KR20060043069A - 화학적 기계적 평탄화용 다단계 연마 용액 - Google Patents

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로버트 이. 슈미트
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머티리얼스 씨엠피 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물을 제공한다.
반도체 웨이퍼, 화학적 기계적 평탄화(CMP), 구리, 장벽 물질

Description

화학적 기계적 평탄화용 다단계 연마 용액{Multi-step polishing solution for chemical mechanical planarization}
본 발명은 반도체 웨이퍼 물질의 화학적 기계적 평탄화(CMP)에 관한 것이며, 보다 특히 CMP 조성물 및 반도체 웨이퍼로부터 구리와 장벽 물질을 제거하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 반도체 웨이퍼는 회로 내부접속을 위한 패턴 형성을 위해 유전층 내에 배열된 다중 트렌치가 함유된 유전층 및 규소로 이루어진 웨이퍼를 갖는다. 일반적으로 패턴 배열은 다마신 구조(damascene structure) 또는 듀얼 다마신 구조(dual damascene structure)를 갖는다. 장벽층이 패턴 형성된 유전층을 커버하고 금속층이 장벽층을 커버한다. 금속층은 회로 내부접속의 형성을 위해 패턴 형성된 트렌치들을 금속으로 충전시키기에 적어도 충분한 두께를 갖는다.
CMP 공정에는 종종 다중 연마 단계가 포함된다. 예를 들면, " 제1 단계"에서는 금속층을 기저 장벽층으로부터 제거한다. 제1 단계 연마에서는 금속층을 제거하는 한편, 연마 표면에 회로 내부접속 평탄면을 제공하는 금속 충전된 트렌치들 을 갖는 평활한 평탄면을 웨이퍼 상에 남긴다. 제1 단계 연마에서는 구리와 같은 내부접속 금속 과량을 초기 고속으로 제거한다. 제1 단계 제거 후에, "제2 단계" 연마에서는 반도체 웨이퍼 위에 남아 있는 장벽층을 제거할 수 있다. 제2 단계 연마에서는 반도체 웨이퍼의 기저 유전층으로부터 장벽층을 제거하여 유전층 위에 평탄한 연마 표면을 제공한다. 통상적으로, 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마의 제거 속도는 각각 약 2000Å/min 이상 및 약 1000Å/min 이하이다.
불행하게도, 이들 다중 연마 단계는 상당히 고가이며 시간 소모적이다. 특히, 다중 연마 단계에서는 원치않는 부분을을 선택적으로 제거하기 위해 상이한 슬러리들 또는 연마 용액들이 사용된다. 바꾸어 말하면, 첫번째 슬러리를 "제1 단계"에서 사용하고 두번째 슬러리를 "제2 단계"에서 사용할 수 있다. 게다가, 제1 단계 및 제2 단계는 통상적으로 다수의 정반 위에서 수행되는데, 연속되는 연마 단계 동안에 제품 또는 웨이퍼가 특정 정반으로부터 또 다른 정반으로 이송되는 것이 요구되어, 전체 공정 시간이 과도하게 증가하게 된다.
홀란드(Holland) 등의 미국 특허공보 제6,261,158호에는, 금속과 장벽 물질을 연마하기 위한 다단계 CMP 시스템이 기재되어 있다. 홀란드는 연마를 단일의 컴바인드 정반 위에서 수행함으로써 공정 시간을 최소화시키려 했다. 그러나, 당해 홀란드의 시스템에서는 각각의 물질(즉, 금속 및 장벽 물질)을 제거하기 위해 "제1 슬러리"와 "제2 슬러리"가 사용된다. 따라서, 당해 홀란드의 시스템에는 여전히 선행 기술의 단점이 존재한다.
따라서, 개선된 CMP 조성물 및 구리와 탄탈 장벽 물질의 선택적 제거방법이 필요하다. 특히, CMP 조성물, 및 비용 효율적으로 사용되고 전체 공정 시간이 감축된 구리와 탄탈 장벽 물질의 선택적 제거방법에 대한 필요성이 존재한다.
제1 측면에서, 본 발명은, 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물을 제공한다.
