KR20070067270A - Composition of slurry for polishing silicon wafer and method of polishing using thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고분자, 암모니아, 아민유도체, 킬레이팅제, 콜로이달 실리카 성분으로 이루어진 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 특정한 비이온성 계면활성제를 사용함으로서 연마 시 발생하는 표면 결함을 감소시키는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리의 조성에 관한 것이다. The present invention relates to a slurry composition for polishing a silicon wafer consisting of a polymer, ammonia, amine derivatives, chelating agents, and colloidal silica components, and using a specific nonionic surfactant to reduce surface defects generated during polishing. It relates to the composition of the slurry.
반도체 제조 시의 기판이 되는 실리콘 웨이퍼의 제조 공정은 단결정성장(single crystal growing), 절단(slicing), 래핑(lapping), 식각(etching), 연마(polishing), 세정(cleaning) 등의 공정 순으로 이루어 진다. 여기서 연마(polishing) 공정은 다단계 공정을 수행하는데, 첫 번째 공정은 연마공정 이전에서 비롯된 표면의 깊은 긁힘(deep scratch)을 제거하기 위하여 빠른 연마속도를 요하는 스톡제거(Stock Removal)연마단계와 미세 긁힘 및 표면의 거칠기를 Å수준으로 낮추어 경면을 구현하는 최종 연마 단계로 구성된다. The process of manufacturing a silicon wafer, which is a substrate for semiconductor manufacturing, is performed in the order of single crystal growing, slicing, lapping, etching, polishing, and cleaning. Is done. Here, the polishing process performs a multi-step process, the first process is a stock removal polishing step and a fine process which requires a fast polishing speed in order to remove the deep scratches of the surface from before the polishing process. It consists of a final polishing step that achieves mirror surface by lowering scratches and surface roughness to a level.
특히 최종 연마 공정은 웨이퍼 제조 공정에 있어 웨이퍼의 최종 표면 품질을 결정하는 마지막 공정이므로 웨이퍼 표면의 미세한 결함인 스크래치, 크랙, 금속불 순물, LPD, 미세거칠기(microroughness), 헤이즈(haze) 등을 완벽하게 제거하고 표면을 거울처럼 만들어야 하는 것이 중요하다. 최종 연마 공정에서 초미세 결함을 결정하는 주요한 인자로는 연마기(polisher)와 초순수(deionized water), 경질 혹은 연질의 우레탄 연마패드와 실리카 슬러리를 들 수 있다. 웨이퍼 연마의 근간은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing)의 반응으로 설명하는데, 여기서 연마패드는 물리적 연마를 수행하고, 슬러리는 패드의 기계적 연마를 보조하며 화학적인 연마를 일으키는 역할을 수행한다. 최근 웨이퍼의 직경이 증가됨에 따라 그에 적합한 품질을 갖는 연마포와 슬러리의 개발이 진행되고 있다. 특히 슬러리는 웨이퍼의 최종 품질을 결정짓는 중요한 인자로 간주되기 때문에 다양한 물리화학적 성질을 갖는 제품이 출시되고 있으며 계속적으로 연구되어야할 중요한 과제이다. Particularly, the final polishing process is the final process of determining the final surface quality of the wafer, which is perfect for scratches, cracks, metallic impurities, LPD, microroughness, and haze. It is important to remove it and make the surface look like a mirror. The main factors that determine the ultrafine defects in the final polishing process are polishers, deionized water, hard or soft urethane polishing pads and silica slurries. The basis of wafer polishing is described by the reaction of Chemical Mechanical Polishing, where the polishing pad performs physical polishing, and the slurry assists in mechanical polishing of the pad and plays a role in causing chemical polishing. Recently, as the diameter of a wafer is increased, development of polishing cloth and slurry having a suitable quality thereof is in progress. In particular, since the slurry is regarded as an important factor determining the final quality of the wafer, products having various physicochemical properties are on the market and are an important subject to be studied continuously.
종래 기술로는 연마제로서 물에 분산시킨 100㎚이하의 실리카와 첨가제로서 암모니아와 셀룰로오스계 화합물로 이루어진 조성을 갖는 경면 연마용 슬러리의 제조 방법이 US3,715,842호를 통해 보고된 바 있다. 그러나 이 방법에 의한 슬러리는 입자 크기가 경면 연마용 슬러리로 사용되기에는 크기가 크고 분포도 넓기 때문에 적합하지 못할 뿐만 아니라 표면 결함의 수준을 현미경에 의한 육안 검사 수준으로 측정하였기 때문에 그쳐 연마품질의 개선 효과를 명확히 평가하기에는 어려움이 있다. In the prior art, a method for preparing a mirror polishing slurry having a composition consisting of silica or less as an abrasive and ammonia and a cellulose compound as an additive has been reported in US Pat. No. 3,715,842. However, the slurry by this method is not suitable because the particle size is large and the distribution is large enough to be used as a mirror polishing slurry, and the surface defect level is measured by the visual inspection level under a microscope. It is difficult to evaluate clearly.
