KR20090122172A - 화학 기계 연마용 수계 분산체 및 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 (A) 10 nm 내지 100 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이달 실리카를 0.1 내지 4 질량％, (B) 인산일암모늄, 인산이암모늄 및 황산수소암모늄 중에서 선택되는 1종 이상을 0.1 내지 3 질량％ 포함하고, 상기 (A) 성분과 상기 (B) 성분의 질량비 (A)/(B)는 1 내지 3이고, 또한 pH는 4 내지 5이고, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마할 수 있다.
화학 기계 연마, 수계 분산체, 화학 기계 연마 방법

Description

화학 기계 연마용 수계 분산체 및 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법{AQUEOUS DISPERSION FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING AND METHOD OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치를 제조할 때에 이용되는 화학 기계 연마용 수계 분산체, 및 그 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용한 화학 기계 연마 방법에 관한 것이다.
통상, 화학 기계 연마(이하, 「CMP」라고도 함)에서의 피연마면은 폴리실리콘막(다결정 실리콘막), 단결정 실리콘막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 알루미늄, 텅스텐, 구리 등 다종다양한 재료를 노출하고 있다.
종래, 상기한 재료 중 1종을 타겟으로 한 화학 기계 연마용 수계 분산체(이하, 「슬러리」라고도 함)를 이용하여, 그 타겟으로 한 재료를 CMP에 의해 제거하고 있었다. 그러나, 다른 재료와의 연마 속도비가 크게 다르면, 타겟으로 한 재료가 과도하게 연마되어, 디싱이나 침식 등의 결함을 야기하는 경우가 있었다. 또한, 타겟으로 하는 재료마다 화학 기계 연마용 수계 분산체를 선택하고 CMP에 의해 제거해야만 하여, 어떻게든 생산성이 낮아진다는 문제가 있었다.
최근 들어, 반도체 디바이스의 구조의 다양화에 수반하여, 폴리실리콘막, 실 리콘 산화막 및 실리콘 질화막의 3 종류의 재료를 동시에 연마할 것이 요구되고 있다. 이 3 종류의 재료를 동시에 연마하기 위해서는, 각각의 막의 연마 속도를 거의 동일하게 하는 화학 기계 연마용 수계 분산체를 제공해야 한다.
지금까지, 예를 들면, 일본 특허 공개 (평)11-176773호 공보, 일본 특허 공개 제2001-7061호 공보, 일본 특허 공개 제2001-35820호 공보, 일본 특허 공개 제2002-190458호 공보, 일본 특허 공개 제2004-269577호 공보 등에, 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비를 거의 1로 하는 화학 기계 연마용 수계 분산체가 제안되어 있다. 그러나, 폴리실리콘막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에, 더구나 동일한 연마 속도로 연마할 수 있는 화학 기계 연마용 수계 분산체는 존재하지 않았다.
<발명의 개시>
본 발명의 목적은 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막에 대한 충분한 연마 속도를 갖고 있고, 각각의 막에 대한 연마 속도를 거의 동일하게 한 화학 기계 연마용 수계 분산체, 및 그것을 이용한 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 (A) 10 nm 내지 100 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이달 실리카를 0.1 내지 4 질량％, (B) 인산일암모늄, 인산이암모늄 및 황산수소암모늄 중에서 선택되는 1종 이상을 0.1 내지 3 질량％ 포함하고, 상기 (A) 성분과 상기 (B) 성분의 질량비 (A)/(B)는 1 내지 3이고, 또한 pH는 4 내지 5이고, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마하기 위해 이용된다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 추가로 질산, 황산, 탄산, 락트산, 포름산, 벤조산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 말론산, 푸마르산, 말레산, 숙신산, 옥살산, 프탈산, 아디프산, 세박산 및 이들의 암모늄염 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 있어서, 실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 연마 속도비(폴리실리콘막/실리콘 산화막) 및 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비(실리콘 질화막/실리콘 산화막)은 0.9 내지 1.1일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법은, 상기한 것 중 어느 하나의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막에 대한 충분한 연마 속도를 갖고 있고, 각각의 막에 대한 연마 속도를 거의 동일하게 할 수 있다. 이에 따라, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 갖는 디바이스를 화학 기계 연마하면, 연마 대상에 따라서 도중에서 슬러리를 교환하는 일 없이 연속적으로 연마 제 거할 수 있다. 또한, 어느 막에 대해서도 연마 속도는 거의 동일하므로, 연마 시간을 제어하면, 원하는 막두께로 용이하게 설정할 수 있다.
