KR20050029726A - 화학적 기계적 평탄화 동안 디싱 및 부식을 감소시키는 방법 - Google Patents

화학적 기계적 평탄화 동안 디싱 및 부식을 감소시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판으로부터 금속을 제거하는 슬러리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 마이크로엘렉트로닉 소자의 연마에 유용하다. 본 발명은 반도체 웨이퍼의 화학적 기계적 평탄화에 특히 유용하다. 본 발명의 슬러리 시스템은 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 포함하고, 여기서 제1 슬러리는 제2 슬러리보다 더 높은 연마제 농도를 갖는다. 본 발명의 공정은 제1 슬러리를 이용해 기판으로부터 금속을 부분적으로 제거하는 제1 연마 단계, 및 제2 슬러리를 이용해 기판으로부터 금속을 추가로 제거하는 제2 연마 단계를 포함한다.

Description

화학적 기계적 평탄화 동안 디싱 및 부식을 감소시키는 방법{PROCESS FOR REDUCING DISHING AND EROSION DURING CHEMICAL MECHANICAL PLANARIZATION}
본 출원은 2002년 8월 5일 출원된 미국 특허 출원 제60/401,109호를 우선권으로 주장하고 있고, 이는 본원에 전체로써 참고로 인용되어 있다.
발명의 요약
본 발명은 기판으로부터 금속을 제거하는 공정에 대한 것이다. 본 발명은 마이크로엘렉트로닉 소자를 연마시키는데 유용하다. 본 발명은 특히 반도체 웨이퍼(wafer)의 화학적 기계적 평탄화에 유용하다.
반도체 웨이퍼와 같은 마이크로엘렉트로닉 소자는 전형적으로 구리 연계선(interconnect)으로 가공된다. 이 구리 연계선은 이산화규소와 같은 유전체로 트랜치(trench)를 에칭(etching)시키는 단계, 탄탈륨과 같은 차단막을 트랜치에 상감하는 단계, 및 트랜치를 전기 도금용 구리로 충전시키는 단계로 구성되는 다단계 상감 공정에 의해 생산된다. 일반적으로, 두꺼운 구리 오버버든(overburden)은 충전된 트랜치의 최상부에 위치한다. 이 오버버든의 도포로 전형적으로 평평한 표면이 생성되지는 않는다. 대신, 아래쪽의 내부 충전된 트랜치에 상응하는 오버버든 내의 낮은 영역 및 트랜치 내부-사이 공간에 상응하는 높은 영역이 있다(즉, "계단식-높이 위상").
마이크로엘렉트로닉 소자 상에 다른 연계 평면을 위치시키기 위해서는, 구리 오버버든 층의 제거가 필요하다. 화학적 기계적 평탄화("CMP")는 구리 오버버든 층을 제거하는 공지된 기술이다. CMP 공정 동안, 구리 오버버든은 마이크로엘렉트로닉 소자의 표면으로부터 제거되어 실제 연계 패턴을 보여준다. 전형적인 화학적 기계적 연마 공정에서는, 마이크로엘렉트로닉 소자가 연마 패드과 접촉하게 위치된다. 마이크로엘렉트로닉 소자의 후면에 힘을 가하면서 패드를 회전시킨다. 통상적으로 "슬러리"라고 불리는 연마제를 함유하는 화학 반응성 용액을 연마 과정 동안에 패드에 가한다. 전형적으로, CMP 연마 슬러리는 실리카, 알루미나, 세리아 또는 그것들의 혼합물과 같은 연마 물질을 함유한다. 연마 공정은 슬러리가 장치/패드 계면에 공급됨에 따라 기판에 대한 패드의 회전 운동에 의해 촉진된다. 연마는 요구되는 막 두께가 제거될 때까지 이러한 방식으로 계속된다.
연마제, 및 다른 첨가제의 선택에 따라, 표면 결함, 하자, 부식, 및 침식을 최소화하면서 요구되는 연마 속도에서 금속 층이 효과적으로 연마되도록 연마 슬러리를 배합할 수 있다.
연마제 슬러리를 사용하는 구리 오버버든의 제거 공정은 당업계에 알려져 있다. 이러한 알려진 공정의 단점은 연마 패드의 압력이 연마제 입자를 기판 표면으로 압축하여, 트랜치 내부를 디싱(dishing)하고 기판 상의 패턴을 부식시키는 경향을 포함한다. 당업계에서는 이러한 디싱 및 부식을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 당업계에서는 트랜치 내부에서의 디싱 및 기판 상의 패턴의 부식을 최소화하면서 구리 오버버든을 효과적으로 제거하는 방법을 필요로 한다.
본원의 상세한 설명 및 첨부된 청구항에서 사용됨에 있어, 단수형은 명확하고 절대적으로 단수를 지칭하는 것으로 제한되지 않는 한, 복수의 것을 나타내는 것에 주의해야 한다.
이 명세서의 목적에 있어서, 다르게 지시되지 않으면, 상세한 설명 및 청구항에 사용되는 성분의 양, 반응 조건 등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 "약"이라는 용어로 변형됨을 이해해야 한다. 따라서, 다르게 지시되지 않으면, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구항 내에 개시된 수치 변수는 본 발명에 의해 수득되고자 하는 물성에 따라 변할 수 있는 근사값이다. 적어도, 그리고 청구항의 범위에 균등론의 적용을 제한하고자 하는 것이 아닌 것으로써, 각각의 수치 변수들은 적어도 보고된 유효 자리수의 측면에서, 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
본 발명의 넓은 범위에 개시된 수치 범위 및 변수가 근사값임에도 불구하고, 구체적인 실시예에서 개시된 수치는 가능한 정확하게 보고되었다. 그러나, 임의의 수치는 본질적으로 각각의 시험 방법에서 나타나는 표준 편차로부터 필연적으로 발생하는 오차를 함유한다.
본 발명을 특징짓는 특징은 이 명세서의 일부인 청구항에 상세하게 지적되어 있다. 본 발명의 이런 특징 및 다른 특징, 그것의 조작상의 장점 및 그것의 사용으로 수득되는 구체적인 제품은 다음의 상세한 설명 및 조작 실시예를 통해 보다 충분히 이해될 수 있을 것이다.
전체 오버버든을 제거하지 않은 채 제1 연마 단계에서 구리 오버버든의 계단식-높이 위상을 제거하여, 제2 단계에서 상대적으로 계단식-높이 위상이 없는 남아있는 오버버든을 본질적으로 제거하는 것이 바람직한 것으로 발견되었다.
본 발명은
(a) 기판으로부터 부분적으로 금속을 제거하기 위한 연마제를 포함하는 제1 슬러리; 및
(b) 제2 슬러리를 포함하는 슬러리 시스템을 포함하되, 여기서 상기 제1 슬러리는 상기 제2 슬러리보다 더 높은 농도의 상기 연마제를 갖는다.
본 발명은 또한 제1 슬러리 및 연마 패드를 이용하는 제1 연마 단계를 포함하는 방법을 포함한다. 제1 연마는 기판으로부터 금속의 일부를 제거할 수 있다. 제1 연마가 완료된 후에 잔류 금속은 기판 상에 남아 있다. 비한정 양태에서, 잔류 금속은 적어도 부분적으로는 층 또는 막을 형성할 수 있다. 제2 슬러리 및 연마 패드를 이용하는 제2 연마에서, 기판은 제1 슬러리보다 연마성이 작은 제2 슬러리로 추가 연마될 수 있다. 제2 연마 단계는 제1 연마 단계 후에 기판 상에 남아있는 잔류 금속을 적어도 부분적으로 제거한다.
제1 연마 단계는 모든 금속이 기판으로부터 제거되기 전에 종결될 수 있다. 제1 연마가 종결될 때, 잔류 금속은 기판 상에 잔존한다.
비한정 양태에서, 금속은 구리, 탄탈륨, 이산화규소, 또는 그것들의 혼합물을 포함할 수 있다. 추가적인 비한정 양태에서, 금속은 구리이다.
연마 공정의 제1 단계에서 구리 제거를 위한 연마 슬러리의 사용이 계단식-높이 위상의 높은 영역을 선호하는 경향을 보이고, 이에 의해 차후에 덜 연마적인 제2 슬러리에 의해 제거될 잔류 구리가 남는 것으로 생각된다. 본 발명의 한 양태에서는, 제2 슬러리에 연마제가 없을 수 있다.