US4,169,337호, US4,462,188호, US4,588,421호에서는 연마제로서 100㎚ 이하의 실리카를 사용하고 첨가제로서 아민계 화합물을 사용한 방법이 제시된 바 있다. 여기에서는 아민계 화합물을 사용하여 웨이퍼 표면의 화학적 식각을 유도함으로써 연마속도를 증가시키고자 하였다. 그러나 아민의 과다한 첨가는 웨이퍼 표면의 미세거칠기 값의 증가를 유발할 뿐만 아니라, 친환경적이지 못하기 때문에 사용량의 한계를 가지고 있는 단점이 있었다. US Pat. No. 4,169,337, US Pat. No. 4,462,188 and US Pat. No. 4,588,421 have described methods using silica of 100 nm or less as an abrasive and an amine compound as an additive. Herein, an amine compound was used to increase the polishing rate by inducing chemical etching of the wafer surface. However, excessive addition of the amine not only causes an increase in the fine roughness value of the wafer surface, but also has a disadvantage in that the amount of usage is limited because it is not environmentally friendly.
US5,352,277호에서는 콜로이달 실리카와 수용성 고분자의 조성에 Na, K, NH4 등의 양이온과 Cl, F, NO3 등의 음이온으로 구성되는 수용성 염을 사용하여 표면거칠기 값을 최소화하는 슬러리를 보고한 바 있다. 일반적으로 반도체에 사용하는 슬러리 내에 잔류하는 금속 이온은 반도체 소자의 저항값 및 배선 생성의 오류를 일으키는 원인이 되기 때문에 최근에는 금속 이온이 거의 없는 슬러리의 개발이 요구되고 있는 실정이다. US 5,352,277 reports a slurry that minimizes surface roughness by using water-soluble salts composed of cations such as Na, K, NH 4 and anions such as Cl, F, and NO 3 in the composition of colloidal silica and water-soluble polymers. I've done it. In general, since the metal ions remaining in the slurry used for the semiconductor cause errors in the resistance value and wiring generation of the semiconductor element, development of a slurry having almost no metal ions is required in recent years.
US5,860,848호에서는 연마제로서 수백 나노 이하의 실리카 0.2 ~ 0.5 중량%에 첨가제로서 아민을 0.01 ~ 0.1 중량%, PVA를 0.02 ~ 0.05 중량% 사용하고, pH를 8 ~ 11을 유지하기 위하여 아민을 사용하는 방법을 제시하였다. 이 보고에 의하면, 150㎜ 웨이퍼를 연마하였을 때 헤이즈 수준은 0.06ppm, 0.1 ~ 0.3 미크론의 LPD는 평균 90개 이하의 품질을 보였으나 기타 결함에 관하여는 주목하지 않았다. US Pat. No. 5,860,848 uses 0.2-0.5% by weight of silica of several hundred nanometers or less as an abrasive, 0.01-0.1% by weight of amine as an additive, 0.02-0.05% by weight of PVA, and uses amine to maintain pH 8-11. It was presented how to. According to this report, haze levels of 0.06 ppm and 0.1-0.3 microns of LPD averaged less than 90 when the 150 mm wafer was polished, but no other defects were noted.
특2000-0006164에서는 산화 실리콘 입자를 함유하고 25℃에서 산 해리 정수의 역수의 대수가 8.0∼12.0인 약산과 알칼리 금속 또는 암모니아 수산화물의 조합물을 첨가하여 pH 완충 작용을 갖는 연마제 조성을 제안하였다. 이것은 환경을 오염시키지 않고 금속을 부식시키지 않는 조성을 가진 장점을 지니고 있으나 구체적인 표면 결함에 대해서는 언급하지 않았다. In 2000-0006164, an abrasive composition having a pH buffering action is proposed by adding a combination of a weak acid having an inverse number of acid dissociation constants of 8.0 to 12.0 and an alkali metal or ammonia hydroxide at 25 ° C. This has the advantage of having a composition that does not pollute the environment and does not corrode metals, but does not mention specific surface defects.
특2000-0006327에서는 2차 혹은 최종의 연마 조성물을 제시하였다. 조성물의 연마제로서는 1차 입자가 35㎚, 2차 입자는 70㎚인 실리카를 사용하였고 첨가제로서는 TMAH를 사용하였다. 특징적으로 수용성 고분자를 분자량 130만 이상인 수산화에틸셀룰로오스(HEC)를 사용하였는데, 이는 연마 후 웨이퍼 표면의 친수성을 개선하여 연마 후 건조 시 발생되는 이물질 및 잔류입자의 흡착을 억제하기 위함이다. 그러나 이 발표에서는 경면 연마 슬러리에 대한 표면 결함에 대해서는 언급하지 않았다. In 2000-00006327, a secondary or final polishing composition is presented. As the abrasive of the composition, silica having 35 nm of primary particles and 70 nm of secondary particles was used, and TMAH was used as an additive. Characteristic Ethyl cellulose hydroxide (HEC) having a molecular weight of 1.3 million or more was used as the water-soluble polymer to improve the hydrophilicity of the wafer surface after polishing to suppress the adsorption of foreign substances and residual particles generated during drying after polishing. However, this announcement did not mention surface defects for mirror polishing slurries.
