KR20100075174A - 금속 배선 연마용 ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내어 연마 공정 시간이 짧으며, 이로전(erosion)과 디싱(dishing) 등의 표면 결함이 적으므로 금속 배선 연마 공정에 유용하다.
금속 배선, CMP 슬러리, 콜로이드 실리카, 과산화 화합물, pH 조절제, 연마 속도, 이로전(erosion), 디싱(dishing), 표면 결함
Description
본 발명은 반도체 제조 공정 중 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다. 그 중에서 텅스텐, 알루미늄, 구리 등과 같이, 연마 시 슬러리로 대상막을 부식, 에칭하는 방법으로 불필요한 부분을 제거하는 재료의 연마에 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다.
CMP 공정은 반도체 웨이퍼 표면을 연마 패드에 접촉하여 오비탈 운동을 실시하면서 연마제와 각종 화합물들이 함유된 슬러리를 이용하여 평탄하게 연마하는 공정을 말한다. CMP 슬러리는 연마 대상에 따라 분류할 수 있으며, 절연층인 산화실리콘(SiO2) 등을 연마하는 산화막(oxides layer) 연마용 슬러리와 구리나 텅스텐, 알루미늄 층을 연마하는 금속 연마용 슬러리로 크게 분류할 수 있다.
금속 연마용 슬러리로 금속 층을 연마하는 공정의 경우에는 초기 금속 층만을 연마하는 단계, 금속 층과 배리어 층을 연마하는 단계, 및 금속 층과 배리어 층 과 산화막을 연마하는 단계로 연마 공정이 진행되게 된다. 이 중 제일 마지막 단계인 금속 층과 배리어 층과 산화막을 연마하는 단계에서는 특히 금속 층과 산화막이 적절한 연마 속도로 함께 연마되어야 우수한 연마 평탄화를 달성할 수 있다. 그렇지 못할 경우에는 연마 공정 시간이 길어지거나, 이로전(erosion) 또는 디싱(dishing) 등의 표면 결함(defect)이 나타날 수 있으므로, 이에 대한 대책이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내며, 이로전(erosion)과 디싱(dishing) 등의 표면 결함이 적은 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명에서는 초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 상기 산화제로 과산화수소를 사용하는 것을 특징으로 한 다.
본 발명에 따르면 상기 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.5 ~ 2.8인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 상기 CMP 슬러리 조성물의 금속 층에 대한 연마 속도가 1800Å/min 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 금속 배선을 연마하는 단계를 포함하는 금속 연마 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 CMP 슬러리 조성물로부터 제조된 금속 배선을 포함하는 반도체 소자를 제공한다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선에 대하여 높은 연마 속도를 나타내어 연마 공정 시간이 짧으며, 이로전과 디싱 등의 표면 결함이 적으므로 금속 배선 연마 공정에 유용하다.
본 발명은 초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 조성물에 포함되는 상기 콜로이드 실리카는 퓸드 실리카(fumed silica)에 비해 산화막에 대하여 상대적으로 높은 연마 속도를 나타내며, 금속 배선과 산화막의 단차를 줄여 디싱을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기 콜로이드 실리카의 1차 입경은 슬러리 조성물의 분산 안정성, 연마 균일도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 상기 범위인 것이 바람직하다.
상기 콜로이드 실리카는 연마 속도, 슬러리 조성물의 분산 안정성, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 1 ~ 2.7 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1.5 ~ 2.4 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
상기 산화제로는 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼 옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 사용하는 것이 바람직하며, 산화력과 슬러리의 분산 안정성 측면에서 과산화수소가 가장 바람직하다. 상기 산화제는 연마 속도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 0.5 ~ 4 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 1 ~ 3 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
상기 pH 조절제는 금속 또는 연마기의 부식을 방지하고, 금속 산화가 쉽게 일어나는 pH 범위를 구현하기 위하여 사용되는 물질로서, 상기 pH 조절제로는 질산, 황산, 인산, 및 염산 등의 무기산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 및 타르타르산 등의 유기산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, 및 TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide) 등의 염기성 물질을 사용할 수 있으며, 이들을 2종 이상을 사용하는 것도 가능하다.