본 발명의 제1 슬러리는 액체 및 연마제를 포함한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 연마제는 금속 산화물을 포함한다. 금속 산화물의 비한정 예로는 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 젠나니아, 실리카, 세리아 및 그것들의 혼합물을 들 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 제1 슬러리 내에 존재하는 연마제의 양은 선택되는 연마제에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 비한정 양태에서, 연마제는 0.1 내지 약 30.0 중량%, 또는 0.5 내지 12.0 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 다른 양태에서, 연마제는 실리카일 수 있다.
다양한 실리카 및 이의 제조 방법은 당업자에게 알려져 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 실리카는 당업계에서 알려진 광범위한 종류들로부터 선택될 수 있다. 비한정 양태에서, 실리카는 침전된 실리카일 수 있다. 다양한 침전된 실리카 및 그 제조 방법은 당업자에게 알려져 있다. 다른 비한정 양태에서, 침전된 실리카는 미국 특허 출원 제09/882,549호 및 제09/882,548호에 개시된 것으로부터 선택될 수 있고, 두 특허 출원 모두 2001년 6월 14일에 출원되었고, 현재는 미국 특허상표청에서 심사중이고; 그 관련 부분이 본원에 참고로 인용되어 있다.
다른 비한정 양태에서는, 본 발명의 연마 슬러리가 1차 입자의 응집체를 갖는 실리카를 포함하고, 여기서 상기 1차 입자는 적어도 7 nm의 평균 직경을 가지며, 상기 응집체는 1μ 미만의 응집 크기, 및 1 nm2당 적어도 7개의 하이드록실기의 하이드록실 함량을 갖는다.
실리카는 당업계에 알려진 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 일반적으로, 실리카는 가용성 금속 규화물의 수용액과 산을 조합하여 제조할 수 있다. 가용성 금속 규화물은 알칼리 금속 규화물, 예컨대 나트륨 또는 칼륨 규화물(이로 한정되지는 않는다)을 포함할 수 있다. 적합한 산은 무기산, 유기산, 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 규화물/산 슬러리는 그 후 숙성될 수 있고, 산 또는 염기가 규화물/산 슬러리에 첨가될 수 있다. 생성된 실리카 입자는 혼합물의 액체 부분으로부터 분리될 수 있다. 분리된 실리카는 물로 세척될 수 있고, 축축한 실리카는 건조될 수 있으며, 건조된 실리카는 당업계에 알려진 통상의 세척, 건조 및 분리 기술을 사용하여 다른 반응 생성물 잔기로부터 분리될 수 있다.
비한정 양태에서, 본 발명에 사용하기 위한 실리카는 입자 크기 축소 기법으로 처리될 수 있다. 실리카 내의 1차 입자의 응집체를 더 작은 응집체로 분쇄시키기 위한 다양한 기법이 당업계에 알려져 있다. 비한정 예는 습식 밀링(milling) 및 유체 에너지 밀링을 포함하지만 이로 한정되지는 않는다. 다른 비한정 양태에서는, 실리카의 1차 입자의 응집체를 국제 출원 공개 WO 제00/39056호 및 미국 특허 제5,720,551호에 개시된 장치 및 방법에 관련된 복식-제트 셀(double-jet cell) 공정을 사용하여 축소할 수 있으며; 상기 국제 출원 공개 및 미국 특허의 관련 부분은 본원에 참고로 인용되어 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 본 발명의 제1 슬러리는 연마제 및 액체를 포함한다. 비한정 양태에서, 제1 연마 슬러리는 둘 모두 2001년 6월 14일에 미국 특허 상표청에 출원되어, 현재는 심사중인 특허 출원 제09/882,549호 및 제09/882,548호에 개시된 공정에 의해 제조될 수 있으며; 상기 특허 출원은 관련 부분이 본원에 참고로 인용되어 있다. 다른 비한정 양태에서, 액체는 물일 수 있다.
연마제 및 물에 더하여, 슬러리는 산화제 및 착화제를 포함할 수 있다. 슬러리 내의 산화제의 존재는 기판 금속 층을 상응하는 산화물, 수산화물, 또는 이온으로 산화시키는 데 유용할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 산화제는 티타늄을 산화 티타늄으로, 텅스텐을 산화 텅스텐으로, 구리를 산화 구리로, 그리고 알루미늄을 산화 알루미늄으로 산화시키는 데 이용될 수 있다. 산화제 함유 슬러리는 티타늄, 질화 티타늄, 탄탈륨, 질화 탄탈륨, 구리, 텅스텐, 질화 텅스텐, 알루미늄, 알루미늄/구리 합금과 같은 알루미늄 합금, 금, 은, 백금, 루테늄, 및 다양한 혼합물 및 이들의 조합을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 금속 및 금속계 성분을 연마시키는데 사용될 수 있다.
광범위한 산화제가 본 발명의 제1 슬러리에 사용될 수 있다. 적합한 산화제는 무기 및 유기 과-화합물(per-compound), 및 보다 높은 또는 가장 높은 산화 상태의 원자를 함유하는 화합물을 포함할 수 있다. 본 상세한 설명 및 청구항에서 사용된, "과-화합물"이라는 용어는 적어도 하나의 퍼옥시기(-O-O-)를 함유하는 화합물을 의미한다. 적어도 하나의 퍼옥시기를 함유하는 화합물의 비한정 예는 과산화수소 및 그 부가물, 예컨대 우레아 하이드로겐 퍼옥사이드 및 퍼카보네이트, 유기 과산화물, 예컨대 벤질 퍼옥사이드, 과아세트산, 및 다이-t-부틸 퍼옥사이드, 모노퍼설페이트(SO5), 다이퍼설페이트(S2O5), 과산화 나트륨, 및 그것들의 혼합물을 포함할 수 있다.
더 높은 산화 상태의 원자를 함유하는 산화제의 비한정 예는 브롬산, 브롬산 염, 염소산, 염소산 염, 크롬산 염, 요오드산, 요오드산 염, 과옥소산, 과옥소산 염, 과브롬산, 과브롬산 염, 과염소산, 과염소산 염, 과붕산, 과붕산 염, 과망간산 염, 세륨(IV) 화합물, 예컨대 암모늄 세륨 니트레이트, 철 염, 예컨대 니트레이트(이로 한정되지는 않는다), 설페이트, EDTA(에틸렌다이아민 사아세트산), 및 시트레이트, 칼륨 페리시아나이드, 바나듐 트라이옥사이드 등, 및 알루미늄 염을 포함할 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 산화제는 우레아-하이드로겐 퍼옥사이드, 과산화수소, 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 산화제는 과산화수소가 될 수 있다.
제1 슬러리에 존재하는 산화제의 양은 선택된 특정 산화제에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 일반적으로, 그 양은 기판 금속 층을 상응하는 산화물, 수산화물 또는 이온으로 산화시키기에 충분해야 한다. 다른 비한정 양태에서, 산화제는 0.001 중량% 이상, 또는 0.01 중량% 이상, 또는 20.0 중량% 이하, 또는 17.0 중량% 이하, 또는 10.0 중량% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합한 착화제는 유기산 및 유기 하이드록시산을 포함할 수 있다. 유기산의 비한정 예는 다이카복시산, 트라이카복시산 및 폴리카복시산, 글루콘산, 젖산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 글리콜산, 말론산, 옥살산, 숙신산, 및 프탈산을 포함할 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 유기 하이드록시산의 비한정 예는 다이카복시, 트라이카복시 및 폴리카복시 하이드록시산을 포함할 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 또한 적절한 착화제의 비한정 예는 아미노산, 예컨대 글리신, 히스티딘, 알라닌, 및 아스파르트산; 질소 함유 헤테로 고리의 카복실산, 예컨대 피콜린산, 다이피콜린산, 퀴놀린산, 2-피라진카복실산, 퀴날딘산 및 2-퀴녹살린카복실산; 및 유기 2 자리 리간드, 예컨대 바이피리딜 유도체를 포함할 수 있다.
본 발명에 사용되는 착화제의 양은 착화제의 선택에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 비한정 양태에서, 글리신은 슬러리의 0.1 내지 5 중량%, 또는 0.5 내지 1 중량%를 구성하는 양의 착화제로써 사용될 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 피콜린산은 슬러리의 0.1 내지 5 중량%, 또는 0.5 내지 1 중량%를 구성하는 양의 착화제로써 사용될 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 본 발명의 제1 슬러리는 다음의 첨가제 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 다가 양이온 포획제, 부식 억제제, 증점제, 저지(stopping) 화합물, 정적 에칭 조절제, 촉진제, 금속 할로겐화물, 계면 활성제, 안정제 및 금속 킬레이트제.
