KR20030041644A - 반도체 웨이퍼의 금속배선 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents

반도체 웨이퍼의 금속배선 연마용 슬러리 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼의 금속배선 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탈이온수, 금속산화물 미분말, 요오드계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물, 및 pH 조절제를 포함하는 금속배선 연마용 조성물에 관한 것이며, 본 발명에 의해 높은 연마속도와 평탄성, 및 연마균일성이 보장되며, 슬러리의 장기 보관시에도 분산안정성이 향상된 연마용 조성물을 제공할 수 있다.

Description

반도체 웨이퍼의 금속배선 연마용 슬러리 조성물 {SLURRY COMPOSITION FOR POLISHING METAL LINE OF SEMICONDUCTOR WAFER}
본 발명은 반도체 제조공정에서 웨이퍼 표면의 평탄화를 목적으로 하는 CMP(Chemical mechanical polishing/planarization) 공정에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다.
CMP(Chemical mechanical polishing/planarization) 공정이란, 반도체 웨이퍼의 표면을 초순수와 연마제, 산화제, 보조 첨가제 등이 첨가된 CMP용 슬러리와 폴리우레탄 재질의 연마용 패드 등을 이용하여 연마하는 공정을 말하는 것이다. 일반적인 CMP 공정은 다음과 같이 이뤄진다. CMP용 연마기에서 연마패드 및 웨이퍼를 접촉시켜 연마패드와 웨이퍼를 회전 및 직선운동을 혼합한 오비탈 운동을 실시하면서 연마제 등이 포함된 슬러리를 떨어뜨려 웨이퍼를 연마한다. CMP공정은 연마제의 물리적인 작용과 첨가된 화합물의 화학적 작용에 의해서 웨이퍼 표면에 노출된 부분을 선택적으로 제거하여, 보다 향상되고 최적화된 평탄화를 제공한다.
고집적 회로 제조시 반도체 웨이퍼의 평탄성은 집적도가 증가되면서 그 요구사항이 함께 증가되고 있다. 그 이유로는 반도체 배선이 점점 얇아질 뿐만 아니라 밀도가 점점 증가되면서 포토래지스트 공정에서의 초점심도의 여유가 작아짐으로 웨이퍼의 균일도가 중요하게 되었기 때문이다. 웨이퍼의 평탄화를 증가시키기 위한 방법으로 SOG EB(Spin on glass etch back)나 DEP'N EB (Deposition etch back) 등의 다양한 방법이 있으나 광역 평탄화 및 고집적 회로에 적용되는 방법으로 CMP 방법이 최근에 가장 많이 사용되고 있으며, 이는 광역 평탄이 CMP에서만 가능할 뿐 아니라 평탄성을 만족하는 것 또한 CMP에 의한 방법이 가장 좋기 때문이다.
CMP용 슬러리는 연마대상에 따라 구분지을 수 있으며, 절연층을 연마하는 산화물 연마용 슬러리와 텅스텐이나 알루미늄층을 연마하는 금속 연마용 슬러리로 크게 분류할 수 있다.
일반적으로 금속 연마용 슬러리의 경우 연마제, 산, 산화제, 안정제 등을 초순수에 첨가하여 제조한다. 연마제로는 금속산화물인 실리카나(SiO2), 알루미나(Al2O3) 등이 가장 많이 사용되고 있으며, 산화제로는 과산화수소와 무기 산화제들이 주로 사용되고 있다. 예를 들어 미국특허 제5,244,534호에 의하면, 연마제로 알루미나를 사용하고, 산화제로 과산화수소를 사용하며, 수산화 암모늄이나 칼륨을 첨가하여 연마용 슬러리를 제조하였다. 또한 미국특허 제5,340,370호에서는 연마제로 실리카를 사용하고, 산화제로 시아나철 칼륨을 사용하여 연마용 슬러리를 제조하였다. 이 밖에도 미국특허 제4,956,313호, 미국특허 제6,077,337호 등에 이와 관련된 기술이 언급되어 있다.
