KR20170072532A - 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 제조 공정 등에 적용될 수 있는 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 연마재, 산화제, 첨가제로서 헤테로폴리산과 고리형 단당류 및 용매를 포함하는 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물이 개시된다. 상기 조성물은 실리콘 질화막의 연마 속도를 증가시키고, 연마 후의 텅스텐 표면의 거칠기를 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 제조 공정 등에 적용될 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마 방법에 관한 것이다.
집적회로란 하나의 반도체 기판에 다수의 능동소자와 수동소자를 초소형으로 집적하여 분리될 수 없는 구조로 만든, 완전한 회로기능을 갖춘 기능소자를 말한다. 이러한 소자의 구조는 중간연결 구조는 일반적으로 여러 종류의 금속층, 중간 연결층, 절연막 등으로 구성되어있다. 이중 도핑 및 미 도핑된 이산화규소(SiO2)와 같은 중간층의 유전체는 실리콘 기판 또는 여러 금속층을 전기적으로 격리시키는데 사용된다. 또한 중간 연결층과 웰(well)에 형성된 장치 사이에 전기적 연결을 형성하는데 금속층이 사용된다. 일반적으로, 금속 경로 는 텅스텐으로 채워져 있고, 이산화규소에 텅스텐 금속층과 같은 금속층을 부착하는데 질화티탄(TiN) 또는 티탄과 같은 접착층을 사용한다. 하나의 반도체 제조 공정에서, 금속화된 경로는 전체적인 텅스텐 증착 후 화학적 기계적 연마(CMP) 단계를 수행하여 형성된다. 화학적 기계적 연마 공정에서, 기판이 회전 연마 패드에 접촉 기판을 둘러 싼 캐리어가 기판의 면에 대해 압력을 가한다. 연마공정중에, 패드 및 테이블이 회전되는 동안에 압력이 기판면에 대해 유지된다. 슬러리로 명칭되는 연마 용액이 연마공정 동안에 패드와 기판 사이에 흡착된다. 이 슬러리는 연마되는 막과 화학적으로 작용함으로써 연마공정 수행하게 된다. 연마 공정은, 슬러리가 웨이퍼 및 패드 경계면으로 공급될 때 기판에 대한 패드의 회전운동에 의해 이루어지게 된다. 연마는 기판상의 요구되는 막이 제거될 때까지 이러한 방식으로 계속된다.
연마공정 중 중요한 요소의 하나인 슬러리는 다양한 조성물이 첨가된다. 산화제, 연마재 및 다른 유용한 첨가제의 선택에 따라, 연마 슬러리는 텅스텐 및 그 밖의 여러 막질에서 연마 속도 및 연마 선택성을 제공하도록 조정될 수 있다.
그러나 기존의 텅스텐 CMP 슬러리의 경우 실리콘질화막에 대한 낮은 연마속도로 인하여 공정 시간이 길어질 수 있다. 길어지는 공정 시간 외에도 기존 조성물의 경우 텅스텐 플러그의 손상과 에로전(erosion) 또는 디싱(dishing) 등의 표면 결함이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 표면 결함도(defectivity)는 패턴 밀도가 증가할수록 그 정도가 심각해지며 반도체 구조의 적층화가 증가될 수록 그 영향이 누적되어 반도체 제조 수율을 낮추게 되는 문제가 발생한다.
이에 따라, 텅스텐 막에 대한 연마 속도를 유지하면서 실리콘 질화막의 연마속도를 증가시키고, 텅스텐 표면의 거칠기를 최소화할 수 있는 개선된 슬러리 조성물이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 텅스텐 패턴 연마 시 실리콘 산화막의 연마 속도는 유지하면서 실리콘 질화막의 연마 속도는 높이고, 동시에 텅스텐 표면의 거칠기를 최소화하기 위한 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은, 연마재, 산화제, 첨가제로서 헤테로폴리산과 고리형 단당류 및 용매를 포함한다.
여기서, 상기 헤테로폴리산은 중심원소는 인, 실리콘, 비소, 붕소 및 알루미늄 중에서 선택되고, 배위원소는 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐 및 나이오븀 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 헤테로폴리산은 규텅스텐산, 인몰리브덴산 및 인몰리브덴바나듐산 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
사이 고리형 단당류는 퓨라노오스 또는 피라노오스일 수 있다.
