KR20070062629A - 세륨계 연마제를 포함하는 금속 배선용 화학기계적 연마조성물 - Google Patents

세륨계 연마제를 포함하는 금속 배선용 화학기계적 연마조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 공정중 금속배선의 평탄화를 위한 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연마 조성물은 기존 연마제로 주로 사용되던 알루미늄계 연마제 대신 세륨계 연마제를 함유함으로써 우수한 연마속도 뿐 아니라 금속배선에 대한 우수한 선택성을 가지며 스크래치(scratch), 디싱(dishing) 및 에로젼(erosion) 등을 감소시키므로, 반도체 제조시 금속층의 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

세륨계 연마제를 포함하는 금속 배선용 화학기계적 연마 조성물{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING COMPOSITION FOR METAL CIRCUIT COMPRISING SERIUM-BASED ABRASIVE}
도 1은 실시예에서 제조된 본 발명에 따른 연마 슬러리, 연마제 미함유 슬러리 및 기존 알루미나 연마제 함유 슬러리를 사용하여 구리 웨이퍼에 대한 연마속도 및 질화 탄탈륨 대비 선택비를 비교한 그래프이다.
본 발명은 금속막의 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing: CMP) 공정에 사용될 수 있는 연마 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정에는 텅스텐, 알루미늄 및 구리 등의 금속 배선층과 산화 규소(SiO2) 및 질화 규소(Si3N4) 등의 절연막의 평탄화를 구현하기 위해 연마 슬러리를 사용하여 웨이퍼를 연마하는 화학 기계적 연마(CMP) 공정이 수반된 다.
이러한 연마 공정에 사용되는 연마 슬러리는 연마제, 물, 분산제 및 첨가제가 포함되며, 이때 첨가제로는 산화제, 착화제, 부식방지제 및 pH 조절제 등이 사용된다. 이 중, 연마제는 연마 대상과의 기계적인 마찰로 연마를 수행하므로 연마 대상에 따라 연마제 입자의 물성 및 경도가 중요하게 작용한다.
기존 절연막 연마에 사용되는 연마제로는 절연막의 효과적인 제거를 위해 주로 퓸드 알루미나, 퓸드 실리카, 세리아 및 지르코니아 등의 입자 경도가 큰 금속 산화물들이 사용되어 왔으며, 배선으로 사용되는 텅스텐 또는 알루미늄막과 같은 금속막의 경우 절연막에 비해 막질이 부드럽고 무르기 때문에 주로 알루미나와 같이 경도가 비교적 낮은 금속 산화물들이 연마제로 사용되어 왔다.
최근들어 반도체 제품의 집적화 및 성능 고속화를 위해 주목받고 있는 구리 배선의 경우에는 기존 금속 배선에 비해서도 훨씬 경도가 낮아 스크래치(scratch)의 발생을 방지시키기 위해 주로 상기 알루미나나 실리카와 같이 경도가 낮은 금속 산화물들을 연마제로 사용해왔으나, 이 경우 연마제에 의한 연마속도가 너무 낮아 웨이퍼 표면의 단차를 줄여가면서 구리배선막의 평탄화를 이루는데 다소 역부족이었으며, 이를 해결하기 위해 에칭제 등을 과도하게 첨가하는 경우 이로 인한 디싱(dishing) 등의 문제가 발생되어 왔다.
또한, 구리 배선의 연마 선택비를 개선하기 위해 연마제가 없는(abrasive-free) 타입의 연마 조성물을 사용하는 방법이 시도되었으나, 연마 입자의 부재로 인해 충분한 연마가 이루어지기 힘들 뿐 아니라 웨이퍼에 잔류물이 남는 등 여러 가지 문제점을 발생시켰다.
이에, 본 발명의 목적은 연마 효율이 우수하면서도 금속배선에 대한 선택성이 높고 스크래치, 디싱 및 에로젼을 거의 발생시키지 않는 연마 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명에서는 3 내지 5 g/㎤ 범위의 밀도 및 5 내지 50 ㎚의 평균입경을 갖는 수산화 세륨, 산화 세륨 또는 이들의 혼합물을 연마제로서 포함하는, 금속 배선용 화학기계적 연마 조성물을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 조성물에 있어서 연마제는 3 내지 5 g/㎤ 범위의 밀도 및 5 내지 50 ㎚의 평균입경을 갖는 것을 특징으로 하는 수산화 세륨 또는 산화 세륨으로서, 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 30 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 5 중량% 범위로 사용할 수 있다.
