KR20050064592A - 저농도의 연마제를 포함하는 슬러리를 이용한 ｃｍｐ 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저농도의 연마제를 함유한 CMP 슬러리를 사용한 CMP 공정에 관한 것으로, 본 발명에서는 종래의 CMP 슬러리와는 달리 0.1중량% 이하의 연마제를 포함하는 슬러리를 이용하여 평탄화 공정을 진행함으로써 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, CMP 공정의 균일도를 높여서 궁극적으로 소자의 수율 및 신뢰성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. 특히 저농도 연마제를 함유하는 본 발명의 슬러리는 소자의 평탄화 달성 정도가 우수하여 CMP전 잔막 두께를 낮출 수 있고 CMP량을 최소화 할 수 있다.
Description
본 발명은 저농도의 연마제를 함유한 CMP (Chemical Mechanical Polishing) 슬러리를 사용한 CMP 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 CMP 슬러리와는 달리 0.1중량% 이하의 연마제를 포함하는 슬러리를 이용하여 평탄화 공정을 진행함으로써 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, CMP 공정의 균일도를 높여서 궁극적으로 소자의 수율 및 신뢰성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
CMP 공정은 반도체 소자 제조 공정 중 형성된 패턴을 절연하기 위한 층간절연막 또는 금속을 이용한 공정시 형성된 막이나 패턴을 전반적으로 평탄화하는 공정이다. 반도체 소자 제조 공정 중의 평탄화 공정에 필수적인 CMP 공정은 CMP 슬러리 중의 반응성이 좋은 화학 물질을 이용하여 화학적으로 제거하고자 하는 물질을 제거하면서, 동시에 초미립 연마제가 웨이퍼 표면을 기계적으로 제거 가공하는 것으로, 웨이퍼 전면과 회전하는 탄성 패드 사이에 액상의 슬러리를 투입하는 방법으로 수행된다.
이러한 슬러리 공정에는 연마패드, 백킹 필름 슬러리 (backing film slurry), 다이아몬드 컨디셔너 (diamond conditioner) 등과 같은 많은 소모품이 이용된다. 특히 슬러리는 사용량의 3% 이하만 CMP 공정에 기여하고 나머지는 버려지기 때문에 이를 재활용하는 방안이 연구되고 있으나, 그 실효성이 의문시된다.
슬러리 내에 존재하는 연마제 입자가 크거나, 연마제가 응집 (agglomeration)되는 경우에는 반도체 소자에 스크래치가 발생되는데, 이는 연마제 입자의 농도가 높을수록 영향을 많이 받으며, 반도체 소자의 수율과 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다.
종래 기술에 이용된 슬러리는 일정 연마 속도를 유지하기 위하여, 통상적으로 실리카 연마제의 경우는 5∼15중량% 정도, 세리아의 경우는 0.5∼5중량% 정도의 연마입자가 포함된 것을 사용한다.
CMP 공정은 잉여 연마입자에 의한 연마 불균일도를 초래하기 때문에 이를 극복하기 위한 수단으로 패드나 백킹 필름의 다이아몬드 등의 소모품을 자주 교환하게 된다. 특히 침전성이 강한 세리아, 알루미나, 산화망간 등의 연마입자를 사용할 경우 큰 입자를 제거하기 위하여 필터를 빈번히 교체해야 한다. 또한 CMP 슬러리 내의 잉여 연마제는 스크래치 소스 (scratch source)로 작용하여 디바이스에 치명적인 결함을 가져온다.
따라서, 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, CMP 공정의 균일도를 높일 수 있는 CMP 슬러리를 사용하는 것이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, CMP 공정의 균일도를 높여서 궁극적으로 소자의 수율 및 신뢰성을 확보할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 종래의 CMP 슬러리와는 달리 연마제를 0.1중량% 이하의 저농도로 포함하는 슬러리를 이용하여 평탄화 공정을 진행하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 연마제의 농도가 0.01∼0.1중량%인 CMP 슬러리를 사용하는 평탄화 공정을 제공한다. 연마제의 농도가 0.01 중량% 미만이면 연마제의 함량이 너무 낮아 기계적인 연마의 효과를 거의 달성할 수 없고, 0.1 중량%를 초과하면 평탄도 능력이 저하되며, 슬러리 내 연마 입자의 농도 증가에 따라 마이크로 스크래치 (micro-scratch) 발생이 야기된다. 따라서 적정 연마 속도를 유지하고 마이크로 스크래치를 최소화하는 방법으로 0.01∼0.1중량%의 연마제를 포함하는 슬러리를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 CMP 슬러리에 포함되는 연마제의 농도는 0.01∼0.09중량%인 것이 바람직하고, 0.05중량%인 것이 보다 바람직하다.