상기 고리형 단당류는 탄소수가 6인 것일 수 있다.
상기 고리형 단당류는 D-만노오스, D-프럭토오스, D-알노스, D-탈루오즈 및 D-글루코오스로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 조성물은 pH 조절제를 더 포함하고, 상기 조성물의 pH가 3 내지 4인 것일 수 있다.
상기 조성물은 상기 연마재 0.1 내지 5 중량%, 상기 산화제 0.1 내지 5 중량%, 상기 첨가제로서 헤테로폴리산 0.01 내지 5 중량%, 상기 첨가제로서 고리형 단당류 0.01 내지 5 중량% 및 잔부로 용매를 포함할 수 있다.
상기 조성물은 텅스텐막, 실리콘산화막 및 실리콘질화막을 동시에 연마할 수 있는 배리어 메탈 슬러리일 수 있다.
상기 조성물은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:0.7 내지 1:1.5 인 것일 수 있다.
상기 조성물은 텅스텐막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:2 내지 1:5 인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연마 대상물을 연마하는 연마 방법은, 연마재로서 콜로이달 실리카, 산화제로서 과산화수소수, 첨가제로서 헤테로폴리산과 고리형 단당류 및 용매를 포함하는 슬러리 조성물을 이용하여 텅스텐막 및 실리콘 산화막을 포함하는 연마 대상물을 연마하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 텅스텐의 연마 속도를 유지 또는 증가시키면서 표면 거칠기를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 실리콘 산화막의 연마속도를 유지하면서 실리콘 질화막의 연마 속도를 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
화학 기계적 연마(Chemical-Mechanical Polishing, CMP)는 반도체 소자의 표면 평탄화 기술의 일종이다. 일반적으로 CMP 공정은 연마 패드에 의한 기계적 연마 및 CMP용 슬러리의 화학적 작용을 통해 수행된다. 이 때, CMP 슬러리의 연마효율은 반도체 생산성에 큰 영향을 끼칠 수 있다.
CMP 슬러리 조성물을 반도체 웨이퍼에 적용할 경우, 반도체 웨이퍼에 포함된 각 성분의 연마 속도는, 각 성분의 물성, 연마재의 종류, 슬러리 조성물에 포함되어 있는 성분의 함량 및 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
본 발명은 텅스텐에 대한 연마 선택성은 보전하면서 텅스텐 패턴의 결함을 줄일 수 있는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따른 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 연마재, 산화제, 첨가제로서 헤테로폴리산과 고리형 단당류 및 용매를 포함한다.
상기 첨가제로 포함되는 헤테로폴리산은 두 가지 이상의 다른 산기가 산소 원자를 공유해서 생성되는 축합산을 의미한다. 상기 첨가제로 포함되는 헤테로폴리산은 실리콘 질화막의 연마 속도 증가에 기여하게 되며, 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물은 텅스텐에 대한 연마 속도는 유지하면서 동시에, 실리콘 질화막의 연마 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 헤테로폴리산은 중심원소는 인, 실리콘, 비소, 붕소, 알루미늄 중에서 선택되고, 배위원소는 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐, 나이오븀 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 헤테로폴리산은 바람직하게는 규텅스토인산, 규텅스텐산, 인몰리브덴산, 규몰리브덴산, 인몰리브덴바나듐산, 인몰리브덴규바나듐산, 인몰리브덴니오브산, 보로몰리브덴산, 코발트몰리브덴산, 코발트텅스텐산일 수 있다.
상기 헤테로폴리산은 보다 바람직하게는 규텅스텐산(Tungstosilicic acid Hydrate, H78O41SiW12, CAS No.12027-43-9), 인몰리브덴산(Phosphomolybdic acid, H4MoO7P, CAS No.12026-57-2), 인몰리브덴바나듐산 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 인몰리브덴바나듐산은 분자식이 H3PMo6V6O40 또는 H5PMo10V2O40 일 수 있다.
상기 헤테로폴리산의 함량은 전체 조성물에 대하여 0.01 내지 5중량%가 될 수 있다. 상기 헤테로폴리산의 함량이 0.01중량% 미만으로 첨가되는 경우 실리콘 질화막의 연마 속도 증가 효과가 미미할 수 있고, 5중량% 초과로 첨가되는 경우 헤테로폴리산의 촉매 작용으로 인하여 텅스텐에 에로전(erosion) 등의 결함이 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 헤테로폴리산의 함량을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 헤테로폴리산의 함량은 1 내지 3중량%가 될 수 있다.
