KR20020075902A - 연마 조성물 - Google Patents

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KR20020075902A
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Abstract

본 발명은 단일단계 CMP 연마 또는 2단계 CMP 연마에 의해 유전층으로부터 금속을 제거하기 위한 연마 조성물에 관한 것으로, 당해 조성물은 각각 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질 및 연마 동안 유전층의 수화 표면상에 흡착시키기 위해 실란올을 용해시키는 이온 농도를 갖는 수용액을 포함한다.

Description

연마 조성물{Polishing composition}
본 발명은 반도체 기판을 화학 기계적 연마(Chemical-Mchanical Polishing; CMP)시키기 위한 연마 조성물에 관한 것이다.
화학 기계적 연마(CMP)는 반도체 기판의 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위해 반도체 기판을 연마시키고, 유전층의 표면을 매끄럽게 평면형으로 연마한 다음, 추가로, 매끄럽게 평면형으로 연마된 표면 아래의 유전층 내의 트렌치(trench)에 금속의 전도성 회로 접속부를 함입시키는 공정을 나타낸다.
하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위해 연마시키는 경우, 문제가 발생한다. 연마 작업은 금속의 얼룩을 제거하여, 하부 유전 물질의 얼룩을 노출시키는 경향이 있다. 하부 유전층으로부터 잔여량의 금속을 완전히 제거하기 위해 연속적으로 수행되어 과연마로서 공지되어 있는 연마 작업은 반도체 기판으로부터 노출된 유전층의 일부를 제거하는 경향이 있어, 부식을 일으킨다. 유전층의 이러한 부식은 회로 접속부가 함입된 유전층에서 트렌치를 따라 임계 치수를 불리하게 변화시킨다. 부식은 임계 치수 및 회로 접속부의 전기 특성을 불리하게 변화시킨다. 따라서, 연마 조성물, 및 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위해 수행되는 연마 작업 동안 하부 유전층의 제거를 최소화하는 연마 방법을 필요로 한다.
미국 특허 제5,391,258호 및 제5,476,909호에는 반도체 기판상에 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위해, 연마 패드 및 연마 조성물로 반도체 기판을 연마하는 방법이 기재되어 있으며, 이때 연마 조성물은 하부 유전층을 포함하는 실리카의 제거 속도를 억제하는 화합물(들)을 갖는다. 당해 화합물(들)은 제1 해리 산의 pKa가 연마 조성물의 pH보다 실질적으로 크지 않은 2개 이상의 산 그룹을 함유한다.
본 발명은 연마 패드로 연마하여 반도체 기판상의 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위한 연마 조성물을 제공한다. 당해 연마 조성물은 각각 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질을 함유하는 수용액 및 당해 분자상에 가용성 실란을 형성하는 이온 농도를 갖는 수용액을 포함하며, 여기서 가용성 실란올은 연마 동안 연마 조성물에 의해 수화되는 유전층 표면에 흡착된다.
본 발명은,
각각 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질 및 분자상에 가용성 실란올을 형성하는 이온 농도를 갖는 수용액으로서 연마 조성물을 제공하는 단계 및
연마 동안 연마 조성물에 의해 수화되는 유전층 표면에 가용성 실란올을 흡착시키는 단계를 포함하여, 연마 패드 및 연마 조성물로 반도체 기판을 연마하여 반도체 기판상의 하부 유전층으로부터 금속을 제거하는 방법을 포함한다.
본 발명의 양태는 하기 상세한 설명을 참조하여 예시될 것이다.
연마 입자를 함유하는 연마 조성물은 슬러리로서 공지되어 있으며, 연마 패드에 사용된다. 연마 입자를 함유하지 않은 연마 조성물은 연마제를 함유하지 않는 연마 조성물로서 공지되어 있으며, 패드상에 고정되어 있는 연마 입자를 함유하는 연마 패드로 사용되거나, 연마 동안 연마 입자를 방출하는 연마 패드로 사용된다. 연마 조성물은 연마 패드와, 연마 패드에 의해 연마되는 반도체 기판 사이에 적용된다. 기판과 연마 패드는 서로 압착되면서, 한편으로는 서로에 대해 이동한다. 예를 들면, 패드는 회전할 수 있거나 궤도 이동을 하거나, 선형 이동하거나, 연속 벨트이다.