특2000-0006327에서는 웨이퍼의 헤이즈 레벨을 감소시키기 위해 연마제로서는 실리카를 사용하고 알칼리 화합물로는 암모니아를 사용하며, 특징적으로는 폴리에틸렌옥사이드를 사용하는 조성의 슬러리를 제시하였다. 여기서 사용하는 폴리에틸렌옥사이드는 알킬기가 함유되지 않은 PEG(Polyethylene glycol)에만 국한되었으며 헤이즈 레벨도 상대 비교로 측정하는 등 구체적인 표면 결함에 대해서는 언급하지 않았다. In 2000200000006327, a slurry having a composition using silica as an abrasive, ammonia as an alkali compound, and polyethylene oxide is particularly used to reduce the haze level of the wafer. The polyethylene oxide used here was limited to polyethylene glycol (PEG), which contained no alkyl group, and did not mention specific surface defects such as measuring haze level by relative comparison.
이상의 종래 기술에서 언급한 바와 같이 실리콘 웨이퍼 연마 슬러리는 연마제로서 실리카를 사용하고 연마보조제로서 아민, 유기 혹은 무기 염류, 그리고 수용성 고분자를 사용하는 것이 일반적이고 연마공정은 슬러리 종류, 연마기, 연마패드 등의 운영을 일차 연마와 최종 경면 연마의 2단계로 구분하거나 일차, 이차, 최종 연마의 3단계로 하여 운영하는 것이 일반적이었다. As mentioned in the related art, silicon wafer polishing slurries generally use silica as an abrasive, amines, organic or inorganic salts, and water-soluble polymers as polishing aids, and polishing processes include slurry type, polishing machine, polishing pad, and the like. The operation was generally divided into two stages of primary polishing and final mirror polishing or three stages of primary, secondary and final polishing.
실제적으로 양산 체계에서 사용되는 연마 슬러리는 초기 연마 슬러리와 최종 연마 슬러리, 두 종류만을 적용하는 실정이지만, 적용하는 두 종류의 슬러리는 제 조사의 연마 시스템 환경과 연마 특성(헤이즈, LPD, 금속 불순물)에 따라 다양한 제품이 사용된다. 최근에는 대구경 300㎜ 웨이퍼의 시장이 확대됨에 따라 그에 맞는 높은 수준의 무결점 표면을 구현하기 위한 슬러리의 개발이 요구되고 있는 추세이다. In practice, only two types of polishing slurry are used in the production system, the initial polishing slurry and the final polishing slurry. However, the two types of slurry applied are the polishing system environment and polishing characteristics (haze, LPD, metal impurities) of the manufacturer. Depending on the various products used. Recently, as the market for large-diameter 300 mm wafers expands, development of a slurry to realize a high level of defect free surface is required.
본 발명은 65㎚ 이하급의 고성능 반도체 디자인에서도 우수한 특성을 발휘하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리에 관한 것으로, 0.5 미크론 이상 거대입자(large particle)의 생성을 억제하고 입자의 분산안정성을 증가시킴으로서 웨이퍼 표면의 LPD 및 헤이즈를 크게 감소시키는 것을 목적으로 한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a slurry for polishing silicon wafers, which exhibits excellent characteristics even in high-performance semiconductor designs of 65 nm or less, and suppresses the generation of large particles of 0.5 microns or more and increases dispersion stability of the wafer surface. It is aimed at greatly reducing LPD and haze.
그러므로 본 발명에 의하면 다음을 포함하는 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물이 제공된다.Therefore, according to the present invention, there is provided a slurry composition for polishing a silicon wafer comprising the following.
(a) 하기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3 중 어느 하나 이상인 비이온성 계면활성제;(a) any one or more of the following general formulas (1), (2) and (3);
R(R'O)m(R"O)nH ------[화학식 1]R (R'O) m (R "O) n H ------ [Formula 1]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고, R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며, 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl, R 'and R "are ethylene or propylene and average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
R(R'O)m(R"O)nR ------[화학식 2]R (R'O) m (R "O) n R ------ [Formula 2]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고; R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며; 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl; R 'and R "are ethylene or propylene; average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
RN(R'O)m(R"O)nH ------[화학식 3]RN (R'O) m (R "O) n H ------ [Formula 3]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고; R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며; 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl; R 'and R "are ethylene or propylene; average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
(b) 실리카;(b) silica;
(c) pH 조절제;(c) pH adjusting agents;
(d) 유기염기;(d) organic bases;
(e) 증점제; 및(e) thickeners; And
(f) 초순수.(f) ultrapure water.
상기 비이온성 계면활성제 0.001 ~ 1 중량%, 실리카 0.01 ~ 20 중량%, pH 조절제 0.01 ~ 5 중량%, 유기염기 0.00001 ~ 1 중량% 및 증점제 0.001 ~ 2 중량%를 포함하고,잔부로써 초순수를 함유하는 것을 특징으로 한다. 0.001 to 1% by weight of the nonionic surfactant, 0.01 to 20% by weight of silica, 0.01 to 5% by weight of pH adjusting agent, 0.00001 to 1% by weight of organic base and 0.001 to 2% by weight of thickener, containing ultrapure water as the balance It is characterized by.