상기 첨가제로 포함되는 고리형 단당류는 텅스텐 표면의 침식 및 결함 방지에 기여하게 되며, 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 조성물은 텅스텐에 대한 연마량 및 에칭 제거력을 유지하면서 동시에, 패턴 웨이퍼의 연마에서 침식량을 줄이고, 텅스텐 결함(defect)을 최소화할 수 있다.
상기 고리형 단당류는 고리가 5각형을 이루는 퓨라노오스(furanose) 또는 고리가 6각형을 이루은 피라노오스(pyranose)일 수 있으며, 바람직하게는 탄소수가 6이 될 수 있다. 구체적으로 상기 고리형 단당류는 D-만노오스, D-프럭토오스, D-알노스, D-탈루오즈 및 D-글루코오스로부터 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 상기 고리형 단당류는 하기 화학식 1 내지 화학식 5로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
상기 고리형 단당류의 함량은 전체 조성물에 대하여 0.01 내지 5중량%가 될 수 있다. 상기 고리형 단당류의 함량이 0.01중량% 미만으로 첨가되는 경우 거칠기 감소 효과가 미미할 수 있고, 5중량% 초과로 첨가되는 경우 텅스텐의 연마 속도가 저하되는 반면 텅스텐 표면의 거칠기 감소 효과에는 한계가 있을 수 있다. 따라서 전술한 범위로 고리형 단당류의 함량을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 고리형 단당류의 함량은 0.5 내지 2중량%가 될 수 있다.
첨가제로서 상기 헤테로폴리산 및 고리형 단당류를 동시에 첨가함으로써, 각각의 기능을 저하시키지 않으면서, 질화규소막의 연마속도가 증가 할 수 있으며, 연마되는 막의 침식을 방지함으로써 금속 이온에 인한 거칠 기 감소 및 결함 방지 효과를 얻을 수 있다.
상기 연마재는 텅스텐과 실리콘 질화막을 연마하기 위한 목적으로 포함되고, 통상의 금속 산화물 입자를 사용할 수 있다. 바람직하게는 세리아(CeO2), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 티타니아(TiO2), 게르마니아(GeO2) 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 보다 바람직하게는 콜로이달 실리카를 사용할 수 있다.
상기 콜로이달 실리카(collioid silica)는 실리카졸(silica sol)로도 호칭되며, 물이나 유기용제(organic solvent)와 같은 액체에 고형의 실리카 입자가 침전되거나 응집되지 않은 상태로 안정하게 분산되어 있는 것을 의미한다. 상기 콜로이달 실리카는 투석법, 전기투석법, 해교법, 산-중화법, 이온교환법 등 여러 가지 방법으로 제조될 수 있다. 상기 콜로이달 실리카는 발연 실리카나 알루미나와 같은 연마재에 비해 실리콘 산화막의 연마 속도가 높아 유리하다.
상기 연마재로 사용되는 콜로이달 실리카의 입자 사이즈는 20nm 내지 120nm이며 구형인 것이 바람직하다. 연마재로서 같은 사이즈의 콜로이달 실리카만을 사용하거나 다른 사이즈의 콜로이달 실리카를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 연마재의 입자 사이즈가 20nm 미만일 경우에는 기판의 연마 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 120nm를 초과하는 경우에는 슬러리 분산 안정성에 악영향을 미칠 수 있으며, 스크래치 발생 빈도가 높아질 수 있다. 따라서 전술한 범위의 평균 입경을 갖는 콜로이달 실리카를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 콜로이달 실리카의 평균 입경은 20 내지 50nm가 될 수 있다.
상기 콜로이달 실리카의 함량은 전체 연마 조성물의 0.1 내지 5중량%가 될 수 있다. 콜로이달 실리카의 함량이 너무 적은 경우, 연마 속도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다. 콜로이달 실리카의 함량이 너무 많은 경우, 분산 안정성 면에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 콜로이달 실리카의 함량을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로 콜로이달 실리카의 함량은 1 내지 3중량%가 될 수 있다.
콜로이달 실리카의 평균 입경과 함량의 조절을 통해 텅스텐 막과 실리콘 산화막의 연마 선택비를 조절할 수 있다.
