KR20050043666A - 배리어를 제거하기 위한 조성물 및 방법 - Google Patents

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KR20050043666A
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머티리얼스 씨엠피 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 탄탈 배리어 재료를 포함하는 반도체 웨이퍼를 유전체 및 접속 금속의 존재하에 연마하는 데 유용한 수성 조성물을 제공한다. 본 발명의 조성물은 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도의 아졸 화합물을 포함한다. 또한, 아졸 화합물은 접속 금속의 제거를 억제시키지 않는다. 본 발명의 조성물은 연마제를 추가로 포함한다. 또한, 본 발명의 조성물은 유전체에 대한 탄탈 배리어 재료의 선택비가 크다.

Description

배리어를 제거하기 위한 조성물 및 방법{Compositions and methods for barrier removal}
본 발명은 반도체 웨이퍼 재료의 화학 기계적 평탄화(CMP), 보다 특히 유전체 및 접속 금속의 존재하에 반도체 웨이퍼의 배리어 재료를 제거하기 위한 CMP 조성물 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 반도체 웨이퍼는 규소 웨이퍼와, 유전 층 속에 회로 접속물용 패턴을 형성하도록 배열된 다수의 트렌치(trench)를 함유하는 유전 층를 갖는다. 패턴 배열은 통상적으로 다마신 구조(damascene structure) 또는 이중 다마신 구조를 갖는다. 배리어 층은 패턴화 유전 층을 피복하고, 금속 층은 배리어 층을 피복한다. 금속 층은 회로 접속물을 형성하기 위해 패턴화 트렌치를 금속으로 충전시키기에 적어도 충분한 두께를 갖는다.
CMP 공정은 종종 다수의 평탄화 단계를 포함한다. 예를 들면, 제1 단계는 금속 층을 하도 배리어 유전 층으로부터 제거한다. 제1 단계 연마는 금속 층을 제거하여, 연마된 표면에 회로 접촉물 평면을 제공하는 금속 충전된 트렌치를 갖는 웨이퍼 위에 부드러운 평면을 남긴다. 제1 단계 연마는 과량의 접속 금속, 예를 들면, 구리를 초기 고속으로 제거한다. 제1 단계 제거 후, 제2 단계 연마는 반도체 웨이퍼 위에 잔류하는 배리어 층을 제거할 수 있다. 이러한 제2 단계 연마는 반도체 웨이퍼의 하도 유전 층으로부터 배리어를 제거하여 유전 층 위에 평면 연마 표면을 제공한다.
불운하게도, CMP 공정은 종종 회로 접속물로부터 원하지 않은 금속의 과도한 제거, 즉 "디싱(dishing)"으로 공지된 상태를 발생시킨다. 이러한 디싱은 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마 둘 다로부터 발생할 수 있다. 허용가능한 수준을 초과하는 디싱은 회로 접속물에서 치수의 손실을 유발한다. 회로 접속물에서 이들 "얇은" 부분은 전기적 시그날을 감쇠시키고, 이중 다마신 구조물의 연속 제조를 손상시킬 수 있다.
배리어는 통상 금속, 금속 합금 또는 금속간 화합물, 예를 들면, 탄탈 또는 질화탄탈이다. 배리어는 웨이퍼 속의 층 사이의 이동 또는 확산을 방해하는 층을 형성한다. 예를 들면, 배리어는 구리 또는 은 등의 접속 금속의 인접한 유전체로의 확산을 방해한다. 배리어 재료는 대부분의 산에 대해 내식성을 지녀야 하고, 이에 의해 CMP용의 유체 연마 조성물에서 내용해성을 지녀야 한다. 추가로, 이들 배리어 재료는 CMP 슬러리에서 및 고정된 연마 패드로부터 연마 입자에 의한 제거에 내성을 갖는 인성을 나타낼 수 있다.
부식은 CMP 공정에 의한 유전 층 일부의 제거로부터 발생하는 유전 층 표면의 불필요한 오목부를 말한다. 트렌치의 금속에 인접하여 발생하는 부식은 회로 접속물의 치수 결함을 일으킨다. 이러한 결함으로 인해 회로 접속물에 의해 전송된 전기 신호가 감쇠되고 디싱과 유사한 방식으로 이중 다마신 구조의 후속적인 제조에 손실을 입힌다. 배리어의 제거 속도 대 금속 접속물 또는 유전 층의 제거 속도는 선택비로서 공지되어 있다.
