KR20090059109A - 화학 기계 연마용 수계 분산체 및 반도체 장치의 화학 기계연마 방법 - Google Patents

화학 기계 연마용 수계 분산체 및 반도체 장치의 화학 기계연마 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 (A) 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자와, (B) 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염과, (C) 산화제와, (D) 지립을 포함하고, pH가 7 이상 12 이하인 것을 특징으로 한다.
화학 기계 연마용 수계 분산체, 수용성 고분자, 지립

Description

화학 기계 연마용 수계 분산체 및 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법{AQUEOUS DISPERSION FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING AND CHEMICAL MECHANICAL POLISHING METHOD FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 반도체 장치를 제조할 때 바람직하게 사용되는 화학 기계 연마용 수계 분산체, 및 이 화학 기계 연마용 수계 분산체를 사용한 화학 기계 연마 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 고밀도화에 따라, 반도체 장치 내에 형성되는 배선의 미세화가 진행되고 있다. 이 배선의 미세화를 한층 더 달성할 수 있는 기술로서, 상감법이라고 불리는 기술이 알려져 있다. 이 방법은, 절연층 중에 형성된 홈 등에 배선 재료를 매립한 후, 화학 기계 연마를 사용하여 홈 이외에 퇴적된 여분의 배선 재료를 제거함으로써, 원하는 배선을 형성하는 것이다. 여기서, 배선 재료로서 구리 또는 구리 합금을 사용하는 경우, 구리 원자의 절연층 중으로의 마이그레이션을 회피하기 위해, 구리 또는 구리 합금과 절연체의 계면에 통상적으로 탄탈, 질화탄탈, 질화티탄 등을 재료로 하는 고강도의 고유전율 절연층(배리어층)이 형성된다.
구리 또는 구리 합금을 배선 재료로서 사용하는 반도체 장치의 제조에서 상 감법을 이용하는 경우, 그의 화학 기계 연마 방법은 다양하지만, 주로 구리 또는 구리 합금의 제거를 행하는 제1 연마 공정과, 주로 배리어층을 제거하는 제2 연마 공정을 포함하는 2 단계의 화학 기계 연마가 행해지고 있다.
반도체 장치 내에 형성되는 배선의 미세화에 따라 제1 연마 공정은, 예를 들면 구리를 800 ㎚/분으로 연마하고, 배리어층을 실질적으로 절삭하지 않고, 구리 디싱을 20 ㎚ 이하로 제어하는 것이 요구되고 있다. 절연층으로서 저유전율 재료(low-k 재료)가 사용되는 경우, 연마 마찰이 크면 층 박리나 층 자체의 파괴가 발생하기 때문에, 종래의 연마 마찰이 큰 화학 기계 연마용 수계 분산체에서는 적용이 곤란하였다.
또한, 상기 제2 연마 공정은, 상기 제1 연마 공정과 마찬가지로 저마찰로 연마하여 피처리면과 연마천의 친수성을 높이고, 구리 위 스크래치나 구리 부식, 절연층 위의 스크래치를 감소시킴과 동시에, 구리 디싱이나 절연층 침식을 개선하는 것이 요망되고 있다.
상술한 바와 같은 제1 연마 공정 및 제2 연마 공정에서의 요구를 만족하도록, 폴리비닐피롤리돈 등의 수용성 고분자를 사용한 화학 기계 연마용 수계 분산체가 다양하게 제안되어 있다.
예를 들면, 일본 특허 공개 제2003-282494호 공보에는, 폴리옥소산 또는 그의 염, 수용성 고분자, 물을 포함하는 화학 기계 연마용 수계 분산체가 제안되어 있다. 이러한 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 스크래치, 디싱 등 연마면의 결함의 발생을 억제할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2002-270549호 공보에는, 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 지립의 분산제로서, 폴리비닐피롤리돈을 첨가할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 공표 제2002-517593호 공보에는, 물, 지립, 산화제 및 유기 중합체를 포함하는 화학 기계 연마용 수계 분산체가 제안되어 있다. 또한, 상기 유기 중합체는, 폴리비닐피롤리돈일 수 있다고 기재되어 있다. 이러한 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 지립의 연마 속도를 억제할 수 있다고 기재되어 있다.
즉, 상기한 특허 문헌에 기재되어 있는 발명에서는, 화학 기계 연마용 수계 분산체에 폴리비닐피롤리돈 등의 수용성 고분자가 첨가되고 있지만, 그의 목적은 지립 또는 피연마면에 수용성 고분자를 흡착시켜 지립의 분산성을 높이거나, 피연마면의 연마 속도를 저하시키는 것에 있다.
그러나, 이러한 수용성 고분자를 사용하면 지립의 분산성을 높일 수 있으며, 피연마면의 연마 속도를 저하시킬 수 있기 때문에, 구리 디싱이나 절연층 침식 등을 억제할 수 있는 반면, 연마해야 하는 영역에도 수용성 고분자가 흡착되기 때문에, 연마 속도가 극단적으로 저하되어 구리 잔존이 발생한다는 등의 문제점이 있었다.
<발명의 개시>
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 새로운 과제로서, "팽"을 억제하는 것을 들 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 "팽"이란, 특히 금속층이 구리 또는 구리 합금을 포함하는 경우 현저히 발생하는 현상이며, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하는 영역과, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하지 않는 영역(필드 부분)의 계면에서, 화학 기계 연마에 의해 반도체 장치로서의 결함이 되는 홈상의 손상을 말한다.
팽이 발생하는 요인에 대하여, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하는 영역과, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하지 않는 영역(필드 부분)의 계면에서 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 성분이 불균일하게 국재화되어, 계면 근방이 과도하게 연마되는 것이 하나의 원인이라고 생각된다. 예를 들면, 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 지립 성분이 상기 계면 근방에 높은 농도로 존재하면, 상기 계면에서의 연마 속도가 국소적으로 증대되어 과도하게 연마된다. 이와 같이 과도하게 연마되면, 뾰족한 스파이크상의 평탄성 불량으로서 나타난다. 즉, 이것이 "팽"이라고 불리는 연마 결함이다.
