KR20040019897A - 연마액 조성물 - Google Patents

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KR20040019897A
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Abstract

수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 이 연마입자 중에서의 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 함유량이 50 체적% 이상이고, 이 연마입자로서 입경이 2 ~ 58 nm 미만인 작은 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 40 ~ 75 체적% 함유하고, 입경이 58 ~ 75 nm 미만인 중간 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 0 ~ 50 체적% 함유하고, 입경이 75 ~ 200 nm 인 큰 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 10 ~ 60 체적% 함유하는 연마액 조성물, 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 연마입자가 평균 입경이 2 ~ 50 nm 인 연마입자군 (A) 과 평균 입경이 52 ~ 200 nm 인 연마입자군 (B) 을 함유하고, A 와 B 의 중량비 (A/B) 가 0.5/1 ~ 4.5/1 인 연마액 조성물, 이 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법, 상기 연마액 조성물을 사용하는, 반도체기판의 평탄화 방법, 및 상기 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판를 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법이다. 상기 연마액 조성물은, 반도체장치의 기판을 연마하는 데에 바람직하게 사용할 수 있고, 반도체장치의 제조방법은, 메모리 IC, 논리 IC 또는 시스템 LSI 등의 반도체장치의 제조에 바람직하게 사용된다.

Description

연마액 조성물{POLISHING COMPOSITION}
본 발명은 연마액 조성물, 이 연마액 조성물을 사용하는 연마방법, 반도체기판의 평탄화 방법 및 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 특히 박막을 형성한 표면에 요철을 갖는 반도체기판을 평탄화할 때에 유용한 연마액 조성물 및 이 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법, 이 연마액 조성물을 사용하는 반도체기판의 평탄화 방법, 그리고 이들을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.
현재의 극초고밀도집적회로 (ULSI) 에서는 트랜지스터 및 다른 반도체소자를 축소하여 실장밀도를 높이는 경향이 있다. 이 때문에, 여러 가지의 미세가공기술이 개발되고 있다. 그 기술의 하나로 화학적기계적연마 (Chemical Mechanical Polishing, 약칭하여 CMP) 기술이 있다. 이 기술은 반도체장치의 제조공정에서 예를 들어 매입소자분리 (Shallow Trench Isolation), 층간절연막의 평탄화, 매입금속배선 형성, 플러그 형성, 매립콘덴서 형성 등을 실시하는 데에 매우 중요한 기술이다. 그 중에서도 여러 가지의 금속, 절연막 등을 적층할 때에실시하는 연마표면의 요철부의 단차 (段差) 를 저감시키는 평탄화는 반도체장치가 미세 화, 고밀도화의 관점에서 중요한 공정이며, 신속하게 평탄화를 실현하는 것이 요구되고 있다.
상기 제조공정에서 사용되는 CMP 용 연마액으로서는 일례로서 물에 연마입자를 분산시킨 것이 사용된다. 종래, 이 연마입자에는 흄드 실리카 또는 알루미나 등의 입자를 들 수 있다. 그 중에서도 저렴하고 고순도인 점에서 흄드 실리카가 많이 사용되고 있지만, 제조과정에서 응집입자 (2차입자) 를 형성하고 있는 점에서 스크래치를 유발하기 쉬운 결점이 있다. 그 한편에서, 콜로이달 실리카라고 불리는 실리카 지립 (砥粒) 은 입자의 표면 형상이 비교적 구상이고, 또한 단일 분산에 가까워 응집입자를 형성하기 어렵기 때문에, 저 스크래치화를 기대할 수 있는 점에서 사용되기 시작하고 있지만, 일반적으로 연마속도가 낮다는 결점이 있다.
콜로이달 실리카를 사용한 연마액 조성물에 대해서는, 특정 입경 분포를 갖는 실리카 연마액이 특허문헌 1 에 개시되어 있지만, 피연마면의 표면거침도를 5 ~ 15 Å 정도 (0.5 ~ 1.5 nm 정도) 에서 3 Å 이하 (0.3 nm 이하) 로 저감시키는 것을 주목적으로 하고 있고, 이 특정 입경 분포에서는 반도체기판 표면의 100 ~ 20000 Å (10 ~ 2000 nm) 의 요철 단차를 평탄화하기에는 시간이 걸린다.
