KR20100080074A - 금속 배선 연마용 ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연마제와 산화제를 포함하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속막과 절연막간의 선택적인 연마특성을 조절하기 위한 슬러리 조성 및 사용방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하여 배선층으로 사용되는 금속막과 절연막간의 선택적 연마특성을 조절함으로써 다양한 종류의 디바이스에 적용할 수 있는 슬러리의 제조가 가능하다.
금속, CMP, 슬러리, 선택적 연마특성
Description
본 발명은 반도체 제조 공정 중 CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정에서 사용되는 슬러리 조성물에 관한 것이다. 그 중에서 텅스텐, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속막의 평탄화에 사용되는 CMP 슬러리에 관한 것이다.
CMP 공정은 반도체 웨이퍼 표면을 연마 패드에 접촉하여 오비탈 운동을 실시하면서 연마제와 각종 화합물들이 함유된 슬러리를 이용하여 평탄하게 연마하는 공정을 말한다.
금속막은 반도체 디바이스 내에서 전자의 전도를 가능하게 함으로써, 디바이스의 전기적인 특성을 발현시키는 역할을 한다. 원하는 목적의 전기적 특성을 가지도록 배선층과 절연층이 설계되며, 디바이스의 고집적화에 따라 배선폭은 점차 감소하는 추세이다.
디바이스의 다층화 경향에 따라 하부층의 평탄도는 후속 리소그라피 공정에서의 정밀도에 크게 영향을 미치며, 평탄화 후 불균일도는 적층이 진행됨에 따라 누적된다. 따라서, 디바이스의 고집적화는 필연적으로 각 층의 고평탄성을 요구하게 된다.
기존의 금속막 CMP용 슬러리는 연마속도를 극대화 함으로써, 공정시간을 단축하여 생산량을 늘리는데 집중하여 왔다. 그러나 고성능 디바이스의 형성을 위해서는 보다 정밀하고 결함의 형성이 적은 슬러리가 요구되고 있다. 또한 디바이스의 종류가 다양해 지면서 다양한 성능의 CMP 슬러리가 요구되고 있다. 기존에는 절연층 혹은 배리어 층(barrier layer)에 비해 제거 대상층의 연마율이 월등히 높은 고 선택비(high selectivity)의 슬러리가 선호되어 왔으나, 슬러리의 선택비가 너무 높을 경우, 대상층이 과도하게 제거되어 우묵하게 들어가는 현상(recess)이 생기고, 절연층 혹은 배리어층이 연마입자의 물리적인 작용에 의해 무너지는 현상(erosion)이 심화되기도 한다. 상기 언급한 recess, erosion 현상은 웨이퍼내 광역 평탄화에 결함으로 작용하고, 적층에 따라 상기 결함이 누적되면서 디바이스의 결함으로 나타날 수 있다. 따라서 상기 제시한 디바이스의 다양화는 필연적으로 다양한 선택비의 슬러리를 요구하게 된다.
금속막과 절연층과의 선택비는 슬러리의 조성으로 조절이 가능하다. 특히 슬러리 조성 중 연마제의 특성은 선택비, 이로전, 디싱 등을 결정하는데 가장 중요한 요소로 간주되고 있다. 대상막의 물리적인 제거를 위해 슬러리에 첨가되는 연마 입자로는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2), 티타니아(TiO2)등의 금속 산화물들이 사용되어 왔다. 실라카가 가장 광범위하게 사용되며, 알루미나는 실리카에 비해 높은 강도를 나타내므로 제거하고자 하는 대상막질이 높은 강도를 가진 경우에 사용된다. 세리아는 STI 공정에서 주로 사용되어 왔으나, 근래에는 산화막의 고평탄도를 쉽게 얻을 수 있다는 점에서 그 응용범위가 넓어지고 있다. 뿐만 아니라 세리아는 연마입자의 농도가 낮아지더라도 연마율의 하락이 급격하지 않으므로, 고가임에도 불구하고 상용화 시의 경제성을 유지할 수 있다.
세리아 연마재를 사용한 CMP 슬러리는 STI(Shallow Trench Isolation) 공정에서 널리 사용중에 있다. 소자를 분리하기 위한 절연막 형성을 위해서는, SiO2에 대해서는 높은 연마율을 나타내면서도, Si3N4 막에 이르러서는 연마가 중단되는 고 선택비 특성을 가져야 하기 때문이다. 이러한 고 선택비 특성은 Si3N4와 결합하여 보호막을 형성하는 화학물질의 첨가로 더욱 강화될 수 있다.