위에 언급한 바와 같이, 대부분의 배리어 재료는 CMP에 의해 제거하기 어려운데, 이는 배리어 재료가 연마 및 용해에 의한 제거에 내성이 있기 때문이다. 통상적인 배리어 제거 슬러리는 배리어 재료를 제거하기 위한 유체 연마 조성물 중의 고농도의 연마제를 필요로 한다. 예를 들면, 파르카스(Farkas) 등의 미국 특허 제6,001,730호에는 연마제 12중량% 이하와 함께 배리어 층을 갖는 구리 접속물을 연마하기 위한 슬러리가 기재되어 있다. 그러나, 이들 고농도의 연마제를 갖는 슬러리는 유전 층에 유해한 부식을 제공하고 구리 접속물의 디싱 및 스크래칭을 발생시키는 경향이 있다. 그 이외에도, 고농도의 연마제는 반도체 웨이퍼로부터 저-k 유전 층을 박리(peeling) 또는 이층(delaminating)시킬 수 있다.
따라서, 탄탈 배리어 재료를 선택적으로 제거하기 위한 개선된 CMP 조성물 및 방법이 요구되고 있다. 특히, 탄탈 배리어 재료를 유전체 부식 및 금속 접속물의 디싱 및 스크래칭을 감소시키면서 선택적으로 제거하기 위한 CMP 조성물 및 방법이 요구되고 있다. 추가로, 반도체 웨이퍼로부터 저-k 유전 층을 박리시키지 않고 탄탈 배리어 재료를 제거하는 것이 요망되고 있다.
본 발명은 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 배리어 재료를 연마하는 데 유용한 수성 조성물을 제공한다. 본 발명의 조성물은 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도의 아졸 화합물을 포함한다. 또한, 아졸 화합물은 접속 금속의 제거를 억제시키지 않는다. 본 발명의 조성물은 연마제를 추가로 포함한다. 또한, 본 발명의 조성물은 유전체에 대한 탄탈 배리어 재료의 선택비가 크다.
제1 국면에서, 본 발명은 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도를 갖고 접속 금속의 제거를 억제하지 않는 아졸 화합물과 연마제를 포함하고, 유전체에 대한 탄탈 배리어 재료의 선택비가 큰, 탄탈 배리어 재료를 포함하는 반도체 웨이퍼를 유전체 및 접속 금속의 존재하에 연마하는 데 유용한 수성 조성물을 제공한다.
제2 국면에서, 본 발명은 산화제 0 내지 25중량%; 비철 금속용 억제제 0 내지 6중량%; 비철 금속용 착화제 0 내지 15중량%; 1,2,4-트리아졸, 3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3,5-디메틸-1,2,4-트리아졸, 1-아미노-1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 5-아미노-3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3-이소프로필-1,2,4-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1-메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-메틸-1,2,3-트리아졸, 4,5-디메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-n-프로필-1,2,3-트리아졸, 1-(β-아미노에틸)-1,2,3-트리아졸, 1-메틸테트라졸, 2-메틸테트라졸, 5-아미노-1H-테트라졸, 5-아미노-1-메틸테트라졸, 1-(β-아미노에틸)테트라졸, 전자 공여 치환체를 갖는 치환된 트리아졸 또는 테트라졸 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 아졸 화합물 0.05 내지 25중량% 및 연마제 0.05 내지 10중량%를 포함하고, 웨이퍼에 대해 수직으로 측정된 미세다공성 폴리우레탄 연마 패드의 측정 압력 20.7kPa에서 측정한 탄탈 배리어 재료 대 유전체의 선택비가 10:1 이상인, 탄탈 배리어 재료를 반도체 웨이퍼로부터 연마하는 데 유용한 수성 조성물을 제공한다.
제3 국면에서, 본 발명은 웨이퍼를, 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도를 갖고 접속 금속의 제거를 억제하지 않는 아졸 화합물과 연마제를 포함하는 연마 조성물과 접촉시키고, 웨이퍼를 연마 패드로 연마하여 탄탈 배리어 재료를 유전체의 제거 속도(Å/분)보다 빠른 제거 속도로 제거함을 포함하는, 탄탈 배리어 재료를 포함하는 반도체 웨이퍼를 유전체 및 접속 금속의 존재하에 연마하기 위한 화학적 기계적 평탄화 방법을 제공한다.