제2 측면에서, 본 발명은, 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물을 제공하며, 여기서 무기염은 인산아연, 피로인산아연, 폴리인산아연, 포스폰산아연, 인산암모늄, 피로인산암모늄, 폴리인산암모늄, 포스폰산암모늄, 인산디암모늄, 피로인산디암모늄, 폴리인산디암모늄, 포스폰산디암모늄, 인산구아니딘, 피로인산구아니딘, 폴리인산구아니딘, 포스폰산구아니딘, 인산철, 피로인산철, 폴리인산철, 포스폰산철, 인산세륨, 피로인산세륨, 폴리인산세륨, 포스폰산세륨, 인산에틸렌-디아민, 인산피페라진, 피로인산피페라진, 포스폰산피페라진, 인산멜라민, 인산디멜라민, 피로인산멜라민, 폴리인산멜라민, 포스폰산멜라민, 인산멜람, 피로인산멜람, 폴리인산멜람, 포스폰산멜람, 인산멜렘, 피로인산멜렘, 폴리인산멜렘, 포스폰산멜렘, 인 산디시아노디아미드, 인산우레아, 황산아연, 피로황산아연, 폴리황산아연, 설폰산아연, 황산암모늄, 피로황산암모늄, 폴리황산암모늄, 설폰산암모늄, 황산디암모늄, 피로황산디암모늄, 폴리황산디암모늄, 설폰산디암모늄, 황산구아니딘, 피로황산구아니딘, 폴리황산구아니딘, 설폰산구아니딘, 황산철, 피로황산철, 철 폴리황산염, 설폰산철, 황산세륨, 세륨 피로황산염, 세륨 폴리황산염, 설폰산세륨, 황산에틸렌-디아민, 황산피페라진, 피로황산피페라진, 설폰산피페라진, 황산멜라민, 황산디멜라민, 피로황산멜라민, 폴리황산멜라민, 설폰산멜라민, 황산멜람, 피로황산멜람, 폴리황산멜람, 설폰산멜람, 황산멜렘, 피로황산멜렘, 폴리황산멜렘, 설폰산멜렘, 디황산시아노디아미드, 황산우레아, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
제3 측면에서, 본 발명은, 탄탈 장벽 물질과 구리를 함유하는 웨이퍼를 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고 pH가 1.5 내지 6인 연마 조성물과 접촉시키고, 웨이퍼를 연마 패드로 연마함을 포함하는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 방법을 제공한다.
당해 용액 및 방법은 구리와 탄탈 장벽 물질 둘 다의 이례적인 제거 속도를 제공한다. 당해 용액은 구리와 탄탈 장벽 물질을 선택적으로 제거하기 위해 무기염 또는 무기산 및 산화제에 의존한다. 당해 용액은 사용에 있어서 비용 효율적이며 단축된 전체 공정 시간을 제공한다.
본원의 목적을 위해, 탄탈 장벽층은 탄탈, 탄탈-함유 합금, 탄탈계 합금 및 탄탈 금속간 화합물에 관한 것이다. 당해 용액은 탄탈, 탄탈계 합금 및 탄탈 금속간 화합물, 예를 들면, 탄화탄탈, 질화탄탈 및 산화탄탈에 특히 효과적이다. 또한, 본 발명이 구리 내부접속물에 특히 유용함에도 불구하고, 본원의 수성 연마 조성물은 알루미늄, 니켈, 은, 금, 백금, 팔라듐, 베릴륨, 아연, 티탄, 텅스텐, 크롬 등과 같은 다른 금속 내부접속물의 향상된 연마 또한 제공한다. 또한, 본원의 목적을 위해, 저유전체는 저유전율 물질(low-k dielectric material) 및 초저유전율 물질(ultra low-k dielectric material)을 포함하는, 유전 상수 k를 갖는 반도체 물질에 관한 것이다. 예를 들면, 다공성 및 비다공성 저유전체, 유기 및 무기 저유전체, 유기 규산염 유리(OSG: organic silicate glass), 플루오로규산염 유리(FSG: fluorosilicate glass), 탄소 도핑된 산화물(CDO: carbon doped oxide), 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 및 TEOS로부터 유도된 실리카가 있다.
또한, 본원의 목적을 위해, "무기염 또는 무기산"은, 다른 화합물들이 사용될 수 있지만, 바람직하게는 인 원소 또는 황 원소를 함유하는 임의의 화합물이다. 바람직한 인-함유 화합물 또는 황-함유 화합물에는, 예를 들면, 인산염, 피로인산염, 폴리인산염, 포스폰산염, 황산염, 피로황산염, 폴리황산염, 설폰산염, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물, 예를 들면, 인산이 있다.
특히, 바람직한 수성 연마 조성물은, 예를 들면, 다음의 인-함유 화합물 또는 황-함유 화합물을 사용하여 제조할 수 있다: 인산아연, 피로인산아연, 폴리인산아연, 포스폰산아연, 인산암모늄, 피로인산암모늄, 폴리인산암모늄, 포스폰산암모늄, 인산디암모늄, 피로인산디암모늄, 폴리인산디암모늄, 포스폰산디암모늄, 인산구아니딘, 피로인산구아니딘, 폴리인산구아니딘, 포스폰산구아니딘, 인산철, 피로인산철, 폴리인산철, 포스폰산철, 인산세륨, 피로인산세륨, 폴리인산세륨, 포스폰산세륨, 인산에틸렌-디아민, 인산피페라진, 피로인산피페라진, 포스폰산피페라진, 인산멜라민, 인산디멜라민, 피로인산멜라민, 폴리인산멜라민, 포스폰산멜라민, 인산멜람, 피로인산멜람, 폴리인산멜람, 포스폰산멜람, 인산멜렘, 피로인산멜렘, 폴리인산멜렘, 포스폰산멜렘, 인산디시아노디아미드, 인산우레아, 황산아연, 피로황산아연, 폴리황산아연, 설폰산아연, 황산암모늄, 피로황산암모늄, 폴리황산암모늄, 설폰산암모늄, 황산디암모늄, 피로황산디암모늄, 폴리황산디암모늄, 설폰산디암모늄, 황산구아니딘, 피로황산구아니딘, 폴리황산구아니딘, 설폰산구아니딘, 황산철, 피로황산철, 폴리황산철, 설폰산철, 황산세륨, 피로황산세륨, 폴리황산세륨, 설폰산세륨, 황산에틸렌-디아민, 황산피페라진, 피로황산피페라진, 설폰산피페라진, 황산멜라민, 황산디멜라민, 피로황산멜라민, 폴리황산멜라민, 설폰산멜라민, 황산멜람, 피로황산멜람, 폴리황산멜람, 설폰산멜람, 황산멜렘, 피로황산멜렘, 폴리황산멜렘, 설폰산멜렘, 디황산시아노디아미드, 황산우레아, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물. 바람직한 인-함유 화합물은 인산암모늄이다.
