KR20060123878A - 연마 평탄도를 향상시킨 산화 세륨 슬러리 조성물 - Google Patents

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Abstract

반도체 다층구조를 형성하기 위한 STI(Shallow Trench Isolation) 공정의 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 공정에 특히 유용하고, 실리콘 웨이퍼 상의 연마 균일도를 향상시켜, 디싱(Dishing) 및 침식(Erosion)을 감소시키는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물이 개시된다. 상기 슬러리 조성물은 산화세륨 연마제, 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 폴리카르복실산 또는 그 염, 알코올계 화합물, 및 물을 포함하며, 전체 슬러리 조성물에 대하여 상기 산화세륨 연마제의 함량은 0.1 내지 20중량%이고, 상기 폴리카르복실산 또는 그 염의 함량은 0.01 내지 20중량%이고, 상기 알코올계 화합물의 함량은 0.001 내지 10중량%이다. 또한, 상기 슬러리 조성물의 pH는 5 내지 10인 것이 바람직하다.
화학 기계적 연마, STI 공정, 슬러리, 디싱, 침식, 연마 선택비, 폴리카르복실산 및 그 염, 알코올계 화합물

Description

연마 평탄도를 향상시킨 산화 세륨 슬러리 조성물 {Cerium Oxide Chemical Mechanical Polishing Slurry Composition that enhanced Polishing Non-uniformity}
도 1은 산화규소막 및 질화규소막이 증착된 실리콘 웨이퍼에 형성된 트렌치에 필드산화막이 채워진 실리콘 웨이퍼의 단면도.
도 2는 종래의 기술에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 실시된 실리콘 웨이퍼 의 단면도.
도 3은 본 발명에 따라, 화학 기계적 연마 공정이 실시된 실리콘 웨이퍼의 단면도.
본 발명은 산화세륨 연마제를 포함하는 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 웨이퍼 상의 연마 균일도를 향상시켜, 디싱(Dishing) 및 침식(Erosion)을 감소시키는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자 제조 기술의 발달과 메모리 소자의 응용분야가 확대됨에 따라, 대용량 메모리 소자의 개발이 진행되고 있는데, 이러한 메모리 소자의 대용량화는 각 세대마다 2배로 진행하는 미세 공정기술에 기반을 두고 있으며, 특히 소자 간을 분리하는 소자 분리막의 축소가 메모리 소자의 미세화에 있어서 중요한 항목 중의 하나로 대두되고 있다. 종래의 소자 분리 기술로는 반도체 기판 상에 두꺼운 산화규소막을 선택적으로 성장시켜 소자 분리막을 형성하는 로커스(LOCal Oxidation of Silicon: LOCOS) 기술이 통상적으로 사용되었으나, 이와 같은 LOCOS 기술의 경우 소자 분리막의 측면 확산 및 버즈 비크(bird's beak)에 의해 활성영역이 감소되는 단점이 있다. 따라서 소자 설계 치수가 서브미크론(submicron) 이하인 대용량 메모리 소자에 있어서는, 로커스 기술의 적용이 불가능하므로 새로운 소자 분리 기술이 필요하게 되었다. 이에 따라 기판(wafer) 위에 트랜치(Trench)를 형성하고, 여기에 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)으로 필드산화막을 채운 후, 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP)를 통하여 광역 평탄화를 실시하는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정이 개발되어 사용되고 있다.
STI 공정을 이용하여 반도체 소자 분리막을 형성하는 통상적인 과정을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 STI 공정에서는 웨이퍼(1)의 표면에 50 내지 200Å두께의 얇은 산화규소막(2)을 형성한 후, 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 500 내지 2000Å 두께의 질화규소막(3)을 적층한다. 이렇게 형성된 산화규소막 (2)과 질화규소막(3)을 포토레지스트(photoresist)를 사용하여 패터닝(patterning)한 후, 패터닝된 산화규소막(2)과 질화규소막(3)에 의해 노출된 웨이퍼(1)에 트렌치(4)를 형성한다. 형성되는 트렌치(4)의 깊이는 적용 디바이스의 디자인 룰에 따라 차이가 있으나 약 1500 내지 5000Å이다. 다음으로, 포토레지스트를 제거한 후 화학기상증착법(CVD)으로 증착 두께가 3000 내지 10000Å정도가 되도록 필드산화막(5)을 퇴적시킨 다음, 연마 슬러리를 사용하여 평탄화 공정을 진행한다.
