KR20020054529A - Ｃｍｐ용 슬러리 조성물 - Google Patents

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

Abstract

본 발명은 CMP(chemical mechanical polishing)용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈이온수, 금속산화물 미분말, 산화제, pH 조절제 및 바비트릭산을 포함하는 CMP용 슬러리 조성물을 제공하며, 본 발명에 의해 금속층과 절연층의 선택비를 높인 CMP용 슬러리 조성물을 제공할 수 있다.

Description

ＣＭＰ용 슬러리 조성물 {Slurry composition for chemical mechanical polishing}
본 발명은 반도체 공정에 사용되는 CMP용 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄, 텅스텐 및 이를 포함하는 합금의 평탄화에 사용되는 CMP(Chemical Mechanical Polishing)용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
텅스텐과 같은 금속층은 집적회로의 제조과정 중에 반도체 웨이퍼의 전도성 소자들(텅스텐, 알루미늄, 구리 등)의 상호 연결과 접점의 형성 그리고 다른 전도성 소자들과의 연결을 위한 목적으로 사용된다. 최근 들어 집적 회로의 고집적화 및 다층화로 인하여 금속층 및 절연층의 평탄화 방법은 드라이 에칭(Dry Etch) 등의 공정에서 CMP 공정으로 전환되고 있다.
직접회로는 다이오드나 트랜지스터들과 같은 디바이스(device)들을 웨이퍼내 또는 표면에 형성시킨 다음, 집적 회로 디바이스 전면에 절연물질을 가하여 제조된다. 이 때, 콘텍 홀(contact hole)이나 비아(via)의 특성은 절연물질에 의해서 결정된다. 비아들은 절연물질을 관통하는 수직적 접속을 하기 위해서 공정 중 전도성 물질로 채워져 웨이퍼 표면상의 디바이스들의 적합한 부분들에 접촉된다. 이 때 알루미늄과 같은 물질은 배선 금속으로서 비아내부를 충분히 채울 수 없기 때문에, 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 적용 가능한 텅스텐으로 비아를 채우는 것이 통상적이다. 그러나 화학적 기상증착을 적용하는 경우, 절연물질을 관통하는 비아 내부뿐만 아니라 절연층 표면 및 알루미늄 배선 위에도 텅스텐층이 형성된다. 이렇게 불필요한 텅스텐층을 제거하기 위해서 반응 이온에칭 (reactive ion etching)법을 적용할 수 있다. 그러나 반응 이온에칭법은 텅스텐을 오버에칭(over etch)함으로써 비아 내부의 텅스텐을 함께 제거하여 그 위에 쌓인 알루미늄 배선과의 콘택이 불량하게 되는 단점이 있다. 또한 반응 이온에칭 공정 후, 웨이퍼에 남아있는 입자들은 디바이스에 치명적인 결함을 발생시킨다. 따라서 이러한 반응 이온에칭 공정을 대신하여 위해 기계적 화학적 연마(CMP)공정이 도입되었다.
CMP 공정이란 반도체 제조시 반도체 웨이퍼 표면을 연마패드와 슬러리를 이용하여 평탄화시키는 방법을 말한다. 연마패드 및 웨이퍼를 접촉시켜 연마패드와 웨이퍼의 회전 및 직선운동을 혼합한 오비탈 운동을 실시하면서 연마제가 포함된 슬러리를 이용하여 연마하는 공정이다. CMP 공정에 사용되는 슬러리는 크게 물리적 작용을 하는 연마입자와 화학적 작용을 하는 에천트(etchant)등의 화합물로 구성되어 물리적인 작용과 화학적 작용에 의해서 웨이퍼 표면에 노출된 부분을 선택적으로 식각한다. 이 CMP 공정 기술의 발달로 인하여 직접회로 제조에 적용되는 이중 상감(dual damascene)공정 등의 기술 개발이 가능해지게 되었다. 반도체 제조기술의 향상으로 CMP 공정에서 요구되는 연마 속도, 선택도 및 연마 균일도와 같은 연마특성의 수준 또한 점차적으로 엄격해지고 있다.
한편 CMP 공정에 사용되는 슬러리는 연마대상에 따라서 절연층을 연마하는 슬러리와 금속층을 연마하는 슬러리로 구분되어지는데, 이는 주로 화학적 작용을 하는 화합물에 차이가 있다. 이 중 금속층 연마용 슬러리에서는 일반적으로 금속 에천트로써 질산, 황산, 질산화 철 또는 과산화 수소 등을 사용하고 있다. 이러한 금속층 연마용 슬러리는 피연마대상인 금속층과 인접한 실리콘 절연층과 선택성이 낮은 경우 디싱(dishing), 에로젼(errosion) 또는 코로젼(corrosion) 등의 현상이 나타나므로 높은 선택비의 달성이 요구되어진다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결한 것으로, 슬러리의 화학적 작용을 조절할 수 있는 화학적 첨가제로서 바비트릭 산(barbituric acid)을 사용하여 슬러리의 선택성을 향상시킴으로서 디싱, 에로젼 및 코로젼(corrosion)과 같은 공정상의 문제점을 해결할 수 있는 금속층 연마용 슬러리를 제공한다.
즉 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 탈이온수, 금속산화물 미분말, 산화제, pH 조절제 및 바비트릭산을 포함하는 CMP용 조성물을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 탈이온수, 금속산화물 미분말 및 바비트릭산을 포함하는 CMP용 조성물을 제공한다.
