KR20120049862A - 폴리규소 제거 속도를 억제하기 위한 ｃｍｐ 조성물 및 방법 - Google Patents

폴리규소 제거 속도를 억제하기 위한 ｃｍｐ 조성물 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화규소-함유 기판으로부터의 폴리규소 제거를 억제하면서 질화규소-함유 기판을 연마하기에 적합한 화학적 기계적 연마 (CMP) 조성물을 제공한다. 이 조성물은 알킨-디올, 알킨 디올 에톡시레이트 또는 이들의 배합물을 포함하는 계면활성제를 함유하는 수성 담체 중에 현탁된 연마제 입자를 포함한다. 이를 사용한 반도체 기판의 연마 방법을 또한 개시한다.

Description

폴리규소 제거 속도를 억제하기 위한 ＣＭＰ 조성물 및 방법 {CMP COMPOSITIONS AND METHODS FOR SUPPRESSING POLYSILICON REMOVAL RATES}
본 발명은 화학적 기계적 연마 (CMP) 조성물 및 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 반도체 기판으로부터의 폴리규소 제거를 억제하면서 반도체 기판을 연마하기 위한 방법에 관한 것이다.
기판의 표면의 화학적 기계적 연마를 위한 조성물 및 방법은 당업계에 잘 공지되어 있다. 반도체 기판 (예를 들면, 집적회로)의 표면의 CMP를 위한 연마 조성물 (또한 연마 슬러리, CMP 슬러리 및 CMP 조성물로서 공지됨)은 전형적으로 연마제, 다양한 첨가제 화합물 등을 함유한다.
일반적으로, CMP는 표면의 동시 화학적 및 기계적 연마, 예를 들면, 제1층이 상부에 형성되어 있는 비평면의 제2층의 표면이 노출되도록 상부에 놓인 제1층을 연마하는 것을 포함한다. 하나의 이러한 방법은 베이어 (Beyer) 등의 미국 특허 제4,789,648호에 기재되어 있다. 간단히, 베이어 등은 상부에 놓인 제1 물질 층의 표면이 덮여진 제2층의 상부 표면과 동일 평면 상이 될 때까지, 제2층보다 빠른 속도로 제1층이 제거되도록 연마 패드 및 슬러리를 사용하는 CMP 방법을 개시한다. 화학적 기계적 연마의 더욱 자세한 설명은 미국 특허 제4,671,851호, 제4,910,155호 및 제 4,944,836호에 있다.
통상적인 CMP 기술에서, 기판 캐리어 또는 연마 헤드는 캐리어 조립체 상에 탑재되고 CMP 장치의 연마 패드와 접촉하여 배치된다. 캐리어 조립체는 제어가능한 압력을 기판에 제공하며 기판을 연마 패드에 대해 가압한다. 기판이 부착되어 있는 캐리어와 패드는 서로 상대적으로 움직인다. 패드와 기판의 상대적인 움직임은 기판 표면을 마멸시켜 기판 표면으로부터 물질의 일부분을 제거하는 작용을 하며, 이에 따라 기판이 연마된다. 전형적으로, 기판 표면의 연마는 (예를 들면, CMP 조성물 중에 존재하는 산화제, 산, 염기 또는 다른 첨가제에 의한) 연마 조성물의 화학적 활성 및/또는 연마 조성물 중에 현탁된 연마제의 기계적 활성에 의해 추가로 촉진된다. 전형적인 연마제 물질은 이산화규소, 산화세륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄 및 산화주석을 포함한다.
네빌 (Neville) 등의 미국 특허 제5,527,423호에는 예를 들면, 금속층의 표면을 수성 매질 중에 현탁된 고순도의 미세한 금속 산화물 입자를 포함하는 연마 슬러리와 접촉시켜 금속층을 화학적으로 기계적으로 연마하기 위한 방법이 기재되어 있다. 별법으로, 연마제 물질을 연마 패드에 혼입할 수 있다. 쿡 (Cook) 등의 미국 특허 제5,489,233호에는 표면 텍스쳐 또는 패턴을 갖는 연마 패드의 용도가 개시되어 있고, 브룩스보르트 (Bruxvoort) 등의 미국 특허 제5,958,794호에는 고정 연마제의 연마 패드가 개시되어 있다.
반도체 웨이퍼는 다수의 트랜지스터가 상부에 형성되어 있는, 규소 또는 갈륨 비화물과 같은 기판을 전형적으로 포함한다. 트랜지스터는 기판 내의 영역 및 기판 상의 층을 패터닝함으로써 화학적으로 그리고 물리적으로 기판과 연결된다. 트랜지스터 및 층은 산화규소 (SiO2)의 몇몇 형태로 주로 구성되는 층간 절연체 (interlevel dielectric) (ILD)에 의해 분리된다. 트랜지스터는 잘 공지된 다층 상호접속의 사용에 의해 상호접속된다. 전형적인 다층 상호접속 (multilevel interconnect)은 하기 물질 중 하나 이상으로 구성되는 적층된 박막으로 구성된다: 티타늄 (Ti), 질화티타늄 (TiN), 탄탈 (Ta), 알루미늄-구리 (Al-Cu), 알루미늄-규소 (Al-Si), 구리 (Cu), 텅스텐 (W), 도핑된 폴리규소 (폴리-Si) 및 이들의 다양한 조합. 게다가, 트랜지스터 또는 트랜지스터의 군은, 종종 이산화규소, 질화규소 및/또는 폴리규소와 같은 절연 물질로 채워진 트렌치 (trench)의 사용을 통해, 서로 단리된다.
