KR20050002200A - 구리의 화학적 기계적 연마를 위한 슬러리 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 산화제, 착화제, 산화방지제 및 아민 계열의 pH 조절제를 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 전체 조성물 총중량에 대하여 0.5∼20 중량% 의 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 0.05∼20 중량% 의 산화제, 0.1∼5 중량% 의 착화제, 0.001∼1.0 중량% 의 산화 방지제, 아민 계열의 pH 조절제, 및 전체 조성물 총중량이 100 중량% 가 되도록 하는 물을 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명의 슬러리는 구리막에 대한 연마율이 뛰어나고 산화물 및 질화탄탈륨에 대한 구리의 선택성이 우수하고, 그 결과, 구리배선에 대한 생산수율이 우수하며, 미세한 콜로이드 실리카 입자를 사용함으로 슬러리의 분산성이 우수하다. 또한, 구리배선의 부식속도를 조절하여 디싱과 에로션을 감소시키며 장기간 사용할 수 있는 우수한 안정성을 가지고 있다 .
Description
본 발명은 반도체의 평탄화 공정에 유용한 화학적 기계적 평탄화(이하, CMP로 기재) 에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 진보된 집적회로의 엄격한 요건을 충족시키기에 적합한 평탄화 가공에 유용한 연마용 조성물과 이를 이용한 CMP 방법에 관한 것이다.
CMP는 나노 세라믹 입자(나노 금속 산화물 입자)의 화학적 작용 및 패드에 가해지는 물리적 외력이 복합화된 기계적 제거 가공기술로서 웨이퍼를 패드 표면 위에 접촉하도록 한 상태에서 슬러리를 공급하여 슬러리 내에 있는 연마입자에 의하여 웨이퍼 표면을 기계적으로 연화시켜 슬러리의 화학물질이 쉽게 침투할 수 있도록 한 후, 웨이퍼 표면으로부터 물리적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하는 것이다.
CMP 공정은 IBM 에서 개발된 후 미국의 인텔 (Intel), 모토롤라 (Motorola), TI 와 같은 반도체 제조 회사를 중심으로 연구 개발되고 있고 국내의 대부분의 반도체 제조 공장에서도 도입되어 사용되고 있다. 1997년 IBM 에서 다마신 공정 (Damascene Process) 을 이용하여 구리를 배선재료로 이용한 반도체 디바이스를 발표한 이후 이에 대한 제조 공정의 개발이 열기를 띠고 있는 추세이다.
현재의 반도체 공정에서 반도체 소자가 다층 배선 구조를 가지게 되고 좀더 엄격한 광역 평탄화와 엄격한 초점 심도(depth of focus)를 요구하게 되었고 소자가 더욱 미세화 되고 웨이퍼가 더욱 대형화되기 때문에 CMP에 대한 수요는 급격히 증가하고 있다. 이에 따라, 현재 절연막 뿐만 아니라 금속배선 재료에 대한 연마공정과 연마 후 세정공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
반도체 제조기술의 진보는 수 백만 개의 소자를 집적시킬 수 있게 하였고 반도체 칩 내의 미세 배선 형성을 통한 고속의 전기 신호를 전달할 수 있게 하였다. 반도체 제조의 초기에는 배선을 위해 주 전도체로 알루미늄을 사용해 왔다. 그러나, 소자의 크기가 줄어듦에 따라 배선의 면적은 점점 더 줄어들고 있는데, 알루미늄은 구리에 비해 상대적으로 높은 저항 때문에 좁은 면적의 배선에 충분한 전류를 공급할 수 없다. 구리는 알루미늄보다 낮은 저항을 가지고 있기 때문에 좁은 면적에 좀 더 많은 전류를 공급할 수 있다. 이것은 칩 제조업자들에게 계산 능력이 증가된 더욱 더 빠른 칩의 제조를 가능하게 해준다. 또한, 상기 배선방법은 요구되는 금속층 수를 많이 감소시키는데, 이것은 칩의 속도를 증가시키고, 전력 소모를 줄이고, 제조 비용을 감소시킨다.
구리를 금속배선으로 사용하는 경우 플라즈마를 이용한 식각이 불가능하기 때문에, CMP 공정이 없이는 다마신 공정이 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서, CMP 공정의 중요성은 더욱 증가하고 있다.
