KR20150044479A - 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents

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윤영호
황진숙
박한터
이혜희
홍승철
김정윤
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주식회사 케이씨텍
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Abstract

본 발명의 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물에 따르면, 상기 연마조절제로서 폴리머 중합체의 함량에 따라 슬러리 조성물의 점도를 조절하고 산성 영역에서 구리막 연마율을 조절하여 산화막/구리막 선택비 조절이 가능할 수 있다. 따라서, 상기 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법을 통해, 신뢰성 및 특성이 우수한 반도체 디바이스의 구리 배선층 등을 보다 효율적으로 형성할 수 있으므로, 고성능의 반도체 디바이스를 얻는데 크게 기여할 수 있다.

Description

구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물{SLURRY COMPOSITION FOR POLISHING COPPER AND OXIDE FILM}
본 발명은 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
최근, 반도체집적회로(large scale integration; LSI)의 고집적화, 고성능화에 따라 새로운 미세 가공 기술이 개발되고 있다. 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing; CMP) 방법도 그 중 하나이고, LSI 제조 공정, 특히 다층 배선 형성 공정에 있어서 층간 절연막의 평탄화, 금속 플러그 형성 및 매립 배선 형성 등에 있어서 빈번하게 이용되는 기술이다.  또한, 최근에는 LSI를 고성능화하기 위해서 배선 재료로서 구리 또는 구리 합금이 사용되고 있다. 그러나, 구리 또는 구리 합금은 종래의 알루미늄 합금 배선의 형성에 빈번하게 사용된 드라이 에칭 방법에 의한 미세가공이 곤란하다. 따라서, 미리 홈이 형성되어 있는 절연막 상에 구리 또는 구리 합금 박막을 퇴적하여 매립하고, 홈 부분 이외의 구리 또는 구리 합금의 박막을 CMP에 의해 제거하여 매립 배선을 형성하는, 다마신(Damascene) 방법이 주로 이용되고 있다.
일반적으로 구리 또는 구리 합금의 배선 형성이나 텅스텐 등의 플러그 배선의 형성과 같은 금속 매립 형성에 있어서, 금속 막질에 대해 높은 연마량을 갖는 1차 연마 슬러리를 사용하여 대부분의 금속 막질을 제거하고, 금속 매립 부분과 유전막에 대해서 동등한 연마속도를 갖는 2차 연마 슬러리를 사용함으로써 디싱(dishing)과 부식(erosion) 등의 표면 결함이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산성 영역에서 구리막과 산화막의 연마율을 조절할 수 있는 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따른 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물은, 연마입자; 구리 착화제; 산화제 및 연마조절제;를 포함한다.
상기 연마입자는, 금속산화물, 상기 금속산화물을 표면개질시킨 무기입자, 및 콜로이달 상태의 상기 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 금속산화물은 실리카, 세리아, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 바륨티타니아, 게르마니아, 망가니아 및 마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 연마입자는, 상기 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%인 것일 수 있다.
상기 연마입자는, 5 nm 내지 100 nm의 1차 입자 및 50 nm 내지 300 nm의 2차 입자를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구리 착화제는, 아민기, 카르복실기 및 아마이드 결합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구리 착화제는, 글라이신, 세린, 아스파라긴, 글루타민 및 아르기닌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구리 착화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.01 중량% 내지 2 중량%인 것일 수 있다.
상기 산화제는, 과산화수소, 과산화항산암모늄, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 산화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 5 중량%인 것일 수 있다.
상기 연마조절제는, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리스티렌-아크릴산 공중합체, 아크릴산-말레산 공중합체, 아크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산-아크릴아미드 공중합체 및 아크릴산-폴리아크릴아마이드 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 연마조절제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 1.0 중량%인 것일 수 있다.
상기 슬러리 조성물은, pH가 2 내지 5인 것일 수 있다.
상기 슬러리 조성물은, 점도가 1.0 내지 2.5 cps인 것일 수 있다.
상기 연마 대상막은 구리 함유막을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물에 따르면, 상기 연마조절제로서 폴리머 중합체의 함량에 따라 슬러리 조성물의 점도를 조절하고 산성 영역에서 구리막 연마율을 조절하여 산화막/구리막 선택비 조절이 가능할 수 있다. 따라서, 상기 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법을 통해, 신뢰성 및 특성이 우수한 반도체 디바이스의 구리 배선층 등을 보다 효율적으로 형성할 수 있으므로, 고성능의 반도체 디바이스를 얻는데 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물을 이용하여 웨이퍼 연마 후 점도에 따른 MRR(material removal rate) 변화를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 제1 측면에 따른 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 (이하, '슬러리 조성물' 이라고 함)은, 연마입자; 구리 착화제; 산화제 및 연마조절제;를 포함한다.
상기 연마입자는, 금속산화물, 상기 금속산화물을 표면개질시킨 무기입자, 및 콜로이달 상태의 상기 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 금속산화물은 실리카, 세리아, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 바륨티타니아, 게르마니아, 망가니아 및 마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 연마입자는, 상기 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%인 것일 수 있다. 상기 연마입자가 0.1 중량% 미만인 경우 산화막 연마 속도가 감소되며, 10 중량% 초과일 경우에는, 연마입자에 의한 결함 발생이 우려된다.