유리하게는, 본 발명의 연마 조성물의 무기염 또는 무기산은, 필요한 경우, 구리와 탄탈 장벽 물질 둘 다의 연마에 유효한 양으로 존재한다. 연마 조성물 중 소량의 무기염 또는 무기산만으로도 구리와 장벽 물질을 연마하기에 효과적인 것으로 사료된다. 허용되는 연마 수직 하중 압력에서의 만족스러운 연마 속도는 무기염 또는 무기산을 조성물의 0.01 내지 3중량%를 사용함으로써 수득된다. 바람직한 무기염 또는 무기산의 양은 조성물의 0.1 내지 1중량%이다. 가장 바람직하게는, 무기염 또는 무기산의 양은 조성물의 0.3 내지 0.6중량%이다.
유리하게는, 연마 용액은 산화제를 0.1 내지 30중량% 함유한다. 바람직하게는, 산화제는 0.5 내지 10중량%이다. 산화제는 다수의 산화 화합물, 예를 들면, 과산화수소(H2O2), 모노과황산염, 요오드산염, 과프탈산마그네슘, 과아세트산 및 다른 과산(per-acid), 과황산염, 브롬산염, 과요오드산염, 질산염, 철염, 세륨염, Mn(Ⅲ)염, Mn(Ⅳ)염, Mn(Ⅵ)염, 은염, 구리염, 크롬염, 코발트염, 차아염소산 할로겐 및 이들의 혼합물 중 1개 이상일 수 있다. 게다가, 산화제 화합물들의 혼합물을 사용하는 것이 종종 유리하다. 연마 슬러리에 과산화수소와 같은 불안정적인 산화제가 함유되는 경우, 산화제를 사용 직전에 당해 슬러리에 혼합하는 것이 종종 가장 유리하다.
연마 조성물은 구리와 장벽층 제거를 용이하게 하기 위해 연마재를 0.1 내지 30중량% 함유한다. 당해 범위 내에서, 연마재가 0.3중량% 이상, 바람직하게는 0.5 중량% 이상 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 당해 범위 내에서 연마재가 10중량% 이하, 바람직하게는 8중량% 이하 존재하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 연마재 농도는 2 내지 5중량%이다.
금속의 디싱 및 유전체의 부식을 억제시키기 위해, 연마재의 평균 입자 크기는 100nm 이하이다. 본원의 목적을 위해, 입자 크기는 연마재의 평균 입자 크기에 관한 것이다. 보다 바람직하게는, 평균 입자 크기가 50nm 이하인 콜로이드성 연마재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 유리하게는 평균 입자 크기가 30nm 이하인 콜로이드성 실리카에 의해 최소의 유전체의 부식 및 금속의 디싱이 발생한다. 콜로이드성 연마재 크기가 30nm 이하로 감소하는 것은, 연마 조성물의 선택성을 향상시키는 경향이 있지만, 장벽층 제거 속도를 감소시키는 경향도 있다. 또한, 콜로이드성 연마재의 안정성을 향성시키기 위해, 바람직한 콜로이드성 연마재에는 첨가재, 예를 들면, 분산재, 계면활성제 및 완충액이 함유될 수 있다. 이러한 콜로이드성 연마재 중의 하나에는 프랑스 퓌토에 소재한 클라리안트 에스.에이.(Clariant S.A.)에서 제조한 콜로이드성 실리카가 있다.