그러나 상기 미국특허 제5,244,534호의 경우 2단계로 연마를 수행해야 함으로 사용에 불편함을 가지고 있을 뿐 아니라 일정한 연마 성능을 이루는데 문제점을 가지고 있다. 더욱이 1단계 연마와 비교하여 경제적으로 비효율적 이다. 또한 과산화 수소만을 산화제로 사용할 경우 과산화 수소는 슬러리내에서 지속적으로 분해가 일어남으로 일정한 연마속도 등의 연마성능을 가지는 데는 약점을 가지고 있다. 미국특허 제5,340,370호의 경우에는 산화제로 산화철 계통의 무기 산화제를 사용하였으나 이러한 화합물의 경우 분산 안정성을 크게 떨어뜨리며, 금속이온에 의해 발생하는 오염의 원인으로 작용을 할 수 있어 반도체 칩 수율 저하를 유발시킨다. CMP에 사용되는 슬러리의 경우 연마제를 수용액상에서 분산시켜 제조되므로, 그 분산 안정성이 중요하다. 분산안정성이 저하될 경우 연마중에 웨이퍼 표면에 스크래치가 발생되거나 일정한 연마속도를 가지는데 문제점을 가지게 되며, 슬러리의 이송에 문제점이 발생할 수 있다. 그 밖에 할로겐 화합물을 산화제로 사용하는 미국특허 제5,516,346호의 경우 불소계 화합물이 첨가됨으로 인하여 연마기에 부식등이 발생하기 쉬워 장기 사용시 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슬러리 조성물에 과산화 수소의 분해를 저하시키는 인계 화합물을 첨가하여 슬러리의 산화력을 일정하게 유지시켜 균일한 연마속도를 가지도록 할 뿐 아니라, 요오드계 산화제를 함께 사용함으로써 높은 연마속도를 가지는 금속배선 연마용 슬러리 조성물을제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 탈이온수, 금속산화물 미분말, 요오드계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물, 및 pH 조절제를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
이하에서 본 발명은 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 조성물에서 물리적인 역할을 하는 연마제로는 금속산화물인 실리카, 알루미나, 지르코니아, 세리아 등이 사용된다. 실리카의 경우 1∼30중량%, 바람직하게는 3∼12중량% 범위로 첨가되는 것이 적합하며, 알루미나, 지르코니아 및 세리아의 경우, 1∼30중량%, 바람직하게는 3∼10중량% 범위로 첨가되는 것이 적합하다. 이 범위를 벗어나 첨가량이 많을 경우 분산안정성 및 연마속도를 조절하기 어려운 문제가 발생하며, 첨가량이 적을 경우 분산 안정성은 좋으나 연마입자가 적어 물리적 연마성능을 기대하기 어렵다.
본 발명의 CMP용 슬러리는 반도체 웨이퍼 상의 금속배선 등을 연마하기 위하여 사용되는 것이므로, 금속층을 산화시켜 연화시키기 위하여 산화제 및 pH 조절제가 첨가된다. 산화제 성분으로는 요오드계 화합물과 과산화수소를 첨가한다. 요오드계 화합물의 경우 슬러리의 분산 안정성을 저하시키지 않으며, 플루오린계와 달리 연마기에 부식을 발생시키지 않는 장점이 있다. 본 발명에서는 또한 과산화수소가 요오드계 화합물과 함께 사용됨으로써 연마속도를 높일 수 있기 때문에, 요오드계 화합물의 첨가량을 줄일 수 있으며, 금속오염물에 의한 오염을 줄일 수 있고, 분산안정성을 향상시키는 데도 도움을 준다.
상기 요오드계 화합물은 0.01∼0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.02∼0.1중량% 범위로 첨가하는 것이 적합하다. 상기 범위를 벗어나 과량으로 첨가되는 경우에는 슬러리의 분산안정성이 저하되며, 연마시에 추가적으로 코로젼(corrosion)이나 피칭(pitching) 현상이 일어날 수 있어, 반도체 회로의 생산 수율을 저하시키는 등의 문제점을 가지게 된다. 또한 이보다 적게 첨가하였을 경우에는 연마속도 향상의 효과가 나타나지 않는다. 이러한 요오드계 화합물로는 구체적으로 요도벤젠 디아세테이트(Iodobenzene diacetate), 요도아세트산(Iodoacetic acid), 요도에탄 (Iodoethane) 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 요도벤젠 디아세테이트를 증류수 또는 알콜에 녹여 첨가한다.
상기 과산화수소는 50 중량% 용액을 기준으로 0.5∼4.0중량%, 바람직하게는 1.0∼3.0중량% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 과량으로 첨가되는 경우 반도체 회로의 플러그 등에서 에로젼(erosion)이나 디싱(dishing)이 심하게 발생하며, 이보다 적게 첨가되는 경우 슬러리의 산화력이 약하여 정상적인 연마 성능을 가지게 하기가 어렵다.
