KR20090001221A - 반도체 구리 웨이퍼 연마용 씨엠피 슬러리 제조방법과 이에의해 제조한 씨엠피 슬러리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 구리배선 연마(CMP)용 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법과 이에 의해 제조한 CMP 슬러리에 관 한 것으로, 구리 웨이퍼의 평탄화 연마를 위하여 기존의 연마재에 비하여 연마율이 월등히 높고, 균일한 표면을 가지며, 연마 후에도 스크레치 발생이 적은 특성을 가지면서도 웨이퍼 세정시 흡착된 불순물 제거에 뛰어난 구리 웨이퍼 연마용 조성물과 그 제조 방법을 제공하기 위하여 탈 이온수에 SiO2 ,, 산화제, 유기산, 부식방지제, 계면활성제, pH조절제 또는 증착 방지제를 첨가하여 혼합물을 조성하여 제조하는데 이때 상기한 SiO2 ,의 경우에는 입자크기가 5 ~ 130nm의 것을 사용하며, 본 발명의 조성물은 pH가 1.5 ~ 4.5인 구리 웨이퍼의 평탄화 연마용 CMP슬러리 조성물을 제공하는 데 있다.
콜로이달 실리카, CMP Slurry, 연마율, 스크레치, 구리 웨이퍼.
Description
본 발명은 이온교환법으로 제조된 규산 나트륨을 출발 물질로 하는 반도체 웨이퍼 평탄화 연마(CMP)용 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법과 이에 의해 제조한 CMP 슬러리에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 5nm ~ 130nm의 입자크기를 가지고 pH1.5 ~ 4.5의 범위를 가지는 반도체 웨이퍼 평탄화 연마용 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법과 이에 의해 제조한 CMP 슬러리에 관한 것이다.
반도체 제조시 웨이퍼의 평탄화 공정을 위해서는 일반적으로 연마용 슬러리를 공급하여 연마패드와의 마찰에 의한 회전 및 직선운동으로 웨이퍼 표면을 화학적 기계적으로 평탄화시키는 공정을 것을 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라 말한다.
이러한 CMP 슬러리는 크게 Fumed Silica와 Colloidal Silica로 구분하여 사용되고 있다.
현재 반도체 웨이퍼 평탄화 연마재로는 Fumed Silica계열이 많이 사용되고 있으나 반도체 배선의 선 폭이 미세화되고 집적화되는 추세가 강하므로 이에 따른 제품의 결함을 줄이고 수율을 향상 시킬 수 있는 양질의 반도체를 제조하기 위하여 콜로이달 실리카의 개발이 필요하게 되었다.
현재 CMP 슬러리는 IBM에서 개발된 후 미국의 인텔, 모토로라와 같은 반도체 제조 회사를 중심으로 연구개발되고 있고 국내의 대부분의 반도체 제조공장에서도 도입되어 사용되고 있다.
한편, 반도체 웨이퍼용으로 알류미늄(Al), 턴스턴(W) 및 구리(Cu)가 사용되고 있는데 구리의 경우에는 비저항이 작고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 평탄화 연마가 용이한 장점이 있으며, 특히 알루미늄과 달리 전자이동에 현상에 대한 내성이 큰 장점이 있다.
이러한 장점들로 인하여 배선 물질로 구리를 널리 사용하게 되었다.
그러나 구리는 다른 물질과 화학적 친화도가 크기 때문에 실리콘 기판이나 실리콘 산화막으로 쉽게 확산되는 장점과 함께 알루미늄보다 배선에서는 유리하지만 구리가 유독성 물질이라는 점과 알루미늄과 달리 식각이 잘 되지 않아 원하는 패턴을 얻기 어려운 점이 있었다.
그러나 1997년 IBM에 의하여 상감 공정을 이용하여 구리칩을 발표한 이후 구리칩 제조를 위한 공정의 개발이 열기를 띠고 있다.
구리를 금속배선으로 사용하는 경우 CMP공정이 없이는 상감 공정이 어려운 것으로 알려져 있다.
따라서 앞으로도 CMP의 중요성은 더욱 증가할 것으로 보인다.
한편 구리를 평탄화로 연마하기 위한 슬러리는 연마제, 산화제, 부식방지제, 계면활성제, 탈이온수, pH 조절제, 증착 방지제, 탈이온수등 성능 향상을 위하여 첨가하는 다수의 화학 물질이 섞여 있는 혼합 용액으로서 원하는 연마 속도를 가지는 CMP 슬러리를 제조하기 위해서는 슬러리 입자의 종류 및 사용되는 화학 물질에 대한 정확한 이해가 필요하다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 구리 웨이퍼의 평탄화 연마를 위하여 기존의 연마재에 비하여 연마율이 월등히 높고, 균일한 표면을 가지며, 연마 후에도 스크레치 발생이 적은 특성을 가지면서도 웨이퍼 세정시 흡착된 불순물 제거에 뛰어난 구리 웨이퍼 연마용 조성물과 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
이때 본 발명에서는 탈 이온수에 SiO2 ,, 산화제, 유기산, 부식방지제, 계면활성제, pH조절제 또는 증착 방지제를 첨가하여 혼합물을 조성하여 제조하는데 이때 상기한 SiO2 ,의 경우에는 입자크기가 5 ~ 130nm의 것을 사용하며, 본 발명의 조성물은 pH가 1.5 ~ 4.5인 구리 웨이퍼의 평탄화 연마용 CMP슬러리 조성물을 제공하는데 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따라, 구리 웨이퍼를 연마하기 위한 CMP슬러리 조성물은 다음과 같은 방법에 의하여 제조한다.