이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 텅스텐, 알루미늄 또는 이들이 포함하는 합금으로 이루어진 금속층을 연마하는 슬러리의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 CMP 공정에 적용되는 슬러리는 물리적 작용을 하는 연마제와 화학적 작용을 하는 화합물을 포함한다. 물리적 작용을 하는 연마제로는 주로 금속미분말이 사용되며 보다 구체적으로는 실리카, 알루미나, 세리아, 티타니아 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 화학적 작용을 하는 화합물에는 연마대상인 금속층을 산화시키는 역활을 하는 산화제과 pH 조절제 등이 있고, 필요시 적절한 첨가제가 추가로 첨가될 수 있다. 이러한 첨가제로는 예를 들어 코로젼 억제를 위해 첨가되는 벤조트리아졸(Benxotriaxole) 등이 있다.
일반적으로 연마용 슬러리에 첨가되는 산화제로는 한 종류의 물질만을 사용하는 단일 산화제와 2종 이상의 물질을 복합적으로 사용하는 복합산화제가 있다. 단일 산화제를 사용하는 경우 산화제에 의해 웨이퍼 표면이 산화되면서 산화막이 동시에 형성되기 때문에 연마효율이 떨어지게 된다. 그러나 복합 산화제를 첨가한 경우 이러한 산화막 형성을 감소시킬 수 있으므로 단일산화제를 사용하는 경우보다 연마효율이 향상된다. 따라서 본 발명의 산화제로는 복합산화제를 사용하는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 과산화 수소(hydrogen peroxide)와 질산화 철(ferric nitrate)을 함께 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 질산화 철이 산화하면서 과산화 수소에 의해 형성된 산화막을 제거하기 때문에 연마효율을 보다 높일 수 있다.
본 발명의 pH 조절제는 초산(acetic acid), 질산(nitiric acid) 또는 황산(sulfuric acid) 등을 사용할 수 있다. 질산화 철이 산화제로 첨가되는 경우에는 형성된 Fe2+이온을 안정화시키기 위해서는 초산을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 연마용 조성물의 pH는 상기와 같은 pH 조절제를 이용하여 4 이하로 조절하는 것이 바람직한데, 이는 연마대상이 텅스텐 또는 알루미늄인 경우 일반적으로 pH가 4 이하이거나 8 이상인 조건에서 이온상태로 존재할 수 있으므로 연마가 효율적으로 수행될 수 있기 때문이다. 그러나 pH가 8 이상인 경우에는 절연층으로 사용되는 실리콘이 함께 에칭되면서 선택비가 떨어지는 문제점이 발생한다. 또한 연마용 조성물의 저장안정성을 유지하기 위해서는 연마제로 사용되는 물질의 등전위점(isoelectric point)과 절대값에 차이가 많아야 한다. 실리카는 pH 약 3 내지 4의 범위에서, 알루미나는 pH 약 4에서 등전위점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로 실리카나 알루미나를 연마제로서 포함하는 슬러리의 경우에는 pH를 약 1에서 3 정도로 조절하는 것이 저장 안정성 및 연마속도의 측면에서 볼 때 바람직하다.
한편 금속 CMP 공정의 수행시 디싱, 에로젼 등의 억제가 요구되며, 이는 첨가되는 산화제 및 pH 조절제의 첨가량을 조절하여 어느 정도까지는 억제가 가능하나 그 범위에는 한계가 있다. 상기와 같은 문제점들은 절연층과 금속층의 연마속도의 차이에 의해서 발생되는 것으로서 슬러리의 선택비를 향상시킴으로서 해결할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 바비트릭산(barbituric acid)을 새로이 첨가하여 슬러리의 선택비를 조절하고 있다. 첨가된 바비트릭 산은 금속층의 연마 종결점 근처에서 콘텍이나 비아들이 위치한 디바이스 등에서 절연층이 노출되었을 때, 절연층을 보호하고 일부 미진하게 제거된 텅스텐 또는 알루미늄이 제거되도록 함으로써 선택비를 향상시키는 역할을 한다. 더불어 제타전위의 절대값을 향상시켜서 슬러리의 저장안정성을 향상시키는 역할도 한다.
한편 상기 바비트릭산이 탈이온수 및 금속산화물 미분말을 포함하는 CMP용 슬러리에 포함된 경우에도 상기와 같이 선택비를 향상시키는 동일한 효과를 가져올 수 있다는 것이 예상되어진다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예들은 예시적 의미를 지니며 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
시판 Aerosil 90G(Degussa社)50g, 탈이온수 948.25g, 질산화철 0.5g, 초산 0.75g 및 바비트릭산 0.5g을 2L의 폴리에틸렌 플라스크에 투입하여 2,000rpm의 속도로 2시간 동안 교반시킨 후 고압 분산방법을 이용하여 1,2000psi에서 1회 분산시켰다. 이렇게 해서 얻어진 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth)필터를 이용하여 필터링한 후,과산화수소(50%) 21g을 첨가하여 연마용 슬러리를 제조하였다. 제조된 연마용 슬러리를 사용하여 아래와 같은 조건에서 2분간 연마하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
* 연마기 모델 : 6EC(STRASBAUGH社)
* 연마조건
- 패드 타입 : IC1000/SubaⅣ Stacked(Rodel社)
- 평탄화 속도(Platen Speed) : 120rpm
- 퀼 스피드(Quill Speed) : 120rpm
