KR20030035637A - 구리배선 연마용 ｃｍｐ 슬러리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 적용되는 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속산화물 미분말, 과산화 화합물, 벤젠계 화합물, 카르복실산 및 탈이온수를 포함하는 구리배선 연마용 CMP 슬러리에 관한 것이며, 본 발명에 의하면 구리배선의 CMP 공정시 구리산화막의 다공성과 낮은 강도로 인한 디싱 및 침식 등의 문제를 방지함과 동시에 높은 연마속도를 달성할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 적용되는 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 전도층으로서 구리 또는 알루미늄-구리 합금 등으로 형성된 금속막 층을 피연마 대상으로 하는 CMP 슬러리에 관한 것이다.
CMP 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 슬러리의 구성성분은 크게 물리적 작용을 하는 연마입자와 화학적 작용을 하는 부식제(etchant) 등의 화합물로 구분된다. 따라서 CMP 공정은 물리적인 작용과 화학적 작용에 의해서 웨이퍼 표면에 노출된 부분을 선택적으로 식각하여, 보다 최적화되고 광범위한 평탄화를 달성하는 것을 가능케 한다.
일반적으로 반도체 공정에서 CMP 공정은 고집적 회로의 금속배선 및플러그(plug) 또는 비아(vias)를 형성하기 위한 공정으로 널리 사용되고 있다. 이러한 공정에서는, 먼저 웨이퍼 또는 금속층 위에 SOG 또는 BPSG, O3-TEOS, USG, P-TEOS, LOW-K, FOX 등의 저유전막을 증착(deposition)하고, 포토리소그래피(photolithography) 공정과 건식 에칭(dry etch) 공정을 통해 상기 저유전막질 내에 고랑(trench)을 형성한 다음, 금속층과 저유전막과의 접착성을 향상시키기 위해서 티타늄(titanium), 티타늄 나이트라이드(titanium nitride), 탄탈륨(tantalum), 탄탈륨 나이트라이드(tantalum nitride) 등의 경계층(barrier layer)을 증착한다. 그 다음에 금속배선 또는 플러그에 텅스텐 또는 알루미늄, 또는 구리 또는 구리합금 등의 전도성 물질을 채워 증착한다. 최종적으로 금속연마용 슬러리를 사용한 CMP 공정에서 저유전막 위의 모든 금속층을 제거하여, 금속 배선 및 플러그, 비아 등을 형성시킨다.
구리는 고집적화 등의 효율성 측면에서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 반도체 웨이퍼에 금속재질로 자주 사용되는데, 선택적 에칭(etching)이 되지 않는 귀금속(noble metal)이고 이중상감(dual damascene) 구조로 이루어져 있어 CMP 공정이 필수적으로 사용된다. 구리는 CMP 공정시 Cu+및 Cu2+의 산화물인 CuO, CuO2및 Cu(OH)2등으로 구성된 다공성 산화막층을 형성한다. 그런데, 구리는 실리콘 재질의 TEOS(tetraethoxysilane) 또는 텅스텐 등의 다른 재질에 비하여 상대적으로 연약하고 전기화학적으로도 텅스텐에 비하여 부식(corrosion)에 민감하기 때문에, 연마속도는 높을 수 있으나 대신 스크래치, 및 과연마(over-polishing)로 인한디싱(dishing)이나 침식(erosion) 등이 쉽게 발생하고, 특히 다공성막질의 구멍을 통하여 연마용 슬러리의 성분과 연마공정 중에 발생한 산화물 등의 이물질이 구리산화막 층을 침투하는 현상이 일어난다. 이러한 현상은 다음 공정인 포토리소그래피(photolithography) 공정 등에서 문제를 일으킬 수 있으며, 특히 배선의 설계에 따라 6-7개 이상의 층(layer)으로 구성되는 고집적 회로의 경우 각 층의 평탄화도에 따라서 회로의 성능이 좌우된다.
상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 구리배선 연마용 CMP 슬러리에는 통상 한 가지 이상의 착물형성제(complex agent)나 킬레이트제(chelating agent) 등을 첨가하여 구리산화막 층내의 Cu+및 Cu2+이온들을 킬레이트화 또는 착물화시킴으로써 다공성 막질로 인한 구멍을 없애 구리산화막의 강도를 강화시켜 CMP 공정 중에 침투되는 이물질에 의한 문제점을 방지하려는 노력이 이루어져 왔다. 이러한 첨가제의 예로는 트리아졸(triazole), 벤조트리아졸(benzotriazole) 등과 같은 이미다졸(imidazole)류 화합물과 카르복실기를 지닌 화합물이 있다(참조: 미합중국 특허 제 6,096,652호).