상기 산화제는 텅스텐 막의 표면을 연마제에 의해 연마되기 쉬운 취성의 산화물로 산화시키기 위한 목적으로 포함될 수 있다.
상기 산화제는 무기 또는 하나 이상의 과산화물결합(-O-O-)을 포함하는 유기 과산화물일 수 있다. 상기 산화제는 바람직하게 과산화수소, 우레아 과산화수소, 모노퍼설페이트(SO5 2-), 디퍼설페이트(S2O8 2 -), 퍼아세트산, 퍼카보네이트, 벤조일퍼옥사이드, 퍼요오드산, 퍼요오디에이트염, 퍼브롬산, 과붕산, 과붕산염, 퍼클로로산 및 퍼클로로산염, 퍼망가네이트 및 퍼망가네이트염 및 그의 혼합물에서 선택되는 1종이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 과산화수소일 수 있다.
상기 산화제는 슬러리 조성물의 총 중량에 대하여 0.1 내지 5.0중량%로 포함될 수 있다. 상기 산화제가 0.1중량% 미만인 경우에는 산화 반응이 충분히 일어나지 않아서 금속막의 연마 속도가 느려지는 문제가 발생할 수 있고, 5중량% 초과인 경우에는 과도한 산화로 인해 텅스텐 표면의 결함이 발생할 가능성이 높아지고 텅스텐과 실리콘질화물의 연마 선택비 조절이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로 과산화수소수의 함량은 0.1 내지 2중량%가 될 수 있다.
한편 상기 산화제는 슬러리의 제조 과정에 투입되지 않을 수 있고, 실제 슬러리를 연마 공정에 사용하는 단계에서 산화제를 제외한 슬러리 조성물과 함께 투입하여 사용하는 것도 가능하다.
전술한 슬러리 조성물은 텅스텐막의 연마 속도를 조절하기 위해 연마조절제 또는 연마촉진제를 더 포함할 수 있다.
상기 연마조절제로서 아민기를 가지는 화합물을 사용할 수 있고, 구체적으로 아미노산 또는 아미노알콜로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로, 아미노알콜은 2-아미노-2-메틸-1-프로판올, 3-아미노-1-프로판올, 2-아미노-1-프로판올, 1-아미노-2-프로판올, 1-아미노-펜탄올, 2-(2-아미노에틸아미노)에탄올, 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올, N,N-디에틸에탄올아민, 모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민로부터 선택되는 1종 이상이 예시될 수 있으며, 아미노산으로는 아르기닌, 시스테인, 아스파트산, 글루탐산, 글리신, 히스티딘, 페닐알라닌, 세린, 발린, 메티오닌, 아스파라긴, 리신 및 알라닌으로부터 선택되는 1종 이상이 예시될 수 있다. 연마 조절제의 함량은 전체 조성물에 대하여 0.01 내지 10중량%가 되도록 첨가할 수 있다. 연마조절제의 함량이 너무 적을 경우, 첨가에 따른 효과가 미미한 문제가 발생할 수 있다. 연마조절제의 함량이 너무 많을 경우, 분산성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 연마조절제를 추가할 수 있다. 더욱 구체적으로 연마조절제의 함량은 1 내지 7중량%가 될 수 있다.
상기 연마촉진제로서 인산, 아인산, 유기인산 및 유기아인산으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 아인산과 유기아인산의 경우 티타늄 계 막의 연마촉진에 특히 유용하다. 유기아인산(organic phosphonic acid)으로는 2-아미노에틸 포스폰산, 아미노(트리메틸렌포스폰산), 디에틸렌트리아민펜타(메틸렌포스폰산), 헥사메틸렌디아민테트라(메틸렌포스폰산), 또는 에틸렌디아민테트라(메틸렌포스폰산)(EDTMP), 니트릴로트리스(메틸렌)트리포스폰산(NTPA) 등이 예시될 수 있다. 연마촉진제의 함량은 전체 조성물에 대하여 0.01 내지 10중량%가 될 수 있다. 연마촉진제의 함량이 너무 적은 경우, 연마 속도의 증가가 미미한 문제가 발생할 수 있다. 연마촉진제의 함량이 너무 많을 경우, 텅스텐 막에 대한 부식을 유발할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 연마촉진제를 추가할 수 있다. 더욱 구체적으로 연마촉진제의 함량은 1 내지 3중량%가 될 수 있다.