- 압력 : 6psi
- 배압(Back pressure) : 0psi
- 온도 : 25℃
- 슬러리 흐름(Slurry flow) : 150 ㎖/min
* 연마대상
- 웨이퍼 1 : 텅스텐이 증착된 6인치 웨이퍼
- 웨이퍼 2 : 알루미늄이 증착된 6인치 웨이퍼
- 웨이퍼 3 : P-TEOS(poly(tetraethyl-orthosilicate))가 증착된 6인치 웨이퍼
실시예 2
상기 실시예 1에서 바비트릭 산을 2.0g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과동일한 방법으로 슬러리를 제조하여 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 바비트릭 산을 3.5g 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리를 제조하여 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 4∼6
상기 실시예 1∼3에서 금속산화물로 실리카 대신에 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1∼3과 동일한 방법으로 슬러리를 제조하여 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 7
상기 실시예 2에서 제조된 슬러리를 6개월간 장기 저장 후 실시예 1과 같은 조건으로 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 바비트릭 산을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리를 제조하여 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에나타내었다.
비교예 2
상기 실시예 4에서 바비트릭 산을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 슬러리를 제조하여 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 3
상기 비교예 1에서 제조한 슬러리를 6개월간 장기 저장한 후 동일한 방법으로 연마성능을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
구 분 연마제 바비트릭산첨가량 연마속도(Å/min) 선택비
웨이퍼 1 웨이퍼 2 웨이퍼 3 웨이퍼 1대3 웨이퍼 2대3
실시예 1 SiO2 0.5g 3,550 2,830 30 118:1 94:1
실시예 2 SiO2 2.0g 3,520 2,900 10 352:1 290:1
실시예 3 SiO2 3.5g 3,530 2,940 30 118:1 98:1
실시예 4 Al2O3 0.5g 3,870 2,910 40 97:1 73:1
실시예 5 Al2O3 2.0g 3,870 3,010 20 193:1 150:1
실시예 6 Al2O3 3.5g 3,810 3,200 50 76:1 64:1
실시예 7 SiO2 2.0g 3,500 2,820 10 350:1 282:1
비교예 1 SiO2 - 3,480 2,780 90 39:1 31:1
비교예 2 Al2O3 - 3,860 2,890 120 32:1 24:1
비교예 3 SiO2 - 1,900 1,750 50 38:1 35:1
* 선택비: 텅스텐 또는 알루미늄의 연마속도와 절연층(SiO2) 연마속도의 비
본 발명에 의해 금속층과 절연층의 선택비가 높은 CMP용 슬러리를 제공하여 슬러리의 선택성을 향상시킴으로서 디싱, 에로젼 및 코로젼(corrosion)과 같은 공정상의 문제점을 해결할 수 있도록 하였다.

Claims (7)

  1. 탈이온수, 금속산화물 미분말, 산화제, pH 조절제 및 바비트릭산을 포함하는 CMP용 슬러리 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산화제는 과산화수소 및 질산화 철이고, pH 조절제는 초산인 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 조성물.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 금속산화물 미분말의 함량이 0.1∼10 중량%이며, 상기 과산화 수소의 함량이 1∼3 중량%이고, 상기 질산화철의 함량이 0.03∼0.1 중량%이며, 상기 초산의 함량이 0.05∼0.2 중량%이고, 상기 바비트릭산의 함량이 0.01∼0.4 중량%이며, 나머지는 탈이온수로 하는 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 조성물.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 텅스텐, 알루미늄 또는 이를 포함하는 합금을 연마하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 조성물.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 조성물의 pH가 4 이하로 조절되는 것을 특징으로 하는 CMP용 슬러리 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 금속산화물이 실리카, 알루미나, 세리아, 티타니아 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연마용 조성물.
  7. 탈이온수, 금속산화물 미분말 및 바비트릭산을 포함하는 연마용 조성물.
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