KR20130103513A - 연마용 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 연마용 조성물은 콜로이달 실리카를 함유한다. 콜로이달 실리카의 평균 종횡비를 A(무차원), 콜로이달 실리카의 평균 입경을 D(단위: nm), 콜로이달 실리카의 입경의 표준편차를 E(단위: nm), 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율을 F(단위: %)라고 했을 때, 식: A×D×E×F로 구해지는 값은 350,000 이상이다. 또한, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율은 90% 이상이다.
Description
본 발명은 반도체 디바이스 재료를 포함하는 연마 대상물, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 비롯한 반도체 웨이퍼를 연마하는 용도로 주로 사용되는 연마용 조성물에 관한 것이다.
종래, 보다 높은 연마 속도를 얻는 것을 주된 목적으로 하여, 비구형의 콜로이달 실리카나 바이모달의 입경 분포를 갖는 콜로이달 실리카를 연마용 조성물의 지립 (砥粒)으로서 사용하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조).
그러나, 침강 안정성도 포함하는 종합적인 특성에 관하여 보다 양호한 콜로이달 실리카에 대한 요구는 여전히 높다.
따라서 본 발명의 목적은 우수한 연마 속도와 침강 안정성을 모두 갖는 콜로이달 실리카를 포함하는 연마용 조성물을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 형태에서는, 콜로이달 실리카를 함유하는 연마용 조성물로서, 콜로이달 실리카의 평균 종횡비를 A(무차원), 콜로이달 실리카의 평균 입경을 D(단위: nm), 콜로이달 실리카의 입경의 표준편차를 E(단위: nm), 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율을 F(단위: %)라고 했을 때, 식: A×D×E×F로 구해지는 값이 350,000 이상이고, 또한 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 연마용 조성물을 제공한다.
상기 형태에서, 콜로이달 실리카의 종횡비의 표준편차를 B(무차원)라고 했을 때, 식: A×B×D×E×F로 구해지는 값은 30,000 이상인 것이 바람직하다.
상기 형태에서, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 50 nm 이상이면서 또한 종횡비가 1.2 이상인 입자의 부피 비율은 50% 이상인 것이 바람직하다.
상기 형태에서, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 300 nm를 초과하는 입자의 부피 비율은 2% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 우수한 연마 속도와 침강 안정성을 모두 갖는 콜로이달 실리카를 포함하는 연마용 조성물을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를 설명한다.
본 실시 형태의 연마용 조성물은 적어도 콜로이달 실리카를 함유하고, 반도체 디바이스 재료를 포함하는 연마 대상물, 예를 들면 실리콘 웨이퍼나 화합물 반도체 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼, 또는 웨이퍼 상에 형성된 유전체 물질 또는 도전체 물질의 막을 연마하는 용도로 주로 사용된다.
연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 평균 종횡비를 A(무차원), 콜로이달 실리카의 평균 입경을 D(단위: nm), 콜로이달 실리카의 입경의 표준편차를 E(단위: nm), 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율을 F(단위: %)라고 했을 때, 이들의 곱, 즉 A×D×E×F의 값은 350,000 이상인 것이 필수이며, 바람직하게는 370,000 이상이다. 또한, 콜로이달 실리카의 종횡비의 표준편차를 B(무차원)라고 했을 때, A×B×D×E×F의 값은 30,000 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 60,000 이상이다.
콜로이달 실리카 중의 각 입자의 종횡비는 주사형 전자 현미경에 의한 해당 입자의 화상에 외접하는 최소의 직사각형의 긴 변의 길이를 동일 직사각형의 짧은 변의 길이로 나눔으로써 구할 수 있다. 콜로이달 실리카의 평균 종횡비 및 종횡비의 표준편차는 주사형 전자 현미경의 시야 범위 내에 있는 복수의 입자의 종횡비의 평균치 및 표준편차이며, 이들은 일반적인 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 구할 수 있다.