상호접속을 형성하기 위한 전통적인 기술은 동일 평면상 다층 금속/절연체 필름을 기판 위에 제조하기 위한 방법과 관련된, 쵸우 (Chow) 등의 미국 특허 제4,789,648호에 개시된 방법에 의해 향상되었다. 널리 관심을 받고 있고 다층 상호접속을 제조하는 이러한 기술은 화학적 기계적 연마를 사용하여 장치 제작의 다양한 단계 동안 금속층 또는 박막의 표면을 평탄화한다.
많은 공지된 CMP 슬러리 조성물이 제한된 목적에 적합하지만, 웨이퍼 제조에 사용되는 절연체 물질에 대해 허용할 수 없는 연마 속도 및 상응하는 선택도 수준을 나타내는 경향이 있다. 게다가, 공지된 연마 슬러리는 기저 필름에 대해 열악한 필름 제거 특성을 나타내거나 또는 열악한 제조 수율을 야기하는 유해한 필름-부식을 생성하는 경향이 있다.
본원과 공동 명의인 첸 (Chen) 등의 미국 특허 출원 제11/374,238호에는 질화규소 기판을 연마하기 위한, 특정 산성 성분 (예를 들면, 말론산 및 아미노카르복실산의 배합물; 스테네이트 염; 요산; 페닐아세트산; 또는 말론산, 아미노카르복실산 및 술페이트의 배합물)과 함께 연마제를 포함하는 pH가 1 내지 6인 신규한 연마 조성물이 기재되어 있다.
본원과 공동 명의인 디사르드 (Dysard) 등의 미국 특허 출원 제11/448,205호에는 질화규소 기판을 연마하기 위한, pKa가 1 내지 4.5의 범위인 1종 이상의 첨가제를 포함하며 산성 pH인 신규한 연마 조성물이 기재되어 있다.
집적회로 장치의 기술이 발전함에 따라, 개선된 집적회로에 대해 요구되는 성능의 수준을 달성하기 위해 전통적인 물질이 신규하고 상이한 방식으로 사용되고 있다. 특히, 신규하고 더욱 복잡한 장치 구성을 달성하기 위해 질화규소, 산화규소 및 폴리규소가 다양한 조합으로 사용되고 있다. 일반적으로, 구조적 복잡성 및 성능 특징은 상이한 적용에 따라 다르다. 몇몇 경우에서, 기판의 하나의 성분, 예컨대 질화규소를 효과적으로 제거하기에 적합한 조건은 폴리규소와 같은 또다른 성분의 초과-제거를 바람직하지 않게 야기할 수 있다.
따라서, 폴리규소 제거를 억제하면서 많은 IC 장치 적용에서 질화규소, 산화규소 또는 텅스텐의 허용가능한 제거 속도를 달성하기 위한 CMP 조성물 및 방법이 지속적으로 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 개선된 연마 방법 및 조성물을 제공한다. 본 발명의 상기 및 다른 이점 뿐만 아니라 추가적인 발명의 특징은 본원에 제공된 본 발명의 설명으로부터 명백할 것이다.
본 발명은, 폴리규소 제거를 억제하면서 기판의 표면으로부터 질화규소, 산화규소 또는 텅스텐과 같은 성분을 제거하기 위해, 반도체 기판을 선택적으로 연마하는데 있어서 유용한 CMP 조성물을 제공한다. 본 발명의 CMP 조성물은 알킨 디올 및/또는 알킨 디올 에톡시레이트 (바람직하게는 알킨 디올)를 포함하는 계면활성제를 함유하는 산성 수성 담체 중에 현탁된 연마제 입자를 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 CMP 조성물은 10 내지 10,000 ppm의 계면활성제를 함유하는 산성 수성 담체 중에 현탁된 0.01 내지 15 중량%의 연마제 입자를 포함한다. 몇몇 바람직한 실시양태에서, 연마제 입자는 콜로이드성 실리카를 포함한다. 바람직하게는, 산성 수성 담체는 pH값이 6 이하 (예를 들면, 1 내지 4 또는 2 내지 3)이다. 계면활성제는 바람직하게는 20 내지 1,000 ppm의 범위의 양으로 존재한다. 목적하는 경우, 본 발명의 조성물은 다른 첨가제 물질, 예컨대 카르복실산 물질 (예를 들면, 말론산 및/또는 글리신) 및/또는 유기 또는 무기 염 (예를 들면, 칼륨 술페이트)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 조성물은 1종 이상의 카르복실산 물질을 10 내지 100,000 ppm (0.001 내지 10 중량%) 포함할 수 있다. CMP 조성물은 또한 CMP 조성물에 사용되는 다른 통상적인 첨가제 물질, 예컨대 살생물제, 점도 개질제, 부식 방지제, 킬레이트제, 유기 중합체, 다른 계면활성제, 산화제, 전자 전달제 등을 포함할 수 있고, 이들의 많은 예가 CMP 분야에 잘 공지되어 있다.