팽은, 배선 패턴에 따라 다양한 발생 양태가 있다. 팽이 발생하는 요인에 대하여, 도 1A 내지 도 1C에 도시한 피처리체 (100)을 일례로서 구체적으로 설명한다.
피처리체 (100)은, 도 1A에 도시한 바와 같이 기체 (10) 위에 홈 등의 배선용 오목부 (20)이 형성된 절연층 (12), 절연층 (12)의 표면 및 배선용 오목부 (20)의 저부 및 내벽면을 덮도록 설치된 배리어층 (14), 배선용 오목부 (20)을 충전하고, 배리어층 (14) 위에 형성된 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층 (16)이 순차적으로 적층되어 구성된다. 또한, 피처리체 (100)은, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하는 영역 (22)와, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하지 않는 영역 (24)를 포함한다. 또한, 미세 배선을 포함하는 영역 (22)에서는, 구리 또는 구리 합금의 볼록부가 형성되기 쉽다.
도 1B는, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층 (16)을 화학 기계 연마하고 있는 도중의 단계를 도시하고 있다. 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층 (16)을 화학 기계 연마하면, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하는 영역 (22)와 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하지 않는 영역 (24)의 계면에서, 미세한 손상 (30)이 발생하는 경우가 있다.
도 1C는, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층 (16)을 절삭하고, 배리어층 (14)가 표면에 나타날 때까지 화학 기계 연마를 행한 후의 상태를 도시하고 있다. 이 단계에서, 미세한 손상 (30)은 홈상의 손상 팽 (32)가 되어 있다.
본원 발명자들의 연구에 따르면, 이 팽이 발생하는 이유는 이하와 같이 생각된다.
도 1B의 단계에서, 배리어층 (14)는 양으로 대전하고 있으며, 연마 지립 (28)은 음으로 대전하고 있기 때문에, 정전적 상호 작용에 의해 연마 지립 (28)은 미세한 손상 (30)에 국재화되게 된다. 미세한 손상 (30)에 연마 지립 (28)이 국재화된 상태로 화학 기계 연마가 행해지면, 미세한 손상 (30)은 과도하게 연마되어 팽 (32)가 발생한다고 생각된다.
이 팽은, 반도체 장치로서 결함이 되는 경우가 있으며, 반도체 장치 제조의 수율을 저하시킨다는 점에서 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 구리 디싱이나 구리 부식 및 절연층 침식 뿐만 아니라 상술한 팽의 발생을 억제하면서, 구리 잔존이 없고, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층을 저마찰로 균일할 뿐만 아니라 안정적으로 연마할 수 있는 화학 기계 연마용 수계 분산체를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는,
(A) 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자와,
(B) 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염과,
(C) 산화제와,
(D) 지립
을 포함하고, pH가 7 이상 12 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서, 상기 (A) 제1 수용성 고분자와 상기 (B) 제2 수용성 고분자의 질량비 (A)/(B)는, 0.02 내지 50일 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서, 상기 (A) 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도는 50 내지 150 mPaㆍs일 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서, 상기 (B) 제2 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도는 1 내지 5 mPaㆍs일 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서, 상기 (A) 제1 수용성 고분자는 비닐피리딘, 비닐피롤리돈 및 비닐이미다졸로부터 선택되는 화합물에서 유래하는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체일 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서, 상기 (B) 제2 수용성 고분자는 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레산, 스티렌술폰산, 알릴술폰산, 비닐술폰산 및 이들의 염으로부터 선택되는 화합물에서 유래하는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체일 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 추가로 (E) 착형성제 및 (F) 계면활성제를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법은, 상기 화학 기계 연마용 수계 분산체를 사용하여, 반도체 기판 위의 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층을 연마하는 것이다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, (A) 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자와, (B) 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염을 포함한다는 점에 특징을 갖는다.
상기 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 상기 제1 수용성 고분자를 첨가하면 구리 디싱이나 구리 부식 및 절연층 침식 뿐만 아니라, 팽의 발생을 억제할 수 있다. 한편, 피연마면의 연마 속도는 늦어지기 때문에, 원하는 피연마면을 얻기 위해서는 한층 더 연마 시간이 필요해진다. 또한, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 연마력은 저하되어 있기 때문에, 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다.
따라서, 상기 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 추가로 제2 수용성 고분자 또는 그의 염을 첨가함으로써 구리 디싱, 구리 부식, 절연층 침식 및 팽의 발생을 억제하면서, 제1 수용성 고분자의 첨가에 의해 저하된 연마 속도를 회복할 수 있다. 또한, 제2 수용성 고분자의 첨가에 의해, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 연마력 저하에 의해 발생하는 구리 잔존을 제거할 수 있다.
본원 발명자들에 따르면, (a) 피연마면이 되는 금속층이 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층이며, (b) 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 산화제가 과산화 수소인 경우, 팽이 보다 발생하기 쉽다는 것이 확인되었다.
[도 1A] 도 1A는, 반도체 장치의 제조에서 화학 기계 연마시에 발생하는 팽의 메카니즘을 도시하는 단면도이다.
[도 1B] 도 1B는, 반도체 장치의 제조에서 화학 기계 연마시에 발생하는 팽의 메카니즘을 도시하는 단면도이다.
[도 1C] 도 1C는, 반도체 장치의 제조에서 화학 기계 연마시에 발생하는 팽의 메카니즘을 도시하는 단면도이다.
[도 2] 도 2는, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법에서의 화학 기계 연마 전의 반도체 장치의 단면도이다.
[도 3] 도 3은, 본 실시 형태에 따른 반도체 장치의 제조 방법에서의 화학 기계 연마 후의 반도체 장치의 단면도이다.
[도 4] 도 4는, 화학 기계 연마 장치의 일부분을 도시하는 개략도이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
1. 화학 기계 연마용 수계 분산체
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, (A) 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자와, (B) 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염과, (C) 산화제와, (D) 지립을 포함하고, pH가 7 이상 12 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 필요에 따라 (E) 착형성제, (F) 계면활성제, 기타 성분을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 각 성분에 대하여 상세히 설명한다.