도 1은 제1 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제1 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 제1 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 제2 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 제2 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 제2 실험예에 이용하는 평가용 기판을 모식적으로 도시한 단면도이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.
또한, 본 발명은 하기의 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 실시되는 각종 변형예도 포함한다.
1. 화학 기계 연마용 수계 분산체
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 (A) 10 nm 내지 100 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이달 실리카를 0.1 내지 4 질량％, (B) 인산일암모늄, 인산이암모늄 및 황산수소암모늄 중에서 선택되는 1종 이상을 0.1 내지 3 질량％ 포함하고, 상기 (A) 성분과 상기 (B) 성분의 질량비 (A)/(B)는, 1 내지 3이고, 또한 pH는 4 내지 5이고, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마하기 위해 사용된다. 이하, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 포함되는 각 성분에 대해서 상술한다.
1.1 (A) 콜로이달 실리카
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 지립으로서 콜로이달 실리카를 포함한다. 이 콜로이달 실리카의 평균 입경은, 바람직하게는 10 nm 내지 100 nm이고, 보다 바람직하게는 20 nm 내지 90 nm이고, 특히 바람직하게는 30 nm 내지 80 nm이다. 콜로이달 실리카의 평균 입경이 10 nm 내지 100 nm의 범위 내에 있으면, 화학 기계 연마용 수계 분산체로서의 보존 안정성이 우수하기 때문에, 제조 직후에서의 성능(연마 속도 등)을 유지할 수 있다. 콜로이달 실리카의 평균 입경이 10 nm 미만이면, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도가 너무 작아지기 때문에 실용적이지 않다. 한편, 콜로이달 실리카의 평균 입경이 100 nm를 초과하면, 콜로이달 실리카가 실리콘 산화막을 기계적으로 연마하도록 되어, 실리콘 산화막의 연마 속도가 너무 커지게 되어, 균형을 잃는다.
콜로이달 실리카의 평균 입경은 예를 들면 동적 광산란식 LB550(가부시끼가 이샤 호리바 세이사꾸쇼 제조)에 의해 동적 광산란법을 이용하여 측정된다. 이 평균 입경은 일차 입자가 응집하여 형성된 이차 입경을 나타내고 있다. 콜로이달 실리카는 피연마면에 대하여 기계적 연마 작용을 미칠 때, 통상 이차 입자를 형성하고 있기 때문에, 이차 입경을 평가의 대상으로 하고 있다.
콜로이달 실리카의 첨가량은, 사용시에서의 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여 바람직하게는 0.1 내지 4 질량％이고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 4 질량％이고, 특히 바람직하게는 0.3 내지 3.9 질량％이다. 콜로이달 실리카의 첨가량이 0.1 질량％ 미만이 되면 충분한 연마 속도가 얻어지지 않아 실용적이지 않다. 한편, 콜로이달 실리카의 첨가량이 4 질량％를 초과하면 콜로이달 실리카가 실리콘 산화막을 기계적으로 연마하도록 되어, 실리콘 산화막의 연마 속도가 너무 커져 버린다. 또한, 스크래치 등의 연마시의 결손이 발생하는 경우가 있다.
또한, 본 명세서에 있어서의 「충분한 연마 속도」란 구체적으로는 연마 속도가 20 nm/분 이상인 것을 말한다.
1.2 (B) 산암모늄염
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 인산일암모늄, 인산이암모늄 및 황산수소암모늄 중에서 선택되는 1종 이상의 암모늄염을 포함한다. 이들 산암모늄염을 첨가하면 실리콘 질화막에 대한 연마 속도를 크게 할 수 있다.
인산일암모늄 및 인산이암모늄은 인산 이온의 실리콘 질화막에 대한 화학적 연마 작용과 암모늄 이온의 실리콘 질화막에 대한 화학적 연마 작용의 상승 효과에 의해서, 실리콘 질화막에 대한 연마 속도를 크게 할 수 있는 것으로 추측된다.
황산수소암모늄은 황산 이온의 실리콘 질화막에 대한 화학적 연마 작용과, 암모늄 이온의 실리콘 질화막에 대한 화학적 연마 작용의 상승 효과에 의해서, 실리콘 질화막에 대한 연마 속도를 크게 할 수 있는 것으로 추측된다.