연마 패드상에 고정되고 연마 패드로부터 방출되며 연마 조성물에 첨가되는 연마 입자 중의 하나 이상에 의해 제공된 연마 입자로 연마 공정을 수행한다.
연마 조성물의 수용액에 본질적으로 용해되기 어렵거나, 서서히 용해되는 물질의 분자상에 가용성 실란올을 형성하는 이온 종의 이온 농도를 증가시킴으로써 놀라운 결과를 수득한다. 이온 종은 이량체화로부터 분자상에 가용성 실란올을 방지하는 농도 수준이다. 그 결과, 분자상에 가용성 실란올이 용해되어, 연마 조성물 수용액에 의해 수화되는 유전층 표면에 흡착될 수 있다. 유전층은, 수화되는 경우, 이의 표면에 실란올을 형성하는 물질이다. 상기 물질에는 실리카 또는 실리케이트, 예를 들면, 이산화규소를 갖는 물질, 또는 이들의 분자 구조에 규소원자를 갖는 낮은 K의 기타 유전 물질이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 용액에서 각각의 분자상에 가용성 실란올 및 수화된 유전층 표면에서의 실란올은 물 분자를 방출시켜 형성된 공유 결합을 형성한다. 형성된 공유 결합의 결합 강도는 수소결합의 결합 강도에 비해 강하여, 유전층 표면으로부터 당해 물질의 분자를 강력하게 제거시킬 필요가 있다.
예를 들면, 가용성 실란올은 M-Si-OH(여기서, M은 당해 물질의 분자 구조이고, Si-OH는 분자 구조물 상의 각각의 가용성 실란올이다)이다. 당해 물질의 가용성 실란올은 연마 조성물 수용액에 의해 수화되는 유전층상에 이온 그룹과의 공유 화학 결합에 의해 흡착된다. 예를 들면, 이온 그룹은 실리카의 수화된 유전층상의 실란올 이온 그룹이다. 당해 물질의 가용성 실란올은 수초 내에 유전층 표면에 신속하게 흡착되어, 연마 패드 및 연마 조성물로 연마시킴으로써 반도체 기판에서 제거된 유전층을 보호하는 당해 물질의 보호 층을 유전층 표면에 형성한다. 또한, 흡착된 물질 그 자체는 연마 조성물 수용액에서 반응할 수 있는 산화제 및 연마 조성물의 수용액에서 반응할 수 있는 착화제 둘 다와의 화학 반응을 방해한다.
예를 들면, 각각의 가용성 실란올 분자를 갖는 물질은 화학식 I의 실록산이다.
M-Si-X3
상기 화학식 I에서,
M은 당해 물질의 분자 구조이고,
Si는 규소이며,
X에는 X1, X2및 X3이 포함되는데, X1, X2및 X3중의 적어도 하나 또는 그 이상은 상응하는 가용성 실란올을 형성할 수 있는 해리성 이온 종이며, 각각의 X1, X2및 X3은 동일하거나 서로 상이하다.
종 X는 실란올을 용해시키기 위해 실란올과 느슨한 화학 결합을 형성하는 수용액내의 이온에 의한 해리시 상응하는 실란올로부터 잔류하거나 이로부터 해리되는 종일 수 있다. 종 X의 예에는 암모늄 그룹이 포함된다. 암모늄 그룹을 갖는 바람직한 실록산은 4급 암모늄 실록산이다.
추가의 특성으로서, 유전층에 화학적으로 결합하는 물질이 소수성 그룹을 포함하는 추가의 이온 그룹을 갖는 경우, 당해 물질은 연마 조성물에 의해 유전층이 습윤화되는 것을 방지하며, 추가로 연마에 의해 노출되는 유전층의 제거를 최소화한다. 본 발명에서 사용한 소수성 그룹은 바람직하게는 화학식 CnH2n+1(여기서, n은 6 내지 30의 정수, 보다 바람직하게는 10 내지 25, 보다 더 바람직하게는 약 18이다)의 탄화수소이다.
예를 들면, 가용성 실란올 및 소수성 그룹을 갖는 물질은 화학식 II의 실록산이다.