반면에 금속막의 연마에 있어서 세리아를 연마입자로 사용할 경우, 금속에 대해서 높은 연마율을 나타내는 반면, 절연층인 SiO2에 대해 낮은 연마율을 나타내는 고선택비 특성은 종종 대상물의 완벽한 제거를 저해하여 잔류물(residue)를 남 기기도 한다. 또한 높은 패턴 밀도의 영역에서 이로전을 과도하게 발생시키는 원인이 되기도 한다. 상기 이유로 오히려 선택비가 낮은 슬러리가 각광받기도 하지만, 금속용 CMP 슬러리 조성에 유용하게 활용되는 산성의 pH영역에서는 절연막인 SiO2에 대한 연마율을 올리기가 쉽지 않은 실정이다. 콜로이달 실리카를 사용할 경우 SiO2의 연마율이 높아지는 것으로 알려져 있으나, 반대급부로 이로전이 증가하는 단점이 있다.
종래에 CMP 공정에서 사용되고 있는 CeO2 연마제는 하소 후 밀링 공정을 거쳐 분산된 서스펜전 형태이다. 상기 하소공정에서의 온도와 시간에 따라 CeO2 입자의 결정성과 크기가 조절된다. 이러한 하소법으로 제조된 연마입자는 일반적으로 선택비가 높게 나타나는 특성이 있다. 예를 들어 SiO2로 구성된 하부층에 금속 배선을 형성하는 경우, 대상 금속막의 연마율은 높지만, Ti/TiN으로 구성되는 배리어층(barrier layer) 혹은 하부층을 형성하는 SiO2 층에 대한 연마율은 매우 낮으므로 리세스(recess)와 같은 결함의 원인이 된다.
본 발명의 목적은 상기 서술한 금속 CMP 공정에서 발생할 수 있는 결함인 리세스(recess)와 부식(erosion)을 최소화하기 위한 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 절연막에 대한 선택적인 연마를 가능하게 하는 슬러리 조성물 및 연마방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 연마제, 산화제 및 초순수를 포함하는 금속 CMP용 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 콜로이드 타입의 CeO2를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 초순수에 콜로이드 타입의 CeO2가 분산된 형태의 슬러리 조성물로서, 콜로이드 타입의 CeO2의 농도가 고형물 함량 기준으로 0.01~20 중량%인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 콜로이드 타입의 CeO2는 습식으로 제조된 입자로서, 1차 입자의 평균 입경이 10 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성 물을 제공한다.
본 발명은 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율의 비율이 0.5 내지 50인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 상기 연마제 0.01 ~ 20 중량%, 및 상기 산화제 0.1 ~ 20 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 부식방지제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 상기 부식방지제가 인산, 또는 인산염류로부터 선택되거나, 금속이온 또는 금속이온 착물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명은 유기산 또는 아미노산을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물을 제공한다.
상기 다른 목적에 따라, 본 발명은 금속 CMP용 슬러리 조성물을 이용한 연마 방법에 있어서, 연마입자인 콜로이드 타입의 CeO2 농도를 변경함으로써 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비를 조절하는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 콜로이드 타입의 CeO2 농도가 0.01 ~ 20 중량% 범위 내에서 변경되는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비가 0.5로부터 50까지의 범위까지에서 조절되는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법을 제공한다.
본 발명의 금속 CMP용 슬러리 조성물은 콜로이드 타입의 CeO2를 연마입자로 사용함에 따라 원하는 정도의 금속 연마율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 금속막과 상기 금속막의 하부층으로 사용된 산화막 혹은 질화막에 대한 선택적 연마 특성을 조절할 수 있다. 특히 연마입자 CeO2의 농도를 조절함에 따라 선택비의 조절이 가능하며, 이는 다양한 디바이스의 선택비 요구에 맞추어 조성 조절이 용이한 장점을 가진다. 또한 CMP 공정 후 발생할 수 있는 erosion, dishing, recess와 같은 결함들을 최소화할 수 있다.
이하에서, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 CMP 연마용 슬러리 조성물은 기존에 사용되던 하소 후 밀링 방식으로 제조된 연마입자가 아니라, 습식으로 제조된 콜로이달 CeO2를 연마입자로 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 초순수에 연마입자가 분산되어 있는 금속용 CMP 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로는 습식으로 합성된 콜로이드 타입의 CeO2를 사용함으로써 SiO2에 대한 연마율을 높인 CMP 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
상기 콜로이드 타입의 연마입자는 연마 속도 및 슬러리 조성물의 분산 안정성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.01~20 중량% 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 연마입자는 CMP 슬러리 내의 농도에 따라서 SiO2에 대한 연마율이 급격히 변동하는 반면에, 금속막에 대한 연마율은 일정수준으로 유지함으로써, 금속막에 대한 선택적인 연마가 가능하도록 한다.