이러한 STI 공정은 버즈 비크가 생성되지 않아, 절연 부분이 소자의 활성 영역으로 침투하지 않을 뿐만 아니라, 소자의 절연 길이를 현저히 줄여, 소자의 크기를 감소시킬 수 있다. 이와 같은 STI 공정에서는 O2와 H2O의 확산을 방지하기 위하여 실리콘 웨이퍼(1) 위에 증착된 질화규소막(3)을 연마 정지막으로 사용하여 소자 분리 공정을 진행하는데, 실리카 계통의 기존 슬러리를 사용하여 연마할 경우 필드산화막(5)과 질화규소막(3)의 연마 선택비가 약 4 : 1 정도로 낮은 단점이 있다. 이와 같이 연마 선택비가 낮으면 화학 기계적 연마 공정 시, 연마 정지막으로 사용된 질화규소막(3)이 연마되어 활성 영역이 손상되거나, 질화규소막(3) 제거 후, 필드 영역의 산화규소막(2) 두께가 불균일해져, 전기적 특성의 차이가 발생하는 단점이 있다.
종래의 연마용 슬러리를 이용한 CMP를 행하면, 필드산화막(5)과 질화규소막 (3)간의 연마 속도 차이가 크기 때문에, 디싱이나 침식이 발생한다. 디싱(6)은 도 2에 도시한 바와 같이, 필드산화막(5)이 과잉으로 연마되어, 소자 분리영역이 움푹 패이게 되는 현상을 말한다. 한편, 침식(7)은 배선 밀집 영역의 연마가 배선 고립 영역 등의 배선 밀도가 낮은 영역에 비하여 과잉으로 연마되어, 배선 밀집 영역의 표면이 다른 영역보다 움푹하게 들어간 상태를 말한다.
상술한 바와 같이 반도체 소자 분리막 형성 공정에 있어서, 디싱(6)이 발생하면, 배선 저항이나 접속 저항이 증가하거나, 또한, 일렉트로 마이그레이션이 일어나기 쉽기 때문에 소자의 신뢰성이 저하한다. 또한, 침식(7)이 발생하면, 기판 표면의 평탄성이 악화되어 다층구조에 있어서는 보다 더 현저해지기 때문에, 배선 저항의 증대나 편차가 발생하는 문제가 일어난다.
따라서 본 발명의 목적은 필드산화막과 질화규소막의 연마 선택비를 향상시켜, 연마 후 연마면의 연마 균일도를 높일 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 디싱 및 침식의 발생을 감소시켜 반도체 소자의 품질을 향상시킬 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화세륨 연마제, 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 폴리카르복실산 또는 그 염, 알코올계 화합물, 및 물을 포함하는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제공한다. 여기서, 전체 슬러리 조성물에 대하여 상기 산화세륨 연마제의 함량은 0.1 내지 20중량%이고, 상기 폴리카르복실산 또는 그 염의 함량은 0.01 내지 20중량%이고, 상기 알코올계 화합물의 함량은 0.001 내지 10중량%이다. 또한, 상기 슬러리 조성물의 pH는 5 내지 10인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물에 사용되는 연마제는 필드산화막 및/또는 질화규소막의 기계적 연마를 수행하는 것으로서, 산화 세륨 입자를 포함한다. 본 발명에 사용되는 연마제는 산화 세륨의 함량이 99.0중량% 이상인 고순도의 산화 세륨 입자인 것이 바람직하고, 99.9중량% 이상의 순도를 가지는 산화 세륨 입자를 사용하면 더욱 바람직하다. 순도가 낮은 연마 입자를 사용하는 경우에는, 연마 후 반도체 소자를 세정해도 불순물이 잔류하여, 반도체 특성에 악영향을 미치므로, 불량품이 늘어나고 수율이 저하될 우려가 있다. 상기 산화 세륨 연마제의 함량은 연마시의 가공 압력 등, 연마 조건에 따라 달라질 수 있으나, 전체 슬러리 조성물에 대하여 0.1 내지 20중량%인 것이 바람직하고, 0.5 내지 10중량%이면 더욱 바람직하다. 상기 산화 세륨 연마제의 함량이 0.1중량% 미만이면 필드산화막의 연마 속도가 저하되고, 20중량%를 초과하면 밀링 공정에서의 경제성이 저하되는 등의 문제가 있다. 또한 상기 산화 세륨의 평균 입자 크기는 10 내지 500nm인 것이 바람직하 고, 50 내지 300nm이면 더욱 바람직하다. 만일 산화 세륨의 평균 입자 크기가 10nm 미만이면 CMP 공정시 연마 속도가 저하되고, 500nm를 초과하면 연마 표면에 미세 스크래치가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 필드산화막과 질화규소막의 연마 선택비를 향상시키기 위한 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 폴리카르복실산 또는 그 염을 포함한다. 상기 폴리카르복실산 또는 그 염들의 중량 평균 분자량이 50,000이하인 경우에는 필드산화막과 질화규소막간의 연마 선택비 구현이 힘들고, 500,000이상인 경우에는 슬러리의 점도가 높아져 보존안정성이 떨어지는 문제가 있다. 상기 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 폴리카르복실산 또는 그 염의 함량은 전체 슬러리 조성물에 대하여 0.01 내지 20중량%인 것이 바람직하고, 0.05 내지 10중량%이면 더욱 바람직하다. 상기 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 카르복실산 또는 그 염의 사용량이 0.01중량% 미만이면 필드산화막과 질화규소막의 연마선택비가 감소하며, 20중량%를 초과하면 연마 속도가 저하될 우려가 있다.