상기 연마입자는, 5 nm 내지 100 nm의 1차 입자 및 50 nm 내지 300 nm의 2차 입자를 포함하는 것일 수 있다. 상기 슬러리 조성물 중 1차 입자의 평균 크기에 있어서, 액상에서 합성하기 때문에 입자 균일성을 확보하기 위해서 100 nm 이하이어야 하며, 5 nm 미만일 경우에는 연마율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
상기 구리 착화제는, 아민기, 카르복실기 및 아마이드 결합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구리 착화제는, 지방족 아미노산, 하이드록실기를 포함하는 비방향족 아미노산, 황을 포함하는 아미노산, 산성 아미노산, 염기성 아미노산, 방향족 아미노산 및 이미노산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 구리 착화제는, 예를 들어, 글라이신, 세린, 아스파라긴, 글루타민 및 아르기닌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 구리 착화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.01 중량% 내지 2 중량%인 것일 수 있다. 상기 구리 착화제가 이러한 함량으로 포함됨에 따라, 상기 연마 대상막의 연마 속도를 최적화하면서도, 연마된 후의 연마 대상막 표면에 디싱 또는 이로젼 등이 발생하는 것을 줄일 수 있다. 상기 구리 착화제가 지나치게 큰 함량으로 포함되는 경우, 연마 대상막의 표면에 디싱 및 부식 등이 발생할 수 있고, 상기 연마 대상막의 균일도, 즉, WIWNU(Within Wafer Non-Uniformity)가 악화될 수 있다.
상기 산화제는 연마 대상막, 예를 들어, 구리막을 산화시켜 산화막을 형성하는 작용을 하며, 이러한 산화막을 슬러리 조성물의 물리적, 화학적 연마 작용에 의해 제거함으로써 상기 연마 대상막에 대한 CMP 연마가 진행된다.
상기 산화제는, 과산화수소, 과산화항산암모늄, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 산화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 5 중량%인 것일 수 있다. 상기 산화제의 함량이 약 0.001 중량% 미만인 경우에는 상기 연마 대상막에 대한 연마 속도가 저하될 수 있고, 상기 산화제의 함량이 약 5 중량% 초과인 경우에는 상기 연마 대상막 표면의 산화막이 하드(hard)해져서 연마가 이루어지지 않고 산화막이 성장하여 구리막의 특성을 저하시킬 수 있다.
상기 연마조절제는, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리스티렌-아크릴산 공중합체, 아크릴산-말레산 공중합체, 아크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산-아크릴아미드 공중합체 및 아크릴산-폴리아크릴아마이드 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 연마조절제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 1 중량%인 것일 수 있다. 상기 연마조절제가 0.001 중량% 미만인 경우 산성 영역에서 연마 억제 구현하기 어렵고 분산 안정성이 저하되어 슬러리 품질이 낮아지는 문제가 있고, 1 중량% 초과인 경우 막질 표면 결함 발생시키는 문제점이 있다.
상기 연마조절제로서 폴리머 중합체는 점도를 조절함으로써 산성 영역에서 구리 구리막 및 산화막 연마율 조절이 가능하다. 상기 슬러리 조성물은, 점도가 1.0 cps 내지 2.5 cps인 것일 수 있다. 일반적으로, 고분자량을 가지는 중합체는 특정분자량 이상에서 분자간의 얽힘(entanglement)에 의해 점도 가 증가하는 특성이 있다. 상기 연마조절제를 많이 첨가할수록 점도가 상승하는 경향을 나타낸다.
상기 슬러리 조성물은, 부식방지제를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 부식방지제는, 벤조트리아졸(BTA), 1,2,4-트리아졸, 5-아미노테트라졸(ATA), 5-메틸-1H-벤조트리아졸, 3-아미노1,2,4 트리아졸, 톨리 트리아졸, 5-페닐-1H-테트라졸, 3-아미노-5-메틸-4H-1,2,4 트리아졸, K-소베이트, 2-아미노피리미다인(2-aminopyrimidine), 하이드록시 큐이노라인(hydroxy quinoline), N-페닐-1,4-페닐렌아민(N-phenyl-1,4-phenleneaine), 헥실 벤조트리아졸(Hexyl-benzotriazole), 폴리파이롤(Polypyrrole), 도데실 벤젠 설퍼네이트, 도데실 벤젠 설퍼닉 엑시드, 암모늄 라우릴 설페이트, 암모늄 도데실 설페이트, 소듐 도데실 설페이트, 소듐 라우레스 설페이트, 소듐 라우릴 설페이트, 소듐 라우릴 에테르 설페이트, 소듐 파레스 설페이트, 소듐 크실렌 설포네이트, 포타슘 라우릴 설페이트, 알킬벤젠설포네이트, 퍼플루오로옥타노에이트 및 퍼플루오로옥탄설포네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 부식방지제는, 부식 억제 효과, 연마 속도 및 슬러리 조성물의 저장 안정성 측면에서 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 1 중량%인 것일 수 있다. 상기 부식방지제가 0.001 중량% 미만인 경우 구리막의 연마제어가 불가능하여 디싱 문제가 발생할 수 있고, 상기 부식방지제가 1 중량% 초과인 경우 구리막의 연마가 낮아지고 유기물 잔여물이 남는 문제가 발생할 수 있다.