다른 비한정 양태에서, 본 발명의 슬러리는 다가 양이온 포획제를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 다가 양이온 포획제는 다가 금속 양이온과 결합, 착화하거나 또는 그렇지 않다면 이를 포획할 수 있는 다양한 공지의 화합물을 포함할 수 있다. 다가 양이온 포획제의 비한정 예는 카복실산 및 폴리카복실산, 아미노산, 다이펩타이드 및 폴리아미노산, 폴리이민, 인산 및 다중 인산을 포함할 수 있다. 추가적인 비한정 예는 글리신, 히스티딘, 아스파르트산, 피트산, 열 폴리아스파르테이트, γ-아미노-n-부티르산, β-알라닌, L-아스파라긴, 2-아미노아이소부티르산, 시트르산, N-(포스포노메틸)이미노다이아세트산, 폴리(다이메틸실록산)-그래프트-폴리아크릴산, 4,5-이미다졸다이카복실산, 아미노트라이(메틸렌포스폰산), 폴리에틸렌이민, 아세트산, 아스파르트산-페닐알라닌 메틸 에스터, 및 2-포스포노-1,2,4-부탄트라이카복실산, 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 카르보폴(Carbopol)로 상업적으로 이용 가능한 가교결합된 폴리아크릴산, 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 굿-라이트 케이-700( GOOD-RITE K-700)으로 상업적으로 이용 가능한 폴리아크릴레이트, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 비한정 양태에서, 카르보폴 또는 굿-라이트 케이-700이 사용될 수 있다.
다가 양이온 포획제는 구리 연마 속도를 향상시키고, 정적 에칭, 부식, 점식(pitting), 착색, 실리카 분산액의 불안전성, 또는 폐기 문제를 과도하게 증가시키지 않을 정도의 양으로 존재할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 실리카계 슬러리는 그 조성물의 0 내지 5 중량%, 또는 0.001 내지 1 중량%의 다가 양이온 포획제를 포함한다.
다른 비한정 양태에서, 본 발명의 슬러리는 부식 방지제 또는 부식 억제제를 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 부식 억제제는 구리의 부식 또는 정적 에칭 속도를 억제하는 다양한 공지의 화합물, 예컨대 폴리카복실산, 폴리아미노산, 아미노산, 이민, 아졸, 카복실화된 아졸, 및 메르캅탄(이로 한정되지는 않는다)을 포함할 수 있다. 적합한 부식 억제제의 비한정 예는 벤조트라이아졸, 4-카복시벤조트라이아졸, 5-카복시벤조트라이아졸, 열 폴리아스파르테이트, 히스티딘, 메르캅토벤조트라이아졸, 피트산, 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 카르보폴(Carbopol)로 상업적으로 이용 가능한 가교결합된 폴리아크릴산, 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 굿-라이트 케이-700(GOOD-RITE K-700)으로 상업적으로 이용 가능한 폴리아크릴레이트, 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
비한정 양태에서, 피트산은 본 발명에서 다양한 양으로 사용될 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 피트산의 양은 슬러리의 적어도 0.01 중량%, 또는 적어도 0.05 중량%, 또는 0.05 내지 0.1 중량%, 또는 0.2 중량% 미만일 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 적합한 피트산의 비한정 예는 킹 인더스트리즈, 인코포레이티드(King Industries, Incorporated)로부터 상업적으로 이용 가능한 상표명 시디아이(CDI) 4302, 4403, 및 4304, 및 시디엑스(CDX) 2128 및 2165의 수용성 부식 억제제를 포함한다.
비한정 양태에서, 부식 억제제는 정적 에칭, 부식 및 점식이 충분하게 감소할 수 있고; 구리 연마 속도를 과도하게 감소시키지 않고; 착색, 실리카 분산액의 불안정성, 과잉 비용 또는 폐기 문제를 과도하게 증가시키지 않는 양으로 존재 할 수 있다.
한 양태에서, 본 발명에서 사용하기 위한 부식 억제제는 연마될 기판의 표면상에 부동화 층을 형성하는 부동화막 성형제로써 작용할 수 있다. 부식 억제제는 엘렉트로닉스 기판 층의 표면상에 부동화 층을 형성한다. 일단 부동화 층이 형성되면, 부동화 층은 그 후 교란되어 바람직한 연마 속도를 달성할 수 있게 된다. 부식 억제제는 금속의 부동화 층 및 금속 층 표면상의 용해-억제 층을 형성하는 것을 촉진시킬 수 있는 화합물 또는 화합물들의 조합을 포함할 수 있다. 기판 금속 표면 층의 부동화는 금속 표면의 습윤 에칭을 방지할 수 있다. 이러한 막 성형제는 질소 함유 헤테로 고리형 화합물을 포함하며, 여기서 화합물은 고리의 일부분에 질소를 갖는 적어도 하나의 5 또는 6 원소 헤테로사이클 고리를 포함한다. 이러한 질소 함유 5 및 6 원소 고리 화합물의 예는 1,2,3-트라이아졸, 1,2,4-트라이아졸, 벤조트라이아졸, 벤즈이미다졸 및 벤조티아졸 및 그들의 하이드록시, 아미노, 이미노, 카복시, 메르캅토, 니트로- 및 알킬 치환된 기, 우레아, 및 티오우레아, 및 그것들의 조합을 갖는 유도체를 들 수 있다. 본 발명의 한 양태에서, 부동화막 성형제는 벤조트라이아졸("BAT"), 1,2,3-트라이아졸, 1,2,4-트라이아졸, 및 그것들의 혼합물을 포함한다.
다른 비한정 양태에서, 부식 억제제 또는 부동화막 성형제는 실리카계 슬러리 조성물의 0 내지 약 0.5 중량%, 또는 적어도 0.001 중량% 이상, 또는 적어도 0.01 중량% 이상, 또는 적어도 0.1 중량% 이상, 또는 1 중량% 미만, 또는 0.5 중량% 미만, 또는 0.05 중량% 미만을 구성할 수 있다.
금속의 부동화 층 및 기판 금속 층 표면상의 용해-억제 층을 형성하는 것은 금속 표면의 습윤 에칭을 최소화하거나 또는 방지하는 데 유용할 수 있다.
다른 비한정 양태에서는, 본 발명의 슬러리가 증점제를 포함할 수 있다. 적합한 증점제는 당업계에서 알려진 다양한 증점제를 포함할 수 있다. 일반적으로 적합한 증점제는 실리카계 슬러리를 안정화시켜 침강을 감소시키는 물질을 포함한다. 비한정 예는 폴리비닐 알콜, 폴리아크릴산, 폴리사카라이드, 하이드록시 에틸 셀룰로즈 및 변형된 하이드록시에틸셀룰로즈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 글리콜의 공중합체, 알킬화된 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 이민, 폴리아미노산, 폴리아크릴아마이드, 및 폴리암산을 포함할 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 이러한 적합한 음이온 중합체의 비한정 예는 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 카르보폴(Carbopol)로 상업적으로 이용 가능한 가교결합된 폴리아크릴산, 비. 에프. 굿리치(B. F. Goodrich)로부터 상표명 굿-라이트 케이-700(GOOD-RITE K-700)으로 상업적으로 이용 가능한 폴리아크릴레이트, 시피 켈코(CP Kelco)로부터 상업적으로 이용 가능한 켈잔 에이알(Kelzan AR) 크산탄 검 폴리사카라이드, 헤르큘즈(Hercules)로부터 상업적으로 이용 가능한 나트로졸 250 엠엠알(Natrosol 250 MMR) 하이드록시에틸셀룰로즈, 에어 프로덕츠(Air Products)로부터 상업적으로 이용 가능한 에어볼(Airvol) 523 폴리비닐 알콜, 및 유니온 카바이드(Union Carbide)로부터 상업적으로 이용 가능한 폴리옥스(Polyox) 3333 폴리에틸렌 옥사이드, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
증점제는, 침강율을 충분히 감소시키지만, 펌프 능력 및 여과성이 손상되거나, 연마 과정 동안의 열 축적이 슬러리 성능에 불리해질 정도로 점성도를 과도하게 증가시키지는 않는 양으로 존재할 수 있다. 사용되는 증점제의 양은 선택되는 증점제에 따라 변할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 증점제는 0 내지 5 중량%, 또는 0.001 내지 1 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 카르보폴은 0.5 중량% 미만의 양의 증점제로써 존재할 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 증점제는 전단-안정적(shear-stable)일 수 있다. 본 상세한 설명 및 청구항에서, "전단-안정적"이라는 용어는 연마 전단 하에서, 증점제의 점성도가 충분히 감소하지 않음을 의미한다(예컨대, 연마 전의 점성도의 75% 이하로 감소하지 않는다).