본 발명의 슬러리 조성물에는 과산화수소가 지속적으로 분해되는 것을 방지하기 위해서 인계 화합물을 첨가한다. 상기 요오드계 화합물의 첨가량은 0.01∼0.05중량%, 보다 바람직하기로는 0.02∼0.04 중량%가 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 과량으로 첨가되는 경우 반도체 회로의 플러그 등에서 에로젼이나 디싱이 심하게 발생한다. 또한 이보다 적게 첨가되는 경우 슬러리 산화력이 너무 약하여 정상적인 연마성능을 가지게 하기 어렵다. 이러한 인계 화합물로는 구체적으로 트리메틸 포스피트(trimethyl phosphite) 또는 트리에틸 포스피트(triethyl phosphite) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 슬러리 조성물에는 pH조절제로 질산, 초산, 황산 또는 인산을 첨가한다. 상기 pH조절제는 0.3∼0.5중량% 범위로 첨가하여, 슬러리 조성물의 pH가 1.5∼4.5, 바람직하게는 2.0∼4.0의 범위가 되도록 한다. 상기 pH 범위를 벗어나 pH가 이보다 높을 경우에는 연마속도가 저하되고 스크래치가 다량 발생할 수 있으며, 이보다 낮을 경우에는 스크래치가 다량 발생하고 취급상 주의가 요구되는 단점이 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
발연 실리카(시판 Aerosil 90G) 50g, 탈이온수 923.8g, 요도벤젠 디아세테이트 0.5g, 프로판올 5g, 과산화 수소(50%) 20g, 질산 4g, 트리메틸 포스피트 0.3g의 혼합물을 2ℓ의 폴리에틸렌 플라스크에서 2,000rpm에서 90분간 교반시켜 분산하여 얻어진 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth) 필터를 이용하여 필터링하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 Strasbaugh사 6EC를 이용하여 퀼 스피드(quill speed)120rpm, 패드 스피드(pad speed) 120rpm에서 W(tungsten)이 도포된 웨이퍼를 1분간 연마하였으며, 이때 슬러리의 유량은 150㎖/min로 조절하였다. 연마후 물성측정 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 2, 3
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트의 첨가량을 각각 0.1g 및 5g 첨가한 양을 달리한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트 및 프로판올 대신에 요도아세트산을 1.0g 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트 및 프로판올 대신에 요도에탄을 1.0g 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 트리메틸 포스피트 대신에 트리에틸 포스피트를 사용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 7∼9
상기 실시예 1에서 제조된 슬러리를 각각 30일, 60일, 90일 방치한 후 물성을 평가하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예 10
상기 실시예 1에서 실리카 대신에 발연 알루미나를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트 대신에 질산철(ferric nitrate)을 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트의 첨가량을 8g으로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 요도벤젠 디아세테이트를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 4
상기 실시예 1에서 트리메틸 포스피트를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
비교예 5∼7
상기 비교예 3에서 제조된 슬러리를 각각 30일, 60일, 90일 방치한 후 물성을 평가하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
평균크기(㎛) 스크래칭(개) 제거 속도(nm/min) 에로즌(Å) 디싱(Å) WIWNU(%)
실시예1 0.155 5 3,830 520 80 2.8
실시예2 0.155 5 3,750 500 100 3.0
실시예3 0.156 7 3,880 600 120 3.1
실시예4 0.156 8 3,720 480 100 3.1
실시예5 0.155 5 3,700 510 70 2.8
실시예6 0.155 6 3,820 510 80 2.7
실시예7 0.156 6 3,720 510 75 2.9
실시예8 0.156 6 3,700 480 90 3.0
실시예9 0.158 8 3,650 470 110 3.0
실시예10 0.220 11 4,250 580 120 2.6
* 상기 에로즌 및 디싱은 선폭이 0.2㎛인 패턴 웨이퍼 기준임.
* 상기 scratch는 0.3㎛ 이상의 크기를 갖는 것임.
* WIWNU : Within wafer non uniformity.
평균크기(㎛) 스크래칭(개) 제거 속도(nm/min) 에로즌(Å) 디싱(Å) WIWNU(%)
비교예1 0.190 31 3,250 1,250 160 3.8
비교예2 0.165 32 3,950 1,120 140 3.8
비교예3 0.163 18 1,970 630 90 4.0
비교예4 0.160 15 3,260 590 80 3.2
비교예5 0.183 43 2,560 890 120 2.9
비교예6 0.192 48 2,130 920 120 3.2
비교예7 0.206 135 1,860 900 130 3.3
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 높은 연마속도와 평탄성, 및 연마균일성이 보장되며, 슬러리의 장기 보관시에도 분산안정성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 탈이온수, 금속산화물 미분말, 요오드계 화합물, 과산화수소, 인계 화합물, 및 pH조절제를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 금속산화물이 실리카, 알루미나, 지르코니아 및 세리아로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 요오드계 화합물이 요도벤젠 디아세테이트, 요도아세트산 및 요도에탄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 인계 화합물이 트리메틸 포스피트, 트리에틸 포스피트 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 금속산화물미분말의 함량이 1~30중량%, 요오드계 화합물의 함량이 0.01~0.5중량%, 과산화 수소(50%)의 함량이 0.5∼4.0중량%, 인계 화합물의 함량이 0.01~0.05중량%, pH 조절제의 함량이 0.3∼0.5중량%이며, 그 나머지가 탈이온수인 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 pH조절제가 질산, 초산, 황산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
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