KR20170040036A - 유기막 연마용 ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법 - Google Patents

유기막 연마용 ｃｍｐ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초순수, 연마제, 4가 세륨이온을 포함하는 세륨염; 및 산화제를 포함하고, 상기 산화제는 산성 영역에서 1.72eV 이상의 산화전위를 가지며, pH값이 1내지 7인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다. 상기 CMP 슬러리 조성물은 4가 세륨이온(Ce4 +)을 pH 1이상에서도 안정화시킬 수 있으므로 유기막에 대한 연마효과가 우수하며, 상기 CMP 슬러리 조성물을 이용한 연마방법에 의하여 유기막 연마 공정, 특히, 자가정렬 이중 패턴 공정에서 유기막 연마방법이 용이하게 이루어질 수 있다.

Description

유기막 연마용 ＣＭＰ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법{CMP SLURRY COMPOSITION FOR ORGANIC FILM AND POLISHING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 유기막 연마용 ＣＭＰ 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화 및 고성능화에 따라 배선 패턴의 선 폭은 더욱 미세해지고 구조는 점점 다층화되는 추세이다. 한편, 반도체 소자 제조 공정에서 사용되는 포토리소그래피(photolithography)의 정밀도 향상을 위해서 각 공정에서의 층간 평탄도가 매우 중요한 요소로 작용하고 있다. 이러한 평탄화 기술로서 현재 가장 각광받고 있는 것이 CMP 공정이며, CMP 공정은 연마 대상 물질에 따라 산화막(oxide) CMP 공정, 금속(metal) CMP 공정, 폴리실리콘(poly -Si) CMP공정, 유기막 CMP 공정 등으로 분류되기도 한다.
CMP 공정에서 연마 속도와 평탄화 정도는 피연마막의 표면 개질 반응에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다.. 표면 개질 반응을 향상시키기 위해, CMP 슬러리는 연마입자 이외에 산화제, 고분자 화합물, 인히비터, 킬레이팅제, 산 또는 알칼리 등의 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 연마 속도 및 평탄화 정도를 고려할 때, 금속이나 유기막을 연마할 때에는 Fe, Mn, Cr, Ce 등의 전이금속을 포함하는 강한 산화제를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, Fe, Mn, Cr은 STI(shallow trench isolation) 공정 또는 게이트(gate) 매립 공정시 누설전류(leakage current) 문제를 일으킬 가능성이 높다는 문제점이 있다. 세륨(Ce)의 경우, 누설전류 문제를 일으키지는 않으나, pH 1이상의 조건에서 4가 세륨이온(Ce4 +)이 3가 세륨이온(Ce3+)으로 변하게 되므로 산화제 자체의 안정성이 확보되기 어려우며, 4가 산화세륨 이온의 농도가 변화됨에 따라, 연마속도 등의 연마특성이 가변적이라는 문제점이 있다. 슬러리 용액의 pH를 낮게 하면, 4가 세륨이온(Ce4 +)이 3가 세륨이온(Ce3 +)으로 변하는 것을 방지할 수 있으나, 이 경우, 연마포 표면을 정돈하는 Diamond Disk, CMP 장치의 부식을 일으킬 수 있다는 문제가 있으며, 또한, 일단 4가 세륨이온(Ce4+)에서 3가 세륨이온(Ce3 +)으로 변하게 되면 단순히 pH를 낮춘다고 해서 다시 4가 세륨이온(Ce4 +)으로 돌아오지 않는다는 문제점이 있다. 따라서, pH 1이상인 조건에서도 4가 세륨이온(Ce4 +)을 안정화시킬 수 있는 CMP 슬러리 조성물의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 pH 1이상에서도 4가 세륨이온(Ce4 +)을 안정화시킬 수 있는 CMP 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 유기막에 대한 연마효과가 우수한 CMP 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 유기막에 대한 연마효과가 우수한 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 유기막을 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점은 초순수, 연마제, 4가 세륨 이온을 포함하는 세륨염; 및 산화제를 포함하고, 상기 산화제는 산성 영역에서 1.72eV 이상의 산화전위를 가지며, pH값이 1내지 7인 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물에 관한 것이다.
상기 세륨염은 상기 CMP 슬러리 조성물 내에서 3가 세륨이온 및 4가 세륨 이온으로 존재하고, 상기 4가 세륨이온의 농도는 상기 3가 세륨이온 농도의 10배 이상일 수 있다.
상기 산화제는 과산화수소, 과황산칼륨, 과황산나트륨 및 과황산암모늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 연마제는 CMP 슬러리 조성물 중 0.01 내지 20 중량%로 포함되고, 평균 입경이 10　내지 100㎚인 콜로이달 실리카일 수 있다.
상기 유기막은 탄소-수소 결합을 함유하는 카본계막일 수 있다.