본 발명의 다른 비한정 양태에서, 이전에 개시된 바와 같은 실리카의 밀링 과정 동안 및/또는 실리카의 입자 크기를 감소시키는 동안, 또는 분쇄 및/또는 실리카의 입자 축소가 완료된 후, 다가 양이온 포획제, 부식 억제제, 및 선택적으로 증점제를 실리카에 첨가할 수 있다.
본 발명의 비한정 양태에서, 다가 양이온 포획제, 부식 억제제, 및 선택적으로 증점제를 슬러리에 첨가할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 다가 양이온 포획제, 부식 억제제 및/또는 증점제는 약간의 교반 하에서 조합된 후 슬러리에 첨가된다.
다른 비한정 양태에서, 본 발명의 슬러리는 적어도 하나의 저지 화합물을 포함할 수 있다. 저지 화합물은 금속 층, 접착 층, 및/또는 기판의 유전 층과 상호 작용할 수 있고 연마될 층의 밑에 위치한 층들의 제거 속도를 억제할 수 있다. 그 결과 슬러리는 기판의 제1 층을 연마하고 제1 층 아래의 제2 층의 연마 전에 본질적으로 저지될 수 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 적합한 저지 화합물은 당업계에서 알려진 다양한 종류, 예컨대 극성 잔기, 예컨대 하이드록실, 아미노, 질소 함유 헤테로 고리, 카복실, 카보닐, 에테르, 술포닐, 또는 포스포닐 잔기를 함유하는 극성 화합물 또는 중합체(이로 한정되지는 않는다)를 포함할 수 있다. 비한정 예는 폴리비닐 알콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐피리딘, 폴리에틸렌 옥사이드, 글리콜 또는 폴리글리콜, 폴리카복실산 유도체, 예컨대 폴리아크릴산 폴리메틸 아크릴레이트를 포함할 수 있다. 본 상세한 설명 및 청구항에서 사용되는 "본질적으로 저지된"이라는 용어는 연마 조성물 또는 슬러리가 약 5:1, 또는 적어도 10:1, 또는 100:1의 제1 층과 제 2층 연마 선택도를 갖는 것을 의미한다. 저지 화합물의 선택은 그 화학적 안정도, 슬러리의 다른 성분과의 상호 작용, 및 사용되는 임의의 연마제 입자의 콜로이드 안정도에 대한 효과에 따를 수 있다.
비한정 양태에서, 연마제는 본 발명의 슬러리 내에 0 내지 20.0 중량%의 양으로 존재할 수 있고, 부식 방지제는 0 내지 1 중량%의 양으로 존재할 수 있고, 저지 화합물은 0 내지 1 중량%의 양으로 존재할 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 슬러리는 분산제를 포함할 수 있다. 적합한 분산제의 비한정 예는 폴리카복실산, 예컨대 폴리아크릴산, 가교결합된 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산; 포스폰산, 예컨대 알킬포스폰산, 아릴포스폰산, 폴리포스폰산, 및 알킬아미노포스폰산(이로 한정되지는 않는다); 폴리아미노산, 예컨대 폴리아스파르트산(이로 한정되지는 않는다)을 포함한다.
다른 비한정 양태에서, 슬러리는 계면 활성제를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 계면 활성제는 양이온성, 음이온성 및 비이온성 계면 활성제를 포함할 수 있다. 적합한 양이온성 계면 활성제는 지방족 아민 및 지방족 암모늄 염을 포함할 수 있지만 이로 한정되지는 않는다. 음이온성 계면 활성제의 비한정 예는 카복실산 염, 예컨대 지방산 비누화물, 알킬에테르 카복실레이트, 알킬 및 아릴 술폰산의 염, 예컨대 알킬벤젠술폰산, 알킬나프탈렌술폰산, 및 알파-올레핀술폰산을 포함할 수 있다(이로 한정되지는 않는다). 음이온성 계면 활성제의 비한정 예는 술폰산 에스터의 염, 예컨대 고급 알콜 술폰산 에스터, 알킬에테르 술폰산, 및 폴리옥시에틸렌 알킬페닐에테르의 술폰산 에스터 염을 포함할 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 비한정 양태에서, 음이온성 계면 활성제는 인산 에스터, 예컨대 알킬 인산 및 아릴인산 에스터(이로 한정되지는 않는다)의 염을 포함할 수 있다. 비이온성 계면 활성제의 비한정 예는 에테르, 예컨대 폴리에틸렌 알킬에테르, 에테르 에스터, 예컨대 글리세린 에스터의 폴리옥시에틸렌 에테르, 및 에스터, 예컨대 글리세린 에스터, 및 소르비탄 에스터를 포함할 수 있지만 이로 한정되지는 않는다.
비한정 양태에서, 본 발명의 슬러리는 안정제를 포함할 수 있다. 적합한 안정제는 아세트아닐라이드, 산화 주석, 및 유리 라디칼 억제제, 예컨대 무기 및 유기 산화 질소(이로 한정되지는 않는다)를 포함할 수 있다.
적합한 분산제는 폴리카복실산, 예컨대 폴리아크릴산, 가교결합된 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산; 포스폰산, 예컨대 알킬포스폰산, 아릴포스폰산, 폴리포스폰산, 및 알킬아미노포스폰산; 폴리아미노산, 예컨대 폴리아스파르트산을 포함한다.
비한정 양태에서, 산화제 및 다른 비연마 성분은, 전단 조건 하에서, 수성 매질에 충분히 용해될 때까지 수성 매질, 예컨대 탈이온수 또는 증류수로 혼합될 수 있다. 그 후 실리카가 매질로 첨가될 수 있다. 비한정 양태에서, 실리카는 침전될 수 있다. 그 후 조성물은 물과 같은 액체 내에서 분산되어 본 발명의 슬러리를 제조할 수 있다.
본 발명에서, 제1 슬러리를 사용하는 제1 연마 단계에서 제거되는 구리의 양은 제1 슬러리의 조성, 연마 시간 길이, 및 연마 조건에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 비한정 양태에서, 제1 슬러리는 100% 미만의 구리를 제거하여 잔류 구리가 잔존할 수 있게 된다. 다른 비한정 양태에서, 제1 슬러리는 10% 내지 95%, 또는 20% 내지 90%, 또는 25% 내지 85%의 구리를 기판으로부터 제거할 수 있다. 또 다른 비한정 양태에서, 잔류 구리는 적어도 부분적으로는 층 또는 막의 형태로 존재할 수 있다.
제1 단계에서의 구리 제거 속도는 제1 슬러리의 조성, 연마 시간 길이 및 연마 조건에 따라 광범위하게 변할 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 제1 단계의 구리 제거 속도는 적어도 2500, 또는 10000Å/min 미만, 적어도 5000Å/min, 또는 8000Å/min 미만이 될 수 있다.
정적 에칭 속도는 제1 연마 단계에서 광범위하게 변할 수 있다. 비한정 양태에서, 정적 에칭 속도는 구리 제거 속도의 0% 내지 20%, 또는 구리 제거 속도의 0.1% 내지 15%, 또는 1% 내지 10%일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 연마 단계가 본질적으로 완결된 후, 제2 슬러리가 제 2 연마 단계에 사용될 수 있다. 비한정 양태에서, 제1 슬러리를 이용한 제1 연마가 종결된 후 기판 및/또는 연마 패드로부터 제1 슬러리를 세척하지 않은 채 제2 슬러리를 이용한 제2 연마가 개시될 수 있다.
제1 슬러리에 대해 앞에서 개시된 다양한 연마제 및 그 공급 방법은 제2 슬러리에 있어서도 응용될 수 있다. 비한정 양태에서, 제 2 슬러리의 연마제 농도는 제1 슬러리의 연마제 농도보다 더 낮을 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 제2 슬러리의 연마제 농도는 제2 슬러리의 0 중량% 이상, 또는 10 중량% 이하, 또는 0.1 중량% 이상, 또는 1 중량% 이상, 또는 5 중량% 이하일 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 다양한 산화제, 착화제, 및 앞에서 제1 슬러리에 대해 개시된 다른 선택적인 첨가제가 제2 슬러리에 포함될 수 있다.