또다른 양태에서, 본 발명은 폴리규소보다 질화규소, 산화규소 또는 텅스텐과 같은 성분을 우선적으로 제거하는 기판의 연마 방법을 제공한다. 본 방법은 바람직하게는 과산화수소의 존재하에 본 발명의 CMP 조성물로 기판의 표면을 마멸시키는 것을 포함한다. 예를 들면, 기판의 표면을 연마 패드 및 CMP 조성물과 접촉시키고, 연마 패드와 기판 사이에서 CMP 조성물의 일부분을 기판의 표면과 접촉시키면서 기판의 표면으로부터 질화규소를 마멸시키기에 충분한 시간 동안 연마 패드와 기판 간의 상대적인 움직임을 야기함으로써 마멸을 수행할 수 있다.
본 발명의 CMP 조성물은 알킨 디올 또는 알킨 디올 에톡시레이트 계면활성제가 존재하지 않는 실질적으로 동일한 제형물로 얻은 결과에 비해 폴리규소 제거를 예상외로 억제하면서 질화규소, 산화규소 또는 텅스텐의 효과적인 제거 속도를 제공한다.
도면의 간략한 설명
도 1은 비교 알킨 모노알코올 계면활성제의 구조와 함께 본 발명의 조성물 및 방법에 유용한 2종의 알킨 디올 계면활성제의 구조를 예시한다.
도 2는 본 발명의 조성물을 사용하여 폴리규소 블랭킷 (blanket) 웨이퍼를 연마하여 얻은 폴리규소 제거 대 계면활성제 농도의 플롯을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 조성물 (실시예 D) 및 3종의 비교 조성물 (실시예 A, 실시예 B 및 실시예 C)을 사용하여 지칭된 물질의 블랭킷 웨이퍼를 연마하여 얻은 TEOS-SiO2 (TS), 질화규소 (SN), 텅스텐 (W) 및 폴리규소 (PS)에 대한 제거 속도 대 계면활성제 농도의 막대 그래프를 나타낸다.
도 4는 알킨 디올-유형 계면활성제를 함유하지 않는 CMP 조성물을 사용하여 얻은 결과에 대한, 상이한 계면활성제 물질을 함유하는 CMP 조성물을 사용하여 폴리규소 블랭킷 웨이퍼를 연마하여 얻어진 폴리규소 제거 속도 억제의 백분율의 막대 그래프를 나타낸다.
본 발명의 상세한 설명
본 발명의 CMP 조성물은 알킨-디올 및/또는 알킨 디올 에톡시레이트를 포함하는 계면활성제를 함유하는 산성 수성 담체 중에 현탁된 연마제 입자를 포함한다.
바람직한 알킨 디올 계면활성제는 하기 화학식 (I)의 알킨 디올 화합물, 또는 알킨 디올 화합물 몰당 1 내지 40 몰 (바람직하게는 4 내지 30 몰)의 에틸렌옥시 단위를 포함하는 그의 에톡시레이트를 포함한다.
<화학식 (I)>
Figure pct00001
상기 식에서, 각각의 R1 및 R2는 독립적으로 H 또는 메틸이고, 각각의 R3 및 R4는 독립적으로 C1 내지 C22의 알킬기 (예를 들면, 선형 또는 분지형 알킬기)이다. 몇몇 바람직한 실시양태에서, R1 및 R2는 모두 메틸이다. 바람직하게는, R3 및 R4 중 적어도 하나는 분지형 지방족 탄화수소 잔기 (예를 들면, 2-메틸프로필)이다. 본원에서 사용된 용어 "에톡시레이트"는 화학식 (I)의 OH기 중 하나 또는 둘다 (CH2CH2O)n-CH2H2OH기 (여기서 "n"은 0 이상이고, 디올 화합물 몰당 EO의 총 몰수는 화합물의 각각의 에톡시레이트 사슬의 (n+1)의 합이다)에 의해 대체되는 화학식 (I)의 화합물을 지칭한다. 몇몇 바람직한 실시양태에서, 계면활성제는 알킨 디올 에톡시레이트보다는 알킨 디올 화합물을 포함한다.