탈 이온수 1리터(L)에 대하여 입자크기가 5 ~ 130nm인 SiO2를 10 ~ 200g, 유기산 1 ~ 50g 및 부식방지제 0.01 ~ 10g을 혼합하여 이온교환법으로 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 제조한다.
이러한 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)에 pH 조절제 0.1 ~ 10vol%와 계면활성제 0.001 ~ 0.5vol%를 첨가하여 이를 교반시킨 후 이를 필터로 여과한 다음 과산화물 산화제 0.1 ~ 10vol%를 첨가하여 본 발명을 완성한다.
이러한 본 발명에서 상기한 SiO2는 구리 웨이퍼의 연마를 위하여 사용하게 되는데, 이때 상기한 탈 이온수 1리터(L)에 대하여 그 함량이 10g 이하이면 연마제로서의 역할을 수행할 수 없으며 200g 이상이면 분산안정성이 저하될 수가 있는 문제점이 있으며, 그 크기가 130nm이상이면 연마 후 구리 웨이퍼 표면에 스크레치가 발생할 우려가 있으며, 5nm이하인 경우에는 연마율이 떨어지는 단점이 있다.
또한 본 발명에 사용되는 유기산은 금속막의 용해 및 선택비를 조절하는 기능을 하며, 본 발명에서 사용하는 과산화물 산화제의 분해를 억제하는 기능을 한다.
이러한 유기산은 주로 시트릭산, 타르타르산, 옥살산, 말론산을 사용하는데 시트릭산을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
이때 상기한 유기산의 경우에 1g이하로 조성하는 경우에는 연마율이 저하되면서 과산화물 산화제가 분해될 우려가 있으며, 50g이상이면 분산 안정성에 문제가 발생하게 된다.
또한 사용하는 부식방지제로 벤조트리아졸, 벤조퀴논, 벤질부틸프탈레이트, 벤질 디옥솔란을 선택 조성하여 사용하게 되는데, 상기 부식방지제를 0.01g이하이면 연마율이 저하되며, 과산화물 산화제가 분해될 우려가 있으며, 10g이상이면 분산 안정성에 문제가 발생하게 된다.
그리고 상기한 콜로이달 실리카의 pH를 1.5 ~ 4.5의 범위에 만족할 수 있게 하기 위하여 0.1 ~ 10vol%을 첨가하는 것이며, 이때 수산화암모늄, KOH, HCL등을 첨가하여 pH조절제로 사용하며, 수산화암모늄을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
그리고 본 발명에서는 구리 웨이퍼의 연마시 표면장력 감소를 위하여 계면활성제를 첨가하게 되는데 이때 계면활성제의 첨가량이 0.001vol%이하이면 스크레치가 발생할 우려가 있으며, 0.5vol%이상이면 웨이퍼 표면에 증착을 초래할 우려가 있다.
그리고 과산화물 산화제는 금속막의 연마를 용이하게 하기 위하여 사용하게 된다.
상기 과산화물 산화제로는 과산화수소, 퍼옥시디카보네이트, 아세틸벤조일 퍼옥사이드 등이며 이들을 각각 단독사용하거나 또는 이들을 선택하여 서로 혼합하여 사용할 수 있는데 과산화수소를 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 과산화물 산화제는 상기한 콜로이달 실리카에 대하여 0.1 ~ 10vol%를첨가하게 되는데 이때 0.1vol이하를 첨가하는 경우에는 금속막에 보호 산화막을 형성하지 못할 수 있고, 10vol% 이상이면 연마율이 급격히 하강하는 경향이 있다.
또한 본 발명에서는 필요에 따라 연마 과정 중에 유리된 구리 금속 이온이 평탄화된 표면 위에 증착되지 않도록 방지하기 위하여 EDTA(Ethylene diamine tetra acetic acid)를 첨가하여 사용할 수 있는데 이는 상기한 콜로이달 실리카에 대하여 0.001 ~ 1vol%을 첨가한다.
이때 첨가량이 0.001vol% 미만이면 증착 방지 효과가 없으며, 1vol% 이상이면 SiO2입자 간에 응집 현상이 발생하는 문제점이 있다.
실시예 1.
탈 이온수 1리터(L)에 대하여 SiO2 20g, 시트릭산 30g 및 벤조트리아졸 0.1g을 혼합하여 이온교환법으로 콜로이달 실리카를 제조하고, 이 콜로이달 실리카에 수산화 암모늄 3vol% 및 계면활성제 0.5vol% 를 첨가하여 60분간 교반 시킨 다음, 0.1마이크로미터에서 여과한다.