당해 용액 및 방법은 탄탈 배리어 금속의 제거에 대한 예상치 못한 선택비를 제공한다. 당해 용액은 탄탈 배리어 재료를 선택적으로 제거하는 아졸 화합물 및 연마제에 좌우된다. 당해 용액은 배리어 재료를 유전체 부식 및 금속 접속물, 예를 들면, 구리의 디싱 및 스크래칭을 감소시키면서 선택적으로 제거한다. 추가로, 당해 용액은 반도체 웨이퍼로부터 저-k 유전 층을 박리시키거나 이층시키지 않고 탄탈 배리어 재료를 제거한다.
본 명세서의 설명을 위해, 탄탈 배리어는 탄탈, 탄탈 함유 합금, 탄탈계 합금 및 탄탈 금속간 물질을 말한다. 당해 용액은 탄탈, 탄탈계 합금 및 탄탈 금속간 물질, 예를 들면, 탄화탄탈, 질화탄탈 및 산화탄탈에 특히 유효하다. 슬러리는 금속 접속물의 제거 속도를 억제하지 않으면서 패턴화된 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 배리어의 제거를 촉진하는 데 가장 유효하다.
아졸 화합물은 본원에서 공액된 사이클릭 화합물에 2개 이상의 질소원자를 함유하는 화합물로서 정의된다. 공액된 사이클릭 화합물은 2개 이상의 질소원자 사이에 하나 이상의 이중 결합을 추가로 포함한다. 공액된 사이클릭 화합물 중의 질소원자는 서로 인접할 수 있거나, 다른 원자에 의해 분리될 수 있다. 또한, 아졸 화합물은 사이클릭 환 원을 따라 다른 그룹으로 치환될 수 있다. 바람직한 치환 그룹은 전자 공여 그룹이다. 본 명세서의 설명을 위해, 용어 "전자 공여"는 전자 밀도를 당해 물질로 전달하는 물질에 결합한 화학 그룹을 의미한다. 문헌[참조: F.A Carey and R.J. Sundberg, Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms, 3rd Edition New York: Plenum Press (1990), p. 208 and 546-561]에 전자 공여 치환체에 대한 보다 상세한 설명이 제공된다. 전자 공여 치환체에는, 예를 들면, 아미노, 하이드록실(-OH), 알킬, 치환된 알킬, 탄화수소 라디칼, 치환된 탄화수소 라디칼, 아미도 및 아릴이 포함된다. 이들 전자 공여 치환체는 탄탈 함유 배리어 재료의 제거를 촉진시킨다. 이론적으로, 아졸 화합물이 TaN 또는 Ta 등의 배리어 표면에 흡수되는 경우, 전자는 공액 결합을 통해 2개 이상의 질소원자 사이를 유동한다. 결과적으로, 아졸 화합물은 배리어 표면에 대해 강력한 친화성을 갖는다. 배리어 표면에 대한 이러한 친화성은 연마제의 제한된 사용으로 배리어 제거 속도를 촉진시키는 것으로 이론화된다.
바람직한 아졸 화합물에는 트리아졸 화합물, 예를 들면, 1,2,4-트리아졸, 3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3,5-디메틸-1,2,4-트리아졸, 1-아미노-1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 5-아미노-3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3-이소프로필-1,2,4-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1-메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-메틸-1,2,3-트리아졸, 4,5-디메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-n-프로필-1,2,3-트리아졸, 1-(β-아미노에틸)-1,2,3-트리아졸, 전자 공여 치환체를 갖는 치환된 트리아졸 화합물 및 이들의 혼합물이 포함된다. 추가로, 다른 아졸 화합물에는 테트라졸 화합물, 예를 들면, 1-메틸테트라졸, 2-메틸테트라졸, 5-아미노-1H-테트라졸, 5-아미노-1-메틸테트라졸, 1-(β-아미노에틸)테트라졸, 전자 공여 치환체를 갖는 치환된 테트라졸 화합물 및 이들의 혼합물이 포함된다. 탄탈 배리어의 제거를 촉진시키는 특히 효과적인 아졸 화합물은 1,2,4-트리아졸 및 3-아미노-1,2,4-트리아졸이다.