비한정 양태에서, 제2 슬러리의 조성은 제2 슬러리의 연마제 농도가 제1 슬러리의 연마제 농도보다 더 낮은 것을 제외하고는 제1 슬러리의 조성과 동일할 수 있다.
다른 비한정 양태에서, 제2 슬러리는 연마제를 갖지 않을 수 있다.
제2 연마 단계에서 사용하기 위한 제2 슬러리는 제1 슬러리를 이용한 제1 연마 단계가 종결되기 전에 기판 상에 잔존하는 잔류 구리를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 낮은 연마제 농도를 갖거나 또는 연마제를 갖지 않는 슬러리는, 제1 연마 단계에서 사용되는 제1 슬러리에서 나온 잔류 연마제와 연마 패드의 마멸성에 의존하여, 구리를 제거한다. 비한정 양태에서, 제2 슬러리를 사용하여 잔류 구리를 제거하기 위한 구리 제거 속도는 제1 슬러리를 사용하는 구리 제거 속도보다 더 작을 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 잔류 구리 제거를 위한 구리 제거 속도는 제1 슬러리를 사용하는 구리 제거 속도의 50% 미만, 또는 35% 미만, 또는 25% 미만, 또는 10% 미만이 될 수 있다.
제2 연마 단계에서 제2 슬러리를 사용하는 정적 에칭 속도는 제1 슬러리를 사용하는 정적 에칭 속도보다 더 작을 수 있다. 다른 비한정 양태에서, 제2 슬러리를 사용하는 정적 에칭 속도는 제1 슬러리를 사용하는 정적 에칭 속도의 0 내지 70%, 또는 적어도 10%, 또는 적어도 20%, 또는 70% 미만이 될 수 있다.
비한정 양태에서, 본 발명의 슬러리는 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 화학적 기계적 평탄화(CMP)에 유용할 수 있다. 이 양태에서, 본 발명의 제1 슬러리를 웨이퍼 기판에 도포할 수 있고, 당업계에 알려진 연마 장치 및 연마 패드를 사용하는 통상적인 수단에 의해 웨이퍼를 연마할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 CMP 장치는 아이피이시(IPEC) 472, 어플라이드 머테리얼즈 미라 메사 오알 리플랙션(Applied Materials Mirra Mesa or Reflexion), 스피드팜(Speedfam) 676, 노벨루스 모멘텀(Novellus Momentum), 람 테레스 앤 니콘 시엠피 시스템 엔피에스(Lam Terres and Nikon CMP System NPS) 2301를 포함할 수 있지만, 이로 한정되지는 않는다. 또한, 연마 패드의 선택은 수바(SUBA) IV, 폴리텍스(Polytex) 또는 피피지(PPG)의 패스트패드(FastPad) 상에 충적된 로델(Rodel)의 아이시(IC)1400, IC 1000을 포함할 수 있다.
비한정 양태에서, 본 발명의 제1 슬러리는 탄탈륨 및 다른 접착, 유전 또는 금속 층에 대해서는 낮은 연마 속도를 나타내지만, 구리는 높은 속도로 연마할 수 있다. 그 후 제2 슬러리를 부분적으로 연마된 기판에 적용할 수 있다. 제2 슬러리는 탄탈륨 또는 다른 접착, 유전, 또는 금속 층에 대해 더 높은 연마 속도를 나타내지만, 구리를 더 낮은 속도로 연마할 수 있다. 하나 이상의 접착제를 선택하여, 특정 금속, 접착제, 또는 산화물 층을 연마시키는데 있어서 요구되는 제거 속도를 원하는 높거나 낮은 속도로 조절할 수 있을 것으로 예측된다.
본 발명의 슬러리를 사용하는 연마 공정의 종결 후, 기판은 탈이온수 또는 다른 용매 또는 세정 용액으로 세척되어 기판으로부터 연마 슬러리가 제거될 수 있다. 비한정 양태에서, 이 세척 공정은 제2 슬러리를 사용하기 전에 수행될 수 있다. 제2 연마 단계의 종료 후, 제2 슬러리는 탈이온수 또는 다른 용매를 이용하여 기판으로부터 세척될 수 있고 기판은 추가 공정을 위해 준비될 수 있다.
두 가지 연마 단계 모두에 있어서, 연마 슬러리는 기판 연마 과정 동안 제어된 방법으로 기판, 연마 패드, 또는 양쪽 모두에 대해 직접적으로 사용될 수 있다. 비한정 양태에서, 슬러리는 패드에 적용될 수 있고, 패드는 기판의 맞은편에 위치될 수 있고, 패드를 기판에 대해 움직여서 기판 연마를 수행할 수 있다.
본 발명의 슬러리 및 공정은 표면 결함 및 하자를 최소화하면서, 요구되는 연마 속도로 효과적인 연마를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 슬러리 및 공정은 매립된 특징부의 디싱 및 부식을 최소화하기 위해 낮은 정적 에칭 속도를 유지하면서도 연마 동안 높은 물질 제거 속도를 제공하는 것이 바람직한 경우 특히 유용할 것이다.
금속 표본으로 직경 2.4cm의 구리 퍽(puck)을 사용하는 실험에 있어서, 퍽의 평균 중량 손실을 구리 제거 속도를 계산하는데 이용하였다. 연마 전에 연마할 퍽의 중량을 측정했다. 연마 후, 퍽의 중량을 다시 측정했고 두 값의 차를 연마에 기인한 중량 손실을 계산하는데 이용했다. 3개 퍽의 평균 중량 손실을 구리 제거 속도를 계산하는데 이용했다. 평균 중량 손실을 수 분에 걸친 평균 연마 시간으로 나누어 분당 평균 중량 손실을 계산하였다. 퍽의 단면적 및 구리의 밀도를 사용하여 분당 평균 중량 손실을 nm/min 또는 Å/min 단위의 제거 속도로 변환하였다.
스투어스 랩폴-브이(Stuers LabPol-VTM) 연마제를 퍽의 연마에 사용하였다. 운반체 및 연마 테이블 모두 반시계 방향으로 회전시켰고 60rpm의 속도로 유지시켰다. 퍽을 30N(약 9.8psi)의 하방력으로 유지시켰다. 퍽 연마용 슬러리를 퍽의 중앙부의 연마기에 고정 유속으로 공급하였다. 폴리우레탄 연마 패드를 모든 연마 실험에 사용하였다.
본원에서 사용하는 "패드 재조건화"라는 용어는 연마 패드 상의 잔존 슬러리 및 연마 생성물의 제거를 의미한다. 패드 재조건화를 하지 않으면 광택 가공 효과 때문에 연마 속도가 감소하였다. 당업계에 알려진 다양한 재조건화 기술을 사용할 수 있다.
연마 패드의 재조건화를 수바(SUBATM) 500 패드를 사용하여 수행하였다. 패드 재조건화 순서를 탈이온수를 사용한 1분의 세척, 과산화수소를 사용한 30초의 컨디셔닝, 1분간의 탈이온수 세정, 시트르산을 사용한 30초의 컨디셔닝, 및 1분간의 탈이온수 세정으로 구성하였다.
200mm의 구리 블랭킷 웨이퍼 및 패턴화 웨이퍼를 사용한 실험에 있어서, 웨이퍼를 로델 아이시1400-에이2(Rodel IC1400-A2) 패드가 있는 웨스택 372엠 로터리 시엠피(Westech 372M rotary CMP) 장치를 사용하여 연마하였다. 각각의 웨이퍼 연마(타-반응계 컨디셔닝) 사이에 탈이온수 및 다이아몬드-입도 조절-바퀴를 사용하여 패드의 컨디셔닝을 수행하였다. 인터내셔널 세마택(International SEMATECH) 또는 몬트코 실리콘 테크놀로지, 인코포레이티드(Montco Silicon Technologies, Inc.) 중 하나의 구리 블랭킷 웨이퍼를 속도 모니터로 사용하였다. 세마택(SEMATECH) 854-006 패턴화 웨이퍼를 위상 평가에 사용하였다. 모든 화학제는 에이시에스(ACS) 시약 등급이었다. 모든 용액에 탈이온수를 사용하였다. 구리 웨이퍼의 막 두께 및 프로파일을 프로메트릭스 알에스-35(Prometrix? RS-35) 4점 탐침 계량 장치 및 2.5μ반경 팁(tip)을 장착한 촉침을 가진 엠바이오즈 테크놀로지 인코포레이티드 엑스피-2(Ambios Technology Inc. XP-2) 표면 조도계로 측정하였다.