상기 pH 조절제는 연마 속도, 슬러리 조성물의 분산 안정성, 연마 균일도, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 상기 범위로 사용되는 것이 바람직하며, 0.02 ~ 0.5 중량%로 사용되는 것이 보다 바람직하며, 0.05 ~ 0.1 중량%로 사용되는 것이 가장 바람직하다. 또한, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH는 상기 범위인 것이 바람직하며, 2.4 ~ 2.9인 것이 보다 바람직하며, 2.5 ~ 2.8인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에서는 상기 한정된 범위의 콜로이드 실리카, 과산화 화합물, 및 pH 조절제를 사용함으로써, 금속 층에 대한 연마 속도를 1800Å/min 이상으로 높게 구현하여 연마 공정 시간을 짧게 하면서도 이로전(erosion) 현상, 디싱(dishing) 현상, 및 피연마물 표면에 금속 층의 잔류물(residue) 형성 등의 표면 결함(defect)을 크게 낮출 수 있다.
이외에, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 당 업계에서 통상적으로 사용하는 첨가제를 추가하는 것도 가능하다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 금속 배선을 연마하는 데에 특히 효과적이며 금속 배선을 포함하는 반도체 소자 제조에 유용하다.
다음에 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하나, 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1]
초순수에 표 1에 기재된 1차 입경을 갖는 콜로이드 실리카 또는 퓸드 실리카를 표 1에 기재된 함량으로 투입하고, 질산 또는 수산화칼륨을 사용하여 전체 슬러리 조성물의 pH를 표 1에 기재된 값으로 조절하였다. 연마 직전 과산화수소를 전체 슬러리 조성물에 대하여 2 중량%가 되도록 첨가하여 1분간 교반한 이후에 아래와 같은 조건에서 연마를 1분간 진행하였으며, 평가 결과를 표 1에 나타내었다.
o 연마기 Model: Mirra (AMAT社)
o 연마조건:
- 연마 패드: IC1000/SubaⅣ Stacked(Rodel社)
- Spindle 속도: 133rpm
- Platen 속도: 110rpm
- 압력: 3psi
- 슬러리 유량: 200㎖/분
o 연마 대상: 다결정 실리콘 기판 위에 P-TEOS 산화막과 텅스텐을 각각
2,500Å과 4,000Å으로 증착하여 제작한 블랭킷(blanket) 웨이퍼
| 구분 | 연마제 | 1차 입경 (nm) |
연마제 함량 (중량%) |
슬러리 조성물의 pH |
텅스텐 연마 속도(Å/min) |
산화막 연마 속도(Å/min) |
| 실시예 1 | 콜로이드실리카 | 30 | 2 | 2.8 | 2156 | 365 |
| 실시예 2 | 콜로이드실리카 | 70 | 2 | 2.5 | 1817 | 299 |
| 비교예 1 | 퓸드실리카 | 15 | 6 | 2.5 | 2030 | 51 |
| 비교예 2 | 콜로이드실리카 | 30 | 2 | 8 | 914 | 603 |
| 비교예 3 | 콜로이드실리카 | 20 | 2 | 2.5 | 1612 | 322 |
상기 결과로부터 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 텅스텐에 대한 연마 속도가 1800Å/min 이상으로 높게 나타나 연마 공정 시간 단축에 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
[실험예 2]
상기 실험예 1에서 텅스텐에 대한 연마 속도가 우수한 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 대하여 이로전과 디싱을 측정하였다. 이로전 측정은 0.25㎛, 20% 패턴 밀도에서 측정하였고, 디싱은 25㎛에서 측정하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 이로전(Å) | 디싱(Å) |
| 실시예1 | 441 | 242 |
| 실시예2 | 127 | 299 |
| 비교예1 | 803 | 350 |
상기 결과로부터 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 이로전과 디싱 값이 낮아 표면 결함이 매우 적음을 확인할 수 있었다.
Claims (6)
- 초순수, 연마제, 산화제, 및 pH 조절제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 1차 입경이 30 ~ 70nm인 콜로이드 실리카를 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.5 ~ 3 중량%로 사용하고, 상기 산화제로 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소듐 퍼옥사이드, 및 암모늄 퍼옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 과산화 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 ~ 5 중량%로 사용하며, 상기 pH 조절제로 질산, 황산, 인산, 염산, 아세트산, 시트르산, 글루타르산, 글루콜산, 포름산, 젖산, 말산, 말론산, 말레산, 옥살산, 프탈산, 숙신산, 타르타르산, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 암모니아, TMAH(Tetra methyl ammonium hydroxide)로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 화합물을 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01 ~ 1 중량%로 사용하며, 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.3 ~ 3인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 산화제로 과산화수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 전체 CMP 슬러리 조성물의 pH가 2.5 ~ 2.8인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 CMP 슬러리 조성물의 금속 층에 대한 연마 속도가 1800Å/min 이상인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 금속 배선을 연마하는 단계를 포함하는 금속 배선의 연마 방법.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 CMP 슬러리 조성물로부터 제조된 금속 배선을 포함하는 반도체 소자.
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