이들 산암모늄염은 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
이들 산암모늄염의 첨가량은 사용시에서의 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여, 바람직하게는 0.1 내지 3 질량％이고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 2.5 질량％이고, 특히 바람직하게는 0.3 내지 1.3 질량％이다. 이들 산암모늄염의 첨가량이 0.1 질량％ 미만이 되면, 연마 속도가 현저히 저하되기 때문에 실용적이지 않다. 한편, 이들 산암모늄염의 첨가량이 3 질량％를 초과하면, 이 이상 산암모늄염의 첨가량을 증가시키더라도 실리콘 질화막의 연마 속도는 거의 커지지 않고, 한편 화학 기계 연마용 수계 분산체의 안정성은 저하되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 있어서의, (A) 콜로이달 실리카와 (B) 암모늄염의 질량비 (A)/(B)는 1 내지 3이다. 보다 바람직하게는, 1.3 내지 2.8이고, 특히 바람직하게는, 1.5 내지 2.5이다. 질량비가 이 범위 내에 있으면, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 거의 동일하게 할 수 있다. 이에 따라, 이들 막을 동시에 연마하기 위해서 적합한 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻을 수 있다. 질량비 (A)/(B)가 1 미만이 되면 기계적 연마 작용은 작아져, 화학 기계 연마 작용과의 균형을 잃기 때문에, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 거의 동일하게 할 수 없게 된다. 한편, 질량비 (A)/(B)가 3을 초과하면 기계적 연마 작용은 커져, 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 하게 되기 때문에, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 거의 동일하게 할 수 없게 된다.
1.3 pH
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH는 4 이상 5 이하이다. pH가 이 범위 내에 있으면, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 거의 동일하게 할 수 있다. pH는 (A) 성분과 (B) 성분의 첨가량, 및 후술하는 산 및 염기에 의해서 조정할 수 있다. 보다 바람직한 pH의 범위는 4.2 이상 4.8 이하이다. pH를 4 미만으로 하면, 폴리실리콘막의 연마 속도를 크게 할 수 없고, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 하게 되어 균형을 잃기 때문에, 본원 발명의 목적을 달성할 수 없다. 한편, pH를 5보다도 크게 하면, 실리콘 질화막과 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 할 수 없고, 폴리실리콘막의 연마 속도를 크게 하게 되어 균형을 잃기 때문에, 본원 발명의 목적을 달성할 수 없다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH는, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 정밀하게 컨트롤해야 한다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 시트르산 버퍼, 인산 버퍼 등을 이용한 완충액으로 할 수도 있다.
1.4 그 밖의 첨가제
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 필요에 따라서 하기의 첨가제를 첨가할 수 있다.
1.4.1 산 또는 그의 암모늄염
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 필요에 따라서 산 또는 그의 암모늄염을 첨가할 수 있다. 산 또는 그의 암모늄염으로서, 질산, 황산, 탄산, 락트산, 포름산, 벤조산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 말론산, 푸마르산, 말레산, 숙신산, 옥살산, 프탈산, 아디프산, 세박산, 또는 이들의 암모늄염을 들 수 있다. 이들 산 또는 그의 암모늄염을 첨가함으로써, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 할 수 있다. 이에 따라, 폴리실리콘막의 연마 속도의 미조정을 도모할 수 있다.
1.4.2 계면활성제
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 필요에 따라서 계면활성제를 첨가할 수 있다. 계면활성제로서는 예를 들면 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제를 들 수 있다.
양이온성 계면활성제로서는 예를 들면 지방족 아민염, 지방족 암모늄염 등을 들 수 있다.
음이온성 계면활성제로서는 예를 들면 카르복실산염, 술폰산염, 황산에스테르염, 인산에스테르염 등을 들 수 있다. 카르복실산염으로서는, 지방산비누, 알킬에테르카르복실산염 등을 들 수 있다. 술폰산염으로서는, 알킬벤젠술폰산염, 알킬나프탈렌술폰산염, α-올레핀술폰산염 등을 들 수 있다. 황산에스테르염으로서는 예를 들면 고급 알코올황산에스테르염, 알킬황산에스테르염 등을 들 수 있다. 인산에스테르로서는 예를 들면 알킬인산에스테르 등을 들 수 있다.
