KR20030057073A - 금속오염이 적은 금속배선 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents
금속오염이 적은 금속배선 연마용 슬러리 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 웨이퍼의 평탄화를 목적으로 하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization) 공정에 사용되는 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속산화물, 무기 산화제, 치올(Thiol) 화합물, 질산, 암모니아수 및 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이며, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물을 사용하면 웨이퍼 표면에 잔류하는 금속오염물의 양을 최소화하므로써 금속오염물이 반도체 내부로의 확산되어 부식을 유발시키는 문제점을 해결할 수 있고, CMP 공정에 요구되는 높은 연마속도를 유지할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 디바이스(device) 제조시 웨이퍼의 평탄화를 목적으로 하는 CMP(Chemical Mechanical Polishing/Planarization) 공정에 사용하는 연마용 슬러리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치올(Thiol)계 화합물을 첨가하여 금속오염을 줄인 금속배선용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다.
고집적회로의 집적도가 점차 증가함에 따라 반도체 웨이퍼의 평탄성에 대한 요구사항도 함께 증가하고 있다. 그 이유는 반도체 배선이 점점 얇아질 뿐만 아니라 밀도가 점점 증가되면서 포토레지스트 공정에서의 초점심도의 여유가 감소함으로 인하여 웨이퍼 표면의 평탄성이 중요한 문제로 부각되었기 때문이다.
웨이퍼 표면의 평탄성을 증가시키기 위한 방법으로는 SOG EB(Spin On Glass Etch Back)나 DEP'N EB(Deposition Etch Back) 등의 다양한 방법이 제안되어 왔으나, 광범위한 평탄화 및 고집적 회로에 적용되는 방법으로는 CMP 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 광범위한 평탄화가 CMP 공정에 의해서만 가능할 뿐 아니라 평탄성에 대한 만족도 면에서도 CMP 방법이 가장 우수하기 때문이다.
CMP 공정이란 반도체 웨이퍼 표면에 초순수와 연마제, 산화제, 보조 첨가제 등이 함유된 슬러리를 가한 후 연마패드와 접촉시킨 상태에서 회전 및 직선운동이 혼합된 오비탈 운동을 실시하여 웨이퍼 표면을 평탄화시키는 공정을 말한다. CMP 공정에 사용되는 슬러리는 물리적인 작용과 화학적인 작용에 의해서 웨이퍼 표면에 노출된 부분을 선택적으로 식각하여, 보다 향상되고 최적화된 평탄화를 달성하는 것을 가능케 한다.
이와 같은 CMP용 슬러리의 종류는 연마대상에 따라 구분될 수 있으며, 절연층을 연마하는 산화물(oxide)용 슬러리와 텅스텐이나 알루미늄층을 연마하는 금속(metal)용 슬러리로 분류할 수 있다. 일반적으로 금속배선(metal line) 연마용 슬러리의 경우, 연마제와 산화제, 산, 분산안정제 등을 초순수에 첨가하여 제조된다. 이때 연마제로는 금속산화물인 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 등이 가장 많이 사용되고 있으며, 산화제로는 과산화수소과 무기 산화제 등이 주로 사용되고 있다.
산화제로 과산화수소만을 사용하는 경우에는 슬러리내 과산화수소의 지속적인 분해로 인하여 연마속도가 저하되는 문제가 발생한다.
또한, USP5,980,775 및 USP5,958,288에는 과산화 화합물을 산화제로 사용하면서 금속촉매를 사용하여 산화제의 효과를 향상시키는 슬러리 제조방법이 개시되어 있으나, 이 방법은 금속촉매를 사용하므로 CMP 공정 후 세척(Cleaning)이 완벽하게 이루어지지 않거나 금속이온이 빠르게 확산되는 경우 반도체 수율이 저하되는 문제가 발생한다.
또한, USP5,225,034에는 질산은(AgNO3)을 산화제로 사용하는 슬러리 제조 방법이 개시되어 있으나, 2% 이상을 첨가해야만 일정한 연마속도를 유지할 수 있으며, 이는 분산안정성 저하, 금속오염에 의한 수율 저하라는 문제를 유발한다.
