KR20130069994A - Ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CMP 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정 중 웨이퍼 (wafer)와 같은 반도체 소자를 평탄화시키는 연마 공정에 사용되는 CMP 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 친수성기; 친유성기; 및 라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제를 포함하는 CMP 슬러리 조성물이다.
Description
본 발명은 CMP 슬러리 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조 공정 중 웨이퍼 (wafer)와 같은 반도체 소자를 평탄화시키는 연마 공정(이하, 'CMP (Chemical Mechanical Polishing) 공정'과 혼용)에 사용되는 CMP 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화 및 고성능화에 따라 배선 패턴의 선폭은 더욱 미세해지고 구조는 점점 다층화되는 추세이다. 포토리소그래피 (photolithography)의 정밀도 향상을 위해서 각 공정에서의 층간 평탄도가 매우 중요한 요소로 작용하고 있다. 이러한 평탄화 기술로서, 현재 가장 각광받고 있는 것이 CMP이며, CMP는 연마 대상 물질에 따라, 산화막 (oxide) CMP, 금속 (metal) CMP, 폴리실리콘 (poly -Si) CMP 등으로 분류되기도 한다.
산화막을 연마하는 CMP가 적용되는 반도체 공정은 대표적으로, ILD (Interlayer Dielectric) 공정과 STI (Shallow Trench Isolation) 공정을 들 수 있다. ILD 공정은 층간 절연을 위해 과량으로 성막된 실리콘 산화막 (silicon oxide)을 제거하기 위한 공정이고, STI 공정은 칩 (Chip) 간의 절연을 위해 트렌치 (trench)를 형성하여 소자 분리를 하는 공정이다.
산화막을 연마하기 위해 초기에는 실리카 (SiO2) 슬러리가 주로 사용되었으나, 디자인 룰 (design rule)이 작아지고 소자가 박막화되어 고평탄화가 필요하게 됨에 따라 이종 (異種)의 막이 존재하는 웨이퍼에 대한 연마 선택비가 높은 산화세륨 (CeO2) 슬러리를 적용하게 되었다. 즉, 산화세륨 슬러리는 실리콘 산화막에 대한 연마 속도는 높고, 실리콘 질화막 (Silicon Nitride, Si3N4)에 대한 연마속도는 매우 낮아 단차가 있는 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 연마할 경우 실리콘 산화막은 연마되고, 실리콘 질화막에서는 연마가 종료되는 식각 종료 기능을 가지는 것이 특징이다. 따라서, 이러한 산화세륨 슬러리를 산화막 CMP에 적용함으로써,광역 평탄화 (global planarization) 및 연마두께의 정밀한 제어가 가능하게 되었다.
그런데 최근 반도체 소자의 고집적화 및 고밀도화가 더욱 높은 수준으로 요구되고, 이에 따라 배선 패턴의 선폭이 더욱더 미세해지고, 소자가 더욱 박막화되어가면서, 웨이퍼 표면에 발생할 수 있는 스크래치 (Scratch)의 중요성이 증가되고 있다. 스크래치 레벨 (level)은 생산 수율과 직결되기 때문에 점점 더 낮은 스크래치 특성을 가지는 슬러리의 요구가 커지고 있다. 이러한 스크래치의 발생원인은 여러 가지가 있을 수 있지만 가장 큰 영향을 주는 것은 슬러리에 주원료인 입자이다.
본 발명의 목적은, 이종 (異種) 막을 포함하는 반도체 소자 연마 공정에서의 연마 선택비를 극대화하고, 분산성이 우수하고, 연마 과정에서 디싱 및 에로젼에 의하여 발생 가능한 스크래치의 발생을 억제하여 반도체 소자의 표면 결함을 감소시키는 CMP 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은, 친수성기; 친유성기; 및 라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제이다.
상기 친수성기는, -SO3H, -COOH, -NH2, -SO3, -NH4, -OH, -OSO3H 및 -OPO3H2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 친유성기는, RCOO-, RO-, 방향족 탄화수소기, 할로젠알킬기 및 사슬모양의 탄화수소기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있고, 상기 라디칼기는, -CH2=CH2-, -N≡N- 및 -N=C=O-로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함 할 수 있다.