R-Si-X3
상기 화학식 II에서,
R은 분자 구조물 M의 일부로서 소수성 그룹이고,
Si는 규소이며,
X에는 X1, X2및 X3이 포함되는데, X1, X2및 X3중의 적어도 하나 또는 그 이상은 상응하는 가용성 실란올을 형성할 수 있는 해리성 이온 종이며, 각각의 X1, X2및 X3은 동일하거나 서로 상이하다
또한, 예를 들면, 실록산은 연마 조성물에서 실란올(R-Si-OH)을 형성한다. 바람직한 실록산은 유나이티드 케미칼 테크놀로지즈(United Chemical Technologies)로부터 부분 번호 PS200으로서 시판되는 화학식 C18H37SiX3의 실록산(여기서, X는 해리성 이온 종이다)이다.
연마 조성물의 이온 강도는 수용액, 수산화암모늄, 요오드산, 시트르산, 질산 또는 기타 해리성 이온 종 공급원에 첨가함으로써 증가된다. 이온은 각각의 분자상의 실란올을 용해시키기 위해, 각각의 분자상에 실란올을 갖는 약한 화학 결합을 형성한다. 당해 분자상에 실란올을 충분히 용해시키기 위해, 연마 조성물은 이온의 각각의 해리 종의 가용성 한계를 포함하여 그 이하의 농도 수준인 총 이온 강도를 갖는다. 예를 들면, 이온 강도는 바람직하게는 0.001mol 초과, 보다 바람직하게는 0.01mol 초과, 더 바람직하게는 0.05mol 초과, 보다 더 바람직하게는 0.1mol 초과, 추가로 더 바람직하게는 약 0.2mol 초과, 추가로 더 바람직하게는 약 0.5mol 초과이다. 바람직한 양태에서, 총이온 강도는 또한 각각의 해리 종의 가용성 한계인 2mol 미만, 보다 바람직하게는 1mol 미만이다.
본 발명의 특성 중의 하나는, 가용성 실란올을 가지며 이온 강도가 증가된 연마 조성물이 CMP 연마에 의해 금속의 제거 속도를 증가시키는 연마 조성물 수용액에서의 첨가제인 산화제와 완전히 혼화성이며, 또한 착화제와 완전히 혼화성이라는 점이다.
본 발명에 따른 연마 조성물에 첨가할 수 있는 산화제에는 질산염, 황산염(과황산염을 포함함), 요오드산염(과요오드산염을 포함함), 과염산염, 과산화수소 및/또는 이들의 산 유도체, 및 기타 과산화물, 산 및 염을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 나트륨, 리튬, 칼슘, 칼륨, 암모늄 및 마그네슘과 같은 짝이온이 사용될 수 있다. 산화제에는 요오드산, 과요오드산, 요오드산리튬, 요오드산칼슘, 요오드산은, 요오드산암모늄, 요오드산납, 요오드산칼륨, 과산화수소 및 질산제이철이 포함된다. 과산화수소 및 제이철 산화제(예: 질산제이철, 황산제이철, 염화제이철 및 암모늄 철산염) 이외의 산화제가 바람직하다. 일반적으로, 산화제는 CMP용 연마 조성물에 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%, 6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량% 내지 10중량%로 사용된다. 바람직하게는, 산화제는 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량% 내지 6중량%로 존재한다. 바람직하게는, 요오드산염은 산화제이다. 요오드산칼륨은 바람직하게는 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량% 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 1중량%, 2중량%, 2.5중량% 내지 3중량%의 농도로 존재한다. 특히 바람직한 양태에 있어서, 요오드산칼륨 농도는 약 2중량%이다.
요오드산은 또 다른 바람직한 산화제이다. 금속 표면을 충분히 산화시키는 연마 조성물을 제공하는 요오드산의 사용은 요오드산칼륨과 비교하는 경우, 감소된 산화물 제거 속도로 연마되는 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는, 요오드산은 0중량% 초과, 약 3.0중량% 미만의 양으로 연마 조성물에 존재한다. 보다 바람직하게는, 요오드산은 약 0.1중량%, 0.2중량%, 0.3중량%, 0.4중량%, 0.5중량%, 0.6중량%, 0.7중량%, 0.8중량%, 0.9중량%, 1.0중량%, 1.1중량%, 1.2중량%, 1.3중량%, 1.4중량%, 1.5중량%, 1.6중량% 또는 1.7중량%로 존재한다. 보다 더 바람직하게는, 요오드산은 약 1.7중량%로 존재한다.