연마 조성물에는 구리와 장벽층의 "기계적" 제거를 위한 연마재가 포함된다. 연마재의 예에는 무기 산화물, 수산화물로 피복된 무기 산화물, 금속 붕화물, 금속 탄화물, 금속 질화물, 중합체 입자 및 이들을 1개 이상 포함하는 혼합물이 있다. 적합한 무기 산화물에는, 예를 들면, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 산화마그네슘(MnO2), 산화수소 알루미늄으로 피복된 실리카 입자, 실리카로 피복된 상이한 이방성(anisometry)을 갖는 타원형 입자, 수산화세리아 입자로 피복된 실리카 입자, 또는 상기한 산화물을 1개 이상 포함하는 배합물이 포함된다. 이들 무기 산화물의 개질된 형태, 예를 들면, 중합체-피복된 무기 산화물 입자 및 무기물-피복된 입자를 사용할 수도 있다. 적합한 금속 탄화물, 금속 붕화물 및 금속 질화물에는, 예를 들면, 탄화규소, 질화규소, 질화탄소규소(SiCN), 탄화붕소, 탄화텅스텐, 탄화지르코늄, 붕화알루미늄, 탄화탄탈, 탄화티탄, 또는 상기한 금속 탄화물을 1개 이상 포함하는 배합물, 금속 붕화물 및 금속 질화물이 포함된다. 필요한 경우, 다이아몬드를 연마재로 사용할 수도 있다. 또한, 또 다른 연마재에는 중합체 입자 및 피복된 중합체 입자가 포함된다. 바람직한 연마재는 실리카이다.
또한, 연마 용액은 정식각(static etch) 또는 다른 제거 메커니즘에 의한 내부접속물의 제거 속도의 제어를 위해 억제제를 0.01 내지 4중량% 함유한다. 억제제의 농도를 조절하여 정식각으로부터 금속을 보호함으로써 내부접속 금속의 제거 속도를 조절한다. 유리하게는, 당해 용액은 예를 들면, 구리 내부접속물의 정식각을 억제시키기 위해 억제제를 임의로 0.1 내지 3중량% 함유한다. 억제제는 억제제들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 아졸 억제제는 구리 내부접속물 및 은 내부접속물에 특히 효과적이다. 통상의 아졸 억제제에는 벤조트리아졸(BTA), 머캅토벤조티아졸(MBT), 톨리트리아졸 및 인다졸이 포함된다. BTA가 구리와 은에 특히 효과적인 억제제이다.
무기염 및 산화제는 잔여량의 물을 함유하는 용액 속에서 넓은 pH 범위에 걸 쳐 효능을 제공한다. 이러한 용액의 유용한 pH 범위는 적어도 1.5로부터 6까지 걸쳐있다. 또한, 당해 용액은 유리하게는 갑작스러운 불순물을 제한시키기 위해 탈이온수의 균형에 의존한다. 본 발명의 연마 용액의 pH는 바람직하게는 1.8 내지 4, 보다 바람직하게는 pH 2 내지 3이다. 본 발명의 슬러리의 pH를 조절하기 위해 사용되는 pH 조절제는 수산화암모늄과 같은 암모늄 이온을 함유하는 염기, 알킬-치환된 암모늄 이온을 함유하는 염기, 알칼리 금속 이온을 함유하는 염기, 알칼리토 금속 이온을 함유하는 염기, 그룹 IIIB 금속 이온을 함유하는 염기, 그룹 IVB 금속 이온을 함유하는 염기, 그룹 VB 금속 이온을 함유하는 염기 및 전이 금속 이온을 함유하는 염일 수 있다. 산성 범위에서의 정해진 pH는 구리와 장벽층 표면의 제거 뿐만 아니라, 안정적이여야 하는 본 발명의 슬러리에도 유익하다. 연마 슬러리를 위해, pH를 알려진 기술에 의해 조절할 수 있다. 예를 들면, 알칼리 물질을 실리카 연마재가 분산되어 있고 유기산이 용해되어 있는 슬러리에 직접 가할 수 있다. 그렇지 않으면, 가해야 하는 알칼리 물질의 일부 또는 전부를 유기 알칼리염으로서 가할 수 있다. 사용할 수 있는 알칼리 물질의 예에는 수산화칼륨과 같은 알칼리 금속 수산화물, 탄산칼륨과 같은 알칼리 금속 탄산염, 암모니아 및 아민이 포함된다. 유리하게는, 무기염 또는 무기산의 첨가에 의해 본원의 조성물에 보다 큰 안정성 및 강건성(robustness)이 제공된다. 특히, 무기염 또는 무기산의 첨가에 의해, pH에 영향을 끼치지 않거나 pH와는 독립적으로 본원의 조성물에 효과적인 연마 속도가 제공된다.
당해 연마 용액은 내부접속 금속과 장벽 물질의 뛰어난 제거 속도를 제공한 다. 특히, 다단계 연마 용액을 내부접속 금속과 장벽 물질의 원치않는 부분을 단일의 조합된 단계에서 제거하는데 사용한다. 바꾸어 말하면, 이에 따라, 추가 비용을 무시하고 공정 시간을 감축시키면서, 본 발명의 단일의 연마 용액을 "제1 단계" 공정과 "제2 단계" 공정에서 사용할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 본 발명의 조성물을 제2 단계 슬러리로서 단독으로 사용할 수 있다. 구리와 탄탈 장벽 물질을 선택적으로 제거하기 위해 당해 용액은 무기염 또는 무기산 및 산화제에 의존한다. 한가지 양태에서, 본 발명은, 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 3.5인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물을 제공한다.