또한, 특허문헌 2 에서는 입경이 다른 2 종의 콜로이달 실리카의 혼합물을 사용한 연마용 조성물에 의해 평균 기복이 적은 연마면 (수 Å 이하) 을 얻는 것이 개시되어 있다. 이 평균 기복이 적은 연마면 (수 Å 이하) 을 얻는다는 과제는, 예를 들어 하드디스크의 소위 마무리 연마공정에서 생기는 초기 피연마면의 평균 기복이 수십 Å 으로 연마 후 면의 평균 기복이 수 Å 이하로 되는 것이 과제이고, 따라서 여기에 구체적으로 개시되어 있는 평균 기복이 수 Å 이하의 연마면이란 하드디스크의 마무리 연마 후의 면에 관한 것으로서, 본 발명이 대상으로 하는 요철 단차를 갖는 피연마면, 예를 들어 반도체기판 등의 평탄화와는 본질적으로 다르다.
또한 특허문헌 3 에는 집적회로를 평탄화하기 위하여, 평균 입경이 2 ~ 30 nm 인 작은 연마입자와, 그 2 ~ 10 배의 평균 입경을 갖는 큰 연마입자로 이루어지고, 작은 연마입자와 큰 연마입자가 체적비 5:1 ~ 100:1 인 슬러리를 사용한 CMP 방법이 개시되어 있지만, 작은 연마입자가 83 % 이상으로 대부분을 차지하고 있기 때문에 연마속도가 낮고, 평탄화 완료까지 필요로 하는 연마시간이 길어지기 때문에 평탄화 효율이라는 관점에서 불충분하다.
[특허문헌 1]
일본 공개특허공보 2001-323254 호
[특허문헌 2]
일본 공개특허공보 2002-30274 호
[특허문헌 3]
미국특허 제 6143662 호
본 발명은 단시간에 표면에 요철을 갖는 피연마면 반도체기판을 평탄화할 수있는 연마액 조성물, 이 연마액 조성물을 사용하여 요철을 갖는 피연마면 반도체기판을 평탄화하는 연마방법, 반도체기판의 평탄화 방법 및 이들을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 요지는,
[1] 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 이 연마입자 중에서의 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 함유량이 50 체적% 이상이고, 이 연마입자로서 입경이 2 ~ 58 nm 미만인 작은 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 40 ~ 75 체적% 함유하고, 입경이 58 ~ 75 nm 미만인 중간 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 0 ~ 50 체적% 함유하고, 입경이 75 ~ 200 nm 인 큰 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 10 ~ 60 체적% 함유하는 연마액 조성물,
[2] 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 연마입자가 평균 입경이 2 ~ 50 nm 인 연마입자군 (A) 과 평균 입경이 52 ~ 200 nm 인 연마입자군 (B) 을 함유하고, A 와 B 의 중량비 (A/B) 가 0.5/1 ~ 4.5/1 인 연마액 조성물,
[3] 상기 [1] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법,
[4] 상기 [2] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법,
[5] 상기 [1] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하는 반도체기판의 평탄화 방법,
[6] 상기 [2] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하는 반도체기판의 평탄화 방법,
[7] 상기 [1] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법,
[8] 상기 [2] 에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 연마액 조성물로서는 상기와 같이,
(양태 1) 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 이 연마입자 중에서의 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 함유량이 50 체적% 이상이고, 이 연마입자로서 입경이 2 ~ 58 nm 미만인 작은 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 40 ~ 75 체적% 함유하고, 입경이 58 ~ 75 nm 미만인 중간 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 0 ~ 50 체적% 함유하고, 입경이 75 ~ 200 nm 인 큰 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 10 ~ 60 체적% 함유하는 연마액 조성물, 및
(양태 2) 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 연마입자가 평균 입경이 2 ~ 50 nm 인 연마입자군 (A) 과 평균 입경이 52 ~ 200 nm 인 연마입자군 (B) 을 함유하고, A 와 B 의 중량비 (A/B) 가 0.5/1 ~ 4.5/1 인 연마액 조성물인 2 개의 양태를 들 수 있다.