상기 슬러리 조성물은, pH가 2 내지 5인 것일 수 있다. 산성 영역에서 안정성을 확보한 구리막 산화막 및 배리어 연마용 슬러리 조성물일 수 있다.
상기 연마조절제로서 폴리머 중합체의 함량에 따라 점도를 조절할 수 있으며, 점도가 증가함에 따라 구리막의 연마율을 낮아지고 산화막의 연마율은 높아지는 경향이 있다. 따라서, 상기 연마조절제로서 폴리머 중합체의 함량에 따라 구리막 연마율을 조절하여 산화막 및 구리막의 선택비를 조절할 수 있다.
상기 연마 대상막은 구리 함유막을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 슬러리 조성물은, 구리 함유막과 배리어막으로 사용되는 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 박막 또는 반도체 소자의 절연막으로 사용되는 산화막에 대해 원하는 연마율을 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 슬러리 조성물은 연마 대상막과 다른 박막 간의 우수한 연마 선택비도 나타낼 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따른 구리막 및 산화막을 연마하는 방법은, 상기 제1 측면에 따른 슬러리 조성물을 이용하는 것이다. 기판 상의 구리 함유막과, CMP를 위한 연마 장치의 연마 패드 사이에 상기 제1 측면에 따른 슬러리 조성물을 공급하면서, 상기 구리 함유막과 연마 패드를 접촉시킨 상태로 상대적으로 이동시켜 상기 구리 함유막을 연마한다.
본 발명의 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법에 따르면, 상기 연마조절제로서 폴리머 중합체의 함량에 따라 슬러리 조성물의 점도를 조절하고 산성 영역에서 구리막 연마율을 조절하여 산화막/구리막 선택비 조절이 가능할 수 있다. 따라서, 상기 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법을 통해, 신뢰성 및 특성이 우수한 반도체 디바이스의 구리 배선층 등을 보다 효율적으로 형성할 수 있으므로, 고성능의 반도체 디바이스를 얻는데 크게 기여할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표 1에 기재된 함량에 따라 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물을 제조 하였다.
연마입자
(중량%)
연마조절제
(중량%)
구리착화제
(중량%)
산화제
(중량%)
#1 콜로이달 실리카 8.0 아크릴
공중합체
0.01 글라이신 1.0 과산화수소 0.05
#2 0.05
#3 0.2
#4 0.5
pH 점도 PSD
(nm)
구리막
제거율
(Å/min)
산화막
제거율
(Å/min)
선택비
#1 3.41 1.24 62.71 459 683 1.49
#2 3.43 1.46 61.55 367 713 1.94
#3 3.44 1.72 63.43 289 837 2.90
#4 3.42 1.92 61.94 202 950 4.17
연마조절제 농도를 달리하여 구리막과 산화막 제거성능을 비교하였다. 표 2에 표 1에서의 슬러리 조성물 조건에 대한 물성과 막질 제거성능을 나타내었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물을 이용하여 웨이퍼 연마 후 점도에 따른 MRR(material removal rate) 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 표 2 및 도 1에서 나타낸 바와 같이, 연마 조절제 함량을 증가시킬수록 슬러리 조성물의 점도가 증가하고, 구리막과 산화막의 선택비가 증가하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 연마입자;
    구리 착화제;
    산화제; 및
    연마조절제;
    를 포함하는, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마입자는,
    금속산화물, 상기 금속산화물을 표면개질시킨 무기입자, 및 콜로이달 상태의 상기 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 금속산화물은 실리카, 세리아, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 바륨티타니아, 게르마니아, 망가니아 및 마그네시아로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연마입자는, 상기 슬러리 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마입자는, 5 nm 내지 100 nm의 1차 입자 및 50 nm 내지 300 nm의 2차 입자를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구리 착화제는, 아민기, 카르복실기 및 아마이드 결합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구리 착화제는, 글라이신, 세린, 아스파라긴, 글루타민 및 아르기닌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구리 착화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.01 중량% 내지 2 중량%인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는, 과산화수소, 과산화항산암모늄, 벤조일 퍼옥사이드, 칼슘 퍼옥사이드, 바륨 퍼옥사이드 및 소듐 퍼옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 5 중량%인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연마조절제는, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리스티렌-아크릴산 공중합체, 아크릴산-말레산 공중합체, 아크릴산-에틸렌 공중합체, 아크릴산-아크릴아미드 공중합체 및 아크릴산-폴리아크릴아마이드 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연마조절제는, 상기 슬러리 조성물 중 0.001 중량% 내지 1.0 중량%인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물은, pH가 2 내지 5인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리 조성물은, 점도가 1.0 내지 2.5 cps인 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연마 대상막은 구리 함유막을 포함하는 것인, 구리막 및 산화막의 연마용 슬러리 조성물.
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