구리의 CMP 공정은 다른 산화 막이나 금속 CMP와는 달리 1 번의 연마공정이 아닌 2 단계나 3 단계의 공정으로 이루어져 있다. 이는 슬러리에 의한 확산 방지막과 구리 그리고 절연막간의 선택비에 기인한다. 텅스텐이나 알루미늄은 텅스텐이나 알루미늄과 확산 방지막의 연마 속도가 비슷한 반면 절연막과의 선택비는 100:1 정도로 크기 때문에 연마 중 절연막을 만나면 공정을 정지하면 된다. 현재 개발된 구리 연마용 슬러리는 텅스텐이나 알루미늄 슬러리가 갖는 확산방지막과 절연막에 대한 선택비를 가질 수 없기 때문에 한번의 CMP 공정으로 구리 CMP 공정을 마칠 수 없는 문제에 봉착하게 된다. 만약 구리와 질화탄탈륨와 같은 확산 방지막의 연마속도가 비슷하고 절연체와의 선택비가 100:1 이상인 슬러리가 개발된다면 단회의 연마로 CMP 공정을 완성할 수 있을 것이다. 그러나, 현재 사용되는 대부분의 슬러리는 1 단계에서는 구리를 7000 Å/분 정도로 연마 할 수 있고 확산 방지막과의 선택비가 큰 슬러리를 이용 Cu 를 연마한 후 질화탄탈륨의 방지막을 만나면 구리와는 반응하지 않고 TaN 과 절연막과의 선택비가 1:1 인 슬러리를 이용 2 단계로 구성되어 있다. 실제 구리 CMP 공정은 Cu의 디싱과 절연막의 에로션 문제가 심각하게 대두되고 있고 균일성 (uniformity) 까지 고려한다면 복잡하고 비용이 많이 들어간다.
구리 배선을 위한 CMP 슬러리는 2 단계의 구리 CMP공정을 고려했을 때 최소한 2 종류의 전혀 다른 슬러리를 요구한다. 1 단계에서는 높은 구리 연마속도를 갖는 슬러리와 2 단계에서 확산방지막을 제거하는 슬러리를 필요로 한다.구리를 연마하기 위한 슬러리는 연마제와 산화제, 부식 방지제, 안정제 및 유기용매와 같은 다수의 화학액이 섞여 있는 혼합액으로, 원하는 연마 속도와 선택비를 갖기 위해서는 슬러리 입자의 종류, 크기, 화학액에 대한 정확한 이해가 필수적이다. 현재 상용화된 구리 슬러리의 경우, 만족할만한 연마 속도와 선택비를 갖지 못하므로 계속적인 연구와 평가가 필요한 실정이다.
현재 구리 CMP 공정에 사용되는 슬러리는 표면을 연마하는 연마 입자, 표면을 산화시키는 산화제, 에칭 시키는 에칭제, 착화제, 및 심각한 구리의 부식을 방지하는 부식방지제로 구성되어 있다. 가장 널리 사용되는 연마입자로는 알루미나 입자이며, 다른 연마입자에 비해 구리의 연마 속도가 크다고 보고되고 있다. 그러나, 입자 경도가 구리 표면 보다 크기 때문에 연마 후 구리 표면에 많은 스크래치가 발생되고 연마 후 세정에 문제가 많은 것으로 보고되고 있다. 이에 현재는 연마 속도는 상대적으로 낮지만 스크래치 발생률이 낮은 실리카나 여러 연마 입자를 혼합한 슬러리가 개발되고 있다.
구리 CMP 슬러리 개발과 관련된 결과가 문헌상에 설명되어 있다.
K. Seiichi 등의 문헌 [Abrasive-free polishing for copper damascene interconnection, Journal of the electrochemical society, 147(10) 3907-3913 (2000)] 에 의하면, 글리신과 산화제로서 과산화수소를 포함하며 연마입자를 포함하지 않은 용액으로부터 구리막을 제거시키는 모델을 설명하였다.
미국특허 제 5,897,375 호에는 카르복실레이트염 (이하, 암모늄 시트레이트로 기재) 으로 구성되는 군으로부터 선택되는 산화제, 연마제, 및 부식방지제로서트리아졸 및 물을 함유하는 구리막용 연마액, 및 이러한 연마액을 이용한 반도체 디바이스 제조 방법이 개시되어 있다.
미국특허 제 5,840,629 호는 산화제로서 크롬산 나트륨을 포함하며 황산 및 크롬산을 포함하는 구리막 연마용 연마액 및 구리막 연마 방법에 대해서 기술하고 있다.