실시예 1
벤조트라이아졸, 글리신 및 과산화수소(실리카가 첨가되지 않은)를 포함하는 슬러리인 항목 1을, 실리카 농도가 변화하는 것을 제외하고는 조성이 동일한 슬러리와 비교하였다. 퍽을 60ml/min의 슬러리 공급 속도로 3분간 연마시켰다. 데이터는 실리카를 함유하는 표본의 구리 제거 속도가 실리카를 함유하지 않은 표본의 구리 제거 속도보다 더 높음을 입증하였다. 연마되는 구리 퍽에 대한 구리 제거 속도를 표 1에 기록하였다. 표 1에 나타난 구리 제거 속도가 실리카 농도의 증가에 따라 선형 감소하지 않음을 알 수 있다. 이 실시예에 기술된 실리카 농도 및 구리 제거 속도 사이의 관계가 적어도 부분적으로는 표본의 pH 변동에 기인한다는 것을 알 수 있었다.
실시예 2
벤조트라이아졸, 글리신 및 과산화수소(실리카가 첨가되지 않은)를 포함하는 용액인 항목 1을, 유사한 용액 내에서 증가된 농도의 실리카를 함유하는 슬러리와 비교하였다. 퍽을 100ml/min의 슬러리 공급 속도로 1분간 연마시켰다. 앞의 실시예에서와 유사하게, 데이터는 실리카를 함유하는 표본의 구리 제거 속도가 실리카를 함유하지 않은 표본의 구리 제거 속도보다 더 높음을 입증하였다. 연마되는 구리 퍽에 대한 구리 제거 속도를 표 2에 기록하였다. 표 1에 나타난 구리 제거 속도가 실리카 농도의 증가에 따라 선형 감소하지 않음을 알 수 있다. 이 실시예에 예시된 실리카 농도 및 구리 제거 속도 사이의 관계가 적어도 부분적으로는 표본의 pH 변동에 기인한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 슬러리 유속이 증가함에 따라 구리 제거 속도는 감소한다는 것이 입증되었다.
실시예 3
이 실시예의 슬러리는 실리카가 부재할 때 과산화수소 농도를 증가시켜(3 중량%에서 5 중량%로) 구리 제거 속도를 낮추는 것을 제외하고는 앞의 실시예 2의 슬러리와 유사했다. 벤조트라이아졸, 글리신 및 과산화수소(실리카가 첨가되지 않은)를 포함하는 용액인 항목 1을, 유사한 용액 내에서 증가된 농도의 실리카를 함유하는 슬러리와 비교하였다. 퍽을 60ml/min의 슬러리 공급 속도로 3분간 연마시켰다. 데이터는 실리카를 함유하는 표본의 구리 제거 속도가 실리카를 함유하지 않은 표본의 구리 제거 속도보다 더 높음을 입증하였다. 또한, 단지 1 중량%의 실리카를 함유하는 슬러리의 구리 제거 속도가 8 중량%의 실리카를 함유하는 슬러리의 구리 제거 속도와 크게 다르지 않다는 것이 입증되었다. 연마되는 구리 퍽에 대한 구리 제거 속도를 표 3에 보고하였다.
실시예 4
이 실시예에서는 pH 값이 상수로 유지되도록 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1에 따라 슬러리를 공급하였다. 황산 또는 수산화칼륨 중 하나로 pH를 조절하였다. 각각의 슬러리는 글리신(1 중량%), 벤조트라이아졸(1 mM) 및 과산화수소(3 중량%)를 포함하였다. 다양한 pH 값에서의 구리 제거 속도에 대한 실리카 농도의 영향을 60ml/min의 슬러리 공급 속도로 1분간 구리 퍽을 연마시킴으로써 측정하였다. 그 결과는 특정 실리카 농도에 있어서, 구리 제거 속도가 변하는 pH 수준에 따라 변화함을 입증했다. 그 결과를 표 4에 나타냈다.
실시예 5
200 mm의 구리 블랭킷 웨이퍼를 이용하여 2상의 구리 연마를 수행하였다. 이 웨이퍼는 얇은 막 층의 적층체를 갖는 규소 금속 웨이퍼로 구성되었다. 적층체는 규소 금속 상의 열 산화물(5000Å) 층, 열 산화물 상의 탄탈륨 금속(250Å) 층, 및 최상부(15000Å)의 구리 층을 포함하였다. 각각의 경우에, 웨이퍼를 실리카(8 중량%), 벤조트라이아졸(1mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(3 중량%)를 함유하는 수성 슬러리(200ml/min)로 60초간 제1 상에서 연마시켰다. 이 제1 상 연마 후에, 슬러리 유동을 중지시켰고, 탈이온수 또는 벤조트라이아졸(1mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(3 중량%)를 포함하는 (실리카가 없는) 수성 용액으로 계속 연마시켰다. 4psig의 하방력, 1psig의 운반체 배압, 및 60 rpm의 테이블 속도로 모든 연마를 수행하였다. 구리 제거 속도를 프로메트릭스 알에스-35(Prometrix RS-35TM) 4점 탐침을 사용하여 결정하였고, 이는 웨이퍼 직경을 가로지른 49회의 측정치의 평균값으로써 표 5에 기록되었다. 이 결과는 제2 상에서 물로 계속 연마하여서는 추가 구리를 거의 제거하지 못했음을 증명하였다. 그러나, 연마제 없는 화학 용액으로 연마시키고 제1 상에서 나온 패드 내에 남아있는 연마제에 의존함으로써 제2 상에서 상당한 구리 제거 속도가 유지되었다.
실시예 6
2상의 구리 연마를 200 mm의 구리 블랭킷 웨이퍼를 이용하여 수행하였다. 이 웨이퍼는 얇은 막 층의 적층체를 갖는 규소 금속 웨이퍼로 구성되었다. 적층체는 규소 금속 상의 열 산화물(5000Å) 층, 열 산화물 상의 탄탈륨 금속(250Å) 층, 및 최상부(15000Å)의 구리 층을 포함하였다. 각각의 경우에, 웨이퍼를 실리카(11 중량%), 벤조트라이아졸(1mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(5 중량%)를 함유하는 수성 슬러리로 60초간 제1 상에서 연마시켰다. 이 제1 상 연마 후에, 슬러리 유동을 중지시켰고, 탈이온수 또는 벤조트라이아졸, 글리신 및 과산화수소를 포함하는 (실리카가 없는) 수성 용액으로 계속 연마시켰다. 제2 상에 사용되는 용액의 실리카가 없는 화학 조성을 표 6에서 보이는 바와 같이 변화시켰다. 연마 조건 및 액체의 pH를 두 연마 상 모두에서 일정하게 유지시켰다(하방력 4psig, 테이블 속도 70rpm, 운반체 속도 68rpm, 운반체 배압 0psig, 슬러리 유속 190ml/min, pH 5). 구리 제거 속도를 Prometrix RS-35TM 4점 탐침을 사용하여 결정하였고, 이는 웨이퍼 직경을 가로지른 49회의 측정치의 평균값으로써 표 5에 기록되었다. 이 결과는 이 실시예에서 제2 상에서 실리카 없이 계속 연마시킴으로써 구리를 유의하게 추가로 제거하지는 못했음을 입증했다. 이 결과는 또한 제2 상(즉, 제2 연마 단계)에서의 구리 제거 속도가 제1 상(즉, 제1 연마 단계)에서의 구리 제거 속도로부터 독립적으로 변할 수 있다는 것을 입증했다.