1.1 (A) 제1 수용성 고분자
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자를 함유함으로써, 구리 디싱이나 구리 부식을 억제할 수 있다. 제1 수용성 고분자는, 그 분자 내에 복소환을 갖기 때문에 구리와의 친화성이 비교적 양호하고, 구리 표면에 흡착됨으로써 연마 마찰을 감소시키거나, 연마 중에 구리 배선 부분을 유효하게 보호할 수 있다. 또한, 제1 수용성 고분자는, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도를 적절히 상승시키는 효과도 있으며, 미세 배선부 말단에 종종 발생하는 팽이라고 불리는 불균일한 형상의 손상 발생을 억제할 수도 있다.
상기한 바와 같은 효과를 기대할 수 있는 제1 수용성 고분자로서, 비닐피리딘, 비닐피롤리돈 및 비닐이미다졸로부터 선택되는 화합물에서 유래는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체를 들 수 있다.
상기 제1 수용성 고분자는, 겔 투과 크로마토그래피(용매는 물)로 측정한 폴리스티렌술폰산나트륨 환산의 중량 평균 분자량이 바람직하게는 50만 이상 200만 이하, 보다 바람직하게는 50만 이상 150만 이하, 특히 바람직하게는 70만 이상 150만 이하일 수 있다. 중량 평균 분자량이 상기 범위에 있으면 연마 마찰을 감소시킬 수 있으며, 구리 디싱이나 구리 부식을 억제할 수 있다. 또한, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층을 안정적으로 연마할 수 있다. 중량 평균 분자량이 50만보다 작으면 팽이 발생하는 경우가 있다. 한편, 중량 평균 분자량이 지나치게 크면 실용적인 연마 속도가 얻어지지 않는 경우가 있으며, 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다. 또한, 슬러리 공급 장치 내에서 지립의 응집을 일으켜, 응집된 지립에 의해 구리 위의 스크래치가 증가할 우려가 있다.
상기 제1 수용성 고분자의 첨가량은, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.005 질량％ 이상 1 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, 특히 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 0.2 질량％ 이하이다. 제1 수용성 고분자의 첨가량이 0.005 질량％ 미만인 경우에는, 연마 마찰을 감소시킬 수 없는 경우가 있으며, 연마천의 온도가 상승할 가능성이 있다. 그 결과, 슬러리의 성분에 따라서는 연마가 정지하는 현상(CMP 스톱)도 발생하기 쉬워진다. 또한, 구리 오버플레이팅부에서의 구리 제거력도 저하되는 경우가 있다. 한편, 제 1 수용성 고분자의 첨가량이 1 질량％를 초과하면 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 연마 속도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도가 지나치게 높아져 연마천 위에 안정적으로 슬러리를 공급할 수 없는 경우가 있다. 그 결과, 연마천의 온도 상승이나 연마 불균일(면내 균일성의 열화) 등이 발생하고, 연마 속도나 디싱의 변동이 발생하는 경우가 있다. 상기 문제를 회피하기 위해서는, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도가 2 mPaㆍs 미만인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 구리 또는 구리 합금 등의 배선 금속을 배리어층이 노출될 때까지 행하는 화학 기계 연마(이하, 제1 연마라고도 함)에 바람직하게 사용할 수 있다. 제1 수용성 고분자의 첨가량이 상기 범위에 있으면, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 화학 기계 연마에서는 저마찰, 고연마 속도를 달성할 수 있는 반면, 배리어층의 연마 속도를 낮게 억제할 수 있기 때문에 배리어층을 잔존시킬 수 있다. 또한, 구리 디싱 및 절연층 침식은 억제되기 때문에, 구리 부식 및 구리 위의 스크래치 등의 결함도 감소시킬 수 있다. 또한, 구리 오버플레이팅부의 구리 연마력이 향상되어, 연마의 안정성이나 연마 속도의 균일성을 높일 수 있다.
상기 제1 수용성 고분자는, 5 질량％ 수용액의 점도에 의해 규정될 수 있다. BM형 회전식 점도계를 사용하여 25 ℃에서 측정한 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도는, 바람직하게는 50 내지 150 mPaㆍs, 보다 바람직하게는 50 내지 120 mPaㆍs, 특히 바람직하게는 60 내지 100 mPaㆍs이다. 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 상기 범위에 있으면, 연마시의 마찰력을 감소시킬 수 있으며, 팽의 발생을 억제할 수 있다. 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 50 mPaㆍs 미만인 경우에는, 연마시의 마찰이 충분히 감소되지 않고, 팽이 발생하는 경우가 있다. 한편, 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 150 mPaㆍs를 초과하면, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도가 지나치게 높아지기 때문에 기계적 연마력이 저하되고, 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도는 2 mPaㆍs 미만인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도는, 제1 수용성 고분자의 중량 평균 분자량 및 첨가량에 따라 거의 결정되기 때문에, 이들의 균형을 고려하면서 상기 범위 내로 조정할 수 있다.
상기 제1 수용성 고분자를 1종 단독으로 사용할 수도 있지만, 상기 제1 수용성 고분자의 중량 평균 분자량 또는 5 질량％ 수용액의 점도가 상기 범위에 있으면, 중량 평균 분자량이 상이한 2종 이상의 제1 수용성 고분자를 조합하여 사용할수도 있다.
1.2 (B) 제2 수용성 고분자
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서는, 제1 수용성 고분자의 첨가에 의해 연마 속도가 저하되거나, 구리 잔존과 같은 문제점이 발생하는 경우가 있다. 이러한 문제점은, 제1 수용성 고분자가 과도하게 피연마면을 보호하는 것에 기인한다. 또한, 이러한 문제점을 제2 수용성 고분자를 첨가함으로써 해소할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에서는, 제1 수용성 고분자 뿐만 아니라 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염을 함유시킴으로써, 구리 디싱, 구리 부식, 절연층 침식 및 팽의 발생을 억제하면서, 상술한 제1 수용성 고분자의 첨가에 의한 문제점을 해소할 수 있다.
즉, 제1 수용성 고분자는 근소하게 양의 전하를 띠고 있는 데 비해, 제2 수용성 고분자는 음의 전하를 띠고 있다. 이 음의 전하를 띤 제2 수용성 고분자를 첨가함으로써, 제1 수용성 고분자의 구리 표면으로의 과도한 흡착을 억제하여, 연마 속도의 저하, 구리 잔존의 악화 등을 방지할 수 있다.