임의로, 당해 용액은 비철금속을 위해 착화제를 0 내지 15중량% 함유한다. 착화제는, 존재하는 경우, 비철금속 내부접속물을 용해시킴으로써 금속 이온의 침강을 억제시킨다. 가장 유리하게는, 당해 용액은 비철금속을 위해 착화제를 0 내지 10중량% 함유한다. 착화제의 예에는 아세트산, 시트르산, 에틸 아세토아세테이트, 글리콜산, 락트산, 말산, 옥살산, 살리실산, 나트륨 디에틸 디티오카바메이트, 석신산, 타르타르산, 티오글리콜산, 글리신, 알라닌, 아스파라트산, 에틸렌 디아민, 트리메틸 디아민, 말론산, 글루타르산, 3-하이드록시부틸산, 프로피온산, 프탈산, 이소프탈산, 3-하이드록시 살리실산, 3,5-디하이드록시 살리실산, 갈산, 글루콘산, 피로카테콜, 피로갈롤, 탄닌산, 이들의 염 및 이들의 혼합물이 포함된다. 유리하게는, 착화제는 아세트산, 시트르산, 에틸 아세토아세테이트, 글리콜산, 락트산, 말산, 옥살산 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 가장 유리하게는, 착화제는 시트르산이다.
또한, 연마 용액은 내부접속 금속의 표면 마감을 조절하기 위해 염화암모늄과 같은 균전제(leveler)를 함유할 수 있다. 그 이외에도, 생물학적 오염을 제한시키기 위해 당해 용액은 살생제(biocide)를 임의로 함유할 수 있다. 예를 들면, 물 속의 Kordek® MAX 살균제(microbicide) 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온[제조원: 롬 앤드 하스 컴퍼니(Rohm and Hans Company)]은 다수의 용도를 위한 효과적인 살생제를 제공한다. 살생제는 통상적으로 제공업자에 의해 규정된 농도에서 사용한다.
당해 용액은 내부접속 금속과 장벽 물질의 뛰어난 제거 속도를 제공한다. 특히, 다단계 연마 용액을 내부접속 금속과 장벽 물질의 원치않는 부분을 단일의 조합된 단계에서 제거하는데 사용한다. 바꾸어 말하면, 이에 따라, 추가 비용을 무시하고 공정 시간을 감축시키면서, 본 발명의 단일의 연마 용액을 "제1 단계" 공정과 "제2 단계" 공정에서 사용할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 본 발명의 조성물을 제2 단계 슬러리로서 단독으로 사용할 수 있다. 제거 속도의 결정에 유용한 연마 패드는 IC 1010 폴리우레탄 연마 패드[제조원: 롬 앤드 하스 일렉트로닉 머티어리얼스 CMP 테크놀로지스(Rohm and Haas Electronic Materials CMP Technologies)]이다. 무기염 또는 무기산 및 산화제 농도의 제거에 의해 내부접속 금속과 장벽 물질의 제거 속도가 조절된다.
실시예
당해 실시예에서, 번호로 표기한 실시예는 본 발명의 실시예이며, 알파벳으로 표기한 실시예는 비교 실시예이다. 또한, 실시예의 모든 용액에는 벤조트리아졸 0.6중량%이 함유되었다.
실시예 1
당해 시험에서는 반도체 웨이퍼로부터의 질화탄탈 장벽층과 구리의 제거 속도를 측정하였다. 특히, 당해 시험에서는 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마 작업에 사용하기 위한 무기염(즉, 인산이수소암모늄)과 산화제(즉, 과산화수소)의 농도 변화에 의한 효과를 결정하였다. 슈트라우스바우 연마기(Strausbaugh polishing machine)에서 IC 1010 폴리우레탄 연마 패드를 사용하여 수직 하중 조건 약 1.5psi(10.3kPa) 및 연마 용액 유속 200㎖/min, 정반 속력 93rpm 및 캐리어 속력 87rpm에서 시료를 평탄화하였다. KOH와 HNO3를 사용하여 연마 용액의 pH를 2.5로 조절하였다. 모든 용액에는 탈이온수가 함유되었다. 또한, 연마 용액에는 평균 입자 크기가 25mm인 실리카 연마재가 4중량% 포함되었다.