전술한 슬러리 조성물은 조성물의 pH를 조절하기 위해 pH 조절제를 더 포함할 수 있다.
pH 조절제는 산으로서 황산, 염산, 질산, 탄산 및 아세트산 중 1종 이상을 사용할 수 있고, 염기로서 수산화칼륨, 수산화나트륨 및 암모니아 중 1종 이상을 사용할 수 있다. pH 조절제를 사용하여 조성물의 pH를 3 내지 4로 조절할 수 있다. pH가 너무 낮은 경우, 텅스텐 막 표면에 부식현상이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. pH가 너무 높은 경우, 콜로이드 실리카 입자의 분산안정성이 나빠질 수 있으며 또한 텅스텐막의 연마 속도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전술한 범위로 pH를 조절할 수 있다.
상기 용매는 전술한 조성물의 구성을 용이하게 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 아니하며, 구체적으로 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 및 프로필렌 글리콜 로부터 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 물을 용매로 사용하는 경우에는 탈이온수(DIW)를 사용하는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 일측면에 따른 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 텅스텐막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에 연마할 수 있는 배리어 메탈 슬러리일 수 있다.
화학 기계적 연마 공정에서는 금속 막에 대한 높은 연마량을 가지는 1차 연마 슬러리(벌크 슬러리)를 사용하여 대부분의 금속 막질을 제거하고, 금속 배선 부분과 층간 절연막 등의 여러막을 동시에 좀 더 미세하게 연마하기 위해 2차 연마 슬러리(배리어 메탈 슬러리)를 사용할 수 있다.
텅스텐의 화학 기계적 연마 상기 벌크 슬러리는 텅스텐을 주로 연마하기 위해 산화제 및 철 촉매 등이 포함되지만, 배리어 메탈 슬러리는 산화제의 첨가량이 적고 또한 철 촉매를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 또한 배리어 메탈 슬러리는 텅스텐막과 절연막의 연마속도의 차이가 적은 것이 바람직하고, 1차 연마에서 발생된 표면 결함을 개선할 수 있어야 한다.
전술한 본 발명의 일측면에 따른 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:0.7 내지 1:1.5 인 것일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:0.8 내지 1:1.2 인 것일 수 있다.
상기 조성물은 텅스텐막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:2 내지 1:5 일 수 있고, 보다 바람직하게는 1:2.5 내지 1:4.5 인 것일 수 있다.
상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물은 전술한 헤테로폴리산 및 고리형 단당류를 첨가제로 포함하지 않는 조성물과 대비할 때 동일한 연마조건 하에서 텅스텐 표면의 거칠기가 15 내지 20% 감소될 수 있다.
상기 텅스텐 표면 거칠기는 텅스텐 표면에 존재하는 수십나노 사이즈 수준의 미세한 표면 요철을 의미하며, 이러한 텅스텐 표면의 거칠기로 인해 저항이 상승되어 전기 효율을 낮추는 문제가 발생할 수 있다. 상기 슬러리 조성물은 이러한 표면 거칠기를 감소시켜 소자의 전기효율을 보다 상승시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연마재로서 콜로이달 실리카, 산화제로서 과산화수소수, 첨가제로서 고리형 단당류 및 용매를 포함하는 슬러리 조성물을 이용하여 연마 대상물을 연마하는 연마 방법을 제공한다. 슬러리 조성물에 대한 설명은 전술한 것과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
연마 대상물은 텅스텐막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 포함할 수 있고, 구체적으로 텅스텐막, 티타늄계 막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 티타늄계 막은 티타늄 또는 질화티타늄으로 이루어질 수 있다.
상기 연마 방법은 산화제와 철 촉매를 포함하는 1차 슬러리(벌크 슬러리)에 의해 1차 연마를 수행한 후, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배리어 메탈 슬러리로 2차 연마를 수행하는 것으로 이루어질 수 있다.
상기 배리어 메탈 슬러리는 산화제를 제외한 조성으로 먼저 제조된 후, 상기 2차 연마 수행 단계에서 산화제를 추가하여 연마가 이루어지는 것일 수 있다.
전술한 연마 방법에 의하면 슬러리의 연마 선택성은 보전 하면서 연마되는 텅스텐 패턴의 결함을 줄일 수 있다.