유리하게는, 아졸 화합물은 다양한 농도, 예를 들면, 0.05 내지 25중량%로 용액에 존재할 수 있다. 이러한 명세 사항은 모두 중량% 농도를 나타낸다. 단일 형태의 아졸 화합물이 존재할 수 있거나, 아졸 화합물의 혼합물이 사용될 수 있다. 가장 유리하게는, 당해 용액은 아졸 화합물 0.1 내지 10중량%를 함유하고, 대부분의 적용의 경우, 1 내지 5중량%의 아졸 화합물 농도가 충분한 배리어 제거 속도를 제공한다. 가장 바람직하게는, 아졸 화합물의 농도는 2중량%이다.
연마 조성물은 배리어 층을 용이하게 하기 위해 연마제 0.05 내지 10중량%를 함유한다. 이러한 범위 내에서, 연마제는 0.1중량% 이상, 바람직하게는 0.5중량% 이상의 양으로 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 범위 내에서, 5중량% 이하, 바람직하게는 3중량% 이하의 양으로 존재하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 연마제 농도는 1 내지 2중량%이다.
과도한 금속 디싱 및 유전체 부식을 방지하기 위한 연마제의 평균 입자 크기는 50nm 이하이다. 본 명세서의 설명을 위해, 입자 크기는 연마제의 평균 입자 크기를 의미한다. 가장 바람직하게는, 평균 입자 크기가 40nm 이하인 콜로이드성 연마제를 사용하는 것이 바람직하다. 추가로, 최소 유전체 부식 및 금속 디싱은 유리하게는 평균 입자 크기가 30nm 이하인 콜로이드성 실리카에서 일어난다. 콜로이드성 연마제의 크기를 30nm 이하로 감소시키면, 연마 조성물의 선택비를 개선시키는 경향이 있지만, 또한 배리어 제거 속도를 감소시키는 경향이 있다. 또한, 바람직한 콜로이드성 연마제는 첨가제, 예를 들면, 분산제, 계면활성제 및 완충제를 포함하여 콜로이드성 연마제의 안정성을 향상시킬 수도 있다. 이러한 한 가지 콜로이드성 연마제는 프랑스 뿌또 소재의 클라리언트 에스.아.(Clariant S.A.)사의 콜로이드성 실리카이다.
연마 조성물은 배리어 층의 "기계적" 제거를 위한 연마제를 포함한다. 예시적인 연마제에는 무기 산화물, 금속 붕소화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 중합체 입자 및 하나 이상의 상기 화합물을 포함하는 혼합물이 포함된다. 적합한 무기 산화물에는, 예를 들면, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO 2), 세리아(CeO2), 산화망간(MnO2) 또는 하나 이상의 상기 산화물을 포함하는 조합물이 포함된다. 이들 무기 산화물의 개질된 형태, 예를 들면, 중합체 피복된 무기 산화물 입자 및 무기 피복된 입자도 또한 경우에 따라 사용할 수 있다. 적합한 금속 탄화물, 붕소화물 및 질화물에는, 예를 들면, 탄화규소, 질화규소, 탄화질화규소(SiCN), 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화지르코늄, 붕소화알루미늄, 탄화탄탈, 탄화티탄 또는 하나 이상의 상기 금속 탄화물, 붕소화물 및 질화물을 포함하는 조합물이 포함된다. 다이아몬드도 또한 경우에 따라 연마제로서 사용할 수 있다. 또 다른 연마제에는 또한 중합체 입자 및 피복된 중합체 입자가 포함된다. 바람직한 연마제는 실리카이다.