Figure 112005009318550-PAT00001
표 1에 제시된 바와 같이, 질화탄탈 장벽 필름과 구리의 제거 속도는 본 발명의 조성물을 사용하여 매우 조절 가능하며, 제거 속도는 무기염과 산화제의 상대적인 농도에 상당히 좌우된다. 특히, 과산화수소 농도를 9중량%로 유지시키면서 인산이수소암모늄 농도를 0.1중량%로부터 0.5중량%로 증가시키는 경우, 일반적으로 질화탄탈 필름의 제거 속도는 각각 131Å/min으로부터 913Å/min으로 증가된다. 또한, 인산이수소암모늄 농도를 0.5중량%로 유지시키면서 과산화수소 농도를 1중량%로부터 7중량%로 증가시키는 경우, 구리 필름의 제거 속도는 각각 194Å/min으로부터 2269Å/min으로 증가된다. 인산이수소암모늄을 함유하지 않은 조성물(시험 A)은 질화탄탈과 구리 둘 다의 무시할 정도의 제거 속도를 제공하였다. 시험 2는 질화탄탈의 제거 속도를 최소화시키면서 구리의 양호한 제거 속도를 제공하였다. 즉, 시험 2에서, 연마 용액은 질화탄탈의 제거 속도를 297Å/min으로 최소화시키면서 구리 필름의 제거 속도 1723Å/min을 제공하였다. 시험 6은 구리의 제거 속도를 최소화시키면서 질화탄탈의 양호한 제거 속도를 제공하였다. 즉, 시험 6에서, 연마 용액은 구리의 제거 속도를 194Å/min으로 최소화시키면서 질화탄탈 필름의 제거 속도 1072Å/min을 제공하였다. 시험 9와 시험 10은 질화탄탈과 구리 둘 다의 뛰어난 제거 속도를 제공하였다. 특히, 시험 9는 질화탄탈의 제거 속도 1117Å/min 및 구리의 제거 속도 1515Å/min을 제공하였다. 유사하게, 시험 10은 질화탄탈의 제거 속도 989Å/min 및 구리의 제거 속도 2269Å/min을 제공하였다. 논의된 제거 속도는 위에서 정의한 바와 같은 실시예의 시험 조건에서 측정한 것임을 인지해야 한다. 제거 속도는 시험 파라메터의 변화에 따라 가변적일 수 있다.
표 1에 나타낸 결과는 본 발명의 연마 용액을 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마 둘 다에 동일하게 사용할 수 있음을 제시하고 있다. 질화탄탈 장벽 필름과 구리의 제거 속도는 무기염(즉, 인산이수소암모늄)과 산화제(즉, 과산화수소)의 상대적인 농도를 사용하여 상당히 조정 또는 조절 가능하다. 예를 들면, 시험 시료 9와 시험 시료 10는 제1 단계 연마 용액 및 제2 단계 연마 용액으로서 동일하게 적합하며, 구리와 질화탄탈 장벽층 둘 다의 뛰어난 제거 속도를 제공한다. 특히, 시험 9는 구리의 제거 속도 1515Å/min 및 질화탄탈의 제거 속도 1117Å/min을 제공하였다. 유사하게, 시험 10은 구리의 제거 속도 2269Å/min 및 질화탄탈의 제거 속도 989Å/min을 제공하였다. 그렇지 않으면, 본 발명의 조성물을 제2 단계 슬러리로서 단독으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 시험 시료 6은 구리의 제거 속도를 최소화시키면서(194Å/min) 탄탈의 뛰어난 제거 속도(1072Å/min)를 제공하였다.
실시예 2
당해 시험에서는 반도체 웨이퍼로부터의 질화탄탈 장벽층과 구리의 제거 속도를 측정하였다. 특히, 당해 시험에서는 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마 작업에 사용하기 위한 무기염(즉, 황산수소)과 산화제(즉, 과산화수소)의 농도 변화에 의한 효과를 결정하였다. 시험 조건은 실시예 1의 시험 조건과 동일하였다.
Figure 112005009318550-PAT00002
표 2에 제시된 바와 같이, 질화탄탈 장벽 필름과 구리의 제거 속도는 본 발명의 조성물을 사용하여 매우 조절 가능하며, 제거 속도는 무기염과 산화제의 상대적인 농도에 상당히 좌우된다. 특히, 과산화수소 농도를 9중량%로 유지시키면서 황산수소 농도를 0.13중량%로부터 1.00중량%로 증가시키는 경우, 일반적으로 질화탄탈 필름의 제거 속도는 각각 768Å/min으로부터 1313Å/min으로 증가된다. 또한, 황산수소 농도를 0.63중량%로 유지시키면서 과산화수소 농도를 1중량%로부터 7중량%로 증가시키는 경우, 구리 필름의 제거 속도는 각각 156Å/min으로부터 1446Å/min으로 증가된다. 황산수소을 함유하지 않은 조성물(시험 B)은 질화탄탈과 구리 둘 다의 무시할 정도의 제거 속도를 제공하였다. 시험 11은 질화탄탈의 제거 속도를 최소화시키면서 구리의 양호한 제거 속도를 제공하였다. 즉, 시험 11에서, 연마 용액은 질화탄탈의 제거 속도를 768Å/min으로 최소화시키면서 구리 필름의 제거 속도 1253Å/min을 제공하였다. 시험 17은 구리의 제거 속도를 최소화시키면서 질화탄탈의 양호한 제거 속도를 제공하였다. 즉, 시험 17에서, 연마 용액은 구리의 제거 속도를 156Å/min으로 최소화시키면서 질화탄탈 필름의 제거 속도 1501Å/min을 제공하였다. 시험 13과 시험 14는 질화탄탈과 구리 둘 다의 뛰어난 제거 속도를 제공하였다. 특히, 시험 13은 질화탄탈의 제거 속도 1405Å/min 및 구리의 제거 속도 2127Å/min을 제공하였다. 유사하게, 시험 14는 질화탄탈의 제거 속도 1365Å/min 및 구리의 제거 속도 2349Å/min을 제공하였다. 논의된 제거 속도는 위에서 정의한 바와 같은 실시예의 시험 조건에서 측정한 것임을 인지해야 한다. 제거 속도는 시험 파라메터의 변화에 따라 가변적일 수 있다.