그러나, 이와 같은 구리산화막 층의 강화로 인하여 CMP 공정의 연마속도가 저하되고, 그 결과 연마시간 지연에 따른 과연마에 의해 침식(erosion), 디싱(dishing) 등의 문제가 발생하게 된다. 이는 결과적으로 반도체 제조시 수율 저하 및 생산성 저하로 인한 제조비용의 증가를 초래한다.
이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특정한 벤젠계 화합물과 카르복실산의 병용에 의해 보다 강화된 구리산화막을 형성하면서도 높은 연마속도를 유지할 수 있는 구리배선 연마용 CMP 슬러리를 제공함을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 금속산화물 미분말, 과산화 화합물, 벤젠계 화합물, 카르복실산 및 탈이온수를 포함하는 구리배선 연마용 CMP 슬러리를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 구리배선 연마용 CMP 슬러리는 금속산화물 미분말, 과산화 화합물, 벤젠계 화합물 및 카르복실산을 탈이온수에 분산시켜 제조되며, 바람직하게는
금속산화물 미분말1~15 중량%;
과산화 화합물1~5 중량%;
벤젠계 화합물0.01~0.5 중량%; 및
카르복실산0.001~0.5 중량%
를 포함한다.
본 발명에 사용된 금속산화물 미분말은 연마제의 역할을 하며, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 CMP 슬러리에 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있으나,바람직하게는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2), 또는 티타니아(TiO2)의 미분말을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용한다.
상기 금속산화물 미분말의 평균 입자크기는 최대 500㎚ 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 200nm 이하의 것을 사용한다. 금속산화물 미분말의 입자크기가 500㎚ 보다 크면 과연마 및 스크래치 등으로 인한 반도체 제조 수율 저하를 초래할 수 있으므로 사용하지 않는 것이 좋다.
상기 금속산화물 미분말의 함량은 CMP 공정에서 요구되는 연마속도 및 평탄도 등의 측면에서 전체 슬러리 대비 1~15중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3~10중량%로 첨가된다.
본 발명에 사용된 과산화 화합물은 구리 표면을 산화시키기 위한 산화제의 역할을 하며, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 그 종류에 특별히 제한받지 않으나, 바람직하게는 과산화수소(hydrogen peroxide), 과옥소산 칼륨(potassuim periodate), 과황산 칼륨(potassuim persulfate), 또는 페리시안화 칼륨(potassium ferricyanide)을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용한다.
상기 과산화 화합물의 함량은 전체 슬러리 대비 1~5중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1.5~2.5중량%로 첨가된다. 만일 과산화 화합물의 함량이 1중량% 미만이면 연마속도가 저하되고, 5중량%를 초과하면 연마속도는 빨라지나 부식(corrosion) 현상으로 인한 라인 리세스(line recess)나 피팅(pitting) 현상이 일어나 반도체 회로작동에 문제를 일으킬 소지가 많으므로 바람직하지 않다.
본 발명에 사용된 벤젠계 화합물은 구리산화막의 강도를 향상시키는 역할을 하며, 벤조퀴논(benzoquinone), 벤질부틸프탈레이트(benzyl butyl phthalate), 벤질-디옥솔란(benzyl-dioxolane), 또는 이들의 염을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용한다.
상기 벤젠계 화합물의 함량은 전체 슬러리 대비 0.01~0.5중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05~0.1중량%로 첨가된다.
본 발명에 사용된 카르복실산은 상기 벤젠계 화합물과 더불어 구리산화막을 강화시키는 역할을 하는 것으로, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 그 종류에 특별히 제한받지 않으며, 예를 들면 시트르산 또는 시아노아세트산 등을 사용할 수 있다.
상기 카르복실산의 함량은 전체 슬러리 대비 0.001~0.5중량%인 것이 바람직하다.
상술한 성분들을 포함하는 본 발명의 연마용 슬러리는 반도체 배선 재질인 구리 또는 구리 합금을 연마하는데 매우 적합하다.
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 미분말(Aerosil 90G, Degussa사) 70g, 탈이온수 909.4g, 벤조퀴논 0.5g,50%(v/v)과산화수소수 20g 및 카르복실산 0.1g을 2ℓ의 폴리에틸렌 플라스크에 넣고 2,000rpm의 속도로 2시간 동안 고속 교반하여 혼합하였다. 상기 혼합물을 고압 분산법으로 1,200psi에서 1회 분산시켜 슬러리 상태로 만들었다. 이렇게 해서 얻어진 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth) 필터로 여과하여 연마용 슬러리를 완성하였다.