양태 1 및 2 에서 상기 연마입자로서는 예를 들어 무기입자를 들 수 있고, 금속, 금속 또는 반금속의 탄화물, 금속 또는 반금속의 질화물, 금속 또는 반금속의 산화물, 금속 또는 반금속의 붕화물, 다이아몬드 등의 입자를 들 수 있다. 금속 또는 반금속 원소는 주기율표의 3A, 4A, 5A, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B 또는 8B 족에 속하는 것을 들 수 있다. 무기입자의 예로서, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화세륨, 산화티탄, 산화지르코늄, 질화규소, 이산화망간, 탄화규소, 산화아연, 다이아몬드 및 산화마그네슘의 입자를 들 수 있다.
이들의 중에서도 바람직하게는 이산화규소, 산화알루미늄, 산화세륨이고, 스크래치 저감의 관점에서 이산화규소가 보다 바람직하다. 이 구체예로서 이산화규소 입자로서는, 콜로이달 실리카 입자, 흄드 실리카 입자, 표면 수식된 실리카 입자 등 ; 산화알루미늄으로서는 α-알루미나 입자, γ-알루미나 입자, δ-알루미나 입자, θ-알루미나 입자, η-알루미나 입자, 무정형 알루미나 입자, 그 외의 제조법이 다른 흄드알루미나 입자나 콜로이달 알루미나 입자 등 ; 산화세륨으로서는 산화수가 3 가 또는 4 가인 것, 결정계가 육방정계, 등축정계 또는 면심입방정계인 것 등을 들 수 있다.
또한, 이들 중에서도 보다 바람직하게는 콜로이달 실리카 입자이다. 콜로이달 실리카 입자는 형상이 비교적 구형이고, 1차입자의 상태에서 안정적으로 분산할 수 있어 응집입자를 형성하기 어렵기 때문에 피연마 표면에 대하여 스크래치를 저감시킬 수 있다. 콜로이달 실리카 입자는 규산나트륨 등의 규산알칼리 금속염을 원료로 하는 물유리 (규산나트륨) 법 또는 테트라에톡시실란 등을 원료로하는 알콕시실란법으로 얻을 수 있다. 이들의 연마입자는 단독으로 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용해도 된다.
양태 1 에서 사용하는 연마입자는 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자를 50 체적% 이상 함유하는 것이다. 상기 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자의 함유량은 평탄화 특성이나 스크래치 저감의 관점에서 70 체적% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 85 체적% 이상이고, 특히 바람직하게는 95 체적% 이상이고, 가장 바람직하게는 100 체적% 이다.
양태 1 에서 상기 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자는 그 전체량 중 입경이 2 ~ 58 nm 미만인 작은 입경 연마입자를 40 ~ 75 체적%, 입경이 58 ~ 75 nm 미만인 중간 입경 연마입자를 0 ~ 50 체적%, 입경이 75 ~ 200 nm 인 큰 입경 연마입자를 10 ~ 60 체적% 각각 함유하는 것이다.
상기 작은 입경 연마입자의 함유량으로서는, 평탄화 특성의 관점에서 42 ~ 73 체적% 가 바람직하고, 43 ~ 72 체적% 가 보다 바람직하다. 중간 입경 연마입자의 함유량으로서는 평탄화 특성의 관점에서 0 ~ 40 체적% 가 바람직하고, 0 ~ 30 체적% 가 보다 바람직하고, 0 ~ 25 체적% 가 특히 바람직하다. 큰 입경 연마입자의 함유량으로서는, 평탄화 특성의 관점에서 13 ~ 55 체적% 가 바람직하고, 15 ~ 50 체적% 가 보다 바람직하다.