도 1은 본 발명의 조성물 및 방법에 있어서 유용한 화학식 (I)의 술피놀® (SURFYNOL®) 상표 알킨 디올 계면활성제의 2종의 예, 즉, 에어 프로덕츠 앤드 케미칼즈, 인코포레이티드 (Air Products and Chemicals, Inc.)로부터 이용가능한 2,4,7,9-테트라메틸데크-5-인-4,7-디올 (술피놀® 104) 및 2,4,7-트리메틸옥타데크-5-인-4,7-디올 (술피놀® DF110D) 뿐만 아니라, 비교 알킨 모노알코올 계면활성제, 즉, 3,5-디메틸헥스-1-인-3-올 (술피놀® 61)을 예시한다. 또다른 적합한 알킨 디올-함유 계면활성제는 2,5,8,11-테트라메틸도데크-6-인-5,8-디올 (술피놀® 124)이다. 에톡시화 알킨 디올 화합물을 함유하는 적합한 계면활성제의 비제한적인 예는 술피놀® 440 (디올 몰당 3.5 몰의 EO로 에톡시화된 2,4,7,9-테트라메틸데크-5-인-4,7-디올), 술피놀® 465 (디올 몰당 10 몰의 EO로 에톡시화된 2,4,7,9-테트라메틸데크-5-인-4,7-디올), 술피놀® 485 (디올 몰당 30 몰의 EO로 에톡시화된 2,4,7,9-테트라메틸데크-5-인-4,7-디올) 및 디놀® (DYNOL®) 604 (디올 몰당 4 몰의 EO로 에톡시화된 2,5,8,11-테트라메틸도데크-6-인-5,8-디올)를 포함한다.
임의의 적합한 연마제 입자가 본 발명의 CMP 조성물 및 방법에 사용될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "연마제" 및 "연마제 입자"는 반도체 물질, 및 IC 장치의 제조에 사용되는 것과 같은 금속, 절연체 물질 등과 같은 1종 이상의 다른 물질을 포함하는 기판 웨이퍼의 표면을 마멸시킬 수 있는 미립자 물질을 지칭하도록 상호교환가능하게 사용된다. 이러한 연마제의 비제한적인 예는 이산화규소 (실리카), 산화알루미늄 (알루미나), 이산화티타늄 (티타니아), 산화세륨 (세리아), 산화지르코늄 (지르코니아) 등을 포함한다. 콜로이드성 실리카가 바람직한 연마제이다. 연마제는 바람직하게는 0.01 내지 15 중량% (wt%), 예를 들면, 0.05 내지 8 중량% 또는 0.1 내지 5 중량%의 범위의 농도로 연마 조성물 중에 존재한다. 몇몇 바람직한 실시양태에서, 연마제는 당업계에 잘 공지되어 있는 레이저 광 산란 기술로 측정하였을 때 평균 입도가 1 nm 내지 500 nm, 더욱 바람직하게는 10 nm 내지 200 nm의 범위인 콜로이드성 실리카 입자를 포함한다.
연마제는 바람직하게는 연마 조성물, 더욱 구체적으로는 연마 조성물의 수성 담체 성분 중에 현탁된다. 연마제가 연마 조성물 중에 현탁되는 경우, 이는 바람직하게는 콜로이드적으로 안정하다. 용어 "콜로이드"는 액체 담체 중의 연마제 입자의 현탁액을 지칭한다. "콜로이드성 안정성"은 시간이 경과함에 따른 현탁액의 유지를 지칭한다. 본원에서, 실리카를 100 mL 눈금 실린더에 위치시키고 2시간 동안 교반 없이 정치시켰을 때, 눈금 실린더의 바닥 50 mL의 입자의 농도 (g/mL 단위의 [B])와 눈금 실린더의 상부 50 mL의 입자의 농도 (g/mL 단위의 [T]) 간의 차를 연마 조성물의 입자의 총 농도 (g/mL 단위의 [C])로 나눈 값이 0.5 미만이거나 또는 0.5이면 (즉, ([B]-[T])/[C] ≤ 0.5), 연마 현탁액은 콜로이드적으로 안정한 것으로 고려된다. ([B]-[T])/[C]의 값은 바람직하게는 0.3 미만이거나 또는 0.3이고, 바람직하게는 0.1 미만이거나 또는 0.1이다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용된 용어 "콜로이드성 실리카"는 Si(OH)4의 축합 중합에 의해 제조된 이산화규소를 지칭한다. 전구체 Si(OH)4는 예를 들면, 고순도 알콕시실란의 가수분해 또는 실리케이트 수용액의 산성화에 의해 얻을 수 있다. 이러한 콜로이드성 실리카는 미국 특허 제5,230,833호에 따라 제조할 수 있거나 또는 상업적으로 이용가능한 다양한 제품, 예컨대 푸소 (Fuso) PL-1, PL-2 및 PL-3 제품 및 날코 (Nalco) 1050, 2327 및 2329 제품 뿐만 아니라, 듀폰 (DuPont), 바이엘 (Bayer), 어플라이드 리서치 (Applied Research), 닛산 케미칼 (Nissan Chemical) 및 클라리언트 (Clariant)로부터 이용가능한 다른 유사한 제품 중 임의의 것으로서 얻을 수 있다.