또한, 제1 수용성 고분자와 제2 수용성 고분자가 띠고 있는 전하가 상이하기 때문에, 수계 분산체 중에 수용성 고분자의 네트워크를 형성할 수 있으며, 효과적으로 수계 분산체에 적절한 점도를 부여함과 동시에, 지립의 구리 표면으로의 접촉을 완충할 수 있다.
상기한 바와 같은 효과를 기대할 수 있는 제2 수용성 고분자로서, 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레산, 스티렌술폰산, 알릴술폰산, 비닐술폰산 및 이들의 염으로부터 선택되는 화합물에서 유래하는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체를 들 수 있다.
상기 제2 수용성 고분자는, 겔 투과 크로마토그래피(용매는 물)로 측정한 폴리스티렌술폰산나트륨 환산의 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000일 수 있다. 중량 평균 분자량이 상기 범위에 있으면, 제1 수용성 고분자의 첨가에 의해 저하된 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 연마 속도를 회복할 수 있다. 중량 평균 분자량이 10,000보다 큰 경우, 지립과의 상호 작용에 의해 구리 표면으로의 스크래치가 다수 발생한다. 한편, 중량 평균 분자량이 1,000보다 작은 경우에는, 제1 수용성 고분자의 첨가에 의해 저하된 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 연마 속도를 충분히 회복시킬 수 없는 경우가 있으며, 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다.
상기 제2 수용성 고분자의 첨가량은, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.005 질량％ 이상 1 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, 특히 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 0.2 질량％ 이하이다. 제2 수용성 고분자의 첨가량이 0.005 질량％ 미만인 경우에는, 제1 수용성 고분자의 첨가에 의해 저하된 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 연마 속도를 충분히 회복할 수 없는 경우가 있으며, 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다. 한편, 제2 수용성 고분자의 첨가량이 1 질량％를 초과하면, 제2 수용성 고분자의 작용이 커져, 구리의 에칭에 의한 디싱이나 침식이 커진다.
또한, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체를 상술한 제1 연마에 사용하는 경우, 제2 수용성 고분자의 첨가량이 상기 범위에 있으면, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 화학 기계 연마에서는 저마찰, 고연마 속도를 달성할 수 있는 반면, 배리어층의 연마 속도를 낮게 억제할 수 있기 때문에, 배리어층을 잔존시킬 수 있다. 또한, 구리 디싱 및 절연층 침식은 억제되기 때문에, 구리 부식 및 구리 스크래치 등의 결함도 감소시킬 수 있다. 또한, 구리 오버플레이팅부의 구리 연마력이 향상되어, 연마의 안정성이나 연마 속도의 균일성을 높일 수 있다.
상기 제2 수용성 고분자는, 5 질량％ 수용액의 점도에 의해 규정될 수 있다. BM형 회전식 점도계를 사용하여 측정한 제2 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도는, 바람직하게는 1 내지 5 mPaㆍs, 보다 바람직하게는 1 내지 3 mPaㆍs, 특히 바람직하게는 1 내지 2 mPaㆍs이다. 제2 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 상기 범위에 있으면, 구리 배선으로의 에칭이 효과적으로 작용하여 구리 잔존을 해소할 수 있다. 제2 수용성 고분자의 1 질량％ 수용액의 점도가 5 mPaㆍs를 초과하면, 제2 수용성 고분자와 지립의 상호 작용에 의해 지립의 응집이 발생하기 쉬워지고, 구리 배선의 스크래치의 원인이 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 상기 (A) 제1 수용성 고분자와 (B) 제2 수용성 고분자의 질량비 (A)/(B)를 규정할 수 있다. 이러한 질량비 (A)/(B)는 바람직하게는 0.02 내지 50, 보다 바람직하게는 0.05 내지 20, 특히 바람직하게는 0.1 내지 10의 범위 내인 것이 바람직하다. 질량비가 0.02보다 작으면 연마시의 마찰이 충분히 감소되지 않고, 팽이 발생하는 경우가 있다. 또한, 구리 디싱이나 절연층 침식이 커지는 경우가 있다. 한편, 질량비가 50보다 크면, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도 상승에 대한 연마력의 회복이 불충분해지기 때문에 구리 잔존이 발생하기 쉬워진다.
상기 제2 수용성 고분자는 1종 단독으로 사용할 수도 있지만, 상기 제2 수용성 고분자의 중량 평균 분자량 또는 5 질량％ 수용액의 점도가 상기 범위에 있으면, 중량 평균 분자량이 상이한 2종 이상의 제2 수용성 고분자를 조합하여 사용할 수도 있다.
1.3 (C) 산화제
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 사용되는 산화제로서는, 예를 들면 과황산암모늄, 과황산칼륨, 과산화수소, 질산 제2철, 질산이암모늄세륨, 황산철, 오존 및 과요오드산칼륨 등을 들 수 있다. 이들 산화제는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
또한, 이들 산화제 중 산화력, 보호막과의 상성 및 취급 용이성 등을 고려하면, 과황산암모늄, 과황산칼륨 및 과산화수소가 특히 바람직하다.
상기 산화제의 첨가량은, 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.03 질량％ 이상 5 질량％ 이하가 바람직하고, 0.05 질량％ 이상 3 질량％ 이하가 보다 바람직하다. 산화제의 첨가량이 0.03 질량％ 미만인 경우에는, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층을 충분히 산화시킬 수 없기 때문에, 연마 속도가 저하되는 경우가 있다. 한편, 5 질량％를 초과하면, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층의 부식이나 구리 디싱이 커질 우려가 있다.
1.4 (D) 지립
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 사용되는 지립으로서는, 무기 입자 또는 유기 무기 복합 입자가 바람직하다. 무기 입자로서는, 퓸드법에 의해 염화규소, 염화알루미늄 또는 염화티탄 등과 산소 및 수소를 기상 중에서 반응시켜 합성된 퓸드 실리카, 퓸드 알루미나, 퓸드 티타니아; 졸겔법에 의해 금속 알콕시드를 가수분해 축합하여 합성된 실리카; 무기 콜로이드법 등에 의해 합성되 며, 정제에 의해 불순물을 제거한 고순도 콜로이달 실리카 등을 들 수 있다.