미국특허 제 6,217,416 B1호는 제 1 연마액으로 벤조트리아졸과 같은 막형성제, 산화제, 연마제, 타르타르산과 같은 착화제를 포함하는 슬러리, 및 제 2 연마액으로 산화제, 연마제, 막형성제 및 아세트산을 포함하는 슬러리에 대해서 설명하고 있다. 제 1 연마액의 경우, 구리와 질화탄탈륨의 선택비가 7:1 내지 45:1 의 높은 선택비를 나타내고 있지만, 구리의 연마속도는 3000 Å/분 이하로 생산 수율면에서 현저히 감소된 결과를 나타내고 있다.
이상과 같이, 상기 언급한 종래의 기술들은 최적의 구리 CMP 공정을 구현하기 위하여 다양한 화학 첨가제 등이 적용되고 있지만, 반도체 디바이스의 생산수율을 높이기에 만족할 만한 구리의 연마량 및 확산방지층에 대한 선택성과 구리 연마시 발생하는 디싱 및 에로션에 대한 최적의 결과가 요구된다.
이에, 본 발명자들은 구리 CMP 공정시 발생되는 상기에 제시된 문제점을 해소하기 위해 예의 노력한 결과, 미세하고 균일한 분포를 갖는 콜로이드 입자를 갖는 연마제를 함유하고, 아민 계열의 pH 조절제로 pH 가 조절된 구리 연마용 슬러리조성물을 사용함으로써, 상기와 같은 결함을 해결할 수 있었으며, 구리막에 대한 연마력, 및 산화물 및 질화탄탈륨에 대한 구리의 선택성을 향상시킬 수 있었으며, 또한, 산화방제제와 슬러리의 pH 를 적절히 조절함으로써 높은 구리 연마율에 따른 식각현상으로 인한 패턴에서의 디싱 현상을 감소시키면서 확산방지층에 대한 선택성 증가로 인해 에로션을 감소킬수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 제 1 목적은 은 연마 가공 시 높은 연마율로 구리막을 제거함과 동시에 확산방지막과 산화막과의 선택비가 뛰어난 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제 2 목적은 제조가 간편하며 식각 현상의 현저한 감소로 인한 패턴에서의 디싱 및 에로션 감소에 효과가 있는 슬러리 조성물, 및 그를 이용한 연마 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 목적을 실현하기 위한 수단으로서, 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 산화제, 착화제, 산화 방지제 및 아민 계열의 pH 조절제를 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 전체 조성물 총중량에 대하여 0.5∼20 중량% 의 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 0.05∼20 중량% 의 산화제, 0.1∼5 중량% 의 착화제, 0.001∼1.0 중량% 의 산화 방지제, 아민 계열의 pH 조절제, 및 전체 조성물 총중량이 100 중량% 가 되도록 하는 물을 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 제공한다.
보다 바람직한 구현예로서의 본 발명은 전체 조성물 총중량에 대하여 1∼10 중량% 의 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 0.1∼10 중량% 의 산화제, 0.2∼3 중량% 의 착화제, 0.002∼0.3 중량% 의 산화 방지제, 아민 계열의 pH 조절제, 및 전체 조성물 총중량이 100 중량% 가 되도록 하는 물을 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명의 제 2 목적을 실현하기 위한 수단으로서, 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 산화제, 착화제, 산화 방지제 및 pH 조절제를 함유하는 구리의 연마용 슬러리 조성물을 혼합하는 단계; 반도체 기판에 상기 구리막 연마용 슬러리를 적용하는 단계; 및 상기 구리막 연마용 슬러리를 CMP 공정에 이용하여 구리막 및 탄탈륨-함유 화합물 막을 포함한 기판을 평탄화하는 단계를 포함하는 CMP 방법을 제공한다.