콜로이달 실리카 중의 각 입자의 입경은 주사형 전자 현미경에 의한 해당 입자의 화상의 면적을 계측하고, 그와 동일한 면적의 원의 직경으로서 구할 수 있다. 콜로이달 실리카의 평균 입경 및 입경의 표준편차는 주사형 전자 현미경의 시야 범위 내에 있는 복수의 입자의 입경의 평균치 및 표준편차이며, 이들도 일반적인 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 구할 수 있다.
A×D×E×F의 값이 350,000 이상인 경우, 더 말하자면 370,000 이상인 경우에는, 콜로이달 실리카의 평균 종횡비가 비교적 높고, 또한 콜로이달 실리카 중에 연마에 유효한 크기의 입자가 비교적 많이 포함되고, 또한 콜로이달 실리카의 입경 분포가 비교적 넓은 것을 이유로, 높은 연마 속도를 얻는 것이 가능해진다.
A×B×D×E×F의 값이 30,000 이상인 경우, 더 말하자면 60,000 이상인 경우에는, 콜로이달 실리카의 종횡비의 분포가 비교적 더 넓은 것을 이유로, 연마용 조성물에 의한 연마 속도를 보다 향상시킬 수 있다.
콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율(F)은 90% 이상인 것이 필수이며, 바람직하게는 95% 이상이다. 이 값이 90% 이상인 경우, 더 말하자면 95% 이상인 경우에는, 콜로이달 실리카 중에 침강하기 쉬운 조대 (粗大) 입자가 적은 것을 이유로, 높은 침강 안정성을 얻는 것이 가능해진다. 연마용 조성물의 침강 안정성이 떨어지는 경우에는, 연마용 조성물을 이용하여 연마한 후의 연마 대상물의 표면에 다수의 스크래치가 생기거나, 해당 표면의 평활성이 양호하지 않거나, 연마 중의 연마용 조성물의 공급 안정성이 얻어지지 않고 연마 속도가 안정되지 않는 등의 문제의 원인이 된다. 또한, 콜로이달 실리카 중의 각 입자의 부피는 앞서 설명한 방법으로 구해지는 해당 입자의 입경을 직경으로 하는 구의 부피로서 구할 수 있다.
콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 50 nm 이상이면서 또한 종횡비가 1.2 이상인 입자의 부피 비율은 50% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 60% 이상이다. 이 값이 50% 이상인 경우, 더 말하자면 60% 이상인 경우에는, 콜로이달 실리카 중에 연마에 특히 유효한 크기 및 종횡비의 입자가 비교적 많이 포함되는 것을 이유로, 연마용 조성물에 의한 연마 속도를 보다 향상시킬 수 있다.
콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 300 nm를 초과하는 입자의 부피 비율은 2% 미만인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5% 미만이다. 이 값이 2% 미만인 경우, 더 말하자면 1.5% 미만인 경우에는, 연마용 조성물의 침강 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.
연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일반적으로는 0.1 내지 20 질량%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.0 내지 15 질량%, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 10 질량%이다.
연마용 조성물의 pH는 연마 대상물의 종류에 따라서 적절히 설정된다. 연마용 조성물의 pH는 예를 들어 연마 대상물이 실리콘 웨이퍼인 경우에는 10 내지 12인 것이 바람직하고, 비화갈륨 등의 화합물 반도체인 경우에는 6 내지 10인 것이 바람직하고, 반도체 디바이스인 경우에는 2 내지 11인 것이 바람직하다. 연마 대상물이 유리인 경우에는, 연마용 조성물의 pH는 2 내지 4 또는 9 내지 11의 범위인 것이 바람직하다. pH의 조정은 알칼리 또는 산을 연마용 조성물에 첨가함으로써 행할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면 이하의 이점이 얻어진다.