유리하게는, 아졸 화합물의 사용은 저농도 연마제로의 연마를 촉진시킨다. 아졸 화합물과 저농도의 연마제를 함유하는 연마 용액은 유전체 제거 속도(Å/분)보다 10배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 용액은 유전체 제거 속도보다 100배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 용액은 유전체 제거 속도보다 1000배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 추가로, 아졸 화합물과 저농도의 연마제를 함유하는 연마 용액은 금속 제거 속도(Å/분)보다 2배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 보다 바람직하게는, 본 발명의 연마 용액은 금속 제거 속도(Å/분)보다 5배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 연마 용액은 금속 제거 속도(Å/분)보다 10배 이상 빠른 속도로 탄탈 배리어 재료를 용이하게 제거할 수 있다. 본 발명의 아졸 화합물은 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시킴에 주목해야 한다. 본 발명의 아졸 화합물은 접속 금속용 억제제가 아니다. 달리 말하면, 본 발명의 아졸 화합물은 접속 금속의 제거를 억제시키지 않으면서 탄탈 배리어 재료의 제거 속도를 촉진시킨다.
아졸 화합물은 잔여량의 물을 함유하는 용액에서 광범위한 pH 범위에 걸쳐 효능을 제공한다. 이러한 용액의 유용한 pH 범위는 2 내지 13 이상으로 연장된다. 또한, 당해 용액은 유리하게는 부수적인 불순물을 제한하기 위한 잔여량의 탈이온수에 의존한다. 본 발명의 연마 유체의 pH는 7 내지 12, 보다 바람직하게는 pH 8 내지 10이다. 용액의 pH가 7 미만이면, 산화제를 첨가하여 배리어 재료를 제거하는 아졸 효능을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 슬러리의 pH 조절에 사용된 염기는 암모늄 이온을 함유하는 염기, 예를 들면, 수산화암모늄, 알킬 치환된 암모늄 이온을 함유하는 염기, 알칼리 금속 이온을 함유하는 염기, 알칼리 토금속 이온을 함유하는 염기, IIIB족 금속 이온을 함유하는 염기, IVB족 금속 이온을 함유하는 염기, VB족 금속 이온을 함유하는 염기 및 전이 금속 이온을 함유하는 염일 수 있다. 염기성 범위에서의 고안된 pH는 배리어 표면의 제거를 위한 것 뿐만 아니라 본 발명의 슬러리를 안정화시키기 위한 것이다. 연마 슬러리에 있어서, pH는 공지된 기술로 조정할 수 있다. 예를 들면, 실리카 연마제가 분산되어 있고 유기 산이 용해되어 있는 슬러리에 알칼리를 직접 첨가할 수 있다. 또는, 첨가되는 알칼리 일부 또는 전부를 유기 알칼리 염으로서 첨가할 수 있다. 사용될 수 있는 알칼리의 예에는 알칼리 금속 수산화물(예: 수산화칼륨), 알칼리 금속 탄산염(예: 탄산칼륨), 암모니아 및 아민이 포함된다.
임의로, 당해 용액은 산화제를 0 내지 25중량% 함유한다. 유리하게는, 임의의 산화제는 0 내지 15중량%의 범위이다. 산화제는 용액이 낮은 pH 범위에서 형성할 수 있는 산화탄탈 필름을 제거하는데 도움을 주기에 특히 유효하다. 산화제는 다수의 산화 화합물, 예를 들면, 과산화수소(H2O2), 모노퍼설페이트, 요오데이트, 마그네슘 퍼프탈레이트, 퍼아세트산 및 기타 과산, 퍼설페이트, 브로메이트, 퍼요오데이트, 니트레이트, 철 염, 세륨 염, Mn(III), Mn(IV) 및 Mn(VI) 염, 은 염, Cu 염, 크롬 염, 코발트 염, 할로겐 하이포클로라이트 및 이들의 혼합물 중의 1종 이상일 수 있다. 추가로, 산화제 화합물의 혼합물을 사용하는 것이 종종 유리하다. 연마 슬러리가 불안정한 산화제, 예를 들면, 과산화수소를 함유하는 경우, 산화제를 사용 시점에 슬러리에 혼합시키는 것이 종종 가장 유리하다.