이하에서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 화학적 기계적 연마방법으로 금속 배선을 형성하기 위한 금속의 CMP 용 슬러리 조성물, 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 연마제, 산화제, 착화제, 산화 방지제, pH 조절제, 및 기타 추가 성분을 포함하며, 반도체 박막, 집적회로 박막 등의 다중레벨금속화물을 연마하는데 유용하며, CMP 공정이 유용한 금속막 및 그의 표면에 유용하다. 본 발명에 의한 슬러리 조성물은 특히 구리 및 구리함유 합금의 CMP연마에 유용하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 연마제를 함유한다. 본 발명에서 사용된 연마제는 콜로이드 입자 형태를 갖는다. 콜로이드 입자의 크기는 5~100 nm 이며, 바람직하게는 10~60 nm, 보다 바람직하게는 20~40 nm 이다. 콜로이드 입자의 크기가 5 nm 미만으로 너무 작으면, 연마속도가 떨어져 생산수율 측면에서 바람직하지 못하고, 입자 크기가 100 nm 으로 큰 경우에는 분산이 어려우며, 입자간 반응에 의하여 거대 입자를 형성하기가 용이하여, μ-스크러치를 다량 발생하는 원인이 된다. 또 다른 바람직한 면에 있어서 콜로이드 입자는 BET 로서 언급되는 약 5 m2/g내지 약 450 m2/g, 바람직하게는 50 m2/g 내지 250 m2/g의 표면적을 갖는다.
상기와 같은 콜로이드 입자는 슬러리 내에 약 0.5 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 10 중량% 의 범위로 고형분을 포함하도록 혼합한다. 연마제의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 웨이퍼표면과 패드의 마찰력이 증가하면서 산화막층을 제거하는 기계적능력이 떨어지므로 구리의 연마량이 감소하게 되며 (비교예 2 참조), 10 중량% 초과인 경우에는 콜로이달 입자의 뭉침(aggregation)현상이 발생하여 슬러리의 안정성이 떨어지며 큰 입자에 의한 스크레치가 발생하게 된다.
본 발명에서 사용하는 콜로이드 입자는 분말성 금속산화물의 분산방법과는 달리 액상의 콜로이달 입자를 수성매질에 분산시키는 방법을 사용하므로 분산이 용이하며 물리적인 분산방법 (예를 들어, 다이노밀, 제트밀) 을 동원하는 과정을 포함하지 않으므로 제조가 간편하다.
상기 콜로이드 입자 형태의 연마제로는 콜로이드 실리카, 알루미나, 세리아 및 티타니아 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 콜로이드 실리카이다.
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 산화제를 함유한다. 슬러리 조성물에 함유된 산화제는 금속층과 반응하여 그에 상응하는 산화물, 수산화물 또는 이온으로 산화시키는데 도움을 주는 역할을 하며, 예를 들어 텅스텐을 산화 텅스텐으로, 구리를 산화 구리로 산화시키는데 사용될 수 있다. 산화제에 의하여 화학적으로 산화된 금속층은 기계적으로 연마하여 산화물층을 제거하는데 유용하다. 사용될 수 있는 산화제의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 과산화수소(H2O2) 가 바람직하며, 일반적으로 슬러리에 사용되는 산화제는 약 0.05 내지 20 중량%의 범위에서 존재하는 것이 바람직하며, 약 0.1 내지 10 중량%로 존재하는 것이 가장 바람직하다.
산화제의 함량이 0.05 중량% 미만인 경우에는 산화력이 감소하며, 산화제의 함량이 20 중량% 초과인 경우에는 과량의 산화제에 의해 구리막의 착화제와의 반응력을 떨어뜨려 연마량을 감소시키게 된다.
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 착화제를 함유한다. 슬러리 내에 함유된 착화제는 2 가지 이상의 유효한 역할을 한다. 산화제에 의하여 형성된 산화물층은 기계적 방법에 의해 제거되는 한편 금속 표면에 형성된 산화물과 슬러리 내에 함유된 착화제 (킬레이트제) 의 화학적 작용에 의하여 산화물 층의 제거가 이루어지며, 또한 산화된 금속과 착물을 형성하여 산화된 층의 깊이를 제한한다. 사용될 수 있는 착화제의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 글리신, 이미노 아세트산, 이미노 디아세트산 등으로 카르복실산 아민 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있으며, 바람직한 착화제는 이미노 디아세트산이다. 상기 착화제는 본 발명의 슬러리 조성물 내에 약 0.1 중량% 내지 약 5 중량%, 바람직하게는 약 0.2 중량% 내지 3 중량% 의 함량으로 존재한다.
착화제의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 구리에 대한 킬레이트 능력이 떨어지고, 5 중량% 초과인 경우에는 슬러리에 이온강도(ionic strength) 를 증가시켜 슬러리에 겔(Gel)화 현상이 발생하여 안정성이 급격히 저하하게 된다 (비교예 1 참조).