바람직하게는, 수성 담체는 산성인 pH, 바람직하게는 6 이하인 pH (예를 들면, 1 내지 4의 범위의 pH)를 제공하기에 충분한 농도로 산성 물질이 용해되어 함유되어 있는 물 (예를 들면, 탈이온수)을 포함하거나, 이로 본질적으로 구성되거나, 이로 구성된다. 산성 물질은 산 또는 완충재 (예를 들면, 산, 산성 염 또는 산과 염의 혼합물)일 수 있다. CMP 조성물에 사용하기에 적합한 산 및 완충재는 당업계에 잘 공지되어 있다. 임의적으로, 수성 담체는 수용성 또는 수혼화성 유기 물질, 예컨대 알코올, 글리콜 등을 포함할 수 있다.
게다가, 수성 담체는 CMP 조성물에 통상적으로 포함되는 다른 기능성 물질, 예컨대 카르복실산 물질, 카르복실산 염, 무기 염, 부식 억제제, 살생물제, 점도 개질제, 킬레이트제 등을 포함할 수 있고, 이들의 많은 예가 CMP 분야에 잘 공지되어 있다.
몇몇 바람직한 실시양태에서, CMP 조성물은 총 조성물 중량을 기준으로 하여, 0.001 내지 10 중량% (10 ppm 내지 100,000 ppm; 예를 들면 100 내지 5,000 ppm 또는 500 내지 2,000 ppm)의 범위의 농도로 카르복실산 물질을 수성 담체 중에 포함한다.
적합한 카르복실산 물질의 비제한적인 예는 모노카르복실산 (예를 들면, 벤조산, 페닐아세트산, 1-나프토산, 2-나프토산, 글리콜산, 포름산, 락트산, 만델산 등), 폴리카르복실산 (예를 들면, 옥살산, 말론산, 숙신산, 아디프산, 타르타르산, 시트르산, 말레산, 푸마르산, 아스파르트산, 글루탐산, 프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산, 1,2,3,4-부탄테트라카르복실산, 이타콘산 등) 및 글리신과 같은 아미노산을 포함한다.
본 발명의 조성물 및 방법은 넓은 범위의 pH, 연마 농도 및 계면활성제 농도에서 폴리규소 제거를 예상외로 억제하면서 유용한 질화규소 제거 속도를 제공한다. 몇몇 특히 바람직한 실시양태에서, 과산화수소 (1 중량%)의 존재하에 제곱 인치당 2 파운드 (2psi)의 하향력, 분당 115 회전수 (115 rpm)의 플레튼 (platen) 속도, 60 rpm의 캐리어 속도 및 분당 125 밀리리터 (125 mL/분)의 연마 슬러리 유속에서 에픽® (Epic®) D100 연마 패드 (캐보트 마이크로일렉트로닉스 코포레이션 (Cabot Microelectronics Corporation); 미국 일리노이주 오로라 소재)를 사용하여 테이블탑 CMP 연마기 위에서 질화규소 블랭킷 웨이퍼를 연마할 때, 질화규소 제거 속도는 분당 250 Å (250 Å/분) 이상이다. 놀랍게도, 동일한 조건하에서 폴리규소 웨이퍼를 연마함으로써 얻어지는 폴리규소 제거 속도는 일반적으로 질화규소 제거 속도의 80 % 이하이고, 종종 질화규소 제거 속도의 70 % 이하 또는 60 % 이하이다. 전형적으로, 본 발명의 CMP 조성물을 사용하여 얻어지는 폴리규소 제거 속도는, 본 발명의 조성물과 실질적으로 동일하지만 알킨 디올 또는 알킨 디올 에톡시레이트 계면활성제가 없는 CMP 조성물을 사용하여 얻어지는 폴리규소 속도보다 10% 이상 (바람직하게는 20%, 30%, 40% 또는 50% 이상) 낮을 것이다.
본 발명의 연마 조성물은 임의적으로 1종 이상의 산화제를 포함할 수 있다 (예를 들면, 반도체 표면의 성분, 예컨대 금속 성분을 산화시키기 위해). 본 발명의 연마 조성물 및 방법에 사용하기에 적합한 산화제는 과산화수소, 퍼술페이트 염 (예를 들면, 암모늄 모노퍼술페이트, 암모늄 디퍼술페이트, 칼륨 모노퍼술페이트 및 칼륨 디퍼술페이트), 퍼요오데이트 염 (예를 들면, 칼륨 퍼요오데이트), 그의 염 및 상기 중 2종 이상의 조합을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 반도체 CMP 분야에 잘 공지된 바와 같이, 산화제는 반도체 웨이퍼에 존재하는 1종 이상의 선택된 금속 또는 반도체 물질을 산화시키기에 충분한 양으로 조성물에 첨가된다.