상기 연마입자의 입경 분포는 이하의 방법에 의해 구할 수 있다. 즉, 연마입자를 닛뽄덴시 제조 투과형 전자현미경「JEM-2000FX」(80 kV, 1 ~ 5 만배) 로 관찰한 사진을, 퍼스널 컴퓨터에 접속한 스캐너로 화상데이터로서 삽입하고, 해석소프트「WinROOF」 (판매원, 미타니 상사) 를 사용하여 하나 하나의 연마입자의 원 상당 직경을 구하고, 이것을 연마입자의 직경으로 간주하여 1000 개 이상의 연마입자 데이터를 해석한 후, 이것을 토대로 표계산 소프트「EXCEL」 (마이크로소프트사 제조) 로 연마입경에서 연마입자체적으로 환산한다. 먼저, 전체 연마입자 중에서의 2 nm 이상 200 nm 이하 (2 ~ 200 nm) 의 연마입자의 비율 (체적 기준%) 을 계산하고, 또한 2 nm 이상 200 nm 이하의 연마입자의 집합전체에서의 2 nm 이상 58 nm 미만 (2 ~ 58 nm 미만), 58 nm 이상 75 nm 미만 (58 ~ 75 nm 미만), 75 nm 이상 200 nm 이하 (75 ~ 200 nm) 의 3 개의 영역의 비율 (체적 기준%) 을 구한다.
양태 2 에서 사용하는 연마입자는, 평탄화 특성이나 스크래치 저감의 관점에서 상기 연마입자군 (A) 과 상기 연마입자군 (B) 의 합계를 적어도 50 중량% 이상 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70 중량% 이상이고, 더욱 바람직하게는 85 중량% 이상이고, 특히 바람직하게는 95 중량% 이상이고, 가장 바람직하게는 100 중량% 이다.
양태 2 에 사용하는 연마입자 중 연마입자군 (A) 으로서 혼합되는 연마입자의 평균 입경은 연마속도 향상의 관점에서 2 ~ 50 nm 이고, 바람직하게는 10 ~ 50 nm 이고, 특히 바람직하게는 26 ~ 50 nm 이다. 또, 연마입자군 (B) 으로서 혼합되는 연마입자의 평균 입경은 입자의 침강ㆍ분리를 방지하는 관점에서 52 ~ 200 nm 이하이고, 바람직하게는 55 ~ 170 nm 이하이다.
양태 2 에서, 또한 평탄화 특성의 관점에서 연마입자군 (A) 으로서 혼합되는 연마입자 중, 평균 입경이 최소인 연마입자 (Dmin) 와, 연마입자군 (B) 으로서 혼합되는 연마입자 중, 평균 입경이 최대인 연마입자 (Dmax) 의 평균 입경비 (Dmax/Dmin) 는 3 을 초과하는 것이 바람직하다. 또한, 평균 입경 D (nm) 는 질소흡착법에 의한 측정으로 얻어진 비표면적 S (㎡/g) 로부터 D = 2720/S 로서 산출할 수 있다.
양태 2 에서 연마입자군 (A) 과 연마입자군 (B) 의 중량비는, 하한은 평탄화 특성의 관점에서, 상한은 연마속도의 관점에서, A 와 B 의 중량비 (A/B) 는 0.5/1~ 4.5/1 이고, 바람직하게는 1.0/1 ~ 4.0/1 이다. 연마입자군 (A) 및 연마입자군 (B) 으로서 혼합할 수 있는 연마입자는 평균 입경이 규정범위 내인 것이면 각각 하나 이상 혼합 가능하다.
또, 본 발명에 사용되는 연마입자로서는 스크래치를 저감하고, 단시간에 평탄화시키는 효율적 연마의 관점에서 양태 1 및 2 에 사용되는 연마입자의 조건을 모두 만족하는 것, 즉 연마입자 중에서의 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 함유량이 50 체적% 이상이고, 이 연마입자로서 작은 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 40 ~ 75 체적% 함유하고, 중간 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 0 ~ 50 체적% 함유하고, 큰 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 10 ~ 60 체적% 함유하고, 또한 평균 입경이 2 ~ 50 nm 인 연마입자군 (A) 과 평균 입경이 52 ~ 200 nm 인 연마입자군 (B) 의 중량비 (A/B) 가 0.5/1 ~ 4.5/1 인 것을 사용할 수 있다.