연마 작업을 수행하여 반도체 기판상의 유전층 상부의 금속 배합물을 제거한다. 하나의 금속 배합물은 제1 금속인 구리를 티탄, 질화티탄, 탄탈 및/또는 질화탄탈을 포함하는 것 중의 하나인 제2 금속의 차단층 상부에 위치하는 상태로 포함한다. 또 다른 금속 배합물은 제1 금속인 텅스텐을 티탄 또는 질화티탄을 포함하는 것 중의 하나인 제2 금속의 차단층 상부에 위치하는 상태로 포함한다. 또 다른 금속 배합물은 제1 금속인 알루미늄을 텅스텐 및/또는 질화텅스텐을 포함하는 제2 금속의 차단층 상부에 위치하는 상태로 포함한다.
반도체 기판은 가용성 실란올이 화학 결합에 의해 흡착되는 유전층을 포함한다. 예를 들면, 유전층은 실리카, 이산화규소, 다공성 실리카(이산화규소), 또는 가용성 실란올이 화학 결합에 의해 흡착되는 K가 낮은 유전체이며, 가용성 실란올이 화학 결합에 의해 흡착된 유전층 상부의 알루미늄, 구리 및 텅스텐으로부터 선택된 하나 이상의 제1 금속 층이다. 차단층 또는 필름은 알루미늄, 구리 또는 텅스텐과, 유전층 사이에 존재한다. 차단층은 원소 티탄 및/또는 질화티탄을 함유는 티탄, 및 원소 탄탈 및/또는 질화탄탈을 함유하는 탄탈을 포함하는 것이 바람직하다. 또는, 2개의 상이한 차단층, 바람직하게는 티탄/질화티탄 또는 탄탈/질화탄탈이 사용될 수 있다. 바람직한 기판은 구리 층이 탄탈 층을 통해 실리카 기판으로부터 분리된 기판이다. 또 다른 바람직한 기판은 구리 층이 탄탈 및 질화탄탈 층을 통해 실리카 기판으로부터 분리된 기판이다. 또 다른 바람직한 기판은 텅스텐 층이 티탄 층을 통해 실리카 기판으로부터 분리된 기판이다. 또 다른 바람직한 기판은 텅스텐 층이 티탄 및 질화티탄 층을 통해 실리카 기판으로부터 분리된 기판이다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 연마 조성물은 금속 층을 제1 단계 연마 공정에 의해 하부 차단 필름 또는 층으로부터 제거하는 단계 및 제2 단계 연마 공정에 의해 하부 유전층으로부터 차단층을 제거하는 2단계 연마 공정에 사용된다. 각각의 연마 단계는 본 발명에 따른 연마 패드 및 연마 조성물로 연마하여 수행된다.
2단계의 연마 공정을 수행하는 경우, 존재하는 요오드산의 바람직한 양은 해당 단계에 따른다. 제1 단계에서, 요오드산은 바람직하게는 0중량% 초과, 3.0중량% 미만의 양으로 존재한다. 보다 바람직하게는, 제1 단계에서, 요오드산은 약 0.1중량%, 0.2중량%, 0.3중량%, 0.4중량%, 0.5중량%, 0.6중량%, 0.7중량%, 0.8중량%, 0.9중량%, 1.0중량%, 1.1중량%, 1.2중량%, 1.3중량%, 1.4중량%, 1.5중량%, 1.6중량% 또는 1.7중량%로 존재한다. 보다 더 바람직하게는, 요오드산은 약 1.7중량%로 존재하며, 당해 농도는 텅스텐 또는 구리를 선택적으로 제거하는 농도이다.