상기 실리카는 1차 입경이 30 ~ 50㎚이고, 2차 입경이 60 ~ 80㎚이며, 평균 입경이 35 ~ 80㎚인 콜로이달 실리카 또는 발연 실리카인 것을 특징으로 한다.The silica is characterized in that the primary particle diameter is 30 ~ 50nm, the secondary particle diameter is 60 ~ 80nm, colloidal silica or fumed silica having an average particle diameter of 35 ~ 80nm.
상기 pH 조절제는 암모니아이고 슬러리의 최종 pH가 10.5 ~ 12인 것을 특징으로 한다.The pH adjuster is ammonia, characterized in that the final pH of the slurry is 10.5 ~ 12.
상기 유기염기는 테트라메틸암모늄히드록사이드, 테트라에틸암모늄히드록사이드, 트라이메틸에톡시암모늄히드록사이드, 및 N,N-디메틸피페리딘히드록사이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The organic base is at least one selected from the group consisting of tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, trimethylethoxyammonium hydroxide, and N, N-dimethylpiperidine hydroxide. It is done.
상기 증점제는 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시부틸메틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 친유성으로 조절된 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 및 메틸셀룰로오스로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 분자량 10만 내지 150만의 셀룰로오스인 것을 특징으로 한다.The thickener is selected from the group consisting of hydroxypropyl cellulose, hydroxybutyl methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, lipophilic hydroxyethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, and methyl cellulose. It is characterized by being a cellulose with a molecular weight of 100,000 to 1.5 million which is at least a species.
또한, 본 발명에서는 상기 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물을 반도체 후공정인 경면 연마 공정의 연마 슬러리로 사용하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이 제공된다.In addition, in the present invention, there is provided a polishing method, wherein the slurry composition for polishing a silicon wafer is used as a polishing slurry in a mirror polishing process, which is a semiconductor post-process.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 실리콘 웨이퍼의 최종 슬러리용 조성물에 관한 것으로서 연마제 성분의 하나로써 콜로이달 실리카 또는 발연 실리카(fumed silica)를 사용하되, 기계적 연마의 효과를 낮추기 위하여 실리카 입자의 1차 입경은 30 ~ 50㎚, 2차 입경은 60 ~ 80㎚, 그리고 평균 입경은 35 ~ 80㎚로 제한하고, 그 함량은 슬러리 총중량의 0.01 ~ 20 중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 발연 실리카를 사용하는 경우에는 응집체의 평균 입경이 상기 범위 내에 들도록 단분산시키는 과정이 필요한데, 이는 모든 구성성분들이 배합된 슬러리를 고압으로 가속시켜 오리피스 내에서 전단력(shearing force), 충돌력(impact) 및 공동화(cavitation) 등을 일으키게 하는 방법(참조: 대한민국 특허출원 제1998-39212호 및 대한민국 특허출원 제1999-34608호)을 사용하여 달성될 수 있다. 본 발명의 슬러리 조성물에서 실리카 입자의 크기나 너무 작거나 그 함량이 부족하면 연마속도가 감소하여 실제 연마공정에 적용하는 것이 어렵게 되고, 반면에 실리카 입자의 크기가 너무 크거나 그 함량이 과다하면 웨이퍼의 표면 결함이 다량 발생하게 되어 본 발명의 목적을 벗어날 수 있다. The present invention relates to a composition for the final slurry of a silicon wafer, using a colloidal silica or fumed silica as one of the abrasive components, in order to lower the effect of mechanical polishing, the primary particle diameter of the silica particles is 30 ~ 50nm The secondary particle size is 60 to 80 nm, and the average particle diameter is limited to 35 to 80 nm, the content is preferably limited to 0.01 to 20% by weight of the total weight of the slurry. When fumed silica is used, it is necessary to monodisperse the aggregate so that the average particle diameter of the aggregate falls within the above range, which accelerates the slurry containing all the components to a high pressure, thereby causing shearing force and impact force in the orifice. And methods for causing cavitation and the like (see, for example, Korean Patent Application No. 1998-39212 and Korean Patent Application No. 1999-34608). In the slurry composition of the present invention, if the size or the amount of silica particles is too small or insufficient, the polishing rate decreases, making it difficult to apply to the actual polishing process, whereas if the size of the silica particles is too large or the content is excessive, the wafer A large amount of surface defects may occur, which may depart from the object of the present invention.
상기 실리카 입자의 분산안정화를 돕기 위해서는 pH 조절제가 필요한데, 본 발명에서는 pH 조절제(성분 c)로서 슬러리 총중량의 0.01 내지 5 중량%에 해당하는 양의 암모니아를 사용하여 슬러리의 최종 pH를 10.5 ~ 12로 조절한다. 한편, 암모니아는 pH 조절제로서의 역할 이외에도 연마공정 중에 금속과 착물을 형성하여 금속 잔류를 억제하는 기능도 가지고 있으며, 이러한 기능에 의해 연마속도를 향상시키는 이로운 효과를 얻을 수 있다. In order to help stabilize the dispersion of the silica particles, a pH adjusting agent is required. In the present invention, the final pH of the slurry is adjusted to 10.5 to 12 using ammonia in an amount corresponding to 0.01 to 5 wt% of the total weight of the slurry as the pH adjusting agent (component c). Adjust On the other hand, ammonia has a function of suppressing metal residue by forming a complex with a metal during the polishing process in addition to serving as a pH adjusting agent, and by such a function can obtain a beneficial effect of improving the polishing rate.