양태 1 및 2 에서 연마액 조성물 중의 연마입자의 함유량은, 하한은 연마속도의 관점에서, 상한은 분산안정성이나 비용의 관점에서, 1 ~ 50 중량% 가 바람직하고, 3 ~ 40 중량% 가 보다 바람직하고, 5 ~ 30 중량% 가 특히 바람직하다.
양태 1 및 2 에서 수계 매체로서는 물 및 알코올 등 물과 서로 섞이는 용매와의 혼합매체물을 사용할 수 있지만, 물을 사용하는 것이 바람직하다. 연마액 조성물 중의 수계 매체의 양은 하한은 분산안정성의 관점에서, 상한은 연마속도의 관점에서, 40 ~ 99 중량% 가 바람직하고, 50 ~ 97 중량% 가 보다 바람직하고, 60 ~ 95 중량% 가 특히 바람직하다.
양태 1 및 2 의 연마액 조성물은 상기 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 것이다. 이러한 연마입자를 함유하는 연마액 조성물은 예를 들어, 이하의 방법에 의해 조제할 수 있다. 수계 매체 중에 배합하고 예를 들어 분말상의 연마입자이면, 필요에 따라서 추가로 분쇄하고, 초음파, 교반, 반죽혼합 등의 기계력에 의해 강제적으로 분산시키는 방법. 수계 매체 중에서 무기입자를 성장시키는 방법. 그 중에서도, 수계 매체 중에서 무기입자를 성장시키는 방법은 얻어지는 무기입자가 안정적으로 분산되어 있고, 또한 입경의 제어도 용이하여 바람직하다.
양태 1 및 2 의 연마액 조성물에는, 필요에 따라서 각종 첨가제를 배합할 수 있다. 첨가제로서는 pH 조정제, 분산안정화제, 산화제, 킬레이트제, 방부제등을 들 수 있다.
pH 조정제로서는 암모니아수, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수용성 유기아민 등의 염기성 물질, 아세트산, 옥살산, 숙신산, 글리콜산, 말산, 시트르산, 벤조산 등의 유기산 및 질산, 염산, 황산, 인산 등의 무기산 등의 산성 물질을 들 수 있다. 또한, 옥살산과 숙신산은 킬레이트제로서도 사용할 수 있다.
분산안정화제로서는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 비이온계 계면활성제 등의 계면활성제, 또는 폴리아크릴산 또는 그 염, 아크릴산 공중합체, 에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 블록 공중합체 (플루로닉류) 등의 고분자 분산제 등을 들 수 있다.
산화제로서는 과산화물, 과망간산 또는 그 염, 크롬산 또는 그 염, 질산 또는 그 염, 퍼옥소산 또는 그 염, 산소산 또는 그 염, 금속염류, 황산 등을 들 수 있다.
킬레이트제로서는 옥살산, 숙신산, 프탈산, 트리멜리트산 등의 다가 카르복실산 ; 글리콜산, 말산, 시트르산, 살리트산 등의 히드록시카르복실산 ; 니트릴로트리아세트산, 에틸렌디아민테트라아세트산 등의 폴리아미노카르복실산 ; 아미노트리(메틸렌포스폰산), 1-히드록시에틸리덴-1,1-디포스폰산 등의 포스폰산 등을 들 수 있다.
방부제로서는 벤잘코늄클로라이드, 벤제토늄클로라이드, 1,2-벤즈이소티아졸린-3-온 등을 들 수 있다.