상기 유기 무기 복합 입자로서는, 유기 입자와 무기 입자가 연마시에 쉽게 분리되지 않을 정도로 일체로 형성되어 있으면 그 종류, 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트 등의 중합체 입자의 존재하에 알콕시실란, 알루미늄알콕시드, 티탄알콕시드 등을 중축합시켜, 중합체 입자의 적어도 표면에 폴리실록산, 폴리알루미녹산, 폴리티타녹산 등의 중축합물이 형성된 복합 입자를 들 수 있다. 형성된 중축합물은, 중합체 입자의 관능기에 직접 결합할 수도 있고, 실란 커플링제 등을 통해 결합할 수도 있다.
또한, 유기 무기 복합 입자는, 상기 중합체 입자와 실리카 입자, 알루미나 입자, 티타니아 입자 등을 사용하여 형성할 수도 있다. 이 경우, 상기 복합 입자는 폴리실록산, 폴리알루미녹산, 폴리티타녹산 등의 중축합물을 결합제로 하여, 중합체 입자의 표면에 실리카 입자 등이 존재하도록 형성될 수도 있고, 실리카 입자 등이 갖는 히드록실기 등의 관능기와 중합체 입자의 관능기가 화학적으로 결합하여 형성될 수도 있다.
또한, 유기 무기 복합 입자로서, 제타 전위의 부호가 서로 상이한 유기 입자와 무기 입자가 이들 입자를 포함하는 수분산체에서, 정전력에 의해 결합되어 있는 복합 입자를 사용할 수도 있다.
유기 입자의 제타 전위는, 전체 pH 영역, 또는 낮은 pH 영역을 제외한 광범위한 pH 영역에 걸쳐서 음인 경우가 많다. 유기 입자는 카르복실기, 술폰산기 등을 가지면, 보다 확실하게 음의 제타 전위를 갖는 경우가 많다. 유기 입자가 아미 노기 등을 가지면, 특정한 pH 영역에서 양의 제타 전위를 갖는 경우도 있다.
한편, 무기 입자의 제타 전위는 pH 의존성이 높고, 제타 전위가 0이 되는 등전점을 갖고, pH에 의해 그의 전후에 제타 전위의 부호가 역전된다.
따라서, 특정한 유기 입자와 무기 입자를 이들의 제타 전위가 역부호가 되는 pH 영역에서 혼합함으로써, 정전력에 의해 유기 입자와 무기 입자가 결합하고, 일체화되어 복합 입자를 형성할 수 있다. 또한, 혼합시의 pH에서는 제타 전위가 동일한 부호일 수도 있고, 그 후 pH를 변화시켜 한쪽의 입자, 특히 무기 입자의 제타 전위를 역부호로 함으로써, 유기 입자와 무기 입자를 일체화할 수도 있다.
이와 같이 정전력에 의해 일체화된 복합 입자는, 이 복합 입자의 존재하에 알콕시실란, 알루미늄알콕시드, 티탄알콕시드 등을 중축합시킴으로써, 그의 적어도 표면에 폴리실록산, 폴리알루미녹산, 폴리티타녹산 등의 중축합물을 추가로 형성할 수도 있다.
상기 지립의 평균 입경은 5 내지 1000 ㎚가 바람직하다. 이 평균 입경은, 레이저 산란 회절형 측정기에 의해 또는 투과형 전자 현미경에 의한 관찰에 의해 측정할 수 있다. 평균 입경이 5 ㎚ 미만이면, 충분히 연마 속도가 큰 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻을 수 없는 경우가 있다. 1000 ㎚를 초과하면 디싱 및 침식의 억제가 불충분해지는 경우가 있으며, 지립의 침강ㆍ분리에 의해 안정적인 수계 분산체를 용이하게 얻을 수 없는 경우가 있다. 지립의 평균 입경은 상기 범위일 수도 있지만, 보다 바람직하게는 10 내지 700 ㎚, 특히 바람직하게는 15 내지 500 ㎚이다. 평균 입경이 이 범위에 있으면 연마 속도가 크고, 디싱 및 침식이 충 분히 억제되고, 입자의 침강 또는 분리가 발생하기 어렵고, 안정적인 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻을 수 있다.
그러나, 철, 니켈, 아연 등의 금속 이온이 화학 기계 연마 처리된 반도체 장치에 잔류하면 수율의 저하를 발생시키는 경우가 많기 때문에, 본 발명에서는 지립에 이들 금속 이온이 포함된 경우에도 그의 양이 통상적으로 10 ppm 이하, 바람직하게는 5 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 3 ppm 이하, 특히 바람직하게는 1 ppm 이하인 지립이 바람직하다. 또한, 당연히 지립에 이들 금속 이온이 포함되지 않는 것이 바람직하다.
상기 지립은, 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.01 내지 5 질량％인 것이 바람직하고, 0.02 내지 4 질량％인 것이 보다 바람직하다. 지립량이 0.01 질량％ 미만이 되면 충분한 연마 속도를 얻을 수 없는 경우가 있고, 5 질량％를 초과하면 비용이 높아짐과 동시에 안정적인 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻을 수 없는 경우가 있다.
1.5 (E) 착형성제
본 실시 양태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 사용되는 착형성제로서는, 수불용성 착체를 형성하는 착형성제와 수용성 착체를 형성하는 착형성제를 들 수 있다. 또한, 여기서 말하는 수불용성이란, 실질적으로 물에 용해되지 않는 것을 의미하며, 산화제와 공존하는 상태에서의 습식 에칭 속도가 3 ㎚/분 미만이면 수난용성도 포함된다. 한편, 수용성이란, 습식 에칭 속도가 3 ㎚/분 이상인 것을 포함한다.
상기 착형성제는, 수불용성 착체를 형성하는 착형성제 또는 수용성 착체를 형성하는 착형성제 중 각각 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
상기 착형성제의 첨가량은, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.0005 질량％ 이상 4.0 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하이다. 첨가량이 0.0005 질량％ 미만인 경우에는, 구리 디싱을 20 ㎚ 이하로 억제하는 것이 곤란해진다. 한편, 착형성제의 첨가량이 4.0 질량％를 초과하면, 연마 속도가 저하될 우려가 있다.