비이온성 계면활성제로서는 예를 들면 에테르형 계면활성제, 에테르에스테르형 계면활성제, 에스테르형 계면활성제, 아세틸렌계 계면활성제 등을 들 수 있다. 에테르에스테르형 계면활성제로서는 예를 들면 글리세린에스테르의 폴리옥시에틸렌에테르 등을 들 수 있다. 에스테르형 계면활성제로서는 예를 들면 폴리에틸렌글리콜지방산에스테르, 글리세린에스테르, 소르비탄에스테르 등을 들 수 있다. 아세틸렌계 계면활성제로서는 예를 들면 아세틸렌알코올, 아세틸렌글리콜, 아세틸렌디올의 에틸렌옥사이드 부가물을 들 수 있다.
양쪽성 계면활성제로서는 예를 들면 베타인계 계면활성제를 들 수 있다.
이들 계면활성제는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
이들 계면활성제 중에서는 음이온성 계면활성제가 바람직하고, 특히 술폰산염이 바람직하다. 또한, 술폰산염 중에서는 알킬벤젠술폰산염이 바람직하고, 특히 도데실벤젠술폰산염이 바람직하다.
계면활성제의 첨가량은 사용시에서의 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여, 바람직하게는 1 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.1 질량％이다. 계면활성제의 첨가량이 상기한 범위 내에 있으면, 실리콘 질화막을 연마 제거한 후에, 평활한 피연마면을 얻을 수 있다.
1.4.3 산 또는 염기
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 필요에 따라서 산 또 는 염기를 첨가할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH는 상기한 바와 같이 4 이상 5 이하로 할 필요가 있다. 여기서 산 및 염기는 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH를 조정하는 목적으로 사용할 수 있다.
상기 산으로서는 예를 들면 상기 이외의 유기산 또는 무기산을 들 수 있다.
유기산으로서는 예를 들면 파라톨루엔술폰산, 도데실벤젠술폰산, 이소프렌술폰산, 글루콘산, 글리콜산 등을 들 수 있다.
상기 염기로서는 유기 염기 또는 무기 염기를 들 수 있다.
유기 염기로서는 예를 들면 테트라메틸 히드록시드 등을 들 수 있다.
무기 염기로서는 예를 들면 알칼리 금속의 수산화물을 들 수 있다. 구체적으로는, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화루비듐, 수산화세슘 등을 들 수 있다.
1.4.4 수용성 고분자
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 필요에 따라서 수용성 고분자를 첨가할 수 있다. 수용성 고분자는 피연마면의 표면에 흡착하여 연마 마찰을 감소시키는 기능을 갖는다. 이에 따라, 수용성 고분자를 첨가하면, 디싱이나침식의 발생을 억제할 수 있다.
수용성 고분자로서는, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 히드록시에틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
수용성 고분자의 첨가량은 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도가 2 mPa·s 미만이 되도록 조정할 수 있다. 본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도는 수용성 고분자의 중량 평균 분자량 및 첨가량에 의해서 거의 결정되기 때문 에, 이들의 균형을 고려하면서 조정할 수 있다. 화학 기계 연마용 수계 분산체의 점도가 2 mPa·s를 초과하면 연마 속도가 저하하는 경우가 있고, 또한 점도가 너무 높아져서 연마천 상에 안정적으로 화학 기계 연마용 수계 분산체를 공급할 수 없는 경우가 있다. 그 결과, 연마천의 온도 상승이나 연마 불균일(면내 균일성의 열화) 등이 생겨, 연마 속도나 디싱의 변동이 발생하는 경우가 있다.
1.4.5 방식제
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체에 이용되는 방식제로서는 예를 들면 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.
방식제의 첨가량은 사용시에서의 화학 기계 연마용 수계 분산체의 질량에 대하여, 바람직하게는 1 질량％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.1 질량％이다.
1.5 화학 기계 연마용 수계 분산체의 제조 방법
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 물 등의 용매에 상기 각 성분을 용해 또는 분산시킴으로써 제조할 수 있다. 용해 또는 분산 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 균일하게 용해, 분산시킬 수 있으면 어떤 방법을 적용 할 수도 있다. 또한, 각 성분의 혼합 순서나 혼합 방법에 대해서도 특별히 한정되지 않는다.