본 발명에 사용된 유기염기(성분 d)는 테트라메틸암모늄히드록사이드, 테트라에틸 암모늄히드록사이드, 트라이메틸에톡시암모늄히드록사이드, 및 N,N-디메틸피페리딘 히드록사이드로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상이고, 그 사용량은 슬러리 총중량의 0.0001 ~ 1 중량% 이내로 제한하는 것이 바람직하다. 이러한 유기염기는 연마 시 이탈되는 실록산 입자나 금속 불순물을 웨이퍼 표면으로부터 제거하는 세정제로서 기능하며, 그 함량을 상기 범위로 제한하는 이유는 과다한 유기염기의 사용은 오히려 표면 결함을 증가시킬 수 있기 때문이다. The organic base (component d) used in the present invention is a group consisting of tetramethylammonium hydroxide, tetraethyl ammonium hydroxide, trimethylethoxyammonium hydroxide, and N, N-dimethylpiperidine hydroxide It is preferably at least one selected from, and the amount of use is preferably limited to within 0.0001 ~ 1% by weight of the total weight of the slurry. These organic bases function as a cleaning agent for removing siloxane particles or metal impurities from the wafer surface during polishing, and the reason for limiting the content to the above range is that excessive use of organic bases may increase surface defects. .
본 발명에서는 기계적 연마효과를 완화시키면서 원하는 정도의 연마수준을 얻기 위하여 슬러리가 층류(laminar)를 생성하도록 하는 역할을 하는 증점제(성분 e)로서 긴 사슬구조를 가진 수용성 고분자인 셀룰로오스류를 사용한다. 바람직하게는 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시부틸메틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 친유성으로 조절된 히드록시 에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 및 메틸셀룰로오스로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상이며, 소량으로 고점도를 유지하기 위하여 이들의 분자량은 10만 내지 150만으로 제한되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 고분자 셀룰로오스를 슬러리 총중량의 0.001 ∼ 2 중량%로 사용하여, 본 발명의 슬러리 조성물의 최종 점도가 2 ∼ 80 cP가 되도록 한다. In the present invention, celluloses, which are water-soluble polymers having a long chain structure, are used as a thickener (component e) that plays a role of allowing the slurry to generate laminar in order to mitigate mechanical polishing effect and obtain a desired level of polishing. Preferably 1 selected from the group consisting of hydroxypropyl cellulose, hydroxybutyl methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, lipophilic adjusted hydroxy ethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, and methyl cellulose It is preferable that the molecular weight thereof is at least 100,000 and limited to 100,000 to 1.5 million in order to maintain high viscosity in a small amount. In the present invention, the polymer cellulose is used at 0.001 to 2% by weight of the total weight of the slurry so that the final viscosity of the slurry composition of the present invention is 2 to 80 cP.
본 발명의 연마용 조성물의 가장 특징적인 성분은 평균분자량의 범위가 10,000 ~ 5,000,000인 비이온성 계면활성제(성분 a)이다. 본 발명에 사용된 비이온성 계면활성제는 하기 화학식의 구조를 갖는 고분자성 물질이다. 만약 평균분자량의 범위가 10,000 미만이면 LPD, 헤이즈 등의 표면 결함을 증가시키고 또한 평균분자량 범위가 5,000,000 이상이면 연마 조성물의 점도가 증가하여 취급하기 어려워지는 문제점이 발생할 수 있다. The most characteristic component of the polishing composition of the present invention is a nonionic surfactant (component a) having an average molecular weight in the range of 10,000 to 5,000,000. Nonionic surfactants used in the present invention are polymeric materials having a structure of the formula: If the average molecular weight range is less than 10,000, surface defects such as LPD and haze may be increased, and if the average molecular weight range is 5,000,000 or more, the viscosity of the polishing composition may increase, making it difficult to handle.
R(R'O)m(R"O)nH ------[화학식 1]R (R'O) m (R "O) n H ------ [Formula 1]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고, R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며, 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl, R 'and R "are ethylene or propylene and average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
R(R'O)m(R"O)nR ------[화학식 2]R (R'O) m (R "O) n R ------ [Formula 2]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고, R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며, 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl, R 'and R "are ethylene or propylene and average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
RN(R'O)m(R"O)nH ------[화학식 3]RN (R'O) m (R "O) n H ------ [Formula 3]
(상기 식에서, R은 C5~C20의 알킬이고, R' 및 R"은 에틸렌 혹은 프로필렌이며, 평균 분자량은 10,000 ~ 5,000,000이다.)(Wherein R is C 5 to C 20 alkyl, R 'and R "are ethylene or propylene and average molecular weight is 10,000 to 5,000,000.)