상기 반응성 계면활성제는 전체 CMP 슬러리 조성물 중 0.1 ~ 10 중량%로 포함 할 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은 입자를 포함하고, 상기 입자의 직경은 30 ~ 500 ㎚일 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은, 산화세슘 입자; 연마 성능 증진제; 및 pH 조절제를 더 포함 할 수 있다.
상기 연마 성능 증진제는, 포름산, 아세트산, 락틱산, 프로피온산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산, 녹타노익산, 옥살산, 말릭산, 글루탐산, 타르타르산, 말론산, 푸마르산, 타르타르산, 시트르산, 글리콜산, 숙신산 및 부티르산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 pH 조절제는 트리메탄올아민 (Trimetanolamine), 트리에탄올아민 (Trietanolamine), 트리메틸암모늄하이드록사이드 (Trimethylammonium hydroxide), 트리에틸암모늄 하이드록사이드 (Triethylammonium hydroxide), 디메틸벤질아민 (Dimethylbenzylamine), 에톡시벤질아민 (Ethoxybenzyl amine) 및 수산화 칼륨 (Potassium hydroxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은, 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 지르코니아 (ZrO2) 및 티타니아 (TiO2)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은 이종 (異種)의 산화막 및 질화막을 포함하는 반도체 소자 연마 공정의 연마제일 수 있다.
본 발명의 연마방법은 상기의 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 반도체 웨이퍼를 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명은 이종 (異種) 막을 포함하는 웨이퍼와 같은 반도체 소자의 연마 공정에 있어서, 이종 (異種) 막에 대한 연마 선택비가 높은 동시에, 분산성이 우수하고, 연마 과정에서 발생 가능한 스크래치 (특히 마이크로 스크래치)의 발생을 억제하여 반도체 소자의 표면 결함을 감소시키는 CMP 슬러리 조성물 및 이를 이용한 표면 결함 없는 광역 평탄화 및 연마두께 정밀제어가 가능한 연마방법을 제공한다.
도 1은 다양한 pH 범위에서의 비교예 및 실시예 1, 2의 CMP 슬러리 조성물의 분산도 측정 결과이다.
도 2는 비교예 및 실시예 1의 슬러리를 이용한 연마면의 표면 결합을 나타내는 이미지이다.
도 2는 비교예 및 실시예 1의 슬러리를 이용한 연마면의 표면 결합을 나타내는 이미지이다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 친수성기; 친유성기; 및 라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제를 포함하는 것이다. 친수성 기 및 친유성기 뿐만 아니라, 라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제를 포함함으로써, 이종 막에 대한 연마선택비가 더욱 향상된다.
상기 친수성기는, 예를 들어, -SO3H, -COOH, -NH2, -SO3, -NH4, -OH, -OSO3H, -OPO3H2 등일 수 있고, 상기 친유성기는, 예를 들어, RCOO-, RO-, 방향족 탄화수소기, 할로젠알킬기, 사슬모양의 탄화수소기 등 일 수 있다.
상기 라디칼기는, 예를 들어, -CH2=CH2-, -N≡N-, -N=C=O- 등일 수 있다.
상기 반응성 계면활성제는 전체 CMP 슬러리 조성물 중 0.1 ~ 10 중량%로 포함할 수 있다. 반응성 계면활성제가 0.1 중량%보다 작게 포함되면 분산안정성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 10 중량%보다 많이 포함되면 계면활성제의 과량 투입에 의한 연마입자의 응집이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은 입자를 포함하고, 상기 입자의 직경은 30 ~ 500 ㎚일 수 있다. CMP 슬러리 조성물 내의 입자가 30 ㎚보다 작으면 연마속도의 저하로 wafer표면의 미연마가 발생하는 문제가 있을 수 있고, 500 ㎚ 보다 크면 연마 시 웨이퍼 표면에 스크래치가 발생하는 문제가 있을 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은, 산화세슘 입자; 연마 성능 증진제; 및 pH 조절제를 더 포함할 수 있고, 상기 연마 성능 증진제는, 예를 들어, 포름산, 아세트산, 락틱산, 프로피온산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산, 녹타노익산, 옥살산, 말릭산, 글루탐산, 타르타르산, 말론산, 푸마르산, 타르타르산, 시트르산, 글리콜산, 숙신산, 부티르산 등일 수 있고, 상기 pH 조절제는, 예를 들어, 트리메탄올아민 (Trimetanolamine), 트리에탄올아민 (Trietanolamine), 트리메틸암모늄하이드록사이드 (Trimethylammonium hydroxide), 트리에틸암모늄 하이드록사이드 (Triethylammonium hydroxide), 디메틸벤질아민 (Dimethylbenzylamine), 에톡시벤질아민 (Ethoxybenzyl amine), 수산화 칼륨 (Potassium hydroxide) 등일 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은, 예를 들어, 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 지르코니아 (ZrO2), 티타니아 (TiO2) 등의 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은 이종 (異種)의 막, 특히 산화막 및 질화막을 포함하는 반도체 소자 연마 공정의 연마제일 수 있다. 산화막에 대하여는 연마 속도가 높고, 질화막에 대해서는 연마 속도가 낮아 양 막에 대한 연마선택비가 높은 특성을 나타내어, 산화막 및 질화막을 포함하는 반도체 소자의 연마제로 사용하기에 적합하다.