본 발명의 슬러리 조성물에는 산화 방지제가 함유될 수 있다. 일반적으로 사용되는 산화 방지제로는 벤조트리아졸 및 트리아졸 유도체로 질소가 3 개 함유되어 있는 화합물을 들 수 있다. 본 발명에 의하면, 산화 방지제로서 또한 질소가 4 개 함유되어 있는 5-아미노테트라졸, 벤조트리아졸(BTA), 이미다졸, 피라졸, 또는 이들의 유도체 중 하나를 사용할 수 있으며, 이들 산화 방지제 중 하나 이상의 성분을 구리 CMP 슬러리에 첨가하면 웨이퍼 표면상에서 부동화층 또는 용해 억제층의 형성을 향상시키는 역할을 함으로써 구리 평면화의 향상에 도움을 줄 수 있다. 산화 방지제는 본 발명의 슬러리 조성물 내에 약 0.001 중량% 내지 1 중량%, 바람직하게는 약 0.002 중량% 내지 0.3 중량% 의 함량으로 존재한다. 산화 방지제의 양은 착화제의 양에 의존하여 변화될 수 있는 양으로서 상기 범위에 한정되지 않는다. 예를 들어, 착화제의 양이 2 배로 증가한 경우에는 산화 방지제의 양도 2 배에 해당하는 양을 첨가해야 효과가 유지될 수 있기 때문이다.
본 발명의 슬러리 조성물은 pH 조절제를 함유한다. CMP 공정의 조절을 용이하게 하기 위하여 슬러리의 pH 를 약 2.0 내지 약 12.0 의 범위, 바람직하게는 약 4.0 내지 약 9.0, 보다 바람직하게는 약 7.0 내지 약 9.0 의 범위로 유지하는 것이 유리하다. pH 조절제는 슬러리 조성물의 pH 가 상기 범위를 유지할 수 있는 양으로 첨가된다. 본 발명의 슬러리의 pH 가 예를 들어, 2 미만으로 낮을 경우, 슬러리 취급시의 문제점 및 기판 연마시 문제가 발생한다. 카르복실산 아민계열의 착화제를 사용할 경우, CMP 전구체 및 슬러리는 약 2.0 의 pH 를 가지게 되므로 pH 를 조절하는 것이 바람직하다. pH 의 조절을 위하여는 이미 공지된 산, 염기 또는 유기 아민을 사용할 수 있다. 그러나, 바람직하지 못한 금속 성분이 본 발명의 CMP 슬러리에 도입되는 것을 피하기 위해서 바람직하게는, 메틸이소프로판올아민, 모노에탄올아민 및 트리에탄올아민과 같은 알칸올 아민, 또는 테트라메틸 암모늄하이드록시드, 트리에틸아민, 디에틸렌트리아민, 및 트리에틸렌테트라아민과 같은 알칸 아민을 pH 조절제로서 사용하는 것이 바람직하며, 또한 질산, 황산, 인산 및 유기산과 같이 금속 이온을 함유하지 않은 산을 pH 조절제로서 사용할 수 있다.
이러한 알칸올 아민계열의 첨가제를 pH 조절제로 사용하여 pH 를 조절하는경우, 암모니아수 (NH4OH) 를 사용하는 경우 (비교예 3 및 4 참조) 에 비해 탄탈륨 질화막에 연마속도를 작게 하여, 구리막에 대한 선택성을 높여주는 효과를 나타낸다.
본 발명의 슬러리 조성물은 필요에 따라 분산 안정제, 소포제, pH 완충용액 등의 첨가제를 추가로 함유할 수 있다.
본 발명에 의한 슬러리 조성물은 통상의 제조방법을 이용하여 제조될 수 있으며, 슬러리 내에 함유되는 화학 조성물의 혼합 순서와는 무관하다. 본 발명의 슬러리 내의 콜로이드 입자의 분산은 특정한 분산방법의 필요 없이 프리믹싱에 의해 탈이온수에 균일하게 분산된다.