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 농축 타입의 원액으로서 제조하고, 사용시에 물 등의 용매로 희석하여 사용할 수도 있다.
1.6 연마 속도비
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체의 실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 연마 속도비(폴리실리콘막/실리콘 산화막), 및 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비(실리콘 질화막/실리콘 산화막)은 0.9 내지 1.1일 수도 있다.
실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 연마 속도비가 0.9 내지 1.1의 범위 내에 있으면, 폴리실리콘막과 실리콘 산화막으로 형성되는 피연마면을 동시에, 거의 동일한 속도로 연마할 수 있다.
실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비가 0.9 내지 1.1의 범위 내에 있으면, 실리콘 질화막과 실리콘 산화막으로 형성되는 피연마면을 동시에, 거의 동일한 속도로 연마할 수 있다.
따라서, 쌍방의 연마 속도비가 0.9 내지 1.1의 범위 내에 있으면, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막으로 형성되는 피연마면을 동시에, 거의 동일한 속도로 연마할 수 있기 때문에, 피연마면을 평탄화할 수 있다.
2. 화학 기계 연마 방법 및 반도체 장치의 제조 방법
본 실시 형태에 따른 화학 기계 연마 방법 및 반도체 장치의 제조 방법에 대 해서 설명한다.
2.1 화학 기계 연마 방법
본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용한 반도체 기판의 연마 방법은, 화학 기계 연마용 수계 분산체를 연마 정반 상의 연마 패드에 공급하고, 피연마면과 접촉시키고 피연마면과 연마 패드를 상대적으로 움직여 연마한다. 연마 장치로서는, 반도체 기판을 유지하는 홀더와 연마 패드를 접착한 연마 정반을 갖는 일반적인 연마 장치를 사용할 수 있다. 연마 패드로서는 일반적인 부직포, 발포 폴리우레탄, 다공질 불소 수지 등을 사용할 수 있다. 연마 중, 연마 패드에는 화학 기계 연마용 수계 분산체를 펌프 등으로 연속적으로 공급한다. 이 공급량에 제한은 없지만, 연마 패드의 표면이 항상 연마제로 덮여 있는 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 연마 종료 후의 반도체 기판은 유수로 잘 세정한 후, 스핀드라이어 등을 이용하여 반도체 기판 상에 부착된 물방울을 떨어내고 나서 건조시키는 것이 바람직하다.
피처리체로서는, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 갖는 반도체 기판을 들 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는 트렌치 분리(STI)에 사용할 수 있다. 종래, 트렌치 분리로서는, 실리콘 산화막을 CMP에 의해 제거하고, 실리콘 질화막 상에서 연마를 정지시키고, 실리콘 질화막을 고온의 인산으로 용해시켜 에칭하는 방법이 이용되어 왔다. 그런데, 본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하면, 실리콘 산화막뿐만아니라, 실리콘 질화막에 대해서도 연속적으로 연마할 수가 있어, 도중에 CMP를 정지하지 않고 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체는, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 3종으로 형성되는 피연마면을 갖는 반도체 장치에 이용할 수도 있다. 어느 쪽의 막에 대해서도 연마 속도는 거의 동일하기 때문에, 항상 평탄성을 유지하면서 화학 기계 연마할 수 있다. 또한, 연마 대상마다 슬러리를 선택할 필요도 없고, 세정도 한번에 끝나기 때문에, 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다.
3. 실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이 실시예에 의해 전혀 한정되지 않는다.
3.1 연마 성능 평가에 이용한 기판의 제조
우선, 대각선 치수 200 mm의 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판을 준비한다. 그 기판 위에 CVD법 또는 열산화법을 이용하여 두께 1000 nm가 되도록 실리콘 산화막을 형성한다. 이와 같이 하여 얻어진 기판을 「기판 a」로 한다.
상기 반도체 기판 위에 CVD법을 이용하여 두께 200 nm가 되도록 실리콘 질화막을 형성한다. 이와 같이 하여 얻어진 기판을 「기판 b」로 한다.
상기 반도체 기판 위에 CVD법 또는 열산화법을 이용하여 두께 400 nm가 되도록 실리콘 산화막을 형성한다. 그 후, CVD법을 이용하여, 두께 600 nm가 되도록 폴리실리콘막을 형성한다. 이와 같이 하여 얻어진 기판을 「기판 c」로 한다.