표 2에 나타낸 결과는 본 발명의 연마 용액을 제1 단계 연마 및 제2 단계 연마 둘 다에 동일하게 사용할 수 있음을 제시하고 있다. 질화탄탈 장벽 필름과 구리의 제거 속도는 무기염(즉, 황산수소)과 산화제(즉, 과산화수소)의 상대적인 농도를 사용하여 상당히 조정 또는 조절 가능하다. 예를 들면, 시험 시료 13과 시험 시료 14는 제1 단계 연마 용액 및 제2 단계 연마 용액으로서 동일하게 적합하며, 구리와 질화탄탈 장벽층 둘 다의 뛰어난 제거 속도를 제공한다. 그렇지 않으면, 본 발명의 조성물을 제2 단계 슬러리로서 단독으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 시험 시료 17은 구리의 제거 속도를 최소화시키면서(156Å/min) 탄탈의 뛰어난 제거 속도(1501Å/min)를 제공하였다.
따라서, 당해 용액 내부접속 금속과 장벽 물질의 뛰어난 제거 속도를 제공한다. 특히, 다단계 연마 용액을 내부접속 금속과 장벽 물질의 원치않는 부분을 단일의 조합된 단계에서 제거하는데 사용한다. 바꾸어 말하면, 이에 따라, 추가 비용을 무시하고 공정 시간을 감축시키면서, 본 발명의 단일의 연마 용액을 "제1 단계" 공정과 "제2 단계" 공정에서 사용할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 본 발명의 조성물을 제2 단계 슬러리로서 단독으로 사용할 수 있다. 구리와 탄탈 장벽 물질을 선택적으로 제거하기 위해 당해 용액은 무기염 또는 무기산 및 산화제에 의존한다. 한가지 양태에서, 본 발명은, 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물을 제공한다.

Claims (10)

  1. 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 무기염을 0.1 내지 1중량% 포함하는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  3. 제1항에 있어서, pH가 2 내지 3인, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 무기염이 인산염, 피로인산염, 폴리인산염, 포스폰산염, 황산염, 피로황산염, 폴리황산염, 설폰산염, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 무기염이 인산아연, 피로인산아연, 폴리인산아연, 포스폰산 아연, 인산암모늄, 피로인산암모늄, 폴리인산암모늄, 포스폰산암모늄, 인산디암모늄, 피로인산디암모늄, 폴리인산디암모늄, 포스폰산디암모늄, 인산구아니딘, 피로인산구아니딘, 폴리인산구아니딘, 포스폰산구아니딘, 인산철, 피로인산철, 폴리인산철, 포스폰산철, 인산세륨, 피로인산세륨, 폴리인산세륨, 포스폰산세륨, 인산에틸렌-디아민, 인산피페라진, 피로인산피페라진, 포스폰산피페라진, 인산멜라민, 인산디멜라민, 피로인산멜라민, 폴리인산멜라민, 포스폰산멜라민, 인산멜람, 피로인산멜람, 폴리인산멜람, 포스폰산멜람, 인산멜렘, 피로인산멜렘, 폴리인산멜렘, 포스폰산멜렘, 인산디시아노디아미드, 인산우레아, 황산아연, 피로황산아연, 폴리황산아연, 설폰산아연, 황산암모늄, 피로황산암모늄, 폴리황산암모늄, 설폰산암모늄, 황산디암모늄, 피로황산디암모늄, 폴리황산디암모늄, 설폰산디암모늄, 황산구아니딘, 피로황산구아니딘, 폴리황산구아니딘, 설폰산구아니딘, 황산철, 피로황산철, 폴리황산철, 설폰산철, 황산세륨, 피로황산세륨, 폴리황산세륨, 설폰산세륨, 황산에틸렌-디아민, 황산피페라진, 피로황산피페라진, 설폰산피페라진, 황산멜라민, 황산디멜라민, 피로황산멜라민, 폴리황산멜라민, 설폰산멜라민, 황산멜람, 피로황산멜람, 폴리황산멜람, 설폰산멜람, 황산멜렘, 피로황산멜렘, 폴리황산멜렘, 설폰산멜렘, 황산시아노디아미드, 황산우레아, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 산화제가 과산화수소, 모노과황산염, 요오드산염, 과프탈산마그네슘, 과아세트산, 과황산염, 브롬산염, 과요오드산염, 질산염, 철염, 세륨염, Mn(Ⅲ)염, Mn(Ⅳ)염, Mn(Ⅵ)염, 은염, 구리염, 크롬염, 코발트염, 차아염소산 할로겐 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  7. 