이와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 슬러리 조성물은 하나의 조성물의 형태, 예컨대 안정한 매질에 연마제, 산화제, 착화제, 산화 방지제, pH 조절제, 및 기타 첨가물이 함유된 하나의 조성물의 형태로 공급될 수 있으며, 또한 2 종 이상의 별도의 용액으로 공급되어 연마 공정시 일정비율로 혼합함으로써 본 발명의 CMP 슬러리 조성물을 생성할 수 있다. 이때, 상기 하나의 조성물의 형태로 공급될 경우 성분이 변질될 우려가 있으므로, 이를 막기 위하여는 적어도 2 개 이상의 별도의 용액으로 공급되는 것이 바람직하며, 사용하기 직전에 일정 비율로 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 용액은 연마제 (예컨대, 콜로이드 실리카), 착화제(카르복실산 아민류로부터 선택됨), 산화 방지제(예컨대, 트리아졸류로부터 선택됨), pH 조절제 (예컨대, 알칸올 아민 또는 알칸 아민) 및 기타 첨가제를 함유하는 pH 4.0 내지 9.0 의 범위를 갖는 CMP 슬러리 전구체를 포함할 수 있으며, 제 2 용액은 과산화수소를 함유한다.
본 발명의 연마조성물에서 조기에 과산화수소가 포함되어 있는 슬러리는 염기성 범위에서 빠르게 분해가 되는 성질로 인해 슬러리의 안정성이 불안하다. 따라서, 과산화수소는 연마를 시작하기 직전에 슬러리와 혼합시켜 주는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 연마 방법은 배선폭이 최소 0.5 ㎛ 에서 최대 100 ㎛ 인 구리배선을 가진 패턴이 형성된 반도체 디바이스를 상기 연마용 슬러리 조성물, 즉 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 산화물 층을 형성하는 산화제, 산화물 층과 화학적 작용을 이루는 착화제, 용해 억제층의 형성을 향상시키는 산화 방지제 및 아민 계열의 pH 조절제를 함유하는 슬러리 조성물로 연마하는 것을 포함한다. 특히, 산화제는 연마를 시작하기 직전에 슬러리와 혼합시켜 주는 것이 바람직하다. 이러한 슬러리 조성물은 펌프에 의해 100ml/분의 속도로 패드 위로 공급하면서 웨이퍼가 장착된 헤드와 패드가 부착된 테이블의 상호 마찰과 슬러리의 화학적 작용에 의해 구리의 연마가 발생된다.
본 발명에 의한 연마방법은, 높은 구리막의 연마율과 선택적으로 탄탈륨질화막의 낮은 연마율을 제공함으로써 높은 선택성 비율을 제공하며, pH와 산화 방지제의 양을 적절히 조절함에 의해 과도한 구리의 화학반응을 억제시켜 패턴상에 금속부위의 침식에 의해 발생하는 디싱을 억제한다. 또한, 1차 입자의 크기가 작고 균일하여 구리배선 상에 스크래치(scratch)나 피팅(pitting)등의 결함을 억제시키므로 반도체 디바이스의 생산수율을 높일 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다. 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 조성뿐만 아니라 본 발명의 조성물을 이용하기 위한 바람직한 방법을 제시한다.
하기 실시예에서 사용된 슬러리 조성물은 산화제 성분인 H2O2를 제외한 성분을 함유한 제 1 용액, 및 H2O2함유한 제 2 용액을 별도로 제조하여 사용하기 직전에 일정 비율로 혼합하여 사용하였다. 상기 제 1 용액에 있어서, 연마제로서는 콜로이드 실리카를 사용하였으며, 탈이온수에 분산시킨 후, 착화제 및 pH 조절제를 첨가하여 제조하였다.
제조된 슬러리 조성물의 성능 평가는 로델(Rodel)사에서 제조한 IC 1400 패드를 사용하여 전기도금으로 형성된 두께가 약 10000 Å 인 구리 블랭킷 웨이퍼에 대하여 실시하였으며, GNP POLI-380F CMP 장비를 이용하여 1분 동안 하강력 360 g/cm2, 테이블 속도 30 rpm, 헤드 속도 30 rpm 및 슬러리 유동율 100 ml/min 으로 연마를 수행하였다. 웨이퍼 상의 금속막 두께를 측정하기 위해 4 포인트 프로브에 의해 연마 속도를 측정하였다.
실시예 1 내지 20
연마제로서 콜로이드 실리카를 사용하였으며, 표 1 에 기재된 함량의 연마제, 착화제, pH 조절제, H2O2, 및 나머지 탈이온수를 함유하는 연마 슬러리 조성물을 제조하였다. 제조된 슬러리 조성물의 효과를 구리 블랭킷 웨이퍼에 대하여 평가하고, 그 결과를 표 1 에 나타내었다.