상기 계면활성제의 구체적인 역할은 다음과 같다. 첫째, 본 발명에서 증점제로 사용된 고분자 셀룰로오스는 용해도 감소 등의 원인으로 인해 석출될 수 있는데, 이와 같이 고분자가 입자로 석출되는 경우에는 연마제로 사용된 실리카 입자의 응집 또한 가속화된다. 본 발명의 계면활성제는 셀룰로오스의 분산성을 증가시키는 효과가 있어, 이러한 문제를 방지하는데 기여한다. 실제로 상기 화학식 1의 구조를 갖는 계면활성제의 첨가에 의해 슬러리의 입자침하비가 크게 개선되는 것으로 확인되었다(참조: 실시예 1~6). 둘째, 본 발명에서 pH 조절제이자 금속 착화제로 사용된 암모니아는 주지된 바와 같이 높은 휘발성을 가지고 있기 때문에, 슬러리의 암모니아 함량은 시간에 따라 가변적이어서 슬러리의 적정 pH를 유지하고 금속 잔류를 억제하는 본래의 기능을 수행하는데 부족하게 될 수 있으며, 특히 pH의 불안정화는 슬러리의 분산성에도 악영향을 미칠 수 있다. 상기 화학식 1의 구조를 갖는 질소-함유 계면활성제는 암모니아의 휘발성을 감소시키는 역할을 함으로써 이러한 문제를 방지하는데 기여할 뿐만 아니라, 그 자체가 보조 pH 조절제로 작용할 수 있고 나아가 금속과 착물을 형성하여 금속 잔류를 억제할 수도 있다. 실제로 암모니아 휘발에 대한 억제효과를 알아보기 위해서, 상기 화학식 3의 구조를 갖는 계면활성제가 포함된 슬러리와 포함되지 않은 슬러리 각각의 총아민가를 측정하여 비교해본 결과, 전자의 슬러리가 총아민가의 감소되는 비율이 훨씬 더 적은 것으로 확인되었다(참조: 실시예 8-10). 셋째, 계면활성제의 가장 대표적이고 일반적인 특징은 세정성이므로, 본 발명에 사용된 계면활성제들 역시 유기오염물 세정제로서 작용한다.The specific role of the surfactant is as follows. First, the polymer cellulose used as a thickener in the present invention may be precipitated due to a decrease in solubility, etc. When the polymer is precipitated as particles, the aggregation of silica particles used as an abrasive is also accelerated. The surfactant of the present invention has the effect of increasing the dispersibility of cellulose, contributing to preventing such a problem. In fact, it was confirmed that the particle settling ratio of the slurry was greatly improved by the addition of the surfactant having the structure of Formula 1 (see Examples 1 to 6). Secondly, since the ammonia used as the pH regulator and the metal complexing agent in the present invention has a high volatility as is well known, the ammonia content of the slurry is variable over time to maintain the proper pH of the slurry and to suppress metal residue. It may be insufficient to perform the function, in particular the destabilization of pH may adversely affect the dispersibility of the slurry. The nitrogen-containing surfactant having the structure of Formula 1 not only contributes to preventing this problem by playing a role of reducing the volatility of ammonia, but may itself serve as an auxiliary pH regulator and further form a complex with the metal to retain the metal. It can also be suppressed. In fact, to determine the inhibitory effect on volatilization of ammonia, the total amine value of each slurry containing a surfactant having a structure of Formula 3 and a slurry not included in the slurry was measured, and as a result, the former slurry was reduced in total amine value. The ratio was found to be much smaller (see Examples 8-10). Third, since the most representative and general feature of the surfactant is its detergency, the surfactants used in the present invention also act as organic contaminant cleaners.
본 발명의 슬러리 조성물의 구성성분들 중에서, SP1 결함과 직접적인 관련을 갖는 성분은 유기염기(성분 c)와 비이온성 계면활성제(성분 e)이다. SP1 결함과 같은 표면지형은 연마 제거물인 규산(silic acid)의 영향이다. 반응활성이 큰 규산은 독립적으로 중합반응을 일으켜 고분자화하기도 하고, 단량체 혹은 고분자의 형태로 웨이퍼 표면에 재흡착되거나 실리카 입자 간에 가교를 형성하여 응집시키고, 패드 막힘 현상을 초래한다. 웨이퍼 표면에의 재흡착은 웨이퍼 표면에 불균일한 산화막을 생성하고, 이는 결국 피트(pit) 혹은 돌출부(jut)의 SP1 결함을 초래하게 된다. 또한, 응집된 실리카 입자는 균일한 연마를 저해하며 웨이퍼 표면 이하에 기계적인 충격을 가하여 치명적인 결함을 유발하게 된다. 이러한 부반응을 억제하기 위해서는 규산의 반응기인 수산기를 가려주는(screening) 것이 효과적인데, 이러한 작용을 하는 것이 바로 본 발명에 사용된 유기염기이며, 본 발명에 따르면 유기염기의 이러한 작용은 비이온성 계면활성제의 사용에 의해 공동 상승적으로 촉진된다.Among the components of the slurry composition of the present invention, the components which are directly related to the SP1 defect are organic base (component c) and nonionic surfactant (component e). Surface topography, such as SP1 defects, is influenced by silicic acid, a polishing remover. Silicic acid having a high reaction activity independently polymerizes to polymerize, resorbs to the surface of the wafer in the form of monomers or polymers, forms crosslinks between silica particles, aggregates, and causes pad clogging. Resorption on the wafer surface creates a non-uniform oxide film on the wafer surface, which in turn results in SP1 defects in the pit or jut. In addition, the agglomerated silica particles inhibit uniform polishing and cause mechanical impacts on the wafer surface or below to cause fatal defects. In order to suppress such side reactions, it is effective to screen a hydroxyl group, which is a reactor of silicic acid, which is an organic base used in the present invention, and according to the present invention, the action of the organic base is a nonionic surfactant. It is promoted jointly synergistically by using