1.5.1 수불용성 착체를 형성하는 착형성제
구리 등의 금속과 물에 불용성 또는 난용성인 착체를 형성하는 착형성제로서는, 예를 들면 1개 이상의 질소 원자를 포함하는 복소 육원환, 복소 오원환을 포함하는 헤테로환 화합물을 들 수 있다. 보다 구체적으로는 퀴날드산, 퀴놀린산, 벤조트리아졸, 벤조이미다졸, 7-히드록시-5-메틸-1,3,4-트리아자인돌리진, 니코틴산 및 피코리온산 등을 들 수 있다.
또한, 음이온계 계면활성제 중에는, 수불용성 착체를 형성하는 착형성제로서 사용할 수 있는 것이 있다. 특히 알킬벤젠술폰산염이 바람직하고, 예를 들면 도데실벤젠술폰산칼륨 및 도데실벤젠술폰산암모늄 등을 들 수 있다.
수불용성 착체를 형성하는 착형성제의 첨가량은, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.0005 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0075 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하이다. 수불용성 착체를 형성하는 착형성 제의 첨가량이 0.0005 질량％ 미만인 경우에는, 구리 디싱이 커질 우려가 있다. 한편, 2.0 질량％를 초과하면, 충분히 큰 구리 연마 속도를 얻을 수 없는 경우가 있다.
1.5.2 수용성 착체를 형성하는 착형성제
수용성 착체를 형성하는 착형성제는 연마 가속제의 역할을 행하며, 예를 들면 아미노산인 글리신, 알라닌 및 트립토판 등을 들 수 있다. 또한, 동일한 작용을 갖는 유기산도 유효하다. 예를 들면 포름산, 락트산, 아세트산, 타르타르산, 푸마르산, 글리콜산, 프탈산, 말레산, 옥살산, 시트르산, 말산, 말론산 및 글루타르산 등을 들 수 있다. 또한, 암모니아, 에틸렌디아민 및 TMAH(테트라메틸암모늄히드록시드) 등의 염기성염을 사용할 수도 있다.
수용성 착체를 형성하는 착형성제의 첨가량은 금속종에 따라 상이하지만, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.0005 질량％ 이상 2.0 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0075 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하이다. 첨가량이 0.0005 질량％ 미만인 경우에는, 충분히 큰 속도로 구리를 연마할 수 없다. 한편, 2.0 질량％를 초과하면, 구리 디싱이나 구리의 부식이 크게 발생할 우려가 있다.
1.6 (F) 계면활성제
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 화학 기계 연마용 수계 분산체에는, 필요에 따라 비이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 또는 양이온성 계면활성제를 첨가할 수 있다.
상기 비이온성 계면활성제로서는, 예를 들면 3중 결합을 갖는 비이온성 계면 활성제를 들 수 있다. 구체적으로는 아세틸렌글리콜, 그의 에틸렌옥사이드 부가물 및 아세틸렌 알코올 등을 들 수 있다. 또한, 실리콘계 계면활성제, 폴리비닐알코올, 시클로덱스트린, 폴리비닐메틸에테르 및 히드록시에틸셀룰로오스 등을 사용할 수도 있다.
상기 음이온성 계면활성제로서는, 예를 들면 지방족 비누, 황산에스테르염 및 인산에스테르염 등을 들 수 있다.
상기 양이온성 계면활성제로서는, 예를 들면 지방족 아민염 및 지방족 암모늄염 등을 들 수 있다.
이들 계면활성제는, 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 계면활성제 중 제1 수용성 고분자보다 중량 평균 분자량이 작은 비이온성 계면활성제가 바람직하다. 제1 수용성 고분자 이외의 고분자량의 화합물이 배합된 경우에는, 연마 속도가 대폭 저하되거나, 디싱이 대폭 열화된다는 등의 문제점이 발생할 우려가 있다.
상기 계면활성제의 첨가량은, 바람직하게는 화학 기계 연마용 수계 분산체 질량의 0.001 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05 질량％ 이상 0.3 질량％ 이하이다. 계면활성제의 첨가량이 상기 범위에 있으면, 구리 디싱을 충분히 억제할 수 있다.
1.7 기타 성분
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 이외에 필요에 따라 pH 조정제나 방식제 등을 포함할 수 있다.
1.7.1 pH 조정제
pH 조정제로서는, 유기염기, 무기염기 또는 무기산을 들 수 있다. 유기염기로서는 테트라메틸암모늄히드록시드, 트리에틸아민 등을 들 수 있다. 무기염기로서는 암모니아, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 등을 들 수 있다. 무기산으로서는 질산, 황산, 염산, 아세트산 등을 들 수 있다.
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH는 특별히 한정되지 않으며, 상기 pH 조정제를 사용하여 조정할 수 있다. 또한, 본 발명자들의 연구에 따르면, 알칼리 영역에서 팽이 보다 발생하기 쉽다는 것이 확인되었지만, 상기 화학 기계 연마용 수계 분산체는 팽의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 알칼리 영역(pH 7 내지 12)에서도 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 pH 조정제의 첨가량은, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여 바람직하게는 0.005 질량％ 이상 5 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 3.5 질량％ 이하이다.
1.7.2 방식제
방식제로서는 벤조트리아졸 및 그의 유도체를 들 수 있다. 여기서, 벤조트리아졸 유도체란, 벤조트리아졸이 갖는 1개 또는 2개 이상의 수소 원자를, 예를 들면 카르복실기, 메틸기, 아미노기, 히드록실기 등으로 치환한 것을 말한다. 벤조트리아졸 유도체로서는 4-카르복실벤조트리아졸 및 그의 염, 7-카르복시벤조트리아졸 및 그의 염, 벤조트리아졸부틸에스테르, 1-히드록시메틸벤조트리아졸 또는 1-히드록시벤조트리아졸 등을 들 수 있다.
상기 방식제의 첨가량은, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여 바람직하게는 0.005 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.01 질량％ 이상 0.05 질량％ 이하이다.
2. 화학 기계 연마 방법 및 반도체 장치의 제조 방법
본 발명에 따른 화학 기계 연마 방법 및 반도체 장치의 제조 방법을 도면을 사용하여 이하에 상세히 설명한다.