이렇게 여과된 혼합 조성물에 과산화수소수 5vol%를 첨가하여 본 발명의 Cu CMP Slurry를 제조하였다.
이러한 본 발명의 Cu CMP Slurry를 하기 조건에서 1분간 연마하고 연마에 의해 제거된 구리막의 두께 변화로 연마속도를 측정하였다.
그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
연마기 Model : GNP POLI-400(G&P Technology 한국)
PAD Type : IC1400(Rodel사)
Wafer : 4" Copper wafer(15KA Annealed)
연마조건 : Platen Speed : 90rpm
Head Speed : 90rpm
Pressure : 3psi
Slurry flow rate : 150cc/min
실시예 2.
상기 실시예 1. 의 조건에서 표면장력 감소를 위하여 계면활성제를 0.1vol% 첨가하여 본 발명의 Cu CMP Slurry를 제조하여 연마성능을 평가하였고 그 결과는 표1에 나타내었다.
실시예 3.
상기 실시예 1. 의 조건에 표면장력 감소를 위하여 계면활성제를 0.07vol% 첨가하여 본 발명의 Cu CMP Slurry를 제조하여 연마성능을 평가하였고 그 결과는 표1에 나타내었다.
실시예 4.
상기 실시예 1. 의 조건에 표면장력감소를 위하여 계면활성제를 0.2vol% 첨가하여 본 발명의 Cu CMP Slurry를 제조하여 연마성능을 평가하였고 그 결과는 표1에 나타내었다.
실시예 5.
상기 실시예 1. 의 조건에 유기산과 pH조절제를 첨가하지 않고 연마성능을 평가하였고 그 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1.
| 구분 | 연마율 /min | 스크레치 |
| 실시예 1 | 13,052 | 없음 |
| 실시예 2 | 8,666 | 없음 |
| 실시예 3 | 6,798 | 없음 |
| 실시예 4 | 11,921 | 없음 |
| 실시예 5 | 550 | 있음 |
1) 연마율: 웨이퍼 연마 전후위 두께차이 측정
2) 스크레치: 세정후 육안으로 관측
표 1을 보면 상기한 실시예에 따른 연마율과 스크레치 발생에서 많은 차이를 보이고 있으며 각 첨가제에 따른 연마율의 차이도 관찰할 수 있다.
실시예 1과 4의 경우 연마율이 아주 높으나 웨이퍼 표면에 증착 현상을 초래할수 있어 아주 좋다고는 볼수 없으며, 실시예 2,3의 경우 연마율도 우수하고 증착현상이 없었다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼 연마제인 Cu CMP Slurry 조 성물은 응집방지와 높은 가공율 및 스크레치 발생이 적으면서도 세정이 용이한 장점을 가지며 낮은 압력에서도 반도체 구리 웨이퍼의 가공에 효과적으로 활용될 수 있는 매우 유용한 발명이다.
Claims (8)
- 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법에 있어서,탈 이온수 1리터(L)에 대하여 입자크기가 5 ~ 130nm인 SiO2를 10 ~ 200g, 유기산 1 ~ 50g 및 부식방지제 0.01 ~ 10g을 혼합하여 이온교환법으로 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)를 제조하고,상기 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)에 pH 조절제 0.1 ~ 10vol%와 계면활성제 0.001 ~ 0.5vol%를 첨가하여 이를 교반시킨 후 필터로 여과한 다음 과산화물 산화제 0.1 ~ 10vol%를 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 콜로이달 실리카(Colloidal Silica)에 증착 방지제로 EDTA를 0.001 ~ 1vol% 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 제조방법.
- 제1항에 의하여 제조한 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리가 탈 이온수 1리터(L)에 입자크기가 5 ~ 130nm인 SiO2를 10 ~ 200g, 유기산 1 ~ 50g 및 부식방지제 0.01 ~ 10g을 혼합하여 이온교환법으로 제조한 혼합물에 pH 조절제 0.1 ~ 10vol%와 계면활성제 0.001 ~ 0.5vol%가 첨가된 것임을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
- 청구항 3에 있어서,상기 산화제는 과산화수소, 포타슘 페리시아나이드, 포타슘 디크로메이트, 포타슘아이오데이트 중에서 선택된 1종이거나 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
- 청구항 3에 있어서,상기 유기산은 아세트산, 말론산, 시트릭산, 아크릴산 중에서 선택된 1종이거나 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
- 청구항 3에 있어서,상기 부식방지제는 벤조트리아졸, 벤조퀴논, 벤질부틸프탈레이트, 벤질 디옥솔란 중에서 선택된 1종이거나 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
- 청구항 3에 있어서,상기 pH조절제는 암모니아수, KOH, HCL중에서 선택된 1종이거나 2 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
- 청구항 3에 있어서,상기 혼합물에 증착 방지제로 EDTA를 0.001~1vol% 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 반도체 구리 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리.
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