본 발명에서 상기 계면활성제의 사용량은 주의 깊게 결정되어야 하는데, 그 이유는 슬러리와 패드 사이의 표면장력이 너무 낮을 경우에는 미끄러짐 현상으로 인해 연마속도가 저하되는 반면, 표면장력이 너무 높을 경우에는 슬러리 액적의 뭉침 현상으로 인해 LPD와 같은 표면결함이 증가하는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 슬러리의 표면 장력이 40 ~ 60dyne/㎠가 되도록 계면활성제를 슬러리 총중량의 0.001 ~ 1 중량%로 사용하는 것이 바람직하다.The amount of the surfactant to be used in the present invention should be carefully determined because, when the surface tension between the slurry and the pad is too low, the polishing rate is lowered due to the sliding phenomenon, whereas when the surface tension is too high, the slurry liquid is used. This is because surface defects such as LPD tend to increase due to aggregation of the enemy. Therefore, in the present invention, it is preferable to use the surfactant at 0.001 to 1% by weight of the total weight of the slurry so that the surface tension of the slurry is 40 to 60 dyne / cm 2.
본 발명에서는 상기 실리콘 웨이퍼 연마용 슬러리 조성물을 반도체 후공정인 경면 연마 공정의 연마 슬러리로 사용할 수 있다.In the present invention, the slurry composition for polishing the silicon wafer can be used as the polishing slurry of the mirror polishing step which is a semiconductor post-process.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.
[실시예 1~7 및 비교예 1~2][Examples 1-7 and Comparative Examples 1-2]
하기 표 1과 같이 조성 및 평균분자량을 달리한 비이온성 계면활성제들을 슬러리 총중량에 대하여 0.1 중량%로 첨가하고, 1차 입경이 35 ~ 45㎚이고 2차 입경이 65 ~ 80㎚인 콜로이달 실리카를 초순수로 희석하여 실리카 함량이 슬러리 총중량에 대하여 4 중량%가 되도록 하였다. 여기에 암모니아 1 중량%, 테트라메톡시암모늄히드록사이드 0.025 중량%, 및 중량평균분자량이 100만인 히드록시에틸셀룰로오스 0.4 중량%를 첨가한 후, 각 성분들을 고르게 혼합하기 위하여 IKA사(독일)의 HOMOGENIZER를 사용하여 22,000RPM의 속도로 교반하였다. 완성된 슬러리의 pH는 10.72이고, 점도는 55cP이었다.As shown in Table 1, nonionic surfactants having different compositions and average molecular weights were added at 0.1 wt% based on the total weight of the slurry, and colloidal silica having a primary particle size of 35 to 45 nm and a secondary particle size of 65 to 80 nm was used. Dilution with ultrapure water allowed the silica content to be 4% by weight relative to the total weight of the slurry. After adding 1% by weight of ammonia, 0.025% by weight of tetramethoxyammonium hydroxide, and 0.4% by weight of hydroxyethyl cellulose having a weight average molecular weight of 1%, IKA (Germany) It was stirred at a rate of 22,000 RPM using HOMOGENIZER. The pH of the finished slurry was 10.72 and the viscosity was 55 cP.
이와 같이 제조된 슬러리의 분산안정성은 입자침하비, 거대입자량(0.51㎛〈 LPC)의 2개 항목으로 나누어 평가되었다. 이어서, 상기 슬러리를 초순수로 30배 희석하여 CMP 공정의 2차 및 최종 연마를 수행한 후, 연마성능을 평가하였다. 이 슬러리는 Strasbaugh 연마기(Model 6DZ)에서 일차 연마가 Syton HT50으로 연마된 8인치 웨이퍼 (100, p-type)의 최종 연마용으로 사용하였다. 연마가 완료된 후, 웨이퍼 표면의 스크래치는 0.1 미크론 이상의 피트성 마이크로스크래치(하기 표 1의 LPD-N 항목)와 딥 스크래치(하기 표 1의 AREA DEFECT 항목)로 구별하여 KLA-Tencor사(미국)의 서프스캔(SURFSCAN) SP1으로 분석하였으며, 각 데이터는 총 20장의 웨이퍼에 대한 평균치로 표 1과 같다. The dispersion stability of the slurry thus prepared was evaluated by dividing into two items, particle sedimentation ratio and large particle amount (0.51 µm < LPC). Subsequently, the slurry was diluted 30-fold with ultrapure water to perform secondary and final polishing of the CMP process, and then the polishing performance was evaluated. This slurry was used for the final polishing of an 8 inch wafer (100, p-type) with primary polishing polished with Syton HT50 in a Strasbaugh polisher (Model 6DZ). After polishing was completed, scratches on the wafer surface were classified by KLA-Tencor (USA) into 0.1 micron or more of fit microscratches (LPD-N items in Table 1) and deep scratches (AREA DEFECT items in Table 1). Analyzed by SURFSCAN SP1, each data is shown in Table 1 as the average value for a total of 20 wafers.