2.1 제1 구체예
2.1.1 피처리체
도 2는, 제1 구체예의 화학 기계 연마 방법에 따른 피처리체 (100)을 도시한다. 도 2는, 도 1A에 도시한 피처리체와 동일하지만, 여기서는 각 층의 재질 등을 포함하여 설명한다.
피처리체 (100)은, 반도체 소자(도시하지 않음)가 형성된 기체 (10) 위에 산화 실리콘을 포함하는 절연층 (12)를 설치하고, 절연층 (12)를 에칭하여 배선용 오목부 (20)을 형성한다. 절연층 (12)는, 예를 들면 PETEOS층이나 비유전율이 3.5 이하인 절연층 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 비유전율이 3.5 이하인 절연층이고, 보다 바람직하게는 3.0 이하인 절연층이다.
이어서, 피처리체 (100)은, 절연층 (12)의 표면, 배선용 오목부 (20)의 저부 및 내벽면을 덮도록 배리어층 (14)를 설치한다. 여기서, 배리어층 (14)는, 예를 들면 탄탈이나 질화탄탈 등에 의해 형성할 수 있다.
또한, 피처리체 (100)은, 구리 또는 구리 합금을 배선용 오목부 (20)에 충전 하고, 배리어층 (14) 위에 적층하여 형성된다. 또한, 피처리체 (100)은 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하는 영역 (22)와, 구리 또는 구리 합금의 미세 배선을 포함하지 않는 영역 (24)를 포함한다. 또한, 미세 배선을 포함하는 영역 (22)에서는, 구리 또는 구리 합금의 볼록부가 형성되기 쉽다.
2.1.2 제1 연마
도 3은, 제1 연마 후의 피처리체 (100)의 단면도를 도시하고 있다. 제1 연마에서는, 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층 (16) 중 배선용 오목부 (20)에 매몰된 부분 이외를 배리어층 (14)의 표면이 노출될 때까지, 상기 화학 기계 연마용 수계 분산체를 사용하여 화학 기계 연마한다. 제1 연마에서는, 도 4에 도시한 바와 같은 화학 기계 연마 장치를 사용할 수 있다.
도 4는, 화학 기계 연마 장치의 개략도를 도시하고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 피처리체 (100)의 화학 기계 연마는 슬러리 공급 노즐 (42)로부터 화학 기계 연마용 수계 분산체(슬러리 (44))를 공급하고, 연마천 (46)이 접착된 턴테이블 (48)을 회전시키면서 반도체 기판 (50)을 유지한 톱링 (52)를 접촉시킴으로써 행한다. 또한, 도 4에는 물 공급 노즐 (54) 및 드레서 (56)도 함께 도시하였다.
톱링 (52)의 연마 하중은 10 내지 1,000 gf/㎠(0.98 내지 98 kPa)의 범위 내에서 선택할 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 500 gf/㎠(2.94 내지 49 kPa)이다. 또한, 턴테이블 (48) 및 톱링 (52)의 회전수는 10 내지 400 rpm의 범위 내에서 적절하게 선택할 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 150 rpm이다. 슬러리 공급 노즐 (42)로부터 공급되는 슬러리 (44)의 유량은 10 내지 1,000 ㎤/분의 범위 내에서 선 택할 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 400 ㎤/분이다.
상술한 제1 연마에 의해, 도 3에 도시한 바와 같은, 구리 디싱이나 구리 부식 및 절연층 침식 뿐만 아니라 팽의 발생을 억제하면서, 구리 잔존이 없는 평탄성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있다.
3. 실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 의해 한정되지 않는다.
3.1 화학 기계 연마용 수계 분산체의 제조
폴리 용기에 이온 교환수, 지립으로서 콜로이달 실리카(후소 가가꾸사 제조, 일차 입경 30 ㎚) 0.2 질량％, 착형성제로서 퀴날드산과 글리신 각각 0.2 질량％와 0.3 질량％, 계면활성제로서 도데실벤젠술폰산칼륨 0.1 질량％, 산화제로서 과산화수소 0.1 질량％에 상당하는 양 및 제1, 제2 수용성 고분자로서 하기 표 1에 기재한 실시예 1 내지 9에 상당하는 양을 각각 첨가하였다. 또한, pH를 9.3 부근으로 조정하기 위해 암모니아를 적량 첨가하여 15분간 교반하고, 공경 5 ㎛의 필터로 여과함으로써, 목적으로 하는 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻었다. 또한, 화학 기계 연마 직전에는 산화제로서 과산화수소를 총량의 0.1 질량％ 첨가하여 교반하여 사용하였다. 또한, pH나 점도 등의 물성에 대해서는 표 1에 나타낸 결과가 되었다.
3.2 연마 성능 평가
화학 기계 연마 장치(어플라이드 머티리얼스사 제조, 형식 "Mirra")에 다공질 폴리우레탄제 연마 패드(롬 앤드 하스 일렉트릭 머티리얼스사 제조, 제품 번호 "IC1010")를 접착하고, "3.1 화학 기계 연마용 수계 분산체의 제조"에서 제조한 화학 기계 연마용 수계 분산체를 공급하여 화학 기계 연마를 행하였다.
3.2.1 연마 조건
화학 기계 연마를 행할 때의 다양한 조건에 대해서는, 이하에 나타내는 바와 같다.
ㆍ헤드 회전수: 120 rpm
ㆍ헤드 하중: 1.5 psi(10.3 kPa)
ㆍ테이블 회전수: 120 rpm
ㆍ화학 기계 연마용 수계 분산체 공급 속도: 200 ㎤/분
3.2.2 구리 연마 속도의 산출
8 인치 열산화막 부착 실리콘 기판 위에 막 두께 1500 ㎚의 구리막이 설치된 것을 사용하여, "3.2.1 연마 조건"의 조건으로 1분간 화학 기계 연마 처리를 행하고, 처리 전후의 막 두께를 전기 전도식 막 두께 측정기(KLA 텐코르사 제조, 형식 "옴니맵 RS75")를 사용하여 측정하여, 처리 전후의 막 두께 및 연마 처리 시간으로부터 연마 속도를 산출하였다. 이들의 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
3.2.3 패턴 부착 기판의 연마 시험
패턴 부착 웨이퍼(SEMATECH INTERNATIONAL사 제조, 형식 "SEMATECH 854")를 피연마물로서 사용하였다. 연마 개시부터 테이블 위로부터 발하는 적외선에 의해 검지한 종점에 이를 때까지의 시간을 엔드 포인트 시간으로 하고, 연마 시간을 엔드 포인트 시간의 1.2배로 하였다. "3.2.1 연마 조건"의 조건으로 화학 기계 연마 처리를 행하고, 하기와 같이 하여 구리 잔존, 디싱, 침식, 팽 및 스크래치를 평가하였다.