이와 같이 제조된 연마용 슬러리의 연마속도를 구리가 증착된 6인치 웨이퍼를 아래와 같은 조건하에서 2분간 연마한 후, 연마에 의해 제거된 구리층의 두께 변화로부터 측정하였다. 구리 디싱(dishing) 및 유전층 침식(erosion)은 동일한 연마용 슬러리를 사용하여 0.27㎛ 간격으로 0.36㎛ 선폭의 라인(line)이 형성된 패턴(patterned) 웨이퍼를 동일한 조건하에서 연마하여 평가하였다. 연마성능 평가 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
[연마 조건]
o 연마기 모델: 6EC(Strasbaugh社)
o 연마조건:
- 패드형 : IC1000/SubaⅣ Stacked(Rodel社)
- 평탄화 속도(platen speed) : 100rpm
- 퀼 속도(quill speed) : 80rpm
- 압력 : 8psi
- 배경 압력(background pressure) : 0psi
- 온도 : 25℃
- 슬러리 유량(slurry flow) : 150㎖/min
실시예 2
상기 실시예 1에서 벤조퀴논의 첨가량을 1.5g으로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 벤조퀴논 대신에 벤질부틸프탈레이트 0.5g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
실시예 4
상기 실시예 3에서 벤질부틸프탈레이트의 첨가량을 1.5g으로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 벤조퀴논 대신에 벤질-디옥솔란 0.5g을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
실시예 6
상기 실시예 5에서 벤질-디옥솔란의 첨가량을 1.5g으로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 벤조퀴논 대신에 벤조트리아졸을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
비교예 2
상기 비교예 1에서 카르복실산을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
비교예 3~5
상기 실시예 1, 3 및 5 각각에서 카르복실산을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였다. 그 결과는 표 1과 같다.
| 구 분 | 벤젠계 화합물 | 첨가량(g) | 카르복실산 | 연마속도(Å/min) | 구리 디싱(Å) | 유전층 침식(Å) |
| 실시예 1실시예 2실시예 3실시예 4실시예 5실시예 6비교예 1비교예 2비교예 3비교예 4비교예 5 | 벤조퀴논벤조퀴논벤질 부틸 프탈레이트벤질 부틸 프탈레이트벤질-디옥솔란벤질-디옥솔란벤조트리아졸벤조트리아졸벤조퀴논벤질 부틸 프탈레이트벤질-디옥솔란 | 0.51.50.51.50.51.50.50.50.50.50.5 | 첨가첨가첨가첨가첨가첨가첨가무첨가무첨가무첨가무첨가 | 3,2403,5404,0604,3503,2103,9803,2502,9603,2103,5103,040 | 210230340560350840390N.D.N.D.N.D.N.D. | 5205507608356201,010870N.D.N.D.N.D.N.D. |
* N.D.: not determined
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하면 구리배선의 CMP 공정시 구리산화막의 다공성과 낮은 강도로 인한 디싱 및 침식 등의 문제를 방지함과 동시에 높은 연마속도를 달성할 수 있다.
Claims (3)
- 금속산화물 미분말, 과산화 화합물, 벤젠계 화합물, 카르복실산 및 탈이온수를 포함하는 구리배선 연마용 CMP 슬러리.
- 제 1항에 있어서,상기 금속산화물 미분말이1~15 중량%,상기 과산화 화합물이1~5 중량%,상기 벤젠계 화합물이0.01~0.5 중량%, 및상기 카르복실산이0.001~0.5 중량%로 포함되고,나머지가 탈이온수인 것을 특징으로 하는 구리배선 연마용 CMP 슬러리.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 금속산화물이 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 및 티타니아(TiO2)로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상이고;상기 과산화 화합물이 과산화수소(hydrogen peroxide), 과옥소산 칼륨(potassuim periodate), 과황산 칼륨(potassuim persulfate) 및 페리시안화 칼륨(potassium ferricyanide)으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상이며;상기 벤젠계 화합물이 벤조퀴논(benzoquinone), 벤질부틸프탈레이트(benzylbutyl phthalate), 벤질-디옥솔란(benzyl-dioxolane) 및 이들의 염으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상이고; 및상기 카르복실산이 시트르산 또는 시아노아세트산인 것을 특징으로 하는 구리배선 연마용 CMP 슬러리.
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