2단계의 연마 공정중의 제2 단계를 수행하는 경우, 요오드산은 연마 조성물에 1.8중량% 미만의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 제2 단계에서, 요오드산은 1중량% 미만의 양으로 존재한다. 보다 바람직하게는, 제2 단계에서, 요오드산은 0.5중량% 미만의 양으로 존재한다. 보다 더 바람직하게는, 제2 단계에서, 요오드산은 0.1중량% 미만의 양으로 존재하는데, 티탄 또는 탄탈을 제거하기 위해, 산 농도를 낮추어 티탄 또는 탄탈의 산화를 최소로하고, 용액의 pH는 2 이상, 바람직하게는 5 이상으로 조절해야 한다. 연마 패드상에 제공되거나, 패드에 의해 방출되거나, 연마 조성물에 첨가되는 연마 입자로 연마시킨다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 연마 조성물은 금속 층 및 차단 필름 또는 층 둘 다가 본 발명에 따른 연마 패드 및 연마 조성물로 연마하는 단일단계로 제거되는 단일단계 연마 공정에 사용된다. 연마 패드상에 제공되거나, 패드에 의해 방출되거나, 연마 조성물에 첨가되는 연마 입자로 연마시킨다.
바람직한 착화제는 표적 금속 음이온에 착화시킬 수 있는 구조 내에 존재하는 2개 이상의 산 잔기를 갖는 화합물 종류이다. 바람직하게는, 제1 산 종류의 pKa는 연마 용액의 pH보다 실질적으로 더 크지 않다. "실질적으로"라는 것은 약 1단위(pKa 또는 pH)를 의미하다. SiO2에 대한 착화제로서 작용하는 화합물은, 내용이 본 발명에 참조로 인용된 미국 특허 제5,391,258호 및 미국 특허 제5,476,606호에 아주 상세히 기재되어 있다.
산 종류에는 카복실 그룹, 카복실레이트 그룹, 하이드록실 그룹, 설폰산 그룹 및 포스폰산 그룹이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 카복실레이트 및 하이드록실 그룹이 가장 다양하게 공지되어 있기 때문에 바람직하다.
본 발명의 특히 효과적인 착화제는, 예를 들면, 말산, 말레이트, 타르타르산, 타르트레이트, 글루콘산 및 글루코네이트를 포함하는, 직쇄 모노카복실산, 디카복실산 및 염과 같은 α-위치에 하이드록실 그룹을 갖는 하나 이상의 카복실레이트 그룹을 갖는 구조이다. 또한, 효과적인 착화제는 시트르산 및 시트레이트와 같은 카복실 그룹에 대해 α-위치에 2급 또는 3급 하이드록실 그룹을 갖는 트리카복실산, 폴리카복실산 및 염이다. 또한, 효과적인 착화제는 오르토 디폴리하이드록시벤조산 및 폴리하이드록시벤조산 및 산 염, 프탈산 및 산 염, 피로카테콜, 피로갈롤, 갈산 및 갈레이트, 및 탄산 및 탄네이트와 같은 벤젠 환을 함유하는 화합물이다. 당해 구조에서 관찰된 전자 비편재화는 낮은 pKa 값(타르타르산: pKa = 3.02; 시트르산: pKa1 = 3.1; 및 프탈산: pKa1 = 2.95)으로 증명된 바와 같이, 용액에서 짝염기에 대해 고도의 안정성을 부여한다. pKa 한계는 유리 음이온 또는 짝염기가 착화 효과가 발생하는 적정한 농도로 존재해야 하기 때문에 발생한다. pH 《 pKa에서, 유리 음이온이 거의 존재하지 않는다. pH = pKa에서, 산은 50% 해리된다. pH 》 pKa에서, 필수적으로 모든 산이 음이온으로서 존재한다. 따라서, 해리 상수는 연마시 일반적으로 직면하는 pH 값의 범위를 반영하여 선택해야 한다. 이상적으로, 연마 조성물의 pH는 실리카 속도 억제에 사용된 첨가제의 pKa1과 동일하거나 그 이상이어야 한다. 첨가제의 pKa1이 실질적으로 조성물의 pH를 초과하는 경우, 불충분한 유리 금속 음이온이 용액에서 생성되고, 유리한 착화 효과는 억제된다. 따라서, 타르타르산, 시트르산 및 프탈산(pKa1 = 3.1)과 같은 첨가제는 연마 금속에서 직면하는 정상적인 pH 범위에 상응하는 pH 범위(pH 범위: 약 4 내지 11)에 효과적이며, 바람직할 것이다. 대조적으로, 피로카테콜(pKa1 = 10)의 첨가는 pH가 매우 높은 용액에서만 단지 유용할 것이다.