·본 실시 형태의 연마용 조성물 중에 포함되는 콜로이달 실리카의 평균 종횡비 A(무차원), 평균 입경 D(단위: nm), 입경의 표준편차 E(단위: nm) 및 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 함유율 F(단위: %)의 곱(A×D×E×F의 값)은 350,000 이상이다. 이에 따라, 콜로이달 실리카의 평균 종횡비가 비교적 높고, 또한 콜로이달 실리카 중에 연마에 유효한 크기의 입자가 비교적 많이 포함되고, 또한 콜로이달 실리카의 입경 분포가 비교적 넓은 것을 이유로, 본 실시 형태의 연마용 조성물은 높은 연마 속도로 연마 대상물을 연마할 수 있다. 또한, 연마용 조성물 중에 포함되는 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율이 90% 이상인 것에 의해, 콜로이달 실리카 중에 침강하기 쉬운 조대 입자가 적은 것을 이유로, 본 실시 형태의 연마용 조성물은 높은 침강 안정성을 갖는다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 우수한 연마 속도와 침강 안정성을 모두 갖는 콜로이달 실리카를 포함한 연마용 조성물을 제공할 수 있다.
상기 실시 형태는 다음과 같이 변경할 수도 있다.
·상기 실시 형태의 연마용 조성물은 공지된 첨가제를 필요에 따라서 더 함유할 수도 있다. 예를 들어, (a) 알칼리금속의 수산화물, 알칼리금속염, 암모니아, 암모늄염, 아민, 아민 화합물, 제4급 암모늄수산화물, 제4급 암모늄염 등의 알칼리, (b) 염산, 인산, 황산, 포스폰산, 질산, 포스핀산, 붕산 등의 무기산 또는 아세트산, 이타콘산, 숙신산, 타르타르산, 시트르산, 말레산, 글리콜산, 말론산, 메탄술폰산, 포름산, 말산, 글루콘산, 알라닌, 글리신, 락트산, 히드록시에틸리덴 디포스폰산 (HEDP), 니트릴로트리스[메틸렌 포스폰산] (NTMP), 포스포노부탄 트리카르복실산 (PBTC) 등의 유기산, (c) 비이온성, 음이온성, 양이온성 또는 양성의 계면활성제, (d) 수용성 셀룰로오스, 비닐계 중합체, 폴리알킬렌옥시드 등의 수용성 중합체, (e) 폴리아민, 폴리포스폰산, 폴리아미노카르복실산, 폴리아미노포스폰산 등의 킬레이트제, (f) 과산화수소, 과산화물, 옥소산, 산성금속염 화합물 등의 산화제, (g) 살진균제, 살균제, 살생물제 등의 그 밖의 첨가제 중 어느 하나를 함유할 수도 있다.
·상기 실시 형태의 연마용 조성물은 연마용 조성물의 원액을 물로 희석함으로써 제조될 수도 있다.
·상기 실시 형태의 연마용 조성물은 반도체 디바이스 재료를 포함하는 연마 대상물을 연마하는 이외의 용도로 사용될 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명한다.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 10에서는, 콜로이달 실리카 슬러리를 순수로 희석한 후, 48 질량% 수산화칼륨 수용액을 이용하여 pH 11.0으로 조정함으로써 연마용 조성물을 제조하였다. 모든 연마용 조성물의 경우에도 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 함유량은 10.0 질량%이다. 각 예의 연마용 조성물 중에 포함되는 콜로이달 실리카의 상세, 각 예의 연마용 조성물을 이용하여 측정한 연마 속도의 값 및 각 예의 연마용 조성물의 침강 안정성을 평가한 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1의 "평균 종횡비" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 평균 종횡비를 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "종횡비의 표준편차" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 종횡비의 표준편차를 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "입경이 50 nm 이상이면서 또한 종횡비가 1.2 이상인 입자의 부피 함유율" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 50 nm 이상이면서 또한 종횡비가 1.2 이상인 입자의 부피 비율을 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "평균 입경" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 평균 입경을 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "입경의 표준편차" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 입경의 표준편차를 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 함유율" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율을 측정한 결과를 나타낸다.