본 발명의 연마 조성물은 임의의 적합한 기술에 의해 제조될 수 있으며, 이러한 기술 중 많은 기술이 당업자에게 공지되어 있다. 연마 조성물은 회분식 또는 연속식 공정으로 제조할 수 있다. 일반적으로, 연마 조성물은 그의 성분을 임의의 순서로 배합하여 제조할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "성분"은 개개의 구성성분 (예를 들면, 연마제, 계면활성제, 산, 염기, 완충제, 산화제 등) 뿐만 아니라, 구성성분의 임의의 조합을 포함한다. 예를 들면, 연마제는 물 중에 분산될 수 있고, 계면활성제 및 임의의 다른 첨가제 물질이 첨가될 수 있고, 상기 성분을 연마 조성물에 혼입시킬 수 있는 임의의 방법에 의해 혼합될 수 있다. 전형적으로, 산화제를 사용할 때, 조성물이 CMP 공정에 사용할 준비가 될 때까지 산화제를 연마 조성물에 첨가하지 않고, 예를 들면, 연마 시작 바로 전에 산화제를 첨가할 수 있다. 필요에 따라서 산 또는 염기를 첨가하여 임의의 적합한 시간에 pH를 추가로 조절할 수 있다.
사용 전에 수성 용매 (예를 들면, 물)의 적절한 양으로 희석되도록 의도된 농축액으로서 본 발명의 연마 조성물이 또한 제공될 수 있다. 이러한 일 실시양태에서, 연마 조성물 농축액은, 수성 용매의 적절한 양으로 농축액을 희석하였을 때, 연마 조성물의 각각의 성분이 사용하기에 적절한 범위 내의 양으로 연마 조성물 중에 존재할 양으로 수성 용매 중에 분산되거나 또는 용해된 다양한 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 질화규소 기판을 화학적으로 기계적으로 연마하는 방법을 제공한다. 본 방법은 본원에 기재된 바와 같이 본 발명의 연마 조성물을 사용하여 질화규소- 및 폴리 규소-함유 기판의 표면을 마멸시키는 것을 포함한다.
본 발명의 연마 조성물은 임의의 적합한 기판을 연마하기 위해 사용될 수 있고, 질화규소, 산화규소, 텅스텐 및 폴리규소를 포함하는 기판을 연마하는데 있어서 특히 유용하다.
본 발명의 연마 조성물은 화학적 기계적 연마 장치와 함께 사용하기에 특히 적합하다. 전형적으로, CMP 장치는, 사용시에 움직이고 궤도, 선형 및/또는 원형 운동으로부터 야기되는 속도를 갖는 플레튼, 플레튼에 부착되어 접촉하고 운동시에 캐리어에 대해 움직이는 연마 패드, 및 연마 패드의 표면과 접촉하고 그에 대해 움직임으로써 연마되는 기판을 보유하는 캐리어를 포함한다. 기판의 연마는 기판을 연마 패드 및 본 발명의 연마 조성물과 접촉하게 하고 이후 연마 패드를 기판에 상대적으로 움직이게 하여 기판의 적어도 일부분이 마멸되어 기판이 연마됨으로써 수행된다.
기판은 임의의 적합한 연마 패드 (예를 들면, 연마 표면)를 사용하면서 본 발명의 연마 조성물로 평탄화되거나 또는 연마될 수 있다. 적합한 연마 패드는 예를 들면, 직조 및 부직 연마 패드, 홈 (groove)이 있거나 또는 홈이 없는 패드, 다공성 또는 비다공성 패드 등을 포함한다. 게다가, 적합한 연마 패드는 밀도, 경도, 두께, 압축성, 압축 반발력 및 압축 모듈러스가 다양한 임의의 적합한 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 중합체는 예를 들면, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플루오라이드, 나일론, 플루오로카본, 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 폴리에테르, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 이들의 혼성 생성물 및 이들의 혼합물을 포함한다.
바람직하게는, CMP 장치는 현장 연마 종료시점 탐지 시스템을 추가로 포함하며, 이러한 시스템 중 많은 시스템이 당업계에 공지되어 있다. 가공품의 표면으로부터 반사된 빛 또는 다른 방사선을 분석함으로써 연마 공정을 검사하고 모니터링하는 기술이 당업계에 공지되어 있다. 이러한 방법은 예를 들면, 산드후 (Sandhu) 등의 미국 특허 제5,196,353호, 러스티그 (Lustig) 등의 미국 특허 제5,433,651호, 탕 (Tang)의 미국 특허 제5,949,927호 및 비랑 (Birang) 등의 미국 특허 제5,964,643호에 기재되어 있다. 바람직하게는, 연마되는 가공품에 관한 연마 공정의 절차의 검사 또는 모니터링은 연마 종료시점, 즉, 특정 가공품에 관한 연마 공정을 언제 종료시켜야 할지를 결정할 수 있게 한다.
하기 실시예는 본 발명을 추가로 예시하지만, 물론 본 발명의 범위를 어떠한 식으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 명세서 및 하기 실시예 및 특허청구범위에서 기재되는, 백만분율 (ppm)로 기록된 농도는 조성물의 중량으로 나눈 해당 활성 성분의 중량 (예를 들면, 성분의 밀리그램/조성물의 킬로그램)을 기준으로 한다.