본 발명의 연마조성물의 경우, 연마제와 착화제 및 pH 조절제의 적절한 함량비에 따라 구리막의 연마속도를 증가시키고 탄탈륨 질화막에 대한 연마속도를 감소시킴으로써, 약 50 이상의 우수한 선택비를 나타내게 한다.
비교예 1 내지 4
비교예 1 에서는 착화제의 함량, 비교예 2 에서는 연마제의 함량을 본 발명의 범위를 벗어나도록 배합하였으며, 비교예 3 및 4 에서는 pH 조절제로서 NH4OH를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 연마 슬러리 조성물을 제조하여, 슬러리 조성물의 효과를 구리 블랭킷 웨이퍼에 대하여 평가하고, 그 결과를 표 1 에 나타내었다.
본 발명에서 제시한 함량 및 종류를 벗어난 경우, 양호한 선택비를 나타내지 못함을 알 수 있다.
| 번호 | 연마제(중량%) | 착화제(중량%) | pH 조절제 (중량%) | H2O2(중량%) | Cu 연마속도(Å/분) | TaN 연마속도(Å/분) | 선택비(Cu/TaN) |
| 실시예 1 | 5 | I 0.1 | EA1 0.1 | 0.5 | 2845 | 55 | 52 |
| 실시예 2 | 5 | I 0.5 | EA1 0.3 | 0.5 | 4733 | 87 | 54 |
| 실시예 3 | 5 | I 1.0 | EA1 0.5 | 0.5 | 7045 | 105 | 67 |
| 실시예 4 | 5 | I 5.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 7034 | 114 | 64 |
| 실시예 5 | 1 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 3181 | 49 | 65 |
| 실시예 6 | 3 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 3656 | 55 | 70 |
| 실시예 7 | 7 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 7838 | 80 | 98 |
| 실시예 8 | 10 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 7685 | 110 | 70 |
| 실시예 9 | 5 | I 1.0 | EA1 0.1 | 0.5 | 4963 | 84 | 59 |
| 실시예 10 | 5 | I 1.0 | EA1 0.3 | 0.5 | 5409 | 72 | 75 |
| 실시예 11 | 5 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 6552 | 25 | 262 |
| 실시예 12 | 5 | I 1.0 | EA1 2.0 | 0.5 | 5237 | 23 | 228 |
| 실시예 13 | 1 | G 0.5 | EA1 0.3 | 0.5 | 3813 | 54 | 71 |
| 실시예 14 | 3 | G 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 4593 | 77 | 60 |
| 실시예 15 | 5 | G 2.0 | EA1 1.5 | 0.5 | 5296 | 95 | 56 |
| 실시예 16 | 5 | G 5.0 | EA1 3.0 | 0.5 | 6051 | 113 | 53 |
| 실시예 17 | 5 | I 1.0 | EA2 0.1 | 0.5 | 3830 | 66 | 58 |
| 실시예 18 | 5 | I 1.0 | EA2 0.5 | 0.5 | 4234 | 59 | 77 |
| 실시예 19 | 5 | I 1.0 | EA2 1.0 | 0.5 | 5847 | 45 | 130 |
| 실시예 20 | 5 | I 1.0 | EA2 5.0 | 0.5 | 3620 | 19 | 191 |
| 비교예 1 | 5 | I 12.0 | EA1 3.0 | 0.5 | 6628 | 241 | 27 |
| 비교예 2 | 0.2 | I 1.0 | EA1 1.0 | 0.5 | 1722 | 42 | 41 |
| 비교예 3 | 5 | I 1.0 | NH4OH 1.0 | 0.5 | 5030 | 498 | 10 |
| 비교예 4 | 5 | G 1.0 | NH4OH 1.0 | 0.5 | 5899 | 603 | 10 |
| I : 이미노디아세트산EA1 : 모노에탄올아민EA2 : 메틸이소프로판올아민 |
실시예 21 및 22
각각 실시예 11 와 12 의 조성물을 사용하여 배선폭이 최소 0.5 ㎛ 에서 최대 100 ㎛ 인 구리배선을 가진 패턴이 형성된 웨이퍼를 연마하고, 그 결과를 표 2 에 나타내었다.