양태 1 및 2 의 연마액 조성물의 pH 는 피연마물의 종류나 요구품질 등에 따라서 적절히 결정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이 연마액 조성물의 pH 는 피연마물의 세정성 및 가공기계의 부식방지성, 작업자의 안전성의 관점에서 2 ~ 12 가 바람직하다. 또, 피연마물이 반도체웨이퍼나 반도체소자 등의 연마, 특히 실리콘기판, 폴리실리콘기판, 산화규소막 등의 연마에 사용하는 경우에는, 연마속도 향상과 표면품질 향상의 관점에서 7 ~ 12 가 보다 바람직하고, 8 ~ 12 가 더욱 바람직하고, 9 ~ 12 가 특히 바람직하다. 이 pH 는 필요에 따라서 앞서 예시한 pH 조정제를 적절히 소정량을 배합함으로써 조정할 수 있다.
본 발명의 연마방법은 상기 양태 1 또는 2 의 연마액 조성물을 사용하여, 또는 양태 1 또는 2 의 연마액 조성물의 조성이 되도록 각 성분을 혼합하여 연마액을 조제한 것을 사용하여, 피연마표면을 연마하는 공정을 갖는 것을 가리키고, 이에 의해 특히 반도체기판 등의 정밀부품용 기판을 바람직하게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 대상인 피연마물의 재질은, 예를 들어 실리콘, 알루미늄, 니켈, 텅스텐, 구리, 탄탈, 티탄 등의 금속 또는 반금속 및 이들의 금속을 주성분으로 한 합금, 유리, 유리상 카본, 무정형 카본 등의 유리상 물질, 알루미나, 이산화규소, 질화규소, 질화탄탈, 질화티탄, 폴리실리콘 등의 세라믹 재료, 폴리이미드 수지 등의 수지 등을 들 수 있다. 특히, 유리나 PE-TEOS 막 등의 피연마면에 이산화규소를 갖는 기판이나 폴리실리콘을 갖는 기판을 연마할 때에 양태 1 또는 2 의 연마액 조성물 (이하, 본 발명의 연마액 조성물이라 함) 을 사용한 경우, 효율적으로 평탄화를 실현할 수 있다.
이들 피연마물의 형상에는 특별히 제한이 없고, 예를 들어 디스크상, 플레이트상, 슬래브상, 프리즘상 등의 평면부를 갖는 형상이나, 렌즈 등의 곡면부를 갖는 형상이 본 발명의 연마액 조성물을 사용한 연마의 대상이 된다. 그 중에서도 디스크상의 피연마물의 연마에 적합하고, 특히 요철을 갖는 반도체기판을 평탄화할목적으로 실시하는 연마에 바람직하다. 따라서, 본 발명은 반도체기판의 평탄화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 관한 요철을 갖는 피연마면에서 요철단차는 바람직하게는 100 ~ 20000 Å (10 ~ 2000 nm), 보다 바람직하게는 1000 ~ 15000 Å (100 ~ 1500 nm) 이다. 여기에서 요철 단차는 프로파일 측정장치 (예를 들어 KLA-Tencor 사 제조 HRP-100) 에 의해 구할 수 있다.
반도체기판의 연마는 실리콘웨이퍼 (베어웨이퍼) 의 폴리싱공정, 매립소자 분리막의 형성공정, 층간절연막의 평탄화공정, 매립금속배선의 형성공정, 매립콘덴서 형성공정 등에서 실시되는 연마가 있지만, 특히 삽입소자 분리막의 형성공정, 층간절연막의 평탄화공정에 적합하다.
본 발명의 연마액 조성물을 사용하는 연마방법으로서는, 특별히 제한은 없고, 일반적인 방법을 사용할 수 있다. 그 중에서도 바람직하게는 연마되는 피연마물을 유지하는 지그와 연마포를 구비하는 연마장치가 사용된다. 연마포로서는 유기고분자계의 발포체, 무발포체, 부직포상의 연마포 등을 붙인 연마반 (硏磨盤) 에 상기 피연마물을 유지하는 지그를 밀어붙여, 또는 연마포를 붙인 연마반에 상기 피연마물을 끼워 본 발명의 연마액 조성물을 피연마물 표면에 공급하고, 일정한 압력을 가하면서 연마반이나 피연마물을 움직이게 함으로써, 피연마물 표면을 연마하는 방법을 들 수 있다.