또한 연마제로는 세리아 (CeO2), 실리카 (SiO2), 산화망간 (MnO2) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 CMP 평탄화 공정은 층간절연막 평탄화 공정, STI CMP 공정, 랜딩플러그 폴리 CMP 공정, 텅스텐 CMP, 알루미늄 CMP 또는 구리 CMP 공정에 사용될 수 있다.
한편, 상기 층간절연막 평탄화 공정에서는 공급되는 슬러리와 물의 유량을 조절하여 BPSG, PSG, d-TEOS, P-SiH4, SiN 또는 폴리실리콘을 연마한다.
또한, 상기 STI CMP 공정에 사용되는 슬러리는 음이온 첨가제, 양이온 첨가제 또는 비이온 첨가제를 슬러리 전체 중량에 대하여 0.005∼1중량% 포함할 수 있다.
이 때 사용가능한 음이온 첨가제의 예로는 카르복실산 또는 이의 염; 황산 에스테르 (sulfuric acid ester) 또는 이의 염; 술폰산 (sulfonic acid) 또는 이의 염; 또는 인산 에스테르 (phosphoric acid ester) 또는 이의 염 등이 있으며, 양이온 첨가제의 예로는 제1 아민 (primary amine) 또는 이의 염; 제2 아민 (secondary amine) 또는 이의 염, 제3 아민 (tertiary amine) 또는 이의 염; 또는 제4아민 (quaternary amine) 또는 이의 염 등을 들 수 있고, 비이온 첨가제의 예로는 폴리에틸렌글리콜형 계면활성제 또는 폴리하이드록시 알코올형 계면활성제 등을 들 수 있다.
도 1은 동일한 슬러리를 탈이온수로 희석하여 연마제 농도에 따른 기판의 마이크로 스크래치를 모델링하여 나타낸 것으로, 희석비가 증가할수록 연마제 농도가 감소하고, 연마제 농도가 감소함에 따라 마이크로-스크래치가 감소함을 알 수 있다.
도 2는 5중량% 세리아 연마제를 포함하는 슬러리를 탈이온수로 100배 희석한 후 BPSG 막을 연마한 결과이다. 이때 연마조건은 테이블 회전수 93rpm, 헤드 회전수 87rpm, 압력 4psi이었고, 그 결과에서 BPSG 막은 3100Å/min 정도의 연마 속도를 나타내고 있다.
하기 표 1은 5중량% 세리아 연마제를 포함하는 슬러리를 탈이온수로 희석하여 0.05중량%의 연마제를 포함하는 슬러리 및 0.099중량%의 연마제를 포함하는 슬러리를 각각 제조하여, HDP 막, SiN 막 및 BPSG 막의 연마 속도를 비교한 결과이다.
[표 1]
| 절연막에 따른 연마속도 (단위 : Å/min) | |||||
| 웨이퍼 No. | 0.05중량% 세리아 | 0.099중량% 세리아 | |||
| HDP | SiN | BPSG | TEOS | BPSG | |
| 1 | 1179 | 277 | 3082 | 2445 | 6365 |
| 2 | 1170 | 285 | 3279 | ||
| 3 | 1141 | 283 | 3205 | ||
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 0.05중량% 농도의 세리아를 함유하는 슬러리를 이용하면, HDP 막의 경우 1100∼1200 Å/min 정도, BPSG 막의 경우 3000∼3300 Å/min 정도의 연마속도를 보이고 있으며, SiN 막의 경우 270∼290 Å/min 정도의 연마속도를 보이고 있다. 상기 결과로부터 연마하고자 하는 막질에 따라 연마 속도에 차이가 나는 것을 알 수 있다. 적정 연마량을 조절하기 위해서는 상기 표 1을 참고하여 연마제의 농도를 조정할 필요가 있다.