상기 카본계막은 C-SOH막, ACL(amorphous carbon layer) 또는 NCP막일 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물은 pH조절제와 유기산 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 슬러리 조성물은 유기막에 대한 연마량이 1,000Å/min 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 유기막을 연마하는 것을 포함하는 연마방법에 관한 것이다.
상기 방법은 기재층 상에 음각 패턴이 형성된 무기막을 형성하고; 상기 음각패턴이 충진되도록 무기막 표면을 유기막으로 성막하고; 상기 음각 패턴이 형성되지 않은 표면의 유기막은 상기 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물로 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유기막은 자가정렬 이중 패턴 공정(self-aligned double patterning technology: SaDPT)에서 형성된 레지스트막일 수 있다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 pH 1이상에서도 4가 세륨이온(Ce4 +)의 농도를 안정화으로 유지할 수 있어, 유기막에 대한 연마효과가 우수하다.
또한, 상기 CMP 슬러리 조성물을 이용한 연마방법에 의하여 유기막 연마 공정, 특히, 자가정렬 이중 패턴 공정에서 유기막 연마가 용이하게 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물
먼저, 본 발명에 따른 CMP 슬러리 조성물에 대해 설명한다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은, pH 1이상에서도 4가 세륨이온(Ce4 +)을 안정화시킬 수 있으며, 유기막에 대하여 선택적으로 우수한 연마성을 갖는다.
일 구체예로서, 상기 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물은 초순수, 연마제, 4가 세륨이온을 포함하는 세륨염; 및 산화제를 포함할 수 있다.
상기 CMP 슬러리 조성물의 연마 대상은 유기막이다. 상기 유기막은 탄소-수소 결합을 함유하는 카본계막으로서, C-SOH(spin on hardmask)막, ACL(amorphous carbon layer) 또는 NCP막을 예시할 수 있으며, C-SOH막이 유기막에 대한 선택적인 연마 효과가 우수하다는 점에서 본 발명의 연마 대상으로 보다 바람직하다.
상기 C-SOH막은 일반적으로 카본계 하드마스크 막을 의미하나, 본 발명에서는 자가정렬 이중 패턴 공정(self-aligned double patterning technology: SaDPT)에서 형성된 레지스트막, 패턴화된 웨이퍼 위에 증착된 실리카막과 같은 무기막의 via-hole을 채워주는 갭-필링(gap-filling) 또는 에칭 방지막 등의 레지스트 기능을 가지는 카본계막을 총체적으로 의미한다.
상기 연마제로는 실리카, 알루미나, 세리아(ceria), 티타니아(titania)로부터 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 사용할 수 있다. 이 중에서도 실리카를 사용할 때 분산 안정성이 우수하고 스크래치가 적어 CMP 공정에 적용시 많은 장점을 가질 수 있다. 일 구체예로서, 상기 연마제는 콜로이달 실리카를 사용할 수 있다. 상기 콜로이달 실리카의 평균 입경은 10nm 내지 100㎚일 수 있고, 상기 범위에서 충분한 연마속도를 얻을 수 있는　이점이 있다.
상기 연마제는 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.1 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 15 중량%로 포함될 수 있다. 연마제가 상기 범위보다 과량 첨가될 경우, 분산 안정성이 떨어지거나 연마 시에 스크래치가 발생하거나 산화물이 침식(oxide erosion)되는 등의 문제를 가질 수 있으며, 상기 범위보다 소량으로 첨가될 경우에는 반도체 공정에서 요구되는 연마속도를 얻기 어려워진다.
한편, 상기 4가 세륨이온을 포함하는 세륨염은, 예를 들면, 세릭암모늄니트레이트(Ceric Ammonium Nitrate)일 수 있다.
상기 세릭암모늄니트레이트는 유기막 표면층을 산화물 또는 이온으로 산화시켜 유기막 표면층의 제거를 용이하게 하며, 실리카막 등의 연마 정지막(stop layer)이 드러날 때 패턴 영역의 유기막 물질을 고르게 연마하여 패턴 내 표면 거칠기(roughness)를 좋게 하는 작용을 한다. 또한, 연마 정지막층에 존재하는 유기막 물질의 잔류물(Residue)이 쉽게 제거될 수 있게 함으로써 보다 균일한 연마를 가능하게 하는 장점이 있다.
상기 세릭암모늄니트레이트는 이온 화합물 또는 킬레이트 화합물 형태로 슬러리 조성물 내 존재할 수 있으며, 상기 형태로 사용하는 경우 유기막에 대하여 높은 연마 속도를 제공할 수 있다. 일 구체예로서, 상기 세릭암모늄니트레이트는 슬러리 조성물 내에서 하기 식 1과 같이 양이온인 암모늄 이온(NH4 +)과 음이온[Ce(NO3)6]2 -형태로 존재할 수 있다.