착화제는 바람직하게는 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%,6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량% 내지 10중량%, 보다 바람직하게는 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량% 내지 5중량%의 농도로 사용된다. 바람직하게는, 연마 조성물에는 말산, 타르타르산, 글루콘산, 시트르산, 프탈산, 피로카테콜, 피로갈롤, 갈산 또는 탄산 중의 하나 이상을 포함하는 착화제가 포함된다. 보다 바람직하게는, 착화제는 시트르산이다. 바람직하게는, 시트르산은 약 1중량%, 1.5중량%, 2중량%, 2.5중량% 내지 3중량%의 농도로 존재한다. 본 발명의 바람직한 착화제는 금속 음이온과 착화되어 금속 원자가 환의 일부인 5원 또는 6원 환을 형성한다.
본 발명의 연마 조성물은 연마제를 함유하지 않거나, 산화물, 알루미나, 세리아, 티타니아 및 지르코니아를 포함하는 마이크론 크기 이하의 연마 입자의 현탁액을 함유한다. 일반적으로, 연마 조성물에 첨가되고 연마 조성물에 현탁되는 연마 입자의 총량은 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%, 6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량%, 10중량%, 11중량%, 12중량%, 13중량%, 14중량% 또는 15중량%이다. 바람직하게는, 입자는 알루미나, 티타니아 또는 이들의 배합물이다. 바람직하게는, 알루미나는 약 7중량%로 존재한다. 바람직하게는, 티타니아는 약 7중량%로 존재한다. 알루미나와 티타니아와의 배합물은 총 약 7중량%의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 본 발명의 마이크론 크기 이하의 연마 입자에는 용해성 피복물(예: 이에 피복된 프탈레이트 화합물)이 존재하지 않는다. 연마제를 함유하지 않는 연마 조성물은 이러한 연마 입자를 함유하지 않으며, 그 자체가 연마제를 갖는 연마 패드로 사용한다. 이러한 연마 패드는 고정된 연마제 연마 패드이거나, 연마 동안 연마 조성물 내로 연마 입자를 방출시킨다. 본 발명의 특성들 중의 하나는, 가용성 실란올이 알루미나, 티타니아, 지르코니아 또는 세리아의 연마 입자와 비반응성, 즉 화학적으로 비반응성이다.
α-알루미나 및 γ-알루미나는 알루미나 입자가 사용되는 경우 존재한다. 두 종류의 알루미나가 존재하는 경우, 알루미나는 바람직하게는 약 0.5중량%, 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량% 내지 5중량%, 보다 바람직하게는 약 1중량%, 2중량%, 3중량% 내지 4중량%, 보다 더 바람직하게는 약 2중량%, 2.25중량%, 2.5중량%, 2.75 내지 3중량%로 존재한다. 알루미나는 연마 조성물내에 약 2.4중량%로 존재한다.
티타니아의 양은 바람직하게는 약 0.05중량%, 0.1중량%, 0.25중량%, 0.5중량%, 0.75중량%, 1중량%, 1.5중량% 내지 2중량%, 보다 바람직하게는 약 0.1중량%, 0.2중량%, 0.3중량%, 0.4중량%, 0.5중량%, 0.6중량%, 0.7중량%, 0.8중량%, 0.9중량% 내지 1중량%, 보다 더 바람직하게는 약 0.2중량%, 0.3중량%, 0.4중량% 내지 0.5중량%, 가장 바람직하게는 약 0.3중량%로 존재한다.