한편, 본 발명의 연마방법은, 상기의 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 반도체 웨이퍼를 연마하는 단계를 포함하는 것이다.
이하 실시예 및 도면를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 이는 설명을 위한 예시일뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
고상법에 의하여 합성된 고순도 세리아 분말 4.5 kg을 사용하여 제1 세리아 슬러리를 제조하였다. 우선 음이온계 분산제로서 음이온성의 반응성 계면활성제 SR-10 (Adeka社)을 세리아 분말 대비 1 중량%만큼 초순수 40.5 kg에 넣고 고전단 혼합기에서 충분히 혼합하였다. 이어서, 음이온계 분산제가 균일하게 혼합된 초순수 혼합물에 고순도 세리아 분말 4.5 kg을 넣고 고전단 혼합기에서 충분한 습식 (wetting)을 위하여 1시간 이상 혼합하였다. 그 후, 혼합된 10 중량% 슬러리를 패스형 밀링 방식을 이용하여 밀링하였다. 밀링에 의해 입자 크기를 원하는 범위로 조절하고 또한 응집된 슬러리를 분산시켰다. 이어서 필터링을 하여 거대 입자를 제거한 후 세리아 슬러리를 제조하였다.
실시예
2
실시예 1에서 음이온계 반응성 계면활성제로 SR-10대신 SR-10보다 EO몰수가 높은 SR-20 (Adeka社)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다.
비교예
1
다른 조건은 실시예 1과 동일하게 하되, 라디칼기를 갖는 음이온성의 반응성 계면활성제가 아닌 암모늄 폴리메타아크릴레이트로 분산하였다.
도 1은 다양한 pH 범위에서의 비교예 및 실시예 1, 2의 CMP 슬러리 조성물의 분산도 측정 결과이다. 도 1에서 확인되듯이, 본 발명의 실시예 1 및 2의 CMP 슬러리 조성물은 pH가 낮은 범위에서도 비교예의 CMP 슬러리 조성물보다 상대적으로 제타 전위가 낮게 나타나고, 넓은 PH 영역에서 분산안정성이 더욱 잘 유지되는 것을 알 수 있다. 이를 통해 CMP 연마 진행시 화학적 첨가제의 혼합에 따른 분산안정성 저하에 의한 particle 응집에 의한 스크래치를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
이렇게 제조된 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 평판 웨이퍼를 연마하였다. 연마 조건은 아래와 같다.
- 연마기 : UNIPLA 231 (Doosan Mechatech社)
- 연마패드 : IC1000 (Rohm & Hass社)
- 연마시간 (Polishing time) : 60 sec
- Platen rpm : 24 rpm
- Head rpm : 55 rpm
- Flow rate : 200 ml/min.
- Pressure : 4.5 psi
상기 연마방법에 의해서 연마된 웨이퍼를 NH4OH 및 HF용액을 사용하여 표면을 세정하고 SC1 Defect 측정 장비 (KLA-Tencor社)를 이용하여 스크래치를 측정하였다.