본 발명의 슬러리 조성물은 pH 2~7의 중~산성영역에서 SiO2 연마율을 향상시킴으로써, 금속 CMP 공정에 응용이 용이하다.
본 발명은 콜로이드 타입의 CeO2는 습식으로 제조된 입자로서, 전자현미경으로 관찰되는 1차 입자의 평균 입경이 10 ~ 200nm인 것이 바람직하다.
본 발명의 슬러리 조성물은 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율의 비율이 0.5 내지 50인 것을 특징으로 한다.
상기 금속용 CMP 슬러리 조성물은 산화제를 0.1 ~ 20 중량%로 포함하며, 상기 산화제는 연마대상 금속에 비해 산화/환원전위가 높아서 연마대상 막질의 산화를 통한 제거를 가능하게 한다. 예를 들어 과산화수소, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드, 소디움 퍼옥사이드, 과황산 칼슘 등의 과산화 화합물, 질산철, 과망간산칼륨, 과요오드산 등 염(salt, 鹽) 형태의 산화제를 사용할 수 있으며 그 종류는 상기 예시에 국한되지는 않는다. 상기 산화물은 단독 혹은 2종 이상 혼합하여 사용이 가능하다.
상기 금속 CMP용 슬러리 조성물은 대상 금속면으로부터 탈락된 금속 혹은 금속 산화물의 원활한 제거를 위하여 유기산 혹은 아미노산을 전체 CMP 조성물에 대하여 0.1 ~ 10 중량%로 사용할 수 있다. 유기산, 혹은 아미노산은 금속과 쉽게 착물을 형성함으로써, 제거된 물질이 금속표면에 재흡착 혹은 석출되는 것을 방지한다. 유기산 혹은 아미노산의 선택은 슬러리 조성물을 사용하고자 하는 pH에 따라 달라지며, 산성 조건에서는 유기산이, 중성 이상의 조건에서는 아미노산이 더 유효한 것으로 알려져 있다. 상기 유기산 및 아미노산의 특성은 일반적으로 알려진 사실이며, 대상막의 특성 및 슬러리의 조성에 따라 달라질 수 있다.
상기 금속 CMP용 슬러리 조성물은 연마 대상 금속의 과도한 부식을 억제하기 위한 부식 방지제를 전체 CMP 조성물에 대하여 0.001 ~ 1 중량%로 포함할 수 있다. 부식방지제는 대상금속과 결합하여 용해도가 작은 막을 형성하는 방법이 있으며, 인산 혹은 인산염류가 이에 속한다. 또 다른 방법으로는 산화제에 의해 금속산화물을 형성할 때 보다 치밀한 막을 형성하게 함으로써 하부 금속막의 부식을 저하시키는 방법이 있다. 이 목적은 금속이온 혹은 금속이온 착물을 첨가함으로써 달성이 가능하다
또한, 본 발명은 금속 CMP용 슬러리 조성물을 이용한 CMP 연마방법을 제공한다. 본 발명의 CMP 연마방법은 연마입자인 콜로이드 타입의 CeO2 농도에 따라 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비, 즉 선택비가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CMP 연마방법은 상기 콜로이드 타입의 CeO2 농도가 0.01 ~ 20 중량% 범위 내에서 변경되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 CMP 연마방법은 상기 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비(선택비)가 0.5 내지 50의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 바람직한 실시예일 뿐, 본 발며이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
슬러리 제조를 위한 연마입자로써 습식상태에서 콜로이드 타입으로 합성된 CeO2(콜로이달 타입)를 물에 분산시켜 각각 농도가 다른 분산액을 제조하였다. CMP 공정시 연마 대상막이 화학적으로 과도하게 에칭되는 것을 방지하기 위하여 인산칼륨(KH2PO4) 1g을 첨가하여 슬러리를 제조하였다. 상기 CMP 슬러리 950g에 산화제로써 질산철 9수화물(Fe(NO3)3·9H2O)을 산화제로 50g (5중량%) 첨가하여 텅스텐(W)과 SiO2막에 대한 CMP를 수행하였다.