실시예 1
본 실시예는 폴리규소 제거 속도에 대한 알킨 디올 계면활성제 농도의 효과를 예시한다.
0 내지 500 ppm의 술피놀® 104 알킨 디올 계면활성제를 포함하는 여러 연마 조성물을 사용하여, 유사한 폴리규소 블랭킷 웨이퍼 (1.6 인치 x 1.6 인치)를 개별적으로 화학적으로 기계적으로 연마하였다. 각각의 연마 조성물은 pH가 2.3이고 글리신 1600 ppm, 말론산 270 ppm 및 칼륨 술페이트 560 ppm을 포함하는 수성 담체 중 4.8 중량%의 콜로이드성 실리카 (평균 입도 40 nm)를 또한 함유하였다. 2 psi의 하향력, 115 rpm의 플레튼 속도, 60 rpm의 캐리어 속도 및 125 mL/분의 슬러리 공급 속도의 연마 조건 하에서 에픽® D100 연마 패드를 사용하여 벤치탑 (bench top) 연마기 위에서 연마를 수행하였다 (1 중량% 과산화수소를 각각의 CMP 조성물에 첨가함). 폴리규소 제거 속도 대 계면활성제 농도를 도 2에 플롯화하였다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 폴리규소 제거 속도는 계면활성제의 부재하에서 2,500 내지 3,000 Å/분이었고, 100 ppm 내지 500 ppm의 범위의 계면활성제 농도에서 1,500 Å/분의 안정적인 속도로 낮아졌다.
실시예 2
본 실시예는 질화규소 (SN), TEOS-SiO2 (TS), 텅스텐 (W) 및 폴리규소 (PS)의 제거와 관련하여 알킨 디올 계면활성제가 없는 조성물과 비교한 본 발명의 연마 조성물의 효과를 예시한다.
pH가 2.3이고 글리신 1600 ppm, 말론산 270 ppm 및 칼륨 술페이트 560 ppm을 포함하는 수성 담체 중 1,000 ppm의 술피놀® 104 알킨 디올 계면활성제 4.8 중량% 콜로이드성 실리카 (평균 입도 40 nm)를 포함하는 본 발명의 조성물을 사용하여, TEOS, 질화규소 텅스텐 및 폴리규소의 블랭킷 웨이퍼를 개별적으로 화학적으로 기계적으로 연마하였다. 3.5 psi의 하향력, 60 rpm의 플레튼 속도, 65 rpm의 캐리어 속도 및 150 mL/분의 슬러리 공급 속도의 연마 조건 하에서 에픽® D100 연마 패드를 사용하여 벤치탑 연마기 위에서 연마를 수행하였다 (2 중량%의 과산화수소를 CMP 조성물에 첨가함). 비교하기 위해, 동일한 제형물을 포함하지만 알킨 디올이 없는 3종의 비교 조성물로 동일한 유형의 웨이퍼를 연마하였다. 실시예 A는 계면활성제를 포함하지 않았다. 실시예 B는 실시예 A와 동일한 CMP 조성물을 사용하였지만, 단지 0.5 중량%의 과산화수소를 포함하였다. 실시예 C는 알킨 디올 대신 1,000 ppm의 실웨트® (SILWET®) L7280 비이온성 계면활성제 (알콕시화된 헵타메틸트리실록산 계면활성제)를 포함하였다.
평가한 각각의 유형의 웨이퍼 및 각각의 조성물에 대해 관찰된 제거 속도 대 계면활성제 농도를 도 3에 그래프로 나타냈다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 D (본 발명의 조성물)는 실시예 A 및 실시예 B와 필적하는 양호한 질화규소, W 및 TEOS 제거 속도를 제공하였지만, 폴리규소 제거 속도가 실시예 A 및 실시예 B에 비해 상당히 감소되었다. 대조적으로, 실시예 C (실웨트® L7280 함유)는 폴리규소 제거를 억제하였지만, 또한 질화규소, 텅스텐 및 TEOS 제거를 유의하게 그리고 바람직하지 않게 억제하였다.
실시예 3
본 실시예는 폴리규소 제거의 억제에 대해 여러 계면활성제의 효과를 예시한다.