또, 본 발명의 반도체장치의 제조방법은, 요철이 있는 반도체기판의 상측에 박막을 형성하는 성막공정과, 이 박막을 연마하는 연마공정을 구비하고, 상기 연마공정에서 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 본 발명의 연마액 조성물을 이 박막표면에 공급하고, 요철이 있는 이 박막표면을 CMP 에 의해 평탄화하는 것으로 이루어지는 것으로서, 메모리 IC, 논리 IC 또는 시스템 LSI 등의 반도체장치의 제조에 바람직하게 사용된다.
이상과 같이, 본 발명의 연마액 조성물 및 이를 사용한 연마방법, 그리고 이들을 사용한 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법에 의해 효율적으로 평탄화를 실현하는 것이 가능해진다.
[실시예]
실시예1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4
연마입자로서, 표 1 에 기재된 실리카 입자를 사용하였다.
연마입자 입자종류 상품명 메이커 평균입경
(A) 연마입자① 콜로이달 실리카 Cataloid SI-30 쇼쿠바이가세이고교(주) 11 nm
연마입자② 콜로이달 실리카 Cataloid SI-40 쇼쿠바이가세이고교(주) 18 nm
연마입자③ 콜로이달 실리카 Cataloid SI-50 쇼쿠바이가세이고교(주) 26 nm
연마입자④ 콜로이달 실리카 Cataloid SI-45P 쇼쿠바이가세이고교(주) 45 nm
(B) 연마입자⑤ 콜로이달 실리카 시작품(試作品) 쇼쿠바이가세이고교(주) 58 nm
연마입자⑥ 콜로이달 실리카 Cataloid SI-80P 쇼쿠바이가세이고교(주) 80 nm
연마입자⑦ 콜로이달 실리카 Levasil50CK-30% 바이엘(주) 85 nm
연마입자⑧ 콜로이달 실리카 스페리카슬러리120 쇼쿠바이가세이고교(주) 120 nm
연마입자⑨ 콜로이달 실리카 스페리카슬러리160 쇼쿠바이가세이고교(주) 160 nm
본 발명의 연마액 조성물을 얻기 위하여, 표 1 에 기재된 실리카 입자 및 물을 사용하여 표 2 및 표 3 에 기재된 연마입자농도를 갖는 연마액 조성물 (잔여부는 물) 을 조제하였다. 또, pH 가 10.5 ~ 11.5 가 되도록 수산화칼륨 수용액으로 조정하였다. 표 2 에 기재된 연마입자농도는 하기 연마장치조건 및 연마속도 측정방법에 의해 연마속도가 약 2300 (Å/min)〔230 nm/min〕이 되도록 결정하였다.
<연마장치조건>
연마시험기 : 랩마스터 SFT 제조 LP-541 (플래턴 직경 540 mm)
연마패드 : 로델ㆍ니타사 제조 IC-1000/Suba400
플래턴 회전수 : 60 r/min
캐리어 회전수 : 58 r/min
연마액 유량 : 200 (g/min)
연마 하중 : 300 (g/㎠)
<연마속도 측정방법>
피연마재로서 8 인치 (200 mm) 실리콘기판 상에 2 ㎛ 의 PE-TEOS 를 성막한 것을 사용하여 상기 설정조건으로 2 분 연마하고, 그 연마 전후의 잔존막 두께차로부터 연마속도 (nm/min) 를 구하였다. 또, 잔존막 두께의 측정은 광간섭식 막두께계 (다이닛뽄스크린 제조 (주) VM-1000) 를 사용하였다.