이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 연마후 웨이퍼 표면에 잔류하는 금속오염물의 양을 적게 하여 금속오염물이 반도체 내부로 확산되어 부식을 유발시키는 문제를 해결할 수 있으며 슬러리의 분산안정성을 장기적으로 유지할수 있고, CMP 공정에 요구되는 높은 연마속도를 유지할 수 있는, 금속배선의 CMP 공정에 적합한 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 금속산화물, 무기 산화제, 치올(Thiol) 화합물, 질산, 암모니아수 및 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 금속배선 연마용 슬러리 조성물은 금속산화물, 무기 산화제, 치올(Thiol) 화합물, 암모니아수 및 질산을 탈이온수에 분산시켜 제조하며, 바람직하게는
금속산화물 0.5 ∼ 25 중량%;
무기 산화제 0.0001 ∼ 0.01 중량%;
치올(Thiol) 화합물 0.05 ∼ 3.0 중량%;
암모니아수 0.0001 ∼0.01 중량%; 및
질산 0.3∼0.5 중량%
를 포함한다.
상기 금속산화물은 연마제의 역할을 하며, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 및 세리아(Ceria) 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물을 사용한다.
상기 금속산화물의 함량은 전체 슬러리 대비 0.5 ~ 25중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 실리카의 경우 3 ~ 10중량%, 알루미나의 경우 3 ~ 6중량%, 세리아의 경우 1 ∼ 3중량%가 적합하다. 만일 금속산화물의 함량이 25중량%를 초과하는 경우에는 분산안정성 및 스크래치 다량발생 등의 문제가 발생하는 반면, 0.5중량% 미만인 경우에는 분산안정성은 좋으나 CMP 공정에 요구되는 연마속도를 만족하기 어렵다.
본 발명은 무기산화제를 전체 슬러리의 무게 기준으로 100ppm이하의 미량만 첨가함으로써 금속오염에 의한 불량을 최소화할 뿐 아니라, 슬러리의 분산안정성을 장기적으로 유지하는 슬러리의 제조방법이다.
상기 무기산화제 중 Ag계 산화제로는 질산은(AgNO3), 크롬산은(Ag2CrO4), 과망간산은(AgMnO4) 등이 있으며, Fe계 산화제로는 질산철(Fe(NO3)3), 과염소산철
(Fe(ClO4)3) 등이 있고, Mg계 산화제로는 질산마그네슘(Mg(NO3)2), 과염소산마그네슘
(Mg(ClO4)2) 등이 있으며, Cr계 산화제로는 질산크롬(Cr(NO3)3), 과염소산크롬
(Cr(ClO4)3) 등이 있다.
상기 무기산화제의 함유량는 바람직하게는 전체 슬러리 대비 0.0001 ∼ 0.01 중량% 이며, 보다 바람직하게는 0.0005 ∼ 0.005중량% 이다. 0.0001 중량% 미만일 때는 CMP 공정에서 요구되는 연마 속도를 얻을 수 없으며, 0.01 중량%를 초과할 때는 분산안정성이 문제된다.
일반적으로, 이러한 무기산화제들은 유기산화제보다 강력한 산화제이다. 그러나, CMP 공정에서 이러한 산화제만으로는 높은 연마속도를 가질 수 없다. 왜냐하면, 이러한 산화제는 연마표면을 산화시켜 산화막을 형성시킨 후에는 더 이상 산화를 진행시키지 않기 때문이다.
본 발명에서는 연마표면에 형성된 산화막을 효율적으로 제거하기 위해서 치올(Thiol)기를 갖는 유기 화합물을 첨가함으로써 CMP 공정에서 요구하는 연마속도를 가질 수 있도록 하였다.
이러한 치올(Thiol)기를 가지는 화합물들의 역할은 정확하지는 않지만 산화제에 의해 형성된 산화막을 빠르게 슬러리의 수용액상으로 이동시켜 제거하므로써 미량의 무기산화제 첨가로써도 CMP 공정에서 요구하는 연마속도를 가질 수 있게 하는 것으로 추정된다.
상기 치올(Thiol)화합물의 예로서는 멜켑토아세트산, 멜켑토에탄올, 멜켑토숙신산, 멜켑토에틸 에테르 및 멜켑토프로피온산 등이 있으며, 그 함유량은 전체 슬러리 대비 0.05 ∼ 3.0 중량%이며, 보다 바람직하게는 0.1 ∼ 2.0중량% 이다. 0.05 중량% 미만일 때는 본 발명에서 얻고자 하는 특성을 얻을 수 없으며, 3.0 중량%를 초과할 때는 슬러리의 분산 안정성이 저하되거나, 연마 속도가 감소될 수 있다.
상기 암모니아수(NH4OH)의 역할은 연마입자의 분산 안정성을 향상시키며, 그 함유량은 0.0001 ∼ 0.01중량% 가 바람직하며, 상기 함량범위를 벗어난 경우에는 분산안정성이 저하되며, 연마 후 피연마층의 균일도가 감소한다.