1-1),1-2),1-3) R = 탄소수 8∼20 알킬; R' = C2H2 1-1), 1-2), 1-3) R = alkyl having 8 to 20 carbon atoms; R '= C 2 H 2
1-4) R = 라우릴(Lauryl); R' = C2H2 1-4) R = Lauryl; R '= C 2 H 2
1-5) R = 노닐페닐(Nonylphenyl); R' = C2H2 1-5) R = Nonylphenyl; R '= C 2 H 2
1-6) R = 스테아릴(Stearyl); R' = C2H2 1-6) R = Stearyl; R '= C 2 H 2
1-7) R = 스테아릴(Stearyl); R' = C2H2, R" = C3H6 1-7) R = Stearyl; R '= C 2 H 2, R "= C 3 H 6
1-8) R = 스테아릴(Stearyl); R' = C2H2 1-8) R = Stearyl; R '= C 2 H 2
주2) 총 슬러리 부피에 대한 바닥에 침전된 고농축층 부피의 백분율(슬러리 제조 3일 후 측정) Note 2) Percentage of highly concentrated bed volume deposited at the bottom to total slurry volume (measured after 3 days of slurry preparation)
주3) 0.51㎛ 이상의 거대 입자 개수 (Accusizer 측정값) Note 3) Number of large particles of 0.51 μm or more (Accusizer measured value)
상기 표 1로부터, 평균 분자량이 10,000 ~ 5,000,000인 계면활성제를 포함하는 본 발명의 슬러리 조성물은 계면활성제가 미첨가된 슬러리 조성물 및 평균 분자량이 상기 범위 밖인 계면활성제가 첨가된 슬러리 조성물에 비해 분산안정성이 크게 향상되었음을 알 수 있었다. 특히 실시예 6과 같이 에틸렌옥사이드와 프로필렌옥사이드을 동시에 포함하는 계면활성제를 사용한 경우와 실시예 7과 같이 친수기를 중심으로 대칭형을 가진 계면활성제를 사용한 경우에 분산안정성 향상, 표면 결함의 저하, 연마속도 증가 등 전반적인 평가항목에서 매우 우수한 특성을 시현하였다. From Table 1, the slurry composition of the present invention comprising a surfactant having an average molecular weight of 10,000 to 5,000,000 is more stable than the slurry composition without a surfactant and a slurry composition with an average molecular weight of the surfactant is added outside the above range It was found to be greatly improved. In particular, in the case of using a surfactant containing both ethylene oxide and propylene oxide at the same time as in Example 6 and in the case of using a surfactant having a symmetrical type around a hydrophilic group as in Example 7, dispersion stability is improved, surface defects are reduced, and the polishing rate is increased. The overall evaluation items showed very good characteristics.
[실시예 8~10][Examples 8-10]
하기 표 2에 기재된 바와 같은 비이온성 계면활성제들을 슬러리 총중량에 대하여 0.1중량%로 첨가한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1에서와 동일한 방식으로 연마용 슬러리를 제조하고 총아민가 및 연마성능을 측정하였다. 총아민가는 A.O.C.S Method Tf 2a-64에 근거하여 측정되었다. 측정결과는 하기 표 2와 같다. A polishing slurry was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that nonionic surfactants as described in Table 2 were added in an amount of 0.1 wt% based on the total weight of the slurry, and the total amine value and the polishing performance were measured. . Total amine titers were determined based on A.O.C.S Method Tf 2a-64. The measurement results are shown in Table 2 below.
1) R = 라우릴; R' = C2H2 1) R = lauryl; R '= C 2 H 2
2) R = 스테아릴; R' = C2H2 2) R = stearyl; R '= C 2 H 2
5) R = 스테아릴(Stearyl); R' = C2H2, R" = C3H6 5) R = Stearyl; R '= C 2 H 2, R "= C 3 H 6
상기 표 2로부터, 질소-함유 계면활성제가 암모니아의 휘발을 억제함으로써 슬러리의 총아민가를 높게 유지하는데 효과적임을 알 수 있었다.From Table 2, it can be seen that the nitrogen-containing surfactant is effective in maintaining the total amine value of the slurry by inhibiting the volatilization of ammonia.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 CMP 공정의 2차 내지는 최종 연마단계에 사용되는 연마용 슬러리 조성물에 있어서 분산안정성의 향상과 그에 따른 연마품질 개선을 달성하였다. 본 발명의 연마용 슬러리를 사용하면 고품질의 경면 실리콘 웨이퍼를 효율적으로 생산할 수 있다. As described in detail above, the present invention has achieved the improvement of dispersion stability and the improvement of the polishing quality in the polishing slurry composition used in the secondary or final polishing step of the CMP process. The polishing slurry of the present invention can efficiently produce high quality mirror silicon wafers.
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