평탄화 특성을 평가하기 위하여, 피연마재로서 CMP 특성평가용 시판 웨이퍼 (상품명 : SKW7-2, SKW 어소시에이트사 (SKW Associates, Inc.) 제조 : 요철단차 8000 Å (800 nm)) 를 사용하여 미리 형성된 웨이퍼 상의 요철단차가 연마에 의해 해소되기까지의 시간으로 평가를 실시하였다. 구체적으로는 상기 설정조건으로 1 분 연마마다 웨이퍼 상의 GRADUAL D90 패턴의 볼록부와 오목부의 잔존막 두께 (측정법은 상기와 동일) 를 측정하고, 이미 알려진 초기단차로부터 알 수 있는 요철단차량이 0 이 되기 (평탄화 완료) 까지 반복하여 필요한 연마시간을 측정하였다. 결과는 평탄화 완료까지의 연마시간으로 나타내어 4 분 이하를 양호라고 판단하는 것으로 한다 (표2). 이에 의해, 각 연마액의 연마속도를 모두 230 nm/min 이 되도록 처방하였음에도 불구하고, 실시예 1 ~ 5 의 평탄화 특성은 비교예 1 ~ 4 에 비교하여 양호한 것을 알 수 있다.
표 1 에 기재된 연마입자와 배합비율 (중량%) 중량비(A/B) 연마입자농도(중량%) 평탄화시간(min)
연마입자군 (A) 연마입자군 (B)
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨
실시예1 70 30 2.3/1 24 4
실시예2 70 30 2.3/1 22 4
실시예3 77 15 8 3.5/1 17 4
실시예4 23 32 45 1.2/1 22 4
실시예5 5 10 15 35 20 10 5 1.9/1 20 4
비교예1 100 A 만 20 5
비교예2 35 65 A 만 25 5
비교예3 100 B 만 13 6 이상
비교예4 90 10 A 만 30 5
전체 연마입자 중에서의 입경 2~200 nm 의 연마입자 함유량 (체적%) 입경 2~200 nm 의 연마입자 전체량에 대한 체적%
2~58 nm 미만 58~75 nm 미만 75~200 nm
실시예1 100 70.0 0.0 30.0
실시예2 100 70.0 9.4 20.6
실시예3 100 56.7 20.3 23.0
실시예4 100 46.6 8.4 45.0
실시예5 100 55.8 9.2 35.0
비교예1 100 73.7 26.3 0.0
비교예2 100 82.9 17.1 0.0
비교예3 100 3.5 11.8 84.7
비교예4 100 97.4 2.6 0.0
본 발명의 연마액 조성물은 요철이 있는 피연마면에 대하여 효율적으로 평탄화를 실현 가능한 것이고, 이 연마액 조성물을 사용함으로써, 이 연마액 조성물을사용하는 연마방법, 그리고 이들을 사용한 반도체기판를 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법을 제공하는 것이 가능해진다.

Claims (12)

  1. 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 이 연마입자 중에서의 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 함유량이 50 체적% 이상이고, 이 연마입자로서 입경이 2 ~ 58 nm 미만인 작은 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 40 ~ 75 체적% 함유하고, 입경이 58 ~ 75 nm 미만인 중간 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 0 ~ 50 체적% 함유하고, 입경이 75 ~ 200 nm 의 큰 입경 연마입자를 입경 2 ~ 200 nm 의 연마입자 전체량 중 10 ~ 60 체적% 함유하는 연마액 조성물.
  2. 수계 매체와 연마입자를 함유하여 이루어지는 연마액 조성물로서, 연마입자가 평균 입경이 2 ~ 50 nm 인 연마입자군 (A) 과 평균 입경이 52 ~ 200 nm 인 연마입자군 (B) 을 함유하고, A 와 B 의 중량비 (A/B) 가 0.5/1 ~ 4.5/1 인 연마액 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 피연마면이 반도체기판의 면인 연마액 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서, 피연마면이 반도체기판의 면인 연마액 조성물.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 연마입자가 이산화규소인 연마액 조성물.
  6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 연마입자가 이산화규소인 연마액 조성물.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법.
  8. 제 2 항 또는 제 4 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 평탄화하는 연마방법.
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하는 반도체기판의 평탄화 방법.
  10. 제 2 항 또는 제 4 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하는 반도체기판의 평탄화 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 3 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법.
  12. 제 2 항 또는 제 4 항에 기재된 연마액 조성물을 사용하여 반도체기판을 연마하는 공정을 갖는 반도체장치의 제조방법.
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