비교예 5 및 6
각각 비교예 1 과 3 의 조성물을 사용하여 배선폭이 최소 0.5 ㎛ 에서 최대100 ㎛ 인 구리배선을 가진 패턴이 형성된 웨이퍼를 연마하고, 그 결과를 표 2 에 나타내었다.
| 디싱 | 에로션 | |||
| 배선폭 | 0.5 ㎛ | 100 ㎛ | 0.5 ㎛ | 100 ㎛ |
| 실시예 21 | 0∼200 Å | 300∼500 Å | 50∼150 Å | 100∼300 Å |
| 실시예 22 | 50∼250 Å | 300∼600 Å | 100∼300 Å | 200∼400 Å |
| 비교예 5 | 800∼1100 Å | 1200∼1500 Å | 300∼600 Å | 500∼800 Å |
| 비교예 6 | 500∼800 Å | 700∼1000 Å | 800∼1000 Å | 1000∼1200 Å |
상기 표에서 알 수 있듯이, 구리에 대한 연마 속도 및 선택성이 뛰어난 실시예 11 의 조성물 (실시예 21) 및 실시예 12 의 조성물 (실시예 22)을 사용하여 구리 배선이 형성된 패턴 웨이퍼를 연마한 결과 낮은 디싱 및 에로션 값을 보였으며, 선택성이 낮은 비교예 11 의 조성물 (비교예 21) 및 비교예 12 의 조성물 (비교예 22)을 사용하여 구리 배선이 형성된 패턴 웨이퍼를 연마한 결과 상대적으로 높은 디싱 및 에로션 값을 나타내었다.
실시예 23 및 24
본 발명의 조성물에 대한 안정성을 알아보기 위해 각각 실시예 12 및 13 의 연마 조성물을 이용하여 60 ℃의 가혹한 조건에서 보관시켜 수명을 관찰하였다. 그 결과를 표 3 에 나타내었다.
| 시간 경과에 따른 Cu 연마속도 (Å/분) | |||||||
| 시간 (일) | 1 | 5 | 10 | 20 | 30 | 45 | 60 |
| 실시예 23 | 6620 | 6535 | 6905 | 6600 | 6480 | 6702 | 6510 |
| 실시예 24 | 5235 | 5580 | 5352 | 5282 | 5237 | 5388 | 5450 |
상기 표 3 에서 알 수 있듯이 가혹한 온도 조건에도 불구하고, 구리막에 대한 연마속도는 2 달이 경과하여도 여전히 우수하게 나타났다. 결국, 본 발명에 의한 슬러리 조성물은 안정하며, 연마성질의 수명이 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 슬러리는 구리막에 대한 연마율이 뛰어나고 산화물 및 질화탄탈륨에 대한 구리의 선택성이 우수하고, 그 결과, 구리배선에 대한 생산수율이 우수하며, 미세한 콜로이드 실리카 입자를 사용함으로 슬러리의 분산성이 우수하다. 또한, 구리배선의 부식속도를 조절하여 디싱과 에로션을 감소시키며 장기간 사용할 수 있는 우수한 안정성을 가지고 있다.
Claims (10)
- 전체 조성물 총중량에 대하여 0.5∼20 중량% 의 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 0.05∼20 중량% 의 산화제, 0.1∼5 중량% 의 착화제, 0.001∼1.0 중량% 의 산화 방지제, 아민 계열의 pH 조절제, 및 전체 조성물 총중량이 100 중량% 가 되도록 하는 물을 함유하는, 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제는 콜로이드 실리카, 알루미나, 세리아 및 티타니아로 구성된 군에서 선택되는 콜로이드 입자인 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 2 항에 있어서, 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제는 콜로이드 실리카인 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 착화제는 카르복실산 아민 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 4 항에 있어서, 착화제는 이미노 디아세트산인 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물의 pH 가 약 4.0 내지 약 9.0 의 범위인 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, pH 조절제는 알칸올 아민, 알칸 아민으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 과산화수소인 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 방지제는 트리아졸류로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 구리의 CMP 용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 구리의 CMP 용 슬러리 조성물을 이용하여 구리막 및 탄탈륨-함유 화합물 막을 포함하는 반도체 디바이스를 기계적으로 연마하는 방법으로서, 콜로이드 입자 형태를 갖는 연마제, 산화제, 착화제, 산화 방지제 및 pH 조절제를 함유하는 구리의 연마용 슬러리 조성물을 혼합하는 단계; 반도체 기판에 상기 구리막 연마용 슬러리를 적용하는 단계; 및 상기 구리막 연마용 슬러리를 CMP 공정에 이용하여 구리막 및 탄탈륨-함유 화합물 막을 포함한 기판을 평탄화하는 단계를 포함하는 방법.
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