표 1의 "A×D×E×F" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 평균 종횡비, 평균 입경, 입경의 표준편차 및 입경이 1 내지 300 nm 인 입자의 부피 함유율을 곱함으로써 얻어지는 값을 나타낸다.
표 1의 "A×B×D×E×F" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 중의 콜로이달 실리카의 평균 종횡비, 종횡비의 표준편차, 평균 입경, 입경의 표준편차 및 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 함유율을 곱함으로써 얻어지는 값을 나타낸다.
표 1의 "연마 속도" 란에는, 각 예의 연마용 조성물을 이용하여, PE-TEOS (플라즈마-개선된 테트라에틸 오르쏘실리케이트: plasma-enhanced tetraethyl orthosilicate) 블랭킷 웨이퍼의 표면을 표 2에 기재된 연마 조건으로 연마했을 때의 연마 속도를 나타낸다. 연마 속도의 값은 정밀 전자 천칭을 이용하여 측정되는 연마 전후의 웨이퍼의 중량의 차에 기초하여, 이하의 계산식에 따라서 구하였다.
연마 속도[Å/분]=연마 전후의 웨이퍼의 중량의 차[g]/연마 시간[분]/웨이퍼 표면의 면적[㎠](=20.26 ㎠)/TEOS의 진밀도[g/㎤](=2.2 g/㎤)×108
표 1의 "침강 안정성" 란에는, 각 예의 연마용 조성물 250 mL를 덮개가 달린 투명 수지 용기에 넣고, 덮개를 닫아 실온 하에서 5일간 정치한 후에, 용기의 바닥부를 관찰하여 고형의 응집물의 유무를 조사함으로써, 연마용 조성물의 침강 안정성을 평가한 결과를 나타낸다. 동란 중의 "불량"은 용기의 바닥부의 전체에 걸쳐서 응집물이 인지된 것을 나타내고, "약간 불량"은 용기의 바닥부의 전체에 걸친 것은 아니지만 응집물이 인지된 것, "양호"는 응집물이 인지되지 않은 것을 나타낸다.
표 1에 도시되는 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 연마용 조성물을 사용한 경우에는 모두 3800Å/분 전후의 높은 연마 속도가 얻어졌다. 또한, 실시예 1 내지 3의 연마용 조성물은 침강 안정성도 양호하였다. 이에 반해 A×D×E×F의 값이 350,000 미만인 비교예 1, 3 내지 10의 연마용 조성물을 사용한 경우에는 연마 속도에 관하여 얻어진 값은 낮았다. 또한, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm 인 입자의 부피 비율이 90% 미만인 비교예 2의 연마용 조성물을 사용한 경우에는, 침강 안정성이 양호하지 않았다.
Claims (4)
- 콜로이달 실리카를 함유하는 연마용 조성물이며, 콜로이달 실리카의 평균 종횡비를 A(무차원), 콜로이달 실리카의 평균 입경을 D(단위: nm), 콜로이달 실리카의 입경의 표준편차를 E(단위: nm), 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율을 F(단위: %)라고 했을 때, 식: A×D×E×F로 구해지는 값이 350,000 이상이며, 또한 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 1 내지 300 nm인 입자의 부피 비율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 연마용 조성물.
- 제1항에 있어서, 콜로이달 실리카의 종횡비의 표준편차를 B(무차원)라고 했을 때 식: A×B×D×E×F로 구해지는 값이 30,000 이상인 연마용 조성물.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 50 nm 이상이면서 또한 종횡비가 1.2 이상인 입자의 부피 비율이 50% 이상인 연마용 조성물.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 콜로이달 실리카 중에 차지하는 입경이 300 nm를 초과하는 입자의 부피 비율이 2% 미만인 연마용 조성물.
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