1,000 ppm의 다양한 계면활성제를 포함하는 많은 연마 조성물을 사용하여, 유사한 폴리규소 블랭킷 웨이퍼 (1.6 인치 x 1.6 인치)를 개별적으로 화학적으로 기계적으로 연마하였다. 각각의 연마 조성물은 pH가 2.3이고 글리신 1600 ppm, 말론산 270 ppm 및 칼륨 술페이트 560 ppm을 포함하는 수성 담체 중 4.8 중량% 콜로이드성 실리카 (평균 입도 20 nm)를 또한 함유하였다. 2 psi의 하향력, 115 rpm의 플레튼 속도, 60 rpm의 캐리어 속도 및 125 mL/분의 슬러리 공급 속도의 연마 조건하에서 에픽® D100 연마 패드를 사용하여 벤치탑 연마기 위에서 연마를 수행하였다 (1 중량%의 과산화수소를 각각의 CMP 조성물에 첨가함). 평가한 계면활성제는 술피놀® 104, 술피놀® 440, 술피놀® 485, 술피놀® 61 (비교 알킨 모노알코올), 술피놀® DF110D, 디놀® 604 및 아이게팔® (IGEPAL®) CO890 (알킬페놀 에톡시레이트 비교 계면활성제)이었다. 각각의 계면활성제 농축물을 이용하여 얻은 폴리규소 제거 속도 억제의 백분율을 도 4에 그래프로 나타냈다. 계면활성제를 사용하여 얻은 속도를 계면활성제의 부재하에 얻어진 속도와 비교하여 억제율을 측정하였다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성물을 사용하여 10% 내지 50% 또는 그를 초과하는 폴리규소 제거 속도 억제율을 얻은 반면, 아이게팔® CO890을 사용하였을 때는 억제되지 않았고 술피놀® 61을 사용하였을 때는 억제율이 10% 미만이었다.

Claims (20)

  1. 알킨-디올, 알킨 디올 에톡시레이트 또는 이들의 배합물을 포함하는 10 내지 10,000 ppm의 계면활성제를 함유하는 수성 담체 중에 현탁된 0.01 내지 15 중량%의 연마제 입자를 포함하고, 질화규소-함유 기판으로부터의 폴리규소 제거를 억제하면서 질화규소-함유 기판을 연마하기에 적합한 화학적 기계적 연마 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 수성 담체의 pH가 최대 10인 것인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 수성 담체의 pH가 1 내지 4의 범위인 것인 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 연마제 입자가 콜로이드성 실리카를 포함하는 것인 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 1종 이상의 카르복실산-함유 첨가제 10 내지 100,000 ppm을 추가로 포함하는 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 1종 이상의 카르복실산-함유 첨가제가 말론산, 글리신 또는 이들의 배합물을 포함하는 것인 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 계면활성제가 20 내지 1,000 ppm의 농도로 존재하는 것인 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 계면활성제가 하기 화학식 (I)의 알킨 디올 화합물 및/또는 알킨 디올 화합물 몰당 1 내지 40 몰의 에틸렌옥시 단위를 포함하는 그의 에톡시레이트를 포함하는 것인 조성물.
    <화학식 (I)>
    Figure pct00002

    상기 식에서,
    각각의 R1 및 R2는 독립적으로 H 또는 메틸이고,
    각각의 R3 및 R4는 독립적으로 C1 내지 C22의 알킬기이다.
  9. 제1항에 있어서, 유기 또는 무기 염 첨가제를 추가로 포함하는 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 염 첨가제가 칼륨 술페이트를 포함하는 것인 조성물.
  11. 알킨-디올, 알킨 디올 에톡시레이트 또는 이들의 배합물을 포함하는 10 내지 10,000 ppm의 계면활성제를 함유하는 수성 담체 중에 현탁된 0.01 내지 15 중량%의 연마제 입자를 포함하는 CMP 조성물을 사용하여 질화규소- 및 폴리규소-함유 기판의 표면을 마멸시키는 것을 포함하는, 반도체 기판의 표면으로부터 폴리규소보다 질화규소를 우선적으로 제거하기 위한 반도체 기판의 연마 방법.
  12. 제11항에 있어서, 연마가 과산화수소의 존재하에 수행되는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, CMP 조성물 중의 계면활성제가 하기 화학식 (I)의 알킨 디올 화합물 및/또는 알킨 디올 화합물 몰당 1 내지 40 몰의 에틸렌옥시 단위를 포함하는 그의 에톡시레이트를 포함하는 것인 방법.
    <화학식 (I)>
    Figure pct00003

    상기 식에서,
    각각의 R1 및 R2는 독립적으로 H 또는 메틸이고,
    각각의 R3 및 R4는 독립적으로 C1 내지 C22의 알킬기이다.
  14. 제11항에 있어서, 마멸이
    (a) 기판의 표면을 연마 패드 및 CMP 조성물과 접촉시키고,
    (b) CMP 조성물의 일부분을 연마 패드와 기판 사이에서 기판의 표면과 접촉시키면서 기판의 표면으로부터 질화규소를 마멸시키기에 충분한 시간 동안 연마 패드와 기판 간의 상대적인 움직임을 야기함으로써,
    수행되는 것인 방법.
  15. 제11항에 있어서, 조성물이 1종 이상의 카르복실산-함유 첨가제 10 내지 100,000 ppm을 추가로 포함하는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 1종 이상의 카르복실산-함유 첨가제가 말론산, 글리신 또는 이들의 배합물을 포함하는 것인 방법.
  17. 제11항에 있어서, 조성물이 유기 또는 무기 염 첨가제를 추가로 포함하는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 염 첨가제가 칼륨 술페이트를 포함하는 것인 방법.
  19. 제11항에 있어서, 수성 담체의 pH가 최대 10인 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 수성 담체의 pH가 1 내지 4의 범위인 것인 방법.
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