이러한 본 발명의 세륨계 연마제 함유 조성물은 습식 밀링의 공정을 거쳐 제조될 수 있으며, 바람직하게는 산화 세륨 또는 수산화세륨을 물 분산매질 중에서 분쇄 매개체로서 비드(bead)를 사용하여 습식 밀링(wet milling)하여 서스펜션을 얻고, 이를 희석하여 제조될 수 있다. 이때, 산화 세륨 또는 수산화세륨은 탄산세륨(Ce(CO3)3), 황산수소세륨(Ce(HSO4)4), 옥살산세륨(Ce(C2O4)2), 질산세륨(Ce(NO3)3) 및 수산화세륨(Ce(OH)4) 등의 세륨염을 100 내지 900℃에서 하소하여 얻어진 것으로 이러한 산화세륨 또는 수산화세륨과 물의 중량비는 1:2 내지 99의 범위이고, 비드는 0.01 내지 2.0 mm의 입경을 갖는 지르코니아, 알루미나, 실리카-알루미나, 실리카, 티타니아, 이트리아 또는 페라이트일 수 있으며, 습식 밀링 장치의 부피를 기준으로 50 내지 90%의 부피로 충진될 수 있다. 또한, 습식 밀링 장치의 회전 속도는 2000 내지 5000 rpm이 바람직하며, 습식 밀링 장치에 산화세륨 또는 수산화세륨을 100 내지 300 cc/분의 속도로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 바람직한 습식 밀링의 결과 생성된 본 발명의 수성 슬러리 중의 세륨계 연마제 입자는 구형 혹은 구형에 가까운 형상을 가지면서 5 내지 50 nm 범위 내에서 균일한 입경을 갖게 된다.
또한, 본 발명에 따른 세륨계 연마제 입자는 기존 연마제에 비해 연마속도가 우수하면서도 동시에 배리어(barrier) 물질인 질화 탄탈륨(TaN)이나 산화규소 또는 질화규소의 절연막 대비 구리 배선에 대한 선택비가 높아 디싱 등을 감소시킨다.
본 발명에 따른 연마 조성물은 첨가제를 추가로 포함할 수 있으며, 그러한 첨가제에는 산화제, 착화제(에칭제), 부식방지제 및 pH 조절제 등이 있다.
산화제는 연마 대상인 금속 배선막이 그에 상응하는 산화물, 수산화물 또는 이온으로 산화되도록 하는 역할을 한다. 본 발명의 연마 조성물에 사용될 수 있는 산화제는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들면 CMP 공정에 통상적으로 사용되는 과산화수소(H2O2), 질산 제2철(Fe(NO3)3) 또는 과옥소산 칼륨(KIO3) 등을 사용할 수 있으며, 연마 조성물 중량 대비 0.2 내지 30 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 15 중량% 범위로 사용할 수 있다.
착화제(에칭제)는 산화제에 의해 금속 배선막 표면에 형성된 금속 산화물을 제거하는 역할과, 금속 산화물과 착물을 형성하여 더 이상의 산화를 막는 역할을 동시에 수행한다. 이러한 착화제로는 당업계에 공지된 것으로 유기산으로서, 카복실산 또는 아미노산을 프로톤 도노(proton doner)로서 사용할 수 있고, 이때 아미노산으로는 글라이신 등, 그리고 카복실산으로는 시트르산, 옥살산, 숙신산, 말레산, 말론산, 주석산, 프탈산, 말산, 글루타르산, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산(butyric acid), 발레산(valeric acid), 아크릴산, 젖산, 니코틴산 및 이들의 염 등을 사용할 수 있으며, 연마 조성물 중량 대비 0.2 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.3 내지 3 중량%의 범위로 사용할 수 있다.
부식 방지제는 금속 배선막 표면에 부동화층 또는 용해 억제층을 형성시켜 연마 속도를 조절하여 평탄화 향상에 도움을 주는 역할을 한다. 이러한 부식 방지제는 벤조트리아졸(BTA), 1,2,4-트리아졸, 벤조퓨록산(benzofuroxan), 2,1,3-벤조트리아졸, o-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, 카테콜(catechol), o-아미노페놀, 2-메캅토벤조트리아졸(2-mercaptobenzotriazole), 2-메캅토벤즈이미다졸(2-mercaptobanzimidazole), 2-메캅토벤조옥사졸, 멜라닌 및 이들의 유도체 등에서 선 택할 수 있으며, 연마 조성물 총 중량 대비 0.001 내지 1.0 중량%, 바람직하게는 0.001 내지 0.3 중량% 범위로 사용될 수 있다. 이때, 부식 방지제의 함량의 착화제의 양에 따라 변경될 수 있다.
pH 조절제는 연마 조성물을 pH를 조절하는 역할을 한다. pH 조절제로는 통상적인 산, 염기 또는 아민 화합물은 모두 사용할 수 있고, 예를 들면 수산화 암모늄 및 아민, 질산, 황산, 인산, 및 유기산 등을 사용할 수 있으며, 본원 발명의 경우 연마제를 보호하기 위해 연마 조성물의 pH가 4 내지 10, 바람직하게는 4 내지 6이 되도록 첨가될 수 있다.