임의로, 당해 용액은 정적 에칭 또는 기타 제거 메카니즘에 의해 접속물 제거 속도를 조절하는 억제제를 0 내지 6중량% 함유한다. 억제제의 농도를 조절하면 금속을 정적 에칭으로부터 보호하여 접속 금속 제거 속도를 조절할 수 있다. 유리하게는, 당해 용액은 구리 또는 은 접속물의 정적 에칭을 억제하는 억제제를 0.02 내지 5중량% 함유한다. 억제제는 억제제의 혼합물로 이루어질 수 있다. 아졸 억제제가 구리 및 은 접속물에 특히 유효하다. 통상적인 아졸 억제제는 벤조트리아졸(BTA), 머캅토벤조티아졸(MBT), 톨릴트리아졸 및 이미다졸을 포함한다. BTA가 구리 및 은에 대한 특히 유효한 억제제이다. 이들 억제제는 본 발명의 목적을 위해 "아졸 화합물"의 정의로부터 구체적으로 제외됨을 주목해야 한다. 달리 말하면, 본 발명의 아졸 화합물은 배리어 재료를 제거하는 이들의 선택능을 위해 선택되는 것이지, 금속 접속물의 제거 속도를 억제하기 위한 것은 아니다.
억제제 이외에, 당해 용액은 비철 금속용 착화제를 0 내지 20중량% 함유할 수 있다. 착화제는, 존재하는 경우, 비철 금속 접속물을 용해시켜 형성된 금속 이온의 침전을 방지한다. 가장 유리하게는, 당해 용액은 비철 금속용 착화제를 0 내지 10중량% 함유한다. 착화제의 예로는 아세트산, 시트르산, 에틸 아세토아세테이트, 글리콜산, 락트산, 말산, 옥살산, 살리실산, 나트륨 디에틸 디티오카바메이트, 석신산, 타르타르산, 티오글리콜산, 글리신, 알라닌, 아스파르트산, 에틸렌 디아민, 트리메틸 디아민, 말론산, 글루테르산, 3-하이드록시부티르산, 프로피온산, 프탈산, 이소프탈산, 3-하이드록시 살리실산, 3,5-디하이드록시 살리실산, 갈산, 글루콘산, 피로카테콜, 피로갈롤, 탄닌산, 이들의 염 및 혼합물이 포함된다. 유리하게는, 착화제는 아세트산, 시트르산, 에틸 아세토아세테이트, 글리콜산, 락트산, 말산, 옥살산 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 가장 유리하게는, 착화제는 시트르산이다.
본 발명의 연마 유체는 도체 금속, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 백금, 팔라듐, 금 또는 이리듐을 함유하는 임의의 반도체 기판, 배리어 또는 라이너 필름, 예를 들면, 탄탈, 질화탄탈, 티탄 또는 질화티탄, 및 하도 유전 층에 적용할 수 있다. 본 명세서의 설명을 위해, 용어 유전체는, 저-k 및 초저-k 유전 재료를 포함하는, 유전 상수(k)의 반도체 재료를 의미한다. 본 발명의 방법은 통상의 유전체 및 저-k 유전 재료에 대한 적은 효과와 함께 탄탈 배리어 재료를 제거한다. 본 발명의 용액은 저압(즉 20.7kPa 미만)에서 저농도의 연마제로 효과적인 배리어 제거 속도와 높은 탄탈 선택비를 제공하기 때문에, 낮은 유전 부식 속도로 연마를 촉진시킨다. 이러한 용액 및 방법은 복수의 웨이퍼 성분, 예를 들면, 다공성 및 비다공성 저-k 유전체, 유기 및 무기 저-k 유전체, 유기 실리케이트 유리(OSG), 플루오로실리케이트 유리(FSG), 탄소 도핑된 산화물(CDO), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 및 TEOS로부터 유래된 실리카의 부식을 방지하는 데 효과적이다.
연마 용액은 또한 염화암모늄 등의 균염제를 포함하여 접속 금속의 표면 가공을 조절할 수 있다. 이 이외에, 당해 용액은 임의로 생물학적 오염을 제한하기 위한 살생제를 함유할 수 있다. 예를 들면, 수중 코르덱(KordekR) MLX 살미생물제인 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온[롬 앤드 하스 캄파니(Rohm and Haas Company)]은 다수 용도의 효과적인 살생제이다. 살생제는 통상 공급자가 규정한 농도로 사용된다.
본 발명의 용액은 웨이퍼에 대해 수직으로 측정된 미세다공성 폴리우레탄 연마 패드의 측정 압력 20.7kPa에서 측정한 질화탄탈 대 유전체 및 금속의 선택비가 각각 10:1 이상 및 2:1 이상이다. 선택비를 측정하기에 유용한 특정 연마 패드는 폴리텍스(Politex) 미세다공성 폴리우레탄 연마 패드이다. 연마제 및 아졸 화합물의 농도를 조절하여, 탄탈 배리어 제거 속도를 조절한다. 억제제, 산화제, 착화제 및 균염제 농도를 조절하여, 접속 금속의 에칭 속도를 조절한다.