한편, 본 발명에 사용된 질산은 pH조절제의 역할을 하며, 전체 슬러리 대비 0.3∼0.5중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. 즉, 슬러리의 pH를 2 ∼ 4로 조절하는 것이 바람직하며, pH가 4를 초과하거나 2미만이면 금속배선과 반응하여 침전물이 형성되어 CMP 공정시 스크래치가 다량 발생한다.
이하에서, 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 이하의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이에 의해 본 발명의 보호범위가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
<실시예 1>
발연 실리카(시판 Aerosil 90G)60g, 질산은 0.01g, 멜켑토아세트산 10.0g, 암모니아수 0.05g을 2ℓ의 폴리에틸렌 플라스크에 투입하고 탈이온수를 전체 조성물 중량이 1000g이 되도록 투입한 후, 질산으로 pH를 2.5로 조절하였다. 혼합된 슬러리를 2,000rpm에서 120분간 교반시켜 분산하여 얻어진 슬러리를 1㎛ 뎁스(depth) 필터를 통해 여과하여 연마용 슬러리를 제조하였다.
이와 같이 제조된 슬러리의 연마성능을 평가하고자, 텅스텐(W)이 도포된 웨이퍼를 Strasbaugh社 6EC 연마기를 이용하여 퀼속도(quill speed) 120rpm, 패드속도(pad speed) 120rpm, 슬러리 유량 150㎖/min 의 조건하에 1분간 연마하고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 2, 3>
상기 실시예 1에서 질산은의 첨가량을 각각 0.005g 및 0.05g 으로 하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며,그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 4, 5>
상기 실시예 1에서 멜켑토아세트산의 첨가량을 0.5g 및 30g 으로 하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 6 ∼ 9>
상기 실시예 1에서 질산은 대신에 크롬산은, 질산철, 질산마그네슘 또는 과염소산크롬을 사용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 10 ∼ 12>
상기 실시예 1에서 멜켑토아세트산대신에 멜켑토에탄올, 멜켑토숙신산 또는 멜켑토에틸 에테르를 사용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<실시예 13, 14>
상기 실시예 1에서 실리카 대신에 발연 알루미나 40 g 또는 실리카 20g을 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예 1, 2>
상기 실시예 1에서 질산은의 첨가량을 0.00001g 또는 20g을 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예 3 ∼ 5>
상기 실시예 1에서 멜켑토아세트산의 첨가량을 0.0g, 0.01g 또는 40g 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<비교예 6>
상기 실시예 1에서 질산을 첨가하지 않고 암모니아수로 슬러리의 pH를 7.0으로 조절한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 연마용 슬러리를 제조하고 연마성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
* 상기 잔류하는 총금속이온의 성분(Fe, Ag, Mg, Cr, Ni, Na, Cl)은 WDS(Wavelength Dispersive Spectroscopy)를 이용하여 측정한 결과임.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하면 무기산화제를 미량만 첨가해도 되므로 연마후 웨이퍼 표면에 잔류하는 금속오염물의 양을 최소화하므로써 금속오염물이 반도체 내부로의 확산되어 부식을 유발시키는 문제점을 해결할 수 있고, CMP 공정에 요구되는 높은 연마속도를 유지할 수 있다.
Claims (5)
- 금속산화물, 무기 산화제, 치올(Thiol) 화합물, 질산, 암모니아수 및 탈이온수를 포함하는 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 금속산화물이 0.5 ∼ 25 중량%;상기 무기 산화제가 0.0001 ∼ 0.01 중량%;상기 치올(Thiol) 화합물이 0.05 ∼ 3.0 중량%;상기 암모니아수가 0.0001 ∼0.01 중량%; 및질산이 0.3∼0.5 중량%포함되고, 탈이온수가 나머지인 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속산화물이 실리카(silica), 알루미나(alumina) 및 세리아(Ceria)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이고, 상기 무기 산화제가 Ag계 산화제, Fe계 산화제, Cr계 산화제, Mg계 산화제으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물이고, 상기 치올(Thiol)화합물이 멜켑토아세트산, 멜켑토에탄올, 멜켑토숙신산, 멜켑토에틸 에테르 및 멜켑토프로피온산으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물인 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 산화제가 질산은(AgNO3),크롬산은(Ag2CrO4), 과망간산은(AgMnO4), 질산철(Fe(NO3)3), 과염소산철(Fe(ClO4)3), 질산크롬(Cr(NO3)3), 과염소산크롬(Cr(ClO4)3), 질산마그네슘(Mg(NO3)2), 과염소산마그네슘(Mg(ClO4)2) 으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 화합물인 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 슬러리의 pH가 2~4 인 금속배선 연마용 슬러리 조성물.
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