3.2 무기 지립을 포함하는 수분산체의 제조
3.2.1 콜로이달 실리카를 포함하는 수분산체
본 발명의 실시예에 사용한 콜로이달 실리카는, 후소 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조의 PL-1(평균 입경 37 nm), PL-2(52 nm), PL-3(89 nm), PL-20(180 nm), 및 닛산 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제조의 스노텍스-O(평균 입경 15 nm), 스노텍스-OS(9 nm)를 이용하였다. PL-1 시리즈의 평균 입경은 동적 광산란 방식 LB550(호리바 세이사꾸쇼 제조)를 이용하여 측정하였다. 스노텍스-O 및 스노텍스-OS의 평균 입경은 카타로그치를 나타낸다.
3.2 화학 기계 연마용 수계 분산체의 제조
「3.2.1 콜로이달 실리카를 포함하는 수분산체의 제조」에서 제조된 수분산체의 소정량을 용량 10000 cm3의 폴리에틸렌제의 병에 투입하고, 이것에, 하기 표 1 또는 표 2에 기재된 화합물을 표 1 또는 표 2에 기재된 함유량이 되도록 각각 첨가하고, 충분히 교반하였다. 그 후, 공경 5 ㎛의 필터로 여과하여, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 10의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 얻었다.
3.3 화학 기계 연마 시험
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 10의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하고, 기판 a, 기판 b 및 기판 c를 피연마체로 하여, 하기의 <연마 조건 1>로 화학 기계 연마를 행하였다.
<연마 조건 1>
·연마 장치: (주)에바라 세이사꾸쇼 제조, 형식「EPO-112」
·연마 패드: 로델·닛타(주) 제조, 「IC1000/K-Groove」
·화학 기계 연마용 수계 분산체 공급 속도: 200 mL/분
·정반 회전수: 50 rpm
·연마 헤드 회전수: 55 rpm
·연마 헤드 누름 압력: 4.2 psi
3.3.1 연마 속도비의 산출
피연마체인 기판 a, 기판 b 및 기판 c의 각각에 대하여, 연마 전의 막두께를 광간섭식 막두께계「NanoSpec 6100」(나노메트릭스 재팬(주) 제조)에 의해서 미리 측정해 두고, 상기한 조건으로 60초간 연마를 행하였다. 연마 후의 피연마체의 막두께를 마찬가지로 광간섭식 막두께계를 이용하여 측정하고, 연마 전과 연마 후의 막두께의 차, 즉 화학 기계 연마에 의해 감소한 막두께를 구하였다. 이 조작을 2회 행하고, 화학 기계 연마에 의해 감소한 막두께의 평균치를 산출하였다. 그리고, 화학 기계 연마에 의해 감소한 막두께의 평균치 및 연마 시간부터 연마 속도를 산출하였다.
연마 속도비는 폴리실리콘막 또는 실리콘 질화막의 연마 속도를 실리콘 산화막의 연마 속도로 제산함으로써 산출하였다. 이 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
Figure 112009022630231-PCT00001
Figure 112009022630231-PCT00002
3.4 실시예 1 내지 8, 비교예 1 내지 10
실시예 1 내지 8, 비교예 1 내지 10은 표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 화학 기계 연마용 수계 분산체의 성분 또는 농도를 일부 변경한 것이다. 표 1 및 표 2에는 시험 결과에 대해서도 더불어 나타내고 있다.
실시예 1 내지 8의 화학 기계 연마용 수계 분산체에서는, 실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 연마 속도비, 및 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비의 모두가 0.9 내지 1.1의 범위 내이다. 또한, 연마 속도는 어느 막에 대해서도 20 nm/분 이상이고, 화학 기계 연마용 수계 분산체로서 충분한 연마 성능을 갖고 있다. 따라서, 실시예 1 내지 8의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막을 피연마면으로 하는 반도체 장치에 대해서 화학 기계 연마를 행하면, 어느 막에 대해서도 동시에, 거의 동일한 연마 속도로 연마할 수 있는 것이 시사된다.
비교예 1은 콜로이달 실리카의 첨가량을 5 질량％로 한 예이다. 기계적 연마 작용이 커져, 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 하게 되기 때문에 적용할 수 없다.
비교예 2는 콜로이달 실리카의 첨가량을 0.09 질량％로 한 예이다. 어느 쪽의 막에 대해서도 연마 속도가 저하되어, 실용적으로 적용할 수 없다.