3.2.3a 구리 잔존의 평가
연마 후의 웨이퍼에 대하여, 미세 배선 부분(라인/스페이스=0.18 ㎛/0.18 ㎛) 및 비배선 부분(필드 부분)을 광학 현미경(올림푸스사 제조, "MX-50")으로 관찰하였다. 구리 잔존이 관찰되지 않은 것은 ○로 표기하고, 구리 잔존이 관찰된 것은 ×로 표기하였다. 이들의 결과를 표 2에 나타낸다.
3.2.3b 디싱의 평가
폭 100 ㎛의 구리 배선부와 폭 100 ㎛의 절연부가 교대로 연속된 패턴이 길이 방향으로 수직 방향으로 3.0 ㎜ 연속된 부분에 대하여, 배선폭 100 ㎛ 부분의 구리 배선의 오목량(디싱)을 정밀 단차계(KLA 텐코르사 제조, 형식 "HRP-240")를 사용하여 측정하였다. 이들의 결과를 표 2에 나타낸다. 일반적으로 디싱은, 50 ㎚ 이하이면 양호하다고 판단할 수 있다.
3.2.3c 침식의 평가
폭 9 ㎛의 구리 배선부와 폭 1 ㎛의 절연부가 교대로 연속된 패턴이 길이 방향으로 1.25 ㎜ 연속된 부분에 대하여, 배선군의 중앙부 양 단부에 대한 오목량(침식)을 정밀 단차계(KLA 텐코르사 제조, 형식 "HRP-240")를 사용하여 측정하였다. 이들의 값을 Re로 하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 일반적으로 침식은, 50 ㎚ 이하 이면 양호하다고 판단할 수 있다.
3.2.3d 팽의 평가
폭 9 ㎛의 구리 배선부와 폭 1 ㎛의 절연부가 교대로 연속된 패턴이 길이 방향으로 1.25 ㎜ 연속된 부분에 대하여, 배선군의 양 단부 외측의 구리의 오목량을 정밀 단차계(KLA 텐코르사 제조, 형식 "HRP-240")를 사용하여 측정하였다. 이들의 값을 Rf로 하고, Rf의 값이 Re의 값을 하회하는 경우에는 ○, 상회하는 경우에는 ×로 하였다. 이들의 결과를 표 2에 나타낸다.
3.2.3e 스크래치의 평가
광학 현미경을 사용하여, 암시야하에 구리 배선 부분에서의 범위 120 ㎛×120 ㎛의 단위 영역을 무작위로 200 개소 산출하고, 스크래치가 발생한 단위 영역의 개수를 스크래치수로서 측정하였다. 이들의 결과를 표 2에 나타낸다.
3.3 비교예 1 내지 16
비교예 1 내지 7은 제1 수용성 고분자로서 폴리비닐피롤리돈을, 제2 수용성 고분자로서 폴리아크릴산을 포함하는 예이다.
비교예 1 및 2는, 제1 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 작은 예이다.
비교예 3 및 4는, 제1 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 큰 예이다.
비교예 5는, 제1 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 작은 예이다.
비교예 6은, 제2 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 작은 예이다.
비교예 7 및 8은, 제2 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 큰 예이다.
비교예 9는, 제1 수용성 고분자로서 복소환을 갖지 않는 폴리비닐알코올을 사용한 예이다.
비교예 10은, 제1 수용성 고분자로서 복소환을 갖지 않는 아크릴아미드ㆍ디메틸아미노에틸아크릴아미드 공중합체를 사용한 예이다.
비교예 11은, 제2 수용성 고분자를 포함하지 않는 예이다.
비교예 12는, 제1 수용성 고분자를 포함하지 않는 예이다.
비교예 13은, 제1 수용성 고분자로서 히드록시에틸셀룰로오스를, 제2 수용성 고분자로서 폴리메타크릴산을 포함하고, 제2 수용성 고분자의 중량 평균 분자량이 지나치게 큰 예이다.
비교예 14는, 제2 수용성 고분자로서 폴리인산을 포함하고, 제1 수용성 고분자는 포함하지 않는 예이다.
비교예 15는, 어떠한 수용성 고분자도 포함하지 않는 예이다.
비교예 16은, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH가 5.2인 예이다.
Figure 112009008935097-PCT00001
Figure 112009008935097-PCT00002

Claims (8)

  1. (A) 중량 평균 분자량이 500,000 내지 2,000,000이고, 분자 내에 복소환을 갖는 제1 수용성 고분자와,
    (B) 중량 평균 분자량이 1,000 내지 10,000이고, 카르복실기 및 술포기로부터 선택된 1종을 갖는 제2 수용성 고분자 또는 그의 염과,
    (C) 산화제와,
    (D) 지립
    을 포함하고, pH가 7 이상 12 이하인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 제1 수용성 고분자와 상기 (B) 제2 수용성 고분자의 질량비 (A)/(B)가 0.02 내지 50인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (A) 제1 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 50 내지 150 mPaㆍs인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (B) 제2 수용성 고분자의 5 질량％ 수용액의 점도가 1 내지 5 mPaㆍs인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (A) 제1 수용성 고분자가 비닐피리딘, 비닐피롤리돈 및 비닐이미다졸로부터 선택되는 화합물에서 유래하는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (B) 제2 수용성 고분자가 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레산, 스티렌술폰산, 알릴술폰산, 비닐술폰산 및 이들의 염으로부터 선택되는 화합물에서 유래하는 구조 단위를 1개 이상 갖는 공중합체인 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로 (E) 착형성제 및 (F) 계면활성제
    를 포함하는 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 화학 기계 연마용 수계 분산체를 사용하여, 반도체 기판 위의 구리 또는 구리 합금을 포함하는 층을 연마하는 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법.
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