티타니아, γ-알루미나 및 α-알루미나 입자가 모두 존재하는 경우, 당해 조성물에 존재하는 입자의 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%, 6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량%, 10중량%, 11중량%, 12중량%, 13중량%, 14중량%, 15중량%, 16중량%, 17중량%, 18중량%, 19중량% 내지 20중량%가 티타니아이고, 당해 조성물에 존재하는 입자의 약 1중량%, 2중량%, 3중량%, 4중량%, 5중량%, 6중량%, 7중량%, 8중량%, 9중량%, 10중량%, 11중량%, 12중량%, 13중량%, 14중량%, 15중량%, 16중량%, 17중량%, 18중량%, 19중량% 내지 20중량%가 γ-알루미나이며, 당해 조성물에 존재하는 마이크론 크기 이하의 연마 입자의 약 60중량%, 65중량%, 70중량%, 75중량%,80중량%, 85중량%, 90중량%, 95중량% 내지 98중량%가 α-알루미나이다. 바람직하게는, 당해 조성물에 존재하는 마이크론 크기 이하의 연마 입자의 약 10중량%는 티타니아이고, 당해 조성물에 존재하는 마이크론 크기 이하의 연마 입자의 약 10중량%는 γ-알루미나이며, 당해 조성물에 존재하는 마이크론 크기 이하의 연마 입자의 약 80중량%는 α-알루미나이다.
양태에 따라, 연마 방법은 연마 입자를 함유하는 연마 패드와 함께 본 발명에 따른 연마 조성물로 수행된다. 이러한 연마 패드는 연마 입자를 사용하지 않고 연마 조성물의 양태를 가능하게 한다. 또 다른 양태에 따라, 연마 조성물 내로 연마 입자를 방출시키는 연마 패드와 함께 본 발명에 따른 연마 조성물을 사용하여 연마시킨다. 이러한 연마 패드는, 연마 입자가 연마 조성물 내의 현탁액 내로 연마 패드에 의해 방출될 때까지 연마 조성물이 연마 입자를 사용하지 않는 양태를 가능하게 한다. 예를 들면, 연마 입자는 연마 작업 동안 방출되고, 연마 작용으로 연마 패드로부터 연마 입자가 분리된다.
기판에서 관찰되는 특성은 5μ크기이다. 그러나, 새로운 기술은 크기를 약 0.18μ로 감소시킨다. 본 발명의 연마 방법은 바람직하게는 약 0.1μ, 0.15μ, 0.2μ, 0.25μ, 0.3μ, 0.35μ, 0.4μ, 0.45μ내지 0.5μ의 특성을 갖는 기판에서 수행되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 본 발명은 0.4μ 미만, 보다 바람직하게는 0.3μ 미만, 보다 더 바람직하게는 0.2μ 미만, 추가로 더 바람직하게는 약 0.18μ 미만의 특성을 갖는 기판상에서 수행된다.
본 발명의 연마 방법은, 밀도가 바람직하게는 15% 초과, 보다 바람직하게는20% 초과, 보다 더 바람직하게는 25% 초과하는 특성을 갖는 텅스텐 함유 기판상에서 수행된다. 본 발명의 연마 방법은, 밀도가 바람직하게는 90% 초과, 보다 바람직하게는 95% 초과, 보다 더 바람직하게는 97% 초과하는 특성을 갖는 구리 함유 기판상에서 수행된다.
본 발명에 따른 연마 조성물은 증가된 연마 속도에서 유용하다. 예를 들면, 연마기는 매회 증가하는 회전 연마 속도(예: 회전 연마 속도: 100rpm 초과, 150rpm 초과 및/또는 200rpm 초과)에서 계속해서 CMP 연마를 수행한다.
본 발명에 따른 연마 조성물은 연마될 금속 표면이 50Å/min 미만, 보다 바람직하게는 40Å/min 미만, 보다 더 바람직하게는 30Å/min 미만, 보다 더 바람직하게는 20Å/min 미만, 보다 더 바람직하게는 10Å/min 미만(0Å/min 이하)의 정적 금속 에칭 속도를 갖도록 하기에 충분히 유리한 성분을 포함한다.
실시예 1
마이크론 크기 이하의 연마 입자로서 α-알루미나 약 2.4중량%, γ-알루미나 0.3중량% 및 티타티나 약 0.3중량%를 포함하고, 또한 요오드산 1.5중량% 및 글리콜산 약 3중량%를 포함하며 pH를 약 4로 조절한 연마 조성물을 제조하며, 당해 연마 조성물 번호는 WT-397이다. 당해 연마 조성물의 2/1에 PS200 0.04중량%를 첨가하면, 새로운 연마 조성물 WT-398이 수득된다.