또한 본 발명에 따른 슬러리 조성물은 중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 카르복실산 또는 그 염과 더불어, 연마 평탄도를 향상시키기 위한 알코올계 화합물을 포함한다. 상기 알코올계 화합물로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 자이리톨, 폴리에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 2- 아미노-1-부탄올, 네오펜틸 글리콜 등으로, 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 그 중 자이리톨, 폴리에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알코올계 화합물의 사용량은 전체 슬러리 조성물에 대하여 0.001 내지 10중량%인 것이 바람직하고, 0.005 내지 5중량%이면 더욱 바람직하다. 만일 상기 알코올계 화합물의 사용량이 0.001중량% 미만이면 연마 평탄도를 충분히 상승시키지 못할 우려가 있고, 10중량%를 초과하면 함량 증가에 따른 효과의 상승이 적어 비경제적이다.
본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물의 pH는 5 내지 10인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 연마 슬러리의 pH는 통상적인 산, 염기 등의 pH 조절제를 사용하여 조절할 수 있으며, 구체적으로는 인산, 염산, 황산, 질산, 암모니아, 수산화칼륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 등을 상기 pH 조절제로 사용할 수 있다. 상기 pH 조절제의 사용량은 다른 성분의 기능을 훼손하지 않으면서, 원하는 pH를 얻을 수 있는 범위 내에서 사용한다. 상기 연마 슬러리 조성물의 pH가 5 이하이거나 10이상인 경우에는 산화세륨 연마입자의 분산성이 떨어지고 화학 기계적 연마 공정시 필드산화막과 질화규소막의 연마량이 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물의 나머지 성분은 물, 바람직하게는 초순수이다. 또한 본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물은 필요에 따라 보관 온도, 숙성 등에 의한 슬러리의 겔화 및 입자 침전을 최대한 억제하고, 분산 안정성을 유지하 기 위한 분산제, pH 변화를 억제하기 위한 버퍼 용액, 입자 분산액의 점도를 낮추기 위한 각종 염류 등 통상적인 첨가제를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 화학-기계적 연마 슬러리 조성물은 질화규소막에 비하여 필드산화막에 대한 연마 속도가 우수하고, 필드산화막과 질화규소막의 연마 선택비를 적어도 10 이상, 바람직하게는 20 이상으로 유지할 수 있으며 연마되는 웨이퍼 연마면의 연마균일도를 향상시켜 디싱(Dishing)이나 침식(Erosion)을 감소시킬 수 있어 반도체 다층 구조를 형성하기 위한 STI 공정 등 반도체 소자의 미세 회로패턴 형성에 특히 유용하다.(도 3 참조)
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1-7, 비교예1-2]
세리아 슬러리의 성능을 평가하기 위하여, 다음과 같이 연마 슬러리를 제조하고, 화학 기계적 연마를 실시하였다. 먼저, 폴리아크릴산의 함량과 자이리톨의 함량에 따른 슬러리의 성능 변화를 평가하기 위하여, 산화 세륨 1.0중량%, 하기 표 1에 기재된 함량의 폴리아크릴산(중량평균분자량 300,000)과 자이리톨, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 슬러리의 pH를 조절하기 위한 TMAH 및 잔여량의 초순수를 포 함하는 슬러리 조성물을 제조하였다. 연마 슬러리의 연마 특성을 측정하기 위하여, 기판 위에 HDP(High Density Plasma) 증착법을 이용하여 10,000Å 두께의 산화규소막을 증착하고, 저압 화학기상증착법을 이용하여 1,200Å 두께의 질화규소막을 증착하였다. (주)스피드팸(Speedfam)사의 MomantumTM 연마장비, 로델사의 IC1400 패드 및 상기 연마 슬러리를 사용하여 상기 필드산화막 및 질화규소막을 연마한 후, 연마속도를 측정하고, 이로부터 연마 선택비를 계산하였다. 또한 연마 평탄율(Non-uniformity)은 측정된 연마속도의 표준편차를 연마속도의 평균값으로 나누어 계산하였다. 연마조건은 600rpm의 오비탈(Platen) 속도, 4.8psi의 평균 하중압력이었으며, 연마 슬러리 공급 속도는 200ml/min이었다. 또한 TENCOR 사의 KLA2531 장비를 이용하여 미세 스크래치를 측정하였다.
