4% 3.8 2021 11.5
실시예 2 콜로이드성 실리카 2% 4% 5 1785 11.8
실시예 3 콜로이드성 실리카 2% 1% 3.8 438 1.0
실시예 4 콜로이드성 실리카 2% 1% 5 1090 3.6
비교예 1 발열성 실리카 2% 0 11.2 350 0.5
본 발명의 콜로이드성 실리카 유형의 연마 슬러리는 플루오라이드 염을 첨가한 결과로서 질화규소가 제거되는 속도와 비교한 실리카가 제거되는 속도에 대해 발열성 실리카를 포함하는 통상의 연마 슬러리보다 휠씬 높은 연마 선택도를 갖는다.

Claims (9)

  1. 콜로이드성 실리카 마모제 0.1 내지 5 중량% 및 플루오라이드 염 0.5 내지 10 중량%를 함유하는 화학 기계적 연마용 산성 연마 슬러리.
  2. 제1항에 있어서, 콜로이드성 실리카 마모제가 0.1 내지 3.5 중량%의 양으로 존재하고, 플루오라이드 염이 1 내지 6 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  3. 제1항에 있어서, 플루오라이드 염이 암모늄 염인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  4. 제3항에 있어서, 플루오라이드 염이 암모늄 플루오라이드 또는 암모늄 수소 플루오라이드인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  5. 제4항에 있어서, 플루오라이드 염이 암모늄 수소 플루오라이드인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  6. 제1항에 있어서, pH가 2 내지 6인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  7. 제1항에 있어서, 콜로이드성 실리카의 평균 입도가 10 nm 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  8. 제7항에 있어서, 콜로이드성 실리카의 평균 입도가 20 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 연마 슬러리.
  9. 제1항에 따른 연마 슬러리의 실리카 및 질화규소를 함유하는 복합재를 연마하기 위한 용도.
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