과산화수소 0.01 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고, pH가 1.5 내지 6이며, 무기염이 인산아연, 피로인산아연, 폴리인산아연, 포스폰산아연, 인산암모늄, 피로인산암모늄, 폴리인산암모늄, 포스폰산암모늄, 인산디암모늄, 피로인산디암모늄, 폴리인산디암모늄, 포스폰산디암모늄, 인산구아니딘, 피로인산구아니딘, 폴리인산구아니딘, 포스폰산구아니딘, 인산철, 피로인산철, 폴리인산철, 포스폰산철, 인산세륨, 피로인산세륨, 폴리인산세륨, 포스폰산세륨, 인산에틸렌-디아민, 인산피페라진, 피로인산피페라진, 포스폰산피페라진, 인산멜라민, 인산디멜라민, 피로인산멜라민, 폴리인산멜라민, 포스폰산멜라민, 인산멜람, 피로인산멜람, 폴리인산멜람, 포스폰산멜람, 인산멜렘, 피로인산멜렘, 폴리인산멜렘, 포스폰산멜렘, 인산디시아노디아미드, 인산우레아, 황산아연, 피로황산아연, 폴리황산아연, 설폰산아연, 황산암모늄, 피로황산암모늄, 폴리황산암모늄, 설폰산암모늄, 황산디암모늄, 피로황산디암모늄, 폴리황산디암모늄, 설폰산디암모늄, 황산구아니딘, 피로황산구아니딘, 폴리황산구아니딘, 설폰산구아니딘, 황 산철, 피로황산철, 폴리황산철, 설폰산철, 황산세륨, 피로황산세륨, 폴리황산세륨, 설폰산세륨, 황산에틸렌-디아민, 황산피페라진, 피로황산피페라진, 설폰산피페라진, 황산멜라민, 황산디멜라민, 피로황산멜라민, 폴리황산멜라민, 설폰산멜라민, 황산멜람, 피로황산멜람, 폴리황산멜람, 설폰산멜람, 황산멜렘, 피로황산멜렘, 폴리황산멜렘, 설폰산멜렘, 디황산시아노디아미드, 황산우레아, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 데 유용한 다단계 수성 조성물.
  8. 탄탈 장벽 물질과 구리를 함유하는 웨이퍼를 산화제 0.1 내지 30중량%, 무기염 또는 무기산 0.01 내지 3중량%, 억제제 0.01 내지 4중량%, 연마재 0.1 내지 30중량%, 착화제 0 내지 15중량% 및 잔여량의 물을 포함하고 pH가 1.5 내지 6인 연마 조성물과 접촉시키고, 웨이퍼를 연마 패드로 연마함을 포함하는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 무기염이 인산아연, 피로인산아연, 폴리인산아연, 포스폰산아연, 인산암모늄, 피로인산암모늄, 폴리인산암모늄, 포스폰산암모늄, 인산디암모늄, 피로인산디암모늄, 폴리인산디암모늄, 포스폰산디암모늄, 인산구아니딘, 피로인산구아니딘, 폴리인산구아니딘, 포스폰산구아니딘, 인산철, 피로인산철, 폴리인산철, 포스폰산철, 인산세륨, 피로인산세륨, 폴리인산세륨, 포스폰산세륨, 인산에 틸렌-디아민, 인산피페라진, 피로인산피페라진, 포스폰산피페라진, 인산멜라민, 인산디멜라민, 피로인산멜라민, 폴리인산멜라민, 포스폰산멜라민, 인산멜람, 피로인산멜람, 폴리인산멜람, 포스폰산멜람, 인산멜렘, 피로인산멜렘, 폴리인산멜렘, 포스폰산멜렘, 인산디시아노디아미드, 인산우레아, 황산아연, 피로황산아연, 폴리황산아연, 설폰산아연, 황산암모늄, 피로황산암모늄, 폴리황산암모늄, 설폰산암모늄, 황산디암모늄, 피로황산디암모늄, 폴리황산디암모늄, 설폰산디암모늄, 황산구아니딘, 피로황산구아니딘, 폴리황산구아니딘, 설폰산구아니딘, 황산철, 피로황산철, 폴리황산철, 설폰산철, 황산세륨, 피로황산세륨, 폴리황산세륨, 설폰산세륨, 황산에틸렌-디아민, 황산피페라진, 피로황산피페라진, 설폰산피페라진, 황산멜라민, 황산디멜라민, 피로황산멜라민, 폴리황산멜라민, 설폰산멜라민, 황산멜람, 피로황산멜람, 폴리황산멜람, 설폰산멜람, 황산멜렘, 피로황산멜렘, 폴리황산멜렘, 설폰산멜렘, 디황산시아노디아미드, 황산우레아, 및 이들의 산, 염, 혼합된 산염, 에스테르, 부분 에스테르, 혼합된 에스테르, 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 산화제가 과산화수소, 모노과황산염, 요오드산염, 과프탈산마그네슘, 과아세트산, 과황산염, 브롬산염, 과요오드산염, 질산염, 철염, 세륨염, Mn(Ⅲ)염, Mn(Ⅳ)염, Mn(Ⅵ)염, 은염, 구리염, 크롬염, 코발트염, 차아염소산 할로겐 및 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 반도체 웨이퍼로부터 탄탈 장벽 물질과 구리를 연마하는 방법.
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