이렇게 얻어진 본 발명의 연마 조성물은 구리 배선에 대해 우수한 연마 속도를 나타내어 단차를 빠르게 줄이면서 연마를 수행함은 물론 구리배선에 대한 선택비가 높아 디싱 및 에로젼을 거의 발생시키지 않으므로, 반도체 제조시 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예: 연마 슬러리 제조
세륨카보네이트(Rhodia, 프랑스)를 800℃에서 하소하여 얻어진 산화세륨을 물과 함께 습식 밀링 장치인 UAM-015(Ultra Apex mill, Kotobuki, 일본)에 공급하여 습식 밀링을 20회 반복하여 수행하였다. 이때, 상기 산화세륨과 물의 양을 1:19의 중량비가 되도록 조절하였다. 상기 습식 밀링 장치의 챔버 용량은 150 ml이고, 분쇄 매개체로는 크기 0.1 mm의 지르코니아(ZrO2) 비드를 챔버 부피의 80%로 채워 사용하였다. 습식 밀링 장치의 회전 속도는 3000 rpm이고, 산화세륨와 물과의 혼합물의 공급 속도는 200 cc/분이었다.
상기에서 얻어진 5 g/㎤의 밀도 및 25 ㎚의 평균 입경을 갖는 세리아 입자 서스펜션에 첨가제 및 초순수를 첨가하여 총 슬러리 중량 대비 세리아 0.7 중량%, 과산화 수소수 0.7 중량%, 글라이신(glycine) 1 중량% 및 벤조트리아졸(BTA) 0.01 중량%가 포함되도록 연마 슬러리를 제조하였다.
시험예: 연마 특성 비교
본 발명에 따른 연마 조성물의 연마 특성을 확인하기 위해, 산화세륨 대신 기존 감마(gamma) 알루미나(γ-Al2O3) 연마 입자(밀도: 3.5 g/㎤ , 평균입경: 30 ㎚)를 포함한 것을 제외하고 실시예와 동일한 첨가제 조성을 갖는 기존 알루미나 슬러리, 및 연마 입자를 포함하지 않는 것을 제외하고 실시예와 동일한 첨가제 조성을 갖는 연마제 미함유 슬러리(abrasive free)를 상기 실시예에서 얻어진 슬러리와 함께 다음과 같이 비교 시험하였다.
4cm ×4cm 쿠폰 구리 블랭켓(coupon Cu blanket) 웨이퍼와 탈륨 블랭켓(Ta blanket) 웨이퍼를 대상으로 상기 슬러리들을 사용하여 연마를 수행하였으며, 이때 연마기는 지앤피 테크놀로지사(G&P Technology)의 간이 연마기(poly400)를 사용하였고, 헤드(head) 및 패드(pad)의 회전속도는 각각 60 rpm 및 120 rpm이었으며, 다운 포스(down force)는 2.3 psi, 슬러리 공급 속도는 150 cc/분이었다.
그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 세리아 슬러리의 경우, 기존 감마(gamma) 알루미나 연마 입자 슬러리에 비해 Cu 막에 대한 연마속도는 50% 정도 증가된 것을 확인하였고, Ta 막에 대한 연마속도가 Cu 막에 대한 연마속도 보다 증가폭이 높이 않아 Cu/Ta 선택비는 71% 향상된 결과를 나타내었으며, 이는 연마제 미함유 슬러리와 동등할 정도로 우수한 결과이다. 한편, 연마제 미함유 슬러리의 경우 Cu 연마 속도가 본 발명에 따른 세리아 슬러리의 1/7 정도에 불과하였다.
따라서, 본 발명에 따른 세리아 슬러리는 기존 알루미나 슬러리보다 향상된 Cu 연마 속도를 갖는 동시에 선택비 또한 우수하여 초기 단차를 빠르게 감소시킴은 물론 디싱 및 에로젼을 적게 발생시킬 것으로 예상할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 세륨계 연마제를 포함하는 연마 조성물은 기존 알루미나 연마제를 포함하는 연마 조성물에 비해 구리 배선에 대한 연마 속도가 우수하여 단차를 빠르게 줄이면서 연마를 수행할 수 있음은 물론 구리 배선에 대한 선택비가 높아 디싱 및 에로젼을 거의 발생시키지 않으므로, 반도체 제조 시 평탄화를 위한 화학 기계적 연마 공정에 유용하게 활용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 3 내지 5 g/㎤ 범위의 밀도 및 5 내지 50 ㎚의 평균입경을 갖는 수산화 세륨, 산화 세륨 또는 이들의 혼합물을 연마제로서 포함하는, 금속 배선용 화학기계적 연마 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연마제가 산화 세륨 또는 수산화세륨을 물 분산매질 중에서 분쇄 매개체로서 비드(bead)를 사용하여 습식 밀링(wet milling)하여 제조된 것임을 특징으로 하는 연마 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서,
    습식 밀링 중의 산화세륨 또는 수산화세륨과 물의 중량비가 1:2 내지 99의 범위임을 특징으로 하는 연마 조성물.
  4. 제 2 항에 있어서,
    습식 밀링 후 연마제가 구형 또는 거의 구형임을 특징으로 하는 연마 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    세륨계 연마제가 연마 조성물 중량 대비 0.1 내지 30 중량%로 포함됨을 특징으로 하는 연마 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    pH가 4 내지 10 범위임을 특징으로 하는 연마 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서,
    금속 배선이 구리배선임을 특징으로 하는 연마 조성물.
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