　　　　　[식 1]
　　　　　
Figure pat00001
상기 세릭암모늄니트레이트는　전체 슬러리 조성물에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.05 내지 3 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 유기막에 대한 적절한 에칭성을 유지할 수 있다.
다음으로, 상기 산화제는 산성 영역에서 1.72eV 이상의 산화전위를 가지는 화합물로서, 예를 들면, 과산화수소, 과황산칼륨, 과황산나트륨 및 과황산암모늄 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 산화제는 4가 세륨 이온을 포함하는 세륨염이 CMP 슬러리 용액 내에서 이온 상태로 분리하여 존재하는 경우, 4가 세륨이온(Ce4+)이 3가 세륨이온(Ce3 +)으로 환원되는 것을 방지하여 4가 세륨이온의 안정성을 확보하고, 연마속도 등의 연마특성을 향상시키기 위한 것이다.
한편, 본 발명의 슬러리 조성물은 무기막에 대한 연마 속도를 억제하기 위하여 유기산을 더 포함할 수 있다. 상기 유기산은 말산(malic acid), 시트르산(citric acid), 개미산(formic acid), 글루타르산(glutaric acid), 옥살산(oxalic acid), 프탈산(phthalic acid), 숙신산(succinic acid), 타르타르산(tartaric acid), 말레산(maleic acid), 및 말론산(malonic acid)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상의 카르복시산일 수 있다.
상기 유기산은 연마 속도, 슬러리의 분산 안정성, 피연마물의 표면 특성 측면에서 전체 CMP 슬러리 조성물에 대하여 0.02 내지 0.1 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.05 내지 0.1 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물은 1 내지 7의 pH값을 가질 수 있고, 바람직하게는 1 이상 3 미만의 pH값을 가질 수 있다. 상기 범위로 pH 값을 조절하기 위하여 pH 조절제가 더 포함될 수 있다. 상기 pH 조절제로는 수산화 칼륨, 수산화나트륨, 암모니아수 등을 사용할 수 있다. CMP 슬러리의 pH값이 상기 범위를 만족할 경우, 유기막에 대한 연마 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 CMP슬러리 조성물은 유기막에 대한 연마량이 1,000Å/min　이상일 수 있고, 바람직하게는 2,000Å/min 이상일 수 있다.
유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물을 이용한 연마방법
다음으로, 본 발명에 따른, 유기막 연마 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 유기막 연마 방법은 상기한 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물로 유기막을 연마하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 유기막은 음각 패턴이 형성된 무기막 일면에 성막된 것일 수 있다.
일 구체예로서, 상기 방법은 기재층 상에 음각 패턴이 형성된 무기막을 형성하고; 상기 음각패턴이 충진되도록 무기막 표면을 유기막으로 성막하고; 상기 음각 패턴이 형성되지 않은 표면의 유기막을 상기 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물로 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 유기막은 탄소-수소(C-H) 결합을 함유하는 카본계막이며, 상기 무기막은 금속층 또는 산화금속층일 수 있다.
일 구체예로서, 상기 유기막은 C-SOH막일 수 있으며, 상기 무기막은 실리카막일 수 있다.
다른 구체예로서, 상기 유기막은 자가정렬 이중 패턴 공정(self-aligned double patterning technology: SaDPT)에서 형성된 레지스트막일 수 있다.
상기 연마 단계는 본 발명의 CMP 슬러리 조성물을 회전하는 연마용 패드에 도포하고, 상기 연마용 패드를 상기 유기막 표면에 접촉하여 소정의 압력 조건 하에서 마찰하며 유기막 일부를 연마할 수 있다. 상기 소정의 압력 조건은 CMP 연마의 기술분야에서 일반적으로 허용되는 압력조건을 포함한다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나 하기 실시예들은 단지 설명을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것은 아니다. 또한 하기 실시 예를 통해 상변화 물질을 평탄화시키는데 있어 바람직한 CMP 연마방법을 제공한다.
실시예
실시예 1
유기막의 성막 : 표면에 음각 패턴이 형성된 패턴 웨이퍼 상에 연마 정지막으로 5,000Å 두께의 실리카막을 증착하고, 상기 실리카막 표면에 형성된 음각 패턴을 충진하기 위하여 2,650Å 두께의 SOH막(SDI社)을 성막하였다. 상기 SOH막의 성막시 베이킹 온도는 400℃였다.
CMP 슬러리 조성물: CMP슬러리 조성물은 초순수에 하기 사양을 갖는 각 성분들을 표 1의 조성(전체 조성물 대비 중량%)으로 혼합하여 제조하였다.
제조된 CMP 슬러리 조성물을 이용하여, 하기 연마 조건으로 상기 SOH막을 연마하였다.