한편, 본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 통상의 기술자라면 전술한 화학 기계적 연마 슬러리 조성물이 사용되는 목적 및 조건 등에 따라 다양한 추가적인 성분이 상기 조성물에 포함될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
1
연마재로서 콜로이달 실리카(평균 입경 약 40nm)를 2중량%, 산화제로서 과산화수소수 0.5 중량%, 첨가제로서 규텅스텐산 0.5 중량%, 잔부로서 탈이온수를 포함하고, pH 조절제를 사용하여 pH를 3으로 조절한 슬러리 조성물을 총 중량 1kg으로 제조하였다.
실시예
2
첨가제로서, 인몰리브덴산을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예
3
첨가제로서, 포스포몰리브바나듐산(H3PMo6V6O40) 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조였다.
실시예
4
첨가제로서, 포스포몰리브바나듐산(H5PMo10V2O40) 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예
5
연마재로서 콜로이달 실리카(평균 입경 약 40nm)를 2중량%, 산화제로서 과산화수소수 0.5 중량%, 첨가제로서 규텅스텐산 0.5 중량%, D-탈루오즈 0.5 중량%, 잔부로서 탈이온수를 포함하고, pH 조절제를 사용하여 pH를 3으로 조절한 슬러리 조성물을 총 중량 1kg으로 제조하였다.
실시예
6
첨가제로서, 인몰리브덴산을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일하게 제조하였다.
실시예
7
첨가제로서, 포스포몰리브바나듐산(H3PMo6V6O40) 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일하게 제조였다.
실시예
8
첨가제로서, 포스포몰리브바나듐산(H5PMo10V2O40) 을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일하게 제조하였다.
비교예
2
첨가제를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 5과 동일하게 제조하였다.
실험예
1 : 실리콘
질화막(SiN)의
연마속도 측정
연마에 사용된 웨이퍼는 PETEOS(Plasma Enchanced Tetra Ethyle Ortho Silicate) 웨이퍼(두께 20000Å), W(텅스텐) 웨이퍼(두께 7000Å)을 이용 하였다. 연마장비는 POLI-400 장비를 사용하였으며, 연마패드는 IC 1010 (Dow사) 를 이용하여 연마평가를 실시하였으며, 연마압력은 3.5 psi 이며, 테이블/헤드(Table/Head)의 속도는 101/100 rpm 으로 조정하였고, 공급유량은 100ml, 연마시간은 60초로 실행 하였다.
| 구분 | Oxide 연마속도 (Å/min) |
W 연마속도 (Å/min) |
SiN 연마속도 (Å/min) |
| 비교예 1 | 608 | 134 | 120 |
| 실시예 1 | 497 | 165 | 307 |
| 실시예 2 | 395 | 197 | 425 |
| 실시예 3 | 605 | 134 | 492 |
| 실시예 4 | 853 | 182 | 488 |
표 1에서 나타나듯이 헤테로폴리산을 첨가한 실시예 1 내지 4의 실리콘 질화막(SiN)의 연마속도를 비교예 1과 비교할 때 속도가 증가함을 확인할 수 있다.
| 구분 | Oxide 연마속도 (Å/min) |
W 연마속도 (Å/min) |
SiN 연마속도 (Å/min) |
| 비교예 2 | 593 | 148 | 125 |
| 실시예 5 | 492 | 166 | 456 |
| 실시예 6 | 437 | 214 | 523 |
| 실시예 7 | 599 | 127 | 578 |
| 실시예 8 | 759 | 177 | 603 |
표 2에서 나타나듯이 헤테로폴리산에 단당류를 추가로 첨가한 실시예 5 내지 8의 실리콘 질화막(SiN)의 연마속도를 비교예 2와 비교할 때 속도가 증가함을 확인할 수 있고, 헤테로폴리산과 단당류의 상승효과로 인하여 실시예 1 내지 4에 비하여서도 질화막의 연마속도가 더 증가함을 확인할 수 있다.
실시예 5 내지 8에서 산화막과 질화막의 연마속도 비는 약 1:0.8 내지 1:1.2의 수준으로 나타났고, 텅스텐막과 질화막의 연마속도 비는 약 1:2.4 내지 1:4.5의 수준으로 나타났다. 이는 비교예 2의 1:0.2(산화막:질화막) 및 1:0.8(텅스텐막:질화막)에 비해 상당히 큰 변화가 있는 속도비임을 확인할 수 있다.