실시예
실시예에서 숫자는 발명의 실시예를 나타내고, 문자는 비교 실시예를 나타낸다. 또한, 모든 실시예의 용액은 수중 코르덱R MLX 살미생물제인 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온 0.01중량%와 염화암모늄 증백제 0.01중량%를 함유한다.
실시예 1
당해 실험에서는 반도체 웨이퍼로부터 TaN 배리어, TEOS의 유전 층 및 구리의 제거 속도를 측정하였다. 특히, 당해 시험에서는 제2 단계의 연마 작업에서의 특정 아졸 화합물의 효과를 측정하였다. 하향력 조건 약 3psi(20.7kPa) 및 연마 용액 유량 200cc/min하에 폴리텍스 폴리우레탄 연마 패드[로델, 인코포레이티드(Rodel, Inc.)], 압판 속도 120RPM 및 캐리어 속도 114RPM을 사용하는 스트라우스보(Strausbaugh) 연마기로 샘플을 평탄화시켰다. 연마 용액은 KOH 및 HNO3을 사용하여 pH 9로 조절하였다. 모든 용액은 탈이온수를 함유한다. 또한, 연마 용액은 평균 입자 크기가 50nm인 실리카 연마제를 1중량% 포함한다.
제2 연마 단계 결과
시험 첨가제 중량% 연마제(중량%) BTA(중량%) 시트르산(중량%) TaN(Å/분) TEOS(Å/분) Cu(Å/분
A 없음 -- 0 0.1 0 6 -3 38
B 없음 -- 1 0 0.15 26 32 116
C 없음 -- 1 0.2 0.15 163 39 91
D 1,2,4-트리아졸 2 0 0.1 0 -8 -1.4 33
E 3-아미노-1,2,4-트리아졸 2 0 0.1 0 -21 -5.1 49
1 1,2,4-트리아졸 2 1 0.1 0 1995 -0.2 135
2 3-아미노-1,2,4-트리아졸 2 2 0.1 0 2223 -0.4 174
표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, TaN 배리어 필름의 높은 제거 속도는 아졸 화합물과 연마제를 포함하는 연마 유체에 의해 수득된다. 특히, 연마제와 1,2,4-트리아졸 또는 3-아미노-1,2,4-트리아졸(각각, 시험 1 및 2)을 함유하는 제2 연마 단계 유체는 TaN에 대한 우수한 제거 속도, 즉 1995Å/분 이상을 제공한다. 아졸 화합물 없이 연마제를 함유하는 연마 유체(비교 용액 B 및 C) 및 연마제 없이 아졸 화합물을 함유하는 연마 유체(비교 용액 D 및 E)는 유전체(TEOS) 및 금속(Cu)에 대해 보다 낮은 TaN 제거 속도와 불량한 제거 선택비를 나타냈다. TaN 및 유전체의 부정적인 제거 속도는 연마기의 규정된 허용 오차내에 있으며, 검출가능한 TaN 및/또는 TEOS 손실이 없음을 나타낸다. 아졸 화합물이 연마제와 함께 연마 유체에 존재하는 경우, TaN 대 유전체의 제거 선택비는 시험 1 및 시험 2에 있어서 각각 1995:1 및 2223:1이다. TaN 대 금속의 제거 선택비는 시험 1 및 시험 2에 있어서 각각 15:1 및 13:1이다. 언급된 선택비는 위에 정의한 바와 같은 실시예에 대한 시험 조건에서의 선택비이다. 선택비는 시험 파라미터에 대한 변화에 따라 달라질 수 있다.
표 1에 기재된 결과는 금속 필름(Cu) 및 유전 층(TEOS)과 동등한 제거 선택비와 함께 배리어 필름(TaN)의 우수한 제거 속도가 아졸 화합물과 연마제를 함유하는 연마 유체를 사용할 때에 수득됨을 나타낸다. 약 2중량%로 존재하는 아졸 화합물이 이러한 제거에 유용하고, 이는 우수한 배리어 제거 속도와 제거 선택비를 제공한다. 모든 연마 유체는 1 내지 2중량%의 연마제를 함유하고, 이러한 양은 통상의 제2 연마 단계 유체에서 통상 사용되는 연마제 농도보다 훨씬 낮은 양이다.