실시예 7
2상의 구리 연마를 200 mm의 구리 블랭킷 웨이퍼를 이용하여 수행하였다. 이 웨이퍼는 얇은 막 층의 적층체를 갖는 규소 금속 웨이퍼로 구성되었다. 적층체는 규소 금속 상의 열 산화물(5000Å) 층, 열 산화물 상의 탄탈륨 금속(250Å) 층, 및 최상부(15000Å)의 구리 층을 포함하였다. 각각의 경우에, 웨이퍼를 실리카(11 중량%), 벤조트라이아졸(1mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(5 중량%)를 함유하는 수성 슬러리로 60초간 제1 상에서 연마시켰다. 이 제1 상 연마 후에, 슬러리 유동을 중지시켰고, 벤조트라이아졸, 글리신 및 과산화수소를 포함하는 (실리카가 없는) 수성 용액으로 60초간 계속 연마시켰다. 제2 상에 사용되는 용액의 실리카가 없는 화학 조성을 표 7에서 보이는 바와 같이 변화시켰다. 연마 조건 및 액체의 pH를 두 연마 상 모두에서 일정하게 유지시켰다(하방력 3psig, 테이블 속도 70rpm, 운반체 속도 68rpm, 운반체 배압 0psig, 슬러리 유속 190ml/min, pH 5). 구리 제거 속도를 Prometrix RS-35TM 4점 탐침을 사용하여 결정하였고, 이는 웨이퍼 직경을 가로지른 49회의 측정치의 평균값으로써 표 5에 기록되었다. 이 결과는 제2 상(즉, 제2 연마 단계)에서의 구리 제거 속도가 제1 상(즉, 제1 연마 단계)에서의 구리 제거 속도와는 독립적으로 변할 수 있다는 것을 입증했다.
실시예 8
2상에서의 구리 연마를 200 mm의 구리 블랭킷 웨이퍼를 이용하여 수행하였다. 이 웨이퍼는 얇은 막 층의 적층체를 갖는 규소 금속 웨이퍼로 구성되었다. 적층체는 규소 금속 상의 열 산화물(5000Å) 층, 열 산화물 상의 탄탈륨 금속(250Å) 층, 및 최상부(15000Å)의 구리 층을 포함하였다. 각각의 경우에, 웨이퍼를 실리카(11 중량%), 벤조트라이아졸(1mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(5 중량%)를 함유하는 수성 슬러리로 60초간 제1 상에서 연마시켰다. 이 제1 상 연마 후에, 슬러리 유동을 중지시켰고, 벤조트라이아졸(3mM), 글리신(1 중량%) 및 과산화수소(8 중량%)를 포함하는 (실리카가 없는) 수성 용액으로 계속 연마시켰다. 연마 조건 및 액체의 pH를 두 연마 상 모두에서 일정하게 유지시켰다(하방력 3psig, 테이블 속도 70rpm, 운반체 속도 68rpm, 운반체 배압 0psig, 슬러리 유속 190ml/min, pH 5). 각각의 웨이퍼를 각각의 제2 상 시간 간격 동안 연마시켰다. 구리 제거 속도를 Prometrix RS-35TM 4점 탐침을 사용하여 결정하였고, 이는 웨이퍼 직경을 가로지른 49회의 측정치의 평균값으로써 표 8에 기록되었다. 이 데이터는 패드가 제1 상(즉, 제1 연마 단계) 연마 조건 후에도 충분히 연마성이어서 적어도 4분간 제2 상(즉, 제2 연마 단계)에서 비교적 일정한 제거 속도를 유지시키는 것을 입증했다.
실시예 9
SEMATECH 854 패턴화 웨이퍼를 실리카(11 중량%), 과산화수소(5 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 슬러리로 105초간 연마시켰다. 과산화수소(8 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(3 mM)을 포함하지만, 실리카를 갖지 않는 액체로 추가 285초간 계속 연마시켰다. 육안으로 구리 오버버든이 웨이퍼로부터 95% 이상 제거됨을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면의 직경에 걸친 9개의 개별적인 다이(die)에 대한 여러 특징부에서 디싱을 측정하였다. 이들 특징부의 평균 디싱값을 표 9에 개시하였다. 그 결과는 마지막 상에 연마제를 함유하지 않은 반응성 액체를 사용하는 구리 오버버든 제거용 2-상 연마가, 전체 연마 과정 내내 연마제 함유 슬러리를 사용하는 유사한 연마와 비교할 때, 선 디싱을 감소시킬 수 있다는 것을 입증하였다.
실시예 10
이 실시예에 사용되는 연마제는 다이클로로다이메틸실란과의 반응으로 표면-변형된 실리카이다. SEMATECH 854 패턴화 웨이퍼를 표면-변형된 실리카(11 중량%), 과산화수소(5 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 슬러리로 95초간 연마시켰다. 과산화수소(8 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(3 mM)을 포함하지만, 표면-변형된 실리카를 갖지 않는 액체로 추가 275초간 계속 연마시켰다. 육안으로 구리 오버버든이 웨이퍼로부터 95% 이상 제거됨을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면의 직경에 걸친 9개의 개별적인 다이에 대한 여러 특징부에서 디싱을 측정하였다. 이들 특징부의 평균 디싱값을 표 10에 개시하였다. 그 결과는 구리 연마의 제1 상에 표면-변형된 연마제를 사용하는 것이 비변형 연마제를 사용하는 유사한 연마와 비교할 때 선 디싱을 더욱 감소시킬 수 있다는 것을 입증했다. 웨이퍼 반경의 중간부에 위치한 다이에서의 하나의 50-50μ 특징부에서 얻어진 데이터는 제2 액체-단일 상에서의 215초간의 연마 후의 디싱이 275초 후의 최종값의 약 52%에 해당함을 나타냈다. 이 데이터는 이 다상 공정이 넓은 과연마 윈도(window)를 갖는 것을 나타냈다.
실시예 11
SEMATECH 854 패턴화 웨이퍼를 실리카(11 중량%), 과산화수소(4 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 수성 슬러리로 105초간 4.5psig의 하방력으로 연마시켰다. 동일한 수성 슬러리로 추가 90초간 1psig의 하방력으로 계속 연마시켰다. 육안으로 구리 오버버든이 웨이퍼로부터 95% 이상 제거됨을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면의 반경에 걸친 3개의 개별적인 다이에 대한 여러 특징부에서 디싱을 측정하였다. 이들 특징부의 평균 디싱값을 표 11에 개시하였다. 그 결과는 기계적 힘을 감소시키는 것만으로 연마 조건이 점진적으로 약해지지만, 실리카를 함유하는 슬러리가 전체 연마 공정 내내 사용되는, 구리 오버버든 제거용 2-상 연마가 더 높은 디싱을 생성한다는 것을 입증했다.
실시예 12
이 실시예의 슬러리에 사용되는 연마제는 다이클로로다이메틸실란과의 반응으로 표면-변형된 실리카이다. SEMATECH 854 패턴화 웨이퍼를 표면-변형된 실리카(11 중량%), 과산화수소(5 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 수성 슬러리로 90초간 3.5psig의 하방력으로 연마시켰다. 동일한 수성 슬러리로 추가 120초간 1psig의 하방력으로 계속 연마시켰다. 육안으로 구리 오버버든이 웨이퍼로부터 95% 이상 제거됨을 알 수 있었다. 웨이퍼 표면의 반경에 걸친 3개의 개별적인 다이에 대한 여러 특징부에서 디싱을 측정하였다. 이들 특징부의 평균 디싱값을 표 12에 개시하였다. 그 결과는 기계적 힘을 감소시키는 것만으로 연마 조건이 점진적으로 약해지지만, 실리카를 함유하는 슬러리가 전체 연마 공정 내내 사용되는, 구리 오버버든 제거용 2-상 연마가 더 높은 디싱을 생성한다는 것을 입증했다.
연마 실시예에서 사용되는 슬러리에 대한 정적 에칭 속도
실시예 13
pH 5에서 실리카(11 중량%), 과산화수소(4 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 슬러리(400ml)를 유리 접시(30×22×6cm)에 부었다. 슬러리를 자기 막대로 교반하였고 써모린 컴퍼니(Thermolyne Company)의 누오바(NuovaTM) 가열 교반 플레이트를 사용하여 가온시켰다. 온도를 조절하여 온도계(-10 내지 100℃ 범위)로 측정시 23℃에서 평형을 이루게 하였다. 슬러리의 교반을 멈추었다. 200nm의 블랭킷 구리 웨이퍼의 중량을 덴버 인스트루먼트(Denver Instruments)의 티알(TR)-2120TM 저울로 미리 측정하여 슬러리 안에 넣었다. 20분간 유지시킨 후, 웨이퍼를 슬러리로부터 회수하였고, 탈이온수로 세정시켰고, 아이소프로판올로 세정시켰고, 건조시켜, 동일한 저울로 다시 중량을 측정하였다. 미리 중량 측정된 웨이퍼와 다시 중량 측정된 웨이퍼 사이의 중량차에 의해 중량 손실을 계산하였다. 웨이퍼의 중량 손실은 140mg이었고, 이는 250Å/min의 구리 두께 손실에 상응하는 것이었다.