크기가 150mm인 시트 웨이퍼는 웨스텍(Westech) 372U 연마 장치에서 표준 연마 조건하에 연마시킨다. 수득한 제거 속도(Å/min)는 아래 표 1에 나타낸다.
슬러리 텅스텐 RR(Å/min) 티탄 RR(Å/min) 산화물 RR(Å/min)
WT-397 3000 1088 339
WT-398 3800 890 0
본 실시예는, 실록산의 첨가가 실록산을 사용하지 않은 유사한 슬러리와 비교하여 산화물 제거 속도를 어떻게 감소시키는지를 나타낸다.
실시예 2
본 실시예에서, 패턴 웨이퍼(유전층에서 트렌치에 봉입된 금속이 상감 구조 특성을 갖는 웨이퍼)를 표준 조건하에 연마시켜, 하부 유전층으로부터 금속을 제거한 다음, 60초 동안 과연마로 유전층으로부터 금속의 얼룩 또는 잔사를 완전히 제거하고, 과연마 후에 부식 및 기타 유전체 손실(이산화규소 손실)을 측정한다. 상기한 바와 같은 WT-398 슬러리가 MSW2000 슬러리[제조원: 델라웨어주 뉴아크에 소재하는 로델 인포코레이티드(Rodel, Inc.)]와 같이 사용된다. 60초 후의 과연마 결과는 하기 표 2에 나타낸다.
슬러리 산화물 손실(Å) 부식(Å)
WT-398 약 50 약 50
MSW-2000 약 150 약 600
상기 데이타는, 실록산이, 각각 가용성 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질로서, 이산화규소의 유전층의 제거 속도를 최소화시키는데 탁월함을 나타낸다.

Claims (10)

  1. 각각 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질을 함유하는 수용액 및
    당해 분자상에 가용성 실란올(여기서, 가용성 실란올은 연마 동안 연마 조성물에 의해 수화되는 유전층 표면에 흡착된다)을 형성하는 이온 농도를 갖는 수용액을 포함하는, 연마 패드로 연마하여 반도체 기판상의 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위한 연마 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 산화제 및 착화제를 추가로 포함하는 연마 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 수용액이 연마 입자를 추가로 포함하며, 가용성 실란올이 연마 입자와 비반응성인 연마 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 물질이 가용성 실란올을 갖는 실록산인 연마 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 실록산이 화학식 II의 화합물인 연마 조성물.
    화학식 II
    R-Si-X3
    상기 화학식 II에서,
    R은 분자 구조의 일부로서 소수성 그룹이고,
    Si는 규소이며,
    X에는 X1, X2및 X3이 포함되는데, X1, X2및 X3중의 적어도 하나 또는 그 이상은 상응하는 가용성 실란올을 형성할 수 있는 해리성 이온 종이며, 각각의 X1, X2및 X3은 동일하거나 서로 상이하다.
  6. 제4항에 있어서, 실록산이 4급 암모늄 실록산인 연마 조성물.
  7. 제4항에 있어서, 실록산이 화학식 I의 화합물인 연마 조성물.
    화학식 I
    M-Si-X3
    상기 화학식 I에서,
    M은 분자 구조이고,
    Si는 규소이며,
    X에는 X1, X2및 X3이 포함되는데, X1, X2및 X3중의 적어도 하나 또는 그 이상은 상응하는 가용성 실란올을 형성할 수 있는 해리성 이온 종이며, 각각의 X1, X2및 X3은 동일하거나 서로 상이하다.
  8. 각각 실란올을 함유하는 분자를 갖는 물질 및 당해 분자상에 각각의 가용성 실란올을 형성하는 이온 농도를 갖는 수용액으로서 연마 조성물을 제공하는 단계 및
    연마 동안 연마 조성물에 의해 수화되는 유전층 표면에 가용성 실란올을 흡착시키는 단계를 포함하여, 연마 패드 및 연마 조성물로 반도체 기판을 연마하여 반도체 기판상의 하부 유전층으로부터 금속을 제거하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서, 반도체 기판을 수용액에서 산화제 및 착화제로 연마하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 연마 패드상에 고정되고 연마 패드로부터 방출되며 연마 조성물에 첨가되는 연마 입자 중의 하나 이상에 의해 연마 입자를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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