비교예 3은 산암모늄염의 첨가량을 4 질량％로 한 예이다. 연마 속도비의 균형을 잃기 때문에 적용할 수 없다.
비교예 4는 산암모늄염의 첨가량을 0.09 질량％로 한 예이다. 어느 쪽의 막에 대해서도 연마 속도가 저하되어, 실용적으로 적용할 수 없다.
비교예 5는 질량비 (A)/(B)를 4로 한 예이다. 기계적 연마 작용이 커져, 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 하게 되기 때문에, 적용할 수 없다.
비교예 6은 질량비 (A)/(B)를 0.5로 한 예이다. 연마 속도비의 균형을 잃기 때문에, 적용할 수 없다.
비교예 7은 평균 입경을 180 nm로 하는 콜로이달 실리카를 이용한 예이다. 기계적 연마 작용이 커져, 실리콘 산화막의 연마 속도를 크게 하게 되기 때문에, 적용할 수 없다.
비교예 8은 평균 입경을 9 nm로 하는 콜로이달 실리카를 이용한 예이다. 어느 막에 대해서도 연마 속도가 저하되어, 실용적으로 적용할 수 없다.
비교예 9는 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH를 3.5로 한 예이다. 폴리실리콘막의 연마 속도에 대하여, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도가 너무 크기 때문에 적용할 수 없다.
비교예 10은 화학 기계 연마용 수계 분산체의 pH를 5.6으로 한 예이다. 폴리실리콘막의 연마 속도에 대하여, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 연마 속도가 너무 작기 때문에 적용할 수 없다.
이상과 같이, 비교예 1 내지 10의 화학 기계 연마용 수계 분산체로는 본원 발명의 목적을 달성할 수 없다.
3.5 실험예
3.5.1 제1 실험예
실리콘 질화막 (20)과 실리콘 산화막 (30)의 쌍방을 피연마면에 갖는 평가용 기판은, 내부에 실리콘 질화막 (20)이 매립된 시판의 테스트용 웨이퍼 (100)를 미리 예비 연마함으로써 얻어졌다. 테스트용 웨이퍼 (100)에는, 세마텍 864(세마텍사 제조)를 이용하였다. 도 1에 테스트용 웨이퍼 (100)의 단면도를 도시한다. 실리콘 산화막 (30)의 두께는 500 nm이고, 실리콘 질화막 (20)의 두께는 150 nm이다. 테스트용 웨이퍼 (100)는 미리 JSR사 제조 CMS4301 및 4302를 사용하여, 하기의 <연마 조건 2>로 연마하였다. 도 2에 도시한 바와 같이, 실리콘 질화막 (20) 위에 실리콘 산화막 (30)이 50 nm 잔존한 상태에서 예비 연마를 종료하여, 평가용 기판을 얻었다.
예비 연마 후의 테스트용 웨이퍼 (100)를 광간섭식 막두께계 「NanoSpec 6100」를 이용하여, 패턴 100 ㎛ 피치 내의 실리콘 질화막 (20) 위에 존재하는 실리콘 산화막 (30)의 두께를 계측한 바, 실리콘 산화막 (30)의 두께는 60 nm였다. 다음으로, 침 접촉식 단차 측정 장치 「HRP240」을 이용하여, 실리콘 산화막 (30)의 단차량을 측정한 바 단차는 보이지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 거의 평탄한 것이 확인되었다.
<연마 조건 2>
·연마 장치: (주)에바라 세이사꾸쇼 제조, 형식 「EPO-112」
·연마 패드: 로델·닛타(주) 제조, 「IC1000/K-Groove」
·화학 기계 연마용 수계 분산체 공급 속도: 200 mL/분
·정반 회전수: 100 rpm
·연마 헤드 회전수: 107 rpm
·연마 헤드 누름 압력: 5.0 psi
이어서, 실시예 1의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 연마 조건으로, 90초간 연마를 행하였다. 연마 후, 패턴 100 ㎛ 피치 내에서의 실리콘 질화막 (20)상의 실리콘 산화막 (30)의 두께는 0 nm였다. 또한, 패턴100 ㎛ 피치 내에서의 실리콘 산화막 (30)의 디싱량은 2 nm였다. 따라서, 실리콘 질화막 (20)과 실리콘 산화막 (30)은 도 3에 도시된 바와 같이 거의 평탄화되어 있는 것이 확인되었다.