실시예 번호 폴리 아크릴산의 함량 (중량%) 자이리톨의 함량 (중량%) pH 필드 산화막의 연마속도 (Å/min) 필드 산화막의 평탄율 (%) 질화 규소막의 연마속도 (Å/min) 질화 규소막의 평탄율 (%) 선택비 미세 스크래치 개수 (개수/장)
1 0.01 0.01 7.2 3354 6.5 208.3 5.1 16.1 19
2 0.1 0.01 7.1 3296 6.8 85.6 4.9 38.5 25
3 0.5 0.01 7.0 3042 6.4 86.7 5.0 35.1 26
4 1.0 0.01 7.1 2724 7.2 83.6 5.3 32.6 20
5 5.0 0.01 7.0 2269 6.4 76.4 5.1 29.7 16
6 1.0 0.05 7.2 2704 6.2 79.3 4.6 34.1 22
7 1.0 0.1 7.1 2733 5.1 83.3 4.5 32.8 20
비교예1 0 0.01 7.1 3578 8.3 730.2 8.6 4.9 21
비교예2 1.0 0 7.0 2761 11.2 83.4 10.1 33.1 23
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예의 슬러리 조성물을 사용하면 필드산화막과 질화규소막의 연마 선택비가 현저히 증가함을 알 수 있으며, 또한 연마된 웨이퍼의 연마 평탄율이 향상됨을 알 수 있다. 폴리아크릴산이 포함되지 않은 비교예 1은 실시예의 슬러리에 비하여 연마 선택비가 현저히 적음을 알 수 있고 자이리톨이 함유되지 않은 비교예 2는 연마 공정 후 필드산화막과 질화규소막의 연마 평탄율이 실시예의 슬러리에 비하여 상대적으로 좋지 않음을 알 수 있다.
[실시예 8-10, 비교예 3]
사용되는 카르복실산 또는 그 염과 알코올계 화합물의 웨이퍼 연마 후 디싱을 평가하기 위하여, 하기 표 2와 같이 연마 슬러리를 제조하고 화학 기계적 연마를 실시하였다. 먼저, 산화 세륨 1.0중량%, 중량 평균 분자량이 200,000인 폴리아크릴산과 폴리에틸렌글리콜을 하기 표 2에 기재된 바와 같이 함유하고, 슬러리의 pH를 조절하기 위한 TMAH 및 잔여량의 초순수를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하였다. 연마 슬러리의 연마와 연마 특성의 측정은 실시예 1과 같은 방법을 이용하였다. 또한 연마된 패턴 웨이퍼는 SKW사의 STI 3 patterned wafer를 사용하였다.
실시예 번호 폴리 아크릴산의 함량(중량%) 폴리에틸렌 글리콜의 함량(중량%) pH 필드 산화막의 연마속도 (Å/min) 필드 산화막의 평탄도 (%) 질화 규소막의 연마속도 (Å/min) 질화 규소막의 평탄도 (%) 선택비 디싱량 (Å)
8 0.1 0.01 6.9 3526 6.8 86 4.8 41.2 125
9 0.5 0.01 7.0 3219 6.4 79 4.9 40.6 80
10 1.0 0.1 7.1 2917 5.1 82 4.1 35.8 75
비교예3 1.0 0 7.0 2881 12.6 85 11.3 34.1 550
상기 표 2로부터, 카르복실산 또는 그 염과 알코올계 화합물을 포함하는 슬러리 조성물은 필드산화막과 질화규소막의 연마 선택비가 우수하고 패턴 웨이퍼 연마 후 디싱이 적음을 알 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물은 필드산화막의 연마 속도가 현저하게 크고, 질화규소막의 연마 속도가 상대적으로 낮아, 연마 선택비가 큰 장점이 있으며, 연마 후 연마면의 연마 균일도를 높일 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물을 사용하면 디싱 및 침식의 발생을 감소시켜 우수한 품질을 지닌 반도체 소자를 생산할 수 있다.

Claims (5)

  1. 산화세륨 연마제;
    중량 평균분자량 50,000 내지 500,000의 폴리카르복실산 또는 그 염;
    알코올계 화합물; 및
    물을 포함하는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 전체 슬러리 조성물에 대하여 상기 산화세륨 연마제의 함량은 0.1 내지 20중량%이고, 상기 폴리카르복실산 또는 그 염의 함량은 0.01 내지 20중량%이고, 상기 알코올계 화합물의 함량은 0.001 내지 10중량%인 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 알코올계 화합물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 폴리에틸렌글리콜, 자이리톨, 트리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 2-아미노-1-부탄올, 네오펜틸 글리콜 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 조성물의 pH는 5 내지 10인 것인 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 조성물의 pH를 조절하기 위하여 인산, 염산, 황산, 질산, 암모니아, 수산화칼륨 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물을 더욱 포함하는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물.
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