연마 조건: 연마 패드로는 FUJIBO社의 H800 CMP 패드를 사용하였다. 어플라이드머티리얼(Applied Materials; AMAT)社의 200mm MIRRA 장비를 사용하여 하강압력 1.0psi, 슬러리 유속 200mL/분, 정반(table)과 스핀들(spindle) 속도를 모두 90rpm으로 하여 1분간 연마를 수행한 후 연마량을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2-5 및 비교예 1-6
유기막의 성막은 실시예 1과 동일한 조건으로 성막하였으며, 하기 표 1의 조성을 갖는 CMP 슬러리 조성물을 제조한 후 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기막을 연마하였다. 그런 다음, 연마량을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
　
CMP 슬러리 조성물 각 성분의 사양
(A) 연마제: 평균입경이 35㎚인 콜로이달 실리카(Evonic社)를 사용하였다.
(B) Ce4 +이온을 포함하는 세륨염: 삼전순약社의 세릭 암모늄 니트레이트를 사용하였다.
(C) 산화제
　　(c1) 과산화수소: 동우화인켐社의 과산화수소를 사용하였다(산화전위: 1.77 eV).
　　(c2) 질산: 삼전순약社의 질산을 사용하였다(산화전위: 0.80 eV).
　　(c3) 과염소산: 삼전순약社의 과염소산을 사용하였다(산화전위: 0.17 eV).
　　(c4) 염산: 삼전순약社의 염산을 사용하였다(산화전위: 0.00eV).
　(c5) 붕산: 삼전순약社의 붕산을 사용하였다(산화전위: -0.48 eV).
(D) pH 조절제: 삼전순약社의 수산화칼륨을 사용하였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6
(A) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
(B) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
(C) (c1) 0.05 0.1 0.2 0.4 0.5 0.1
(c2) 0.1
(c3) 0.1
(c4) 0.1
(c5) 0.1
(D) 0.02 0.04 0.08 0.16 0.2 0.02 0.03 0.04 0.04 0.04 -
슬러리 pH값 2.4 2.3 2.2 1.9 1.7 2.5 2.6 2.4 2.2 2.5 0.8
Ce4 +이온 : Ce3 + 이온의 농도비 10 15 16 18 20 3 3 2 1 2 14
유기막 연마량
(Å/min)		 1250 2100 1960 1780 1610 340 220 190 230 150 480
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 CMP 슬러리 조성물을 적용한 실시예 1 내지 5는 유기막 연마효과가 우수하고, 4가 세륨이온 : 3가 세륨 이온의 농도비가 10배 이상으로 4가 세륨 이온의 안정성을 확보할 수 있었다.
반면, 산화제를 포함하지 않는 비교예 1은 유기막 연마효과가 낮고, 4가 세륨이온 : 3가 세륨이온의 농도비가 낮아 4가 세륨이온을 안정화할 수 없었고, 1.72eV 미만의 산화전위를 갖는 산화제를 포함하는 비교예 2 내지 5 역시 연마효과가 낮고 4가 세륨이온을 안정화할 수 없었다.
그리고, 슬러리 조성물의 pH가 1 미만인 비교예 6의 경우에도 유기막 연마효과가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (11)

  1. 초순수, 연마제, 4가 세륨이온을 포함하는 세륨염; 및 산화제를 포함하고,
    상기 산화제는 산성 영역에서 1.72eV 이상의 산화전위를 가지며,
    pH값이 1내지 7인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세륨염은 상기 CMP 슬러리 조성물 내에서 3가 세륨이온 및 4가 세륨이온으로 존재하고,
    상기 4가 세륨이온의 농도는 상기 3가 세륨이온 농도의 10배 이상인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는 과산화수소, 과황산칼륨, 과황산나트륨 및 과황산암모늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마제는 CMP 슬러리 조성물 중 0.1 내지 20 중량%로 포함되고,
    평균 입경이 10 내지 100㎚인 콜로이달 실리카인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기막은 탄소-수소 결합을 함유하는 카본계막인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
    　
  6. 제5항에 있어서,
    상기 카본계막은 C-SOH막, ACL(amorphous carbon layer) 또는 NCP막인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
    　
  7. 제1항에 있어서,
    상기 CMP 슬러리 조성물은 pH조절제와 유기산 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
    　
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CMP 슬러리 조성물은 유기막에 대한 연마량이 1,000Å/min 이상인 것을 특징으로 하는 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물.
    　
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 유기막을 연마하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 방법은
    기재층 상에 음각 패턴이 형성된 무기막을 형성하고;
    상기 음각패턴이 충진되도록 무기막 표면을 유기막으로 성막하고;
    상기 음각 패턴이 형성되지 않은 표면의 유기막은 상기 유기막 연마용 CMP 슬러리 조성물로 제거하는 단계를 포함하는 연마방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유기막은 자가정렬 이중 패턴 공정(self-aligned double patterning technology: SaDPT)에서 형성된 레지스트막인 것을 특징으로 하는 연마방법.
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