실시예 14
pH 5에서 실리카(11 중량%), 과산화수소(4 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(1 mM)을 포함하는 슬러리(400ml)를 유리 접시(30×22×6cm)에 부었다. 슬러리를 자기 막대로 교반하였고 써모린 컴퍼니(Thermolyne Company)의 누오바(NuovaTM) 가열 교반 플레이트를 사용하여 가온시켰다. 온도를 조절하여 온도계(-10 내지 100℃ 범위)로 측정시 55℃에서 평형을 이루게 하였다. 슬러리의 교반을 멈추었다. 200nm의 블랭킷 구리 웨이퍼의 중량을 덴버 인스트루먼트(Denver Instruments)의 티알(TR)-2120TM 저울로 미리 측정하여 슬러리 안에 넣었다. 5분간 유지시킨 후, 웨이퍼를 슬러리로부터 회수하였고, 탈이온수로 세정시켰고, 아이소프로판올로 세정시켰고, 건조시켜, 동일한 저울로 다시 중량을 측정하였다. 미리 중량 측정된 웨이퍼와 다시 중량 측정된 웨이퍼 사이의 중량차에 의해 중량 손실을 계산하였다. 웨이퍼의 중량 손실은 100mg이었고, 이는 710Å/min의 구리 두께 손실에 상응하는 것이었다.
실시예 15
pH 5에서 과산화수소(8 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(3 mM)을 포함하는 슬러리(400ml)를 유리 접시(30×22×6cm)에 부었다. 슬러리를 자기 막대로 교반하였고 써모린 컴퍼니(Thermolyne Company)의 누오바(NuovaTM) 가열 교반 플레이트를 사용하여 가온시켰다. 온도를 조절하여 온도계(-10 내지 100℃ 범위)로 측정시 23℃에서 평형을 이루게 하였다. 슬러리의 교반을 멈추었다. 200nm의 블랭킷 구리 웨이퍼의 중량을 덴버 인스트루먼트(Denver Instruments)의 티알(TR)-2120TM 저울로 미리 측정하여 슬러리 안에 넣었다. 20분간 유지시킨 후, 웨이퍼를 슬러리로부터 회수하였고, 탈이온수로 세정시켰고, 아이소프로판올로 세정시켰고, 건조시켜, 동일한 저울로 다시 중량을 측정하였다. 미리 중량 측정된 웨이퍼와 다시 중량 측정된 웨이퍼 사이의 중량차에 의해 중량 손실을 계산하였다. 웨이퍼의 중량 손실은 10mg이었고, 이는 18Å/min의 구리 두께 손실에 상응하는 것이었다.
실시예 16
pH 5에서 과산화수소(8 중량%), 글리신(1 중량%) 및 벤조트라이아졸(3 mM)을 포함하는 슬러리(400ml)를 유리 접시(30×22×6cm)에 부었다. 슬러리를 자기 막대로 교반하였고 써모린 컴퍼니(Thermolyne Company)의 누오바(NuovaTM) 가열 교반 플레이트를 사용하여 가온시켰다. 온도를 조절하여 온도계(-10 내지 100℃ 범위)로 측정시 55℃에서 평형을 이루게 하였다. 슬러리의 교반을 멈추었다. 200nm의 블랭킷 구리 웨이퍼의 중량을 덴버 인스트루먼트(Denver Instruments)의 티알(TR)-2120TM 저울로 미리 측정하여 슬러리 안에 넣었다. 5분간 유지시킨 후, 웨이퍼를 슬러리로부터 회수하였고, 탈이온수로 세정시켰고, 아이소프로판올로 세정시켰고, 건조시켜, 동일한 저울로 다시 중량을 측정하였다. 미리 중량 측정된 웨이퍼와 다시 중량 측정된 웨이퍼 사이의 중량차에 의해 중량 손실을 계산하였다. 웨이퍼의 중량 손실은 10mg이었고, 이는 71Å/min의 구리 두께 손실에 상응하는 것이었다.

Claims (29)

  1. (a) 연마제를 포함하고 기판으로부터 금속을 부분적으로 제거하는 제1 슬러리; 및
    (b) 상기 기판으로부터 상기 금속을 추가로 제거하는 제2 슬러리
    를 포함하며,
    여기서 상기 제1 슬러리가 상기 제2 슬러리보다 더 높은 농도의 상기 연마제를 갖는, 상기 기판으로부터 금속을 제거하기 위한 슬러리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속을 구리, 탄탈륨, 이산화규소, 또는 이의 혼합물로부터 선택한 슬러리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속이 구리인 슬러리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제2 슬러리가 연마제를 갖지 않는 슬러리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제를 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 젠나니아, 실리카, 세리아, 또는 이의 혼합물로부터 선택한 슬러리 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연마제가 실리카인 슬러리 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 연마제가 침전된 실리카인 슬러리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마제가 상기 제1 슬러리를 기준으로 0.1 내지 30 중량%의 양으로 존재하는 슬러리 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리카가 1차 입자의 응집체를 갖고, 상기 1차 입자가 적어도 7nm의 평균 직경을 갖고; 상기 응집체가 1μ 미만의 응집 크기, 및 1nm2당 적어도 7개의 하이드록실기의 하이드록실 함량을 갖는 슬러리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬러리 중 적어도 하나가 산화제를 추가로 포함하는 슬러리 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화제를 무기 및 유기 과-화합물(per-compound), 브롬산, 염소산, 니트레이트, 설페이트, 또는 이의 혼합물로부터 선택한 슬러리 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 산화제를 과산화수소, 요소-과산화수소, 또는 이의 혼합물로부터 선택한 슬러리 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬러리 중 적어도 하나가 착화제, 부식 방지제, 저지 화합물, 다가 양이온 포획제, 증점제, 또는 이의 혼합물로부터 선택된 물질을 추가로 포함하는 슬러리 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬러리 중 적어도 하나가 피콜린산, 다이피콜린산, 퀴놀린산, 및 이의 혼합물로부터 선택된 산을 추가로 포함하는 슬러리 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬러리 중 적어도 하나가 다가 양이온 포획제 및 부식 방지제를 추가로 포함하는 슬러리 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 슬러리 중 적어도 하나가 다가 양이온 포획제, 부식 방지제, 및 증점제를 추가로 포함하는 슬러리 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 슬러리가 상기 기판 상에 잔류 금속을 잔존시키는 슬러리 시스템.
  18. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 슬러리가 상기 기판 상에 잔류 구리를 잔존시키는 슬러리 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제2 슬러리가 상기 기판으로부터 상기 잔류 구리를 적어도 부분적으로 제거하는 슬러리 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제2 슬러리가 상기 기판으로부터 상기 잔류 구리를 적어도 부분적으로 제거하는 슬러리 시스템.
  21. (a) 연마제를 포함하는 제1 슬러리를 기판에 적용시키는 단계;
    (b) 제2 슬러리를 상기 기판에 적용시키는 단계
    를 포함하며,
    여기서 상기 제1 슬러리가 상기 제2 슬러리보다 더 높은 농도의 상기 연마제를 갖는, 구리를 제거시키는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 슬러리가 상기 기판으로부터 상기 구리의 일부를 제거시키고, 상기 기판 상에 잔류 구리를 잔존시키는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제2 슬러리가 상기 기판으로부터 상기 잔류 구리를 적어도 부분적으로 제거시키는 방법.
  24. (a) 연마제를 포함하는 제 1 슬러리, 및 연마 패드를 이용하여 제1 연마를 수행하는 단계; 및
    (b) 상기 제1 슬러리보다 더 낮은 상기 연마제 농도를 갖는 제2 슬러리, 및 연마 패드를 이용하여 제2 연마를 수행하는 단계
    를 포함하는, 마이크로엘렉트로닉 기판을 연마시키는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 연마가 상기 기판으로부터 금속을 부분적으로 제거시키고 상기 기판 상에 상기 금속의 잔류 부분을 잔존시키는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 연마가 상기 기판으로부터 상기 금속의 상기 잔류 부분을 적어도 부분적으로 제거시키는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 금속을 구리, 탄탈륨 및 이산화규소로부터 선택한 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 제2 슬러리를 적용하기 전에 상기 제1 연마를 종료하는 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 연마 완료 후 및 상기 제2 연마 개시 전에, 상기 기판을 세척하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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