3.5.2 제2 실험예
폴리실리콘막 (40)과 실리콘 산화막 (30)의 쌍방을 피연마면에 갖는 평가용 기판은, 내부에 폴리실리콘막 (40)이 매립된 시판의 테스트용 웨이퍼 (200)를 미리 예비 연마함으로써 얻어졌다. 테스트용 웨이퍼 (200)에는, SKW 3PS(SKW사 제조)를 이용하였다. 도 4에 테스트용 웨이퍼 (200)의 단면도를 도시한다. 폴리실리콘막 (40)의 두께는 600 nm이고, 실리콘 산화막 (30)의 두께는 400 nm이다. 테스트용 웨이퍼 (200)은 미리 상용의 폴리실리콘 연마용 조성물을 사용하여, 하기의 <연마 조건 3>으로 연마하였다. 도 5에 도시한 바와 같이, 볼록부의 실리콘 산화막 (30) 위에 폴리실리콘막 (40)이 50 nm 잔존한 상태에서 예비 연마를 종료하여 평가용 기판을 얻었다.
예비 연마 후의 테스트용 웨이퍼 (100)를 광간섭식 막두께계 「NanoSpec 6100」를 이용하여, 패턴 100 ㎛ 피치 내의 실리콘 산화막 (30) 위에 존재하는 폴리실리콘막 (40)의 두께를 계측한 바, 폴리실리콘막 (40)의 두께는 50 nm였다. 다음으로, 침 접촉식 단차 측정 장치「HRP240」를 이용하여 폴리실리콘막 (40)의 단차량을 측정한 바 단차는 보이지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이 거의 평탄한 것이 확인되었다.
<연마 조건 3>
·연마 장치: (주)에바라 세이사꾸쇼 제조, 형식「EPO-112」
·연마 패드: 로델·닛타(주) 제조, 「IC1000/K-Groove」
·화학 기계 연마용 수계 분산체 공급 속도: 200 mL/분
·정반 회전수: 50 rpm
·연마 헤드 회전수: 55 rpm
·연마 헤드 누름 압력: 4.2 psi
이어서, 실시예 1의 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 연마 조건으로, 90초간 연마를 행하였다. 연마 후, 패턴 100 ㎛ 피치 내에서의 실리콘 산화막 (30) 상의 폴리실리콘막 (40)의 두께는 0 nm였다. 또한, 패턴100 ㎛ 피치 내에서의 실리콘 산화막 (30)의 디싱량은 4 nm였다. 따라서, 실리콘 산화막 (30)과 폴리실리콘막 (40)은 도 6에 도시된 바와 같이 거의 평탄화되어 있는 것이 확인되었다.
제1 실험예 및 제2 실험예의 결과는, 본원 발명에 따른 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막의 3종을 피연마면에 갖는 기판을 연마하면, 어느 막에 대해서도 거의 동일한 속도로 연마할 수가 있기 때문에, 디싱을 발생시키지 않고 평탄화되는 것을 나타내고 있다.

Claims (4)

  1. (A) 10 nm 내지 100 nm의 평균 입경을 갖는 콜로이달 실리카를 0.1 내지 4 질량％,
    (B) 인산일암모늄, 인산이암모늄 및 황산수소암모늄 중에서 선택되는 1종 이상을 0.1 내지 3 질량％
    포함하고,
    상기 (A) 성분과 상기 (B) 성분의 질량비 (A)/(B)는 1 내지 3이고, 또한 pH는 4 내지 5이고, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마하기 위한 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  2. 제1항에 있어서, 추가로, 질산, 황산, 탄산, 락트산, 포름산, 벤조산, 시트르산, 타르타르산, 말산, 말론산, 푸마르산, 말레산, 숙신산, 옥살산, 프탈산, 아디프산, 세박산 및 이들의 암모늄염 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 연마 속도비(폴리실리콘막/실리콘 산화막) 및 실리콘 산화막에 대한 실리콘 질화막의 연마 속도비(실리콘 질화막/실리콘 산화막)이 0.9 내지 1.1인, 화학 기계 연마용 수계 분산체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 화학 기계 연마용 수계 분산체를 이용하여, 폴리실리콘막, 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마면을 동시에 연마하는, 반도체 장치의 화학 기계 연마 방법.
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