본 발명의 용액 및 방법은 탄탈, 질화탄탈 및 산화탄탈 등의 탄탈 배리어 재료를 제거하는 데 있어서 탁월한 선택비를 제공한다. 당해 용액은 탄탈 배리어 재료를 유전체 부식을 감소시키면서 선택적으로 제거한다. 예를 들면, 당해 용액은 검출 가능한 TEOS 손실 없이 저-k 유전 층을 박리시키거나 이층시키지 않고 탄탈 배리어를 제거할 수 있다. 또한, 당해 용액은 구리 접속물의 디싱 및 스크래칭을 감소시킨다. 또한, 본 발명의 아졸 화합물은 접속 금속의 제거를 억제하지 않으면서 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시킨다.

Claims (4)

  1. 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도를 갖고 접속 금속의 제거를 억제하지 않는 아졸 화합물과 연마제를 포함하고,
    유전체에 대한 탄탈 배리어 재료의 선택비가 큰, 탄탈 배리어 재료를 포함하는 반도체 웨이퍼를 유전체 및 접속 금속의 존재하에 연마하는 데 유용한 수성 조성물.
  2. 산화제 0 내지 25중량%; 비철 금속용 억제제 0 내지 6중량%; 비철 금속용 착화제 0 내지 15중량%; 1,2,4-트리아졸, 3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3,5-디메틸-1,2,4-트리아졸, 1-아미노-1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 5-아미노-3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3-이소프로필-1,2,4-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1-메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-메틸-1,2,3-트리아졸, 4,5-디메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-n-프로필-1,2,3-트리아졸, 1-(β-아미노에틸)-1,2,3-트리아졸, 1-메틸테트라졸, 2-메틸테트라졸, 5-아미노-1H-테트라졸, 5-아미노-1-메틸테트라졸, 1-(β-아미노에틸)테트라졸, 전자 공여 치환체를 갖는 치환된 트리아졸 또는 테트라졸 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 아졸 화합물 0.05 내지 25중량% 및 연마제 0.05 내지 12중량%를 포함하고, 웨이퍼에 대해 수직으로 측정된 미세다공성 폴리우레탄 연마 패드의 측정 압력 20.7kPa에서 측정한 탄탈 배리어 재료 대 유전체의 선택비가 10:1 이상인, 탄탈 배리어 재료를 반도체 웨이퍼로부터 연마하는 데 유용한 수성 조성물.
  3. 웨이퍼를, 탄탈 배리어 재료의 제거를 촉진시키기에 충분한 농도를 갖고 접속 금속의 제거를 억제하지 않는 아졸 화합물과 연마제를 함유하는 연마 조성물과 접촉시키고,
    웨이퍼를 연마 패드로 연마하여, 탄탈 배리어 재료를 유전체의 제거 속도(Å/분)보다 빠른 제거 속도로 제거함을 포함하는, 탄탈 배리어 재료를 포함하는 반도체 웨이퍼를 유전체 및 접속 금속의 존재하에 연마하기 위한 화학적 기계적 평탄화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 아졸 화합물이 1,2,4-트리아졸, 3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3,5-디메틸-1,2,4-트리아졸, 1-아미노-1,2,4-트리아졸, 3-아미노-1,2,4-트리아졸, 5-아미노-3-메틸-1,2,4-트리아졸, 3-이소프로필-1,2,4-트리아졸, 1,2,3-트리아졸, 1-메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-메틸-1,2,3-트리아졸, 4,5-디메틸-1,2,3-트리아졸, 1-아미노-5-n-프로필-1,2,3-트리아졸, 1-(β-아미노에틸)-1,2,3-트리아졸, 1-메틸테트라졸, 2-메틸테트라졸, 5-아미노-1H-테트라졸, 5-아미노-1-메틸테트라졸, 1-(β-아미노에틸)테트라졸, 전자 공여 치환체를 갖는 치환된 트리아졸 또는 테트라졸 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
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