[비교예 1]
슬러리 제조를 위한 연마입자로써 건식하소 후 milling을 거쳐 분산된 CeO2(밀드 타입)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 슬러리를 제조하고, 텅스텐(W)과 SiO2막에 대한 CMP를 수행하였다
CMP 평가를 위한 연마기의 조건은 다음과 같다.
o 연마기 Model ; Unipla 211 (Doosan D&D)
o 연마조건
- Pad Type ; IC1000 (Rodel 社)
- Head Speed ; 100rpm
- 온도 ; 25oC
- Slurry Flow ; 100mL/min
- 연마시간; 60초
o 연마대상 ; 시료 웨이퍼는 평판상태의 텅스텐과 SiO2 웨이퍼를 사용하였다. 텅스텐 평판 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 위에 HTO(Hydrothermal Oxide)를 1000Å 침적한 후 TiN과 W를 각각 1000Å 과 10000Å을 증착하여 제조하였다. SiO2 평판 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 위에 HTO를 10000Å 증착하여 제조하였다.
상기 연마평가의 결과를 표1, 2에 정리하였다. (RR: Removal Rate, 연마율)
상기 결과에서 나타난 것과 같이 밀드 타입에 비해 콜로이드 타입의 CeO2를 연마입자로 사용할 경우 SiO2의 연마율이 증가됨을 알 수 있다. 또한 SiO2의 연마율은 CeO2의 농도에 따라 달라지므로, 제작하고자 하는 디바이스의 종류에 따라 용이하게 조성을 선택할 수 있다. 반면에 텅스텐의 연마율은 연마입자의 농도에 크게 영향을 받지 않으므로 선택비의 조절이 용이하다.
[실시예 2]
일반적으로 콜로이드 타입의 연마입자는 밀드 타입에 비해 고농도에서도 분산안정성이 우수하다. 따라서 고농도의 슬러리를 제조하거나 실제 공정에 응용하기에 용이하다.
CeO2 연마입자 1% 이상의 고농도에서의 연마특성을 알아보기 위하여 평가를 수행하였다. 습식 상태에서 콜로이드 타입으로 제조된 CeO2를 초순수와 혼합하여 분산액을 제조한 후, W의 과도한 에칭 방지를 위해서 금속 착물인 Fe- PDTA (iron-propylenediaminetetraacetate) 를 상기 혼합액 1000g 에 10g (1중량%)을 첨가하여 슬러리를 제조하고, 연마평가 직전에 산화제인 과산화 수소를 100g 첨가한 후 연마평가를 수행하였다.
CMP 평가를 수행하기 위한 연마기의 조건과 연마대상 막은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다.
상기 평가의 결과를 표 3 에 정리하였다.
상기 결과에 나타난 바와 같이 콜로이드 타입의 CeO2 연마입자 농도를 증가시킨 슬러리를 사용할 경우 SiO2와 동일수준으로까지 연마가 가능함에 따라, 금속막 부분의 연마 후 금속막과 산화막의 균일한 연마를 통해 결함이 적은 디바이스를 용이하게 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
Claims (11)
- 연마제, 산화제 및 초순수를 포함하는 금속 CMP용 슬러리 조성물에 있어서, 상기 연마제로 콜로이드 타입의 CeO2를 사용하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속 CMP 공정용 슬러리는 초순수에 콜로이드 타입의 CeO2가 분산된 형태로써, 콜로이드 타입의 CeO2의 농도가 고형물 함량 기준으로 0.01~20 중량%인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 콜로이드 타입의 CeO2는 습식으로 제조된 입자로써, 1차 입자의 평균 크기가 10 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율의 비율이 0.5 내지 50인 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 연마제 0.01 ~ 20 중량%, 및 상기 산화제 0.1 ~ 20 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 부식방지제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 6항에 있어서, 상기 부식방지제가 인산, 또는 인산염류로부터 선택되거나, 금속이온 또는 금속이온 착물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 제 1항에 있어서, 유기산 또는 아미노산을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 연마용 CMP 슬러리 조성물.
- 금속 CMP용 슬러리 조성물을 이용한 연마 방법에 있어서, 연마입자인 콜로이 드 타입의 CeO2 농도를 변경함으로써 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비를 조절하는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법.
- 제 9에 있어서, 상기 콜로이드 타입의 CeO2 농도가 0.01 ~ 20 중량% 범위 내에서 변경되는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 금속막의 연마율에 대한 하부층의 연마율 비가 0.5 내지 50의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 CMP 연마 방법.
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