또한, 표 1로부터 HDP 또는 d-TEOS 막의 경우 0.1 중량% 정도의 연마 입자를 가진 슬러리를 적용하는 것이 바람직하며 BPSG막의 경우 0.05∼0.1 중량%연마 입자를 가진 슬러리를 이용하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 연마하고자 하는 막질에 관계없이 동일한 연마제 농도를 적용할 경우, 기타 기계적인 연마조건 조건들을 변경하여 적정 조건을 확립할 수도 있다.
도 3은 슬러리의 희석비를 조절하기 위한 방법을 도식적으로 나타낸 결과로 연마 패드 (1) 상에 일정량의 연마제를 포함하는 통상의 슬러리, 예를 들어 5중량% 정도의 연마제를 포함하는 슬러리를 50배 정도로 1차 희석시킨 슬러리를 슬러리 투입 수단 (2)을 통하여, 탈이온수를 물 투입 수단 (3)을 통하여 동시에 공급하고, 공급되는 1차 희석된 슬러리와 물의 양을 조절함으로써 HDP, d-TEOS, BPSG, P-SiH4 등의 막질에 따른 연마량을 조절한다. 본 발명에서는 연마제 희석비 조절이 매우 중요하기 때문에 1차로 희석된 슬러리의 유량 조절뿐만 아니라 1차 희석된 슬러리를 2차로 희석하기 위해 공급되는 물의 유량 조절도 중요하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 종래의 CMP 슬러리와는 달리 0.1중량% 이하의 저농도의 연마제만을 포함하는 슬러리를 이용하여 평탄화 공정을 진행함으로써 반도체 소자의 제조 공정에 있어서, CMP 공정의 균일도를 높여서 궁극적으로 소자의 수율 및 신뢰성을 확보할 수 있다. 특히 평탄도 달성 효과가 기존 슬러리에 비하여 우수하므로 평탄화하기 위해 증착하는 막의 두께를 낮출 수 있고, 연마량을 줄일 수 있어 CMP 공정뿐만 아니라 사전 증착 공정에도 유리한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 슬러리의 연마제 농도에 따른 기판의 스크래치 정도를 나타낸 그래프.
도 2는 0.05중량%의 연마제를 함유한 슬러리를 이용하여 BPSG막을 연마한 경우의 연마 속도를 나타낸 그래프 (■ : 웨이퍼 1, ▲ : 웨이퍼 2, × : 웨이퍼 3).
도 3은 슬러리의 희석비를 조절하는 방법을 나타낸 모식도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
1 : 연마 패드 2 : CMP 슬러리 투입 수단
3 : 물 투입 수단
Claims (8)
- CMP (Chemical Mechanical Polishing) 평탄화 공정을 적용하는 반도체 소자의 제조방법에 있어서, 상기 평탄화 공정은 연마제의 농도가 0.01∼0.1중량%인 CMP 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 CMP 슬러리에 포함되는 연마제의 농도는 0.01∼0.09중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 연마제는 세리아 (CeO2), 실리카 (SiO2), 산화망간 (MnO2) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 CMP 평탄화 공정은 층간절연막 평탄화 공정, STI CMP 공정, 랜딩플러그 폴리 CMP 공정, 텅스텐 CMP, 알루미늄 CMP 또는 구리 CMP 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 층간절연막 평탄화 공정은 공급되는 슬러리와 물의 유량을 조절하여 BPSG, PSG, d-TEOS, P-SiH4, SiN 또는 폴리실리콘을 연마하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 STI CMP 공정에 사용되는 슬러리는 음이온 첨가제, 양이온 첨가제 또는 비이온 첨가제를 포함하는 슬러리인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 음이온 첨가제는 카르복실산 또는 이의 염; 황산 에스테르 (sulfuric acid ester) 또는 이의 염; 술폰산 (sulfonic acid) 또는 이의 염; 및 인산 에스테르 (phosphoric acid ester) 또는 이의 염으로 이루어진 군으로부터 선택되고,상기 양이온 첨가제는 제1 아민 (primary amine) 또는 이의 염; 제2 아민 (secondary amine) 또는 이의 염, 제3 아민 (tertiary amine) 또는 이의 염; 및 제4아민 (quaternary amine) 또는 이의 염으로 이루어진 군으로부터 선택되며,상기 비이온 첨가제는 폴리에틸렌글리콜형 계면활성제 및 폴리하이드록시 알코올형 계면활성제로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 첨가제의 함량은 전체 슬러리 중량의 0.005∼1중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
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