실시예 1, 2 및 비교예의 조건 및 측정 결과는 아래의 표 1과 같다. 지립 농도는 0.70%로 통일하였고, pH는 모두 6.5였다.
| 화학물 | 투입량 (g) |
SiO2 R.R (nm/m) |
Si3N4 R.R (nm/m) |
선택비 | Oxide uniformity (thickness편차) |
Nitride uniformity (thickness 편차) |
| 비교예 | 0.5 | 2615 | 73 | 36 | 180 | 2 |
| 1.0 | 2430 | 71 | 34 | 134 | 3 | |
| 2.0 | 2216 | 70 | 32 | 116 | 2 | |
| 실시예 1 | 0.5 | 2621 | 69 | 38 | 162 | 2 |
| 1.0 | 2872 | 64 | 45 | 123 | 1 | |
| 2.0 | 2986 | 61 | 49 | 106 | 2 | |
| 실시예 2 | 0.5 | 2715 | 68 | 40 | 135 | 2 |
| 1.0 | 2934 | 63 | 47 | 113 | 1 | |
| 2.0 | 3062 | 63 | 49 | 98 | 2 |
라디칼기를 함유하지 않은 비교예의 음이온성의 계면활성제 암모늄 폴리메타 아크릴레이트보다 실시예 1 및 실시예 2의 라디칼기를 함유하는 음이온성의 반응성 계면할성제 (SR-10, SR-20)를 포함하는 CMP 슬러리 조성물을 이용하는 경우 산화막의 연마속도가 증가하였으며, 질화막의 연마속도가 감소하며, EO몰수가 증가함에 따라 연마선택비가 증가하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 2는 비교예 및 실시예 1의 슬러리 조성물 (투입량 1 중량%)을 이용한 연마면의 표면 상태를 나타내는 이미지이다.
도 2를 통하여 비교예의 슬러리 조성물을 이용하는 경우보다 본 발명에 따른 실시예 1의 슬러리 조성물을 이용한 연마의 경우 스크래치가 현저히 감소하여 표면 결함이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명과 같이 CMP 슬러리 조성물이 친수성기 및 친유성기 뿐만 아니라 라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제를 포함하게 되면, 산화막과 질화막의 이종막을 갖는 반도체 소자의 연마에 있어서, 연마선택비가 높아지고, CMP 조성물의 분산성이 향상되고, 연마 과정에서 스크래치 발생이 감소하게 된다.
Claims (12)
- 친수성기;
친유성기; 및
라디칼기를 포함하는 반응성 계면활성제
를 포함하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 친수성기는, -SO3H, -COOH, -NH2, -SO3, -NH4, -OH, -OSO3H 및 -OPO3H2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 친유성기는, RCOO-, RO-, 방향족 탄화수소기, 할로젠알킬기 및 사슬모양의 탄화수소기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 라디칼기는, -CH2=CH2-, -N≡N- 및 -N=C=O-로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 반응성 계면활성제는 전체 CMP 슬러리 조성물 중 0.1 ~ 10 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 CMP 슬러리 조성물은 입자를 포함하고, 상기 입자의 직경은 30 ~ 500 ㎚인 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 CMP 슬러리 조성물은, 산화세슘 입자; 연마 성능 증진제; 및 pH 조절제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제7항에 있어서, 상기 연마 성능 증진제는, 포름산, 아세트산, 락틱산, 프로피온산, 펜타노익산, 헥사노익산, 헵타노익산, 녹타노익산, 옥살산, 말릭산, 글루탐산, 타르타르산, 말론산, 푸마르산, 타르타르산, 시트르산, 글리콜산, 숙신산 및 부티르산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제7항에 있어서, 상기 pH 조절제는 트리메탄올아민 (Trimetanolamine), 트리에탄올아민 (Trietanolamine), 트리메틸암모늄하이드록사이드 (Trimethylammonium hydroxide), 트리에틸암모늄 하이드록사이드 (Triethylammonium hydroxide), 디메틸벤질아민 (Dimethylbenzylamine), 에톡시벤질아민 (Ethoxybenzyl amine) 및 수산화 칼륨 (Potassium hydroxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제7항에 있어서, 상기 CMP 슬러리 조성물은, 실리카 (SiO2), 알루미나 (Al2O3), 지르코니아 (ZrO2) 및 티타니아 (TiO2)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 CMP 슬러리 조성물은 이종 (異種)의 산화막 및 질화막을 포함하는 반도체 소자 연마 공정의 연마제인 것을 특징으로 하는 CMP 슬러리 조성물.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항의 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 반도체 웨이퍼를 연마하는 단계를 포함하는 연마방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110137079A KR20130069994A (ko) | 2011-12-19 | 2011-12-19 | Ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101874996B1 (ko) * | 2016-12-27 | 2018-07-05 | 한남대학교 산학협력단 | 연마효율이 우수한 화학-기계적 연마 슬러리 |
-
2011
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