실험예
2 : 텅스텐 표면의 거칠기 측정
전술한 실험예 1과 동일한 조건으로 실험을 실시하여 텅스텐 표면의 거칠기를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 연마전 Ra | 연마후 Rq | 연마전 Ra | 연마후 Rq | Ra 변화량 |
Rq 변화량 |
| 비교예 1 | 51.03 | 16.7 | 64.6 | 16.2 | 34.33 | 48.4 |
| 실시예 5 | 55.3 | 5.6 | 67.8 | 7.5 | 49.7 | 60.3 |
| 실시예 6 | 53.1 | 5.5 | 69.6 | 4.1 | 47.6 | 65.5 |
| 실시예 7 | 57.71 | 6.7 | 64.6 | 13.2 | 51.01 | 51.4 |
| 실시예 8 | 55.51 | 4.5 | 67.8 | 11.1 | 51.01 | 56.7 |
표 3에서 나타나듯이, 실시예 1 내지 4의 텅스텐 표면의 거칠기가 비교예 1에 비하여 감소함을 확인할 수 있었다.
이상의 실험예에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 동일 연마재 사용 시 실리콘 산화막의 연마 속도는 유지하면서, 기존의 비교예 슬러리 조성물보다 실리콘 질화막의 연마 속도는 증가시키고, 연마 후의 텅스텐 거칠기는 감소시켜서, 기존 제품보다 향상된 텅스텐 베리어 연마 조성물이 제조됨을 확인할 수 있다.
상기 표 2를 참조하면, 연마 후의 기판에 대하여, 실시예 1, 2, 3 및 4는 비교예 1의 조성물에 비해 각각 약 250%, 350%, 410% 및 400%의 실리콘 질화막의 연마 속도 증가를 나타내고, 비교예 대비 약 20% 및 15%의 Ra(또는 Rq) 감소를 나타냈다. 이러한 결과는 본 발명의 실시예에 따른 연마 조성물의 사용에 의해 실리콘 질화막의 연마 속도가 증가되고 텅스텐 표면의 거칠기가 실질적으로 감소될 수 있음을 입증할 수 있는 것이다. 이상과 같은 데이터를 통해 첨가제 중 특히 헤테로폴리산과 고리형 당류(알코올 당류)가 실리콘 질화막 연마 속도 증가와 텅스텐 표면의 거칠기 감소에 기여하는 것임을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 연마재;
산화제;
첨가제로서 헤테로폴리산 및 고리형 단당류; 및
용매를 포함하는 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 헤테로폴리산은,
중심원소는 인, 실리콘, 비소, 붕소 및 알루미늄 중에서 선택되고,
배위원소는 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐 및 나이오븀 중에서 선택되는 1종 이상인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 헤테로폴리산은 규텅스텐산, 인몰리브덴산 및 인몰리브덴바나듐산 중에서 선택되는 1종 이상인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 고리형 단당류는 퓨라노오스 또는 피라노오스인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 고리형 단당류는 탄소수가 6인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 고리형 단당류는 D-만노오스, D-프럭토오스, D-알노스, D-탈루오즈 및 D-탈로오스, D-글루코오스로부터 선택되는 1종 이상인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 pH 조절제를 더 포함하고,
상기 조성물의 pH가 3 내지 4인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 연마재 0.1 내지 5 중량%;
상기 산화제 0.1 내지 5 중량%;
상기 첨가제로서 헤테로폴리산 0.01 내지 5 중량%;
상기 첨가제로서 고리형 단당류 0.01 내지 5중량%; 및
잔부로 용매를 포함하는 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 텅스텐막, 실리콘산화막 및 실리콘질화막을 동시에 연마할 수 있는 배리어 메탈 슬러리인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:0.7 내지 1:1.5 인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물은 텅스텐막과 실리콘 질화막의 연마속도의 비가 1:2 내지 1:5 인 것인 텅스텐의 화학 기계적 연마 슬러리 조성물. - 연마재로서 콜로이달 실리카, 산화제로서 과산화수소수, 첨가제로서 헤테로폴리산과 고리형 단당류 및 용매를 포함하는 슬러리 조성물을 이용하여 텅스텐막 및 실리콘 질화막을 포함하는 연마 대상물을 연마하는 연마 방법.
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