KR20170117276A - 웨이퍼 연마용 cmp 슬러리 조성물과 이의 제조방법 - Google Patents

웨이퍼 연마용 cmp 슬러리 조성물과 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼의 최종 연마공정인 CMP공정에 사용되는 슬러리에 다이아몬드 분말을 첨가하여 화학적인 식각과 함께 기계적인 연마가 효율적으로 이루어지도록 함으로써 연마시간을 단축시킬 수 있고 연마포와 슬러리의 교환없이 다양한 재질의 웨이퍼를 단일의 설비로 연마할 수 있는 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 제 1연마제와, 제 2연마제와, 증류수를 함유하고, 상기 제 1연마제는 다이아몬드 분말이고, 상기 제 2연마제는 실리카, 알루미나, 세리아 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말이다.

Description

웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법{CMP slurry composition for polishing wafer and manufacturing method thereof}
본 발명은 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼의 최종 연마공정인 CMP공정에 사용되는 슬러리에 다이아몬드 분말을 첨가하여 화학적인 식각과 함께 기계적인 연마가 효율적으로 이루어지도록 함으로써 연마시간을 단축시킬 수 있고 연마포와 슬러리의 교환없이 다양한 재질의 웨이퍼를 단일의 설비로 연마할 수 있는 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 제조시 기판이 되는 웨이퍼는 단결정성장(Single crystal growing), 절단(Slicing), 연마(Lapping), 식각(Etching), 경면연마(Polishing), 세정(Cleaning) 등의 여러 공정을 거쳐 제조된다.
최종 연마공정인 경면연마 공정에서는 이전 공정에서 생성된 표면이나 표면 이하(Subsurface)의 결함 즉 긁힘, 갈라짐, 입자변형(Grain distortion), 표면 거칠기, 표면의 지형(Topography)의 결함을 제거하여 무결점 거울면(鏡面)의 웨이퍼로 가공하게 된다.
이러한 경면연마 공정은 연마용 슬러리를 공급하여 연마포와의 마찰에 의한 회전 및 직선운동으로 웨이퍼 표면을 화학적 및 기계적으로 연마하므로 CMP(Chemical Mechanical Polishing)라고 한다. 그리고 CMP 공정에서 사용되는 연마용 슬러리를 CMP 슬러리라고 한다.
웨이퍼의 CMP 공정은 다단계를 거치는데 표면의 딥 스크래치(deep scratch)를 제거하기 위하여 빠른 연마 속도로 연마하는 1차 연마 단계와 여전히 잔류하는 미세 스크래치를 제거하고 표면의 미세 거칠기를 수 Å 수준으로 낮춤으로써 경면을 구현하는 2차 연마 단계로 구성된다. 즉, 최종 연마 단계인 CMP 공정에서는 웨이퍼 표면의 거칠기를 수 Å 수준으로 제어해야 하며, 또한 헤이즈(HAZE), 잔류 미립자, 잔류 금속 이온의 양이 최소의 수준(수 ppm)으로 제어되어야 한다.
CMP 공정에는 연마기(polisher)와 초순수(deionized water) 이외에 중요한 두 가지 소모품을 필요로 한다. 그것은 연질 또는 경질의 연마포와 슬러리이다.
연마포(polishing pad)는 기계적 연마의 역할을 하고, 슬러리는 연마 패드의 기계적 연마를 보조함과 동시에 화학적인 연마를 일으키는 역할을 한다.
CMP 공정에 사용되는 슬러리는 웨이퍼 연마면의 평탄도에 중요한 영향을 미친다. 최근, 반도체 소자 제조에 필요한 층간 절연막 형성 공정 또는 STI(shallow trench isolation) 공정시와 같이 고선택비 연마 특성이 요구되는 CMP 공정에 있어서 고선택비 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 CMP용 슬러리 조성물에 개발이 요구되고 있다.
종래에는 CMP용 슬러리의 연마제로서 실리카, 알루미나, 세리아 등과 같은 금속산화물이 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 세리아 슬러리 조성물은 고선택비를 얻을 수 있는 장점이 있다. 반면, 세리아 슬러리 조성물은 실리카 슬러리 조성물의 경우와 비교할 때 CMP의 평탄도가 좋지 않으며, 웨이퍼의 센터(center) 영역에서의 연마량이 웨이퍼의 에지(edge) 영역에 비하여 높아지는 단점이 있다(대한민국 등록특허 제10-0674927호).
웨이퍼는 그 재질에 따라 실리콘 웨이퍼 외에도 사파이어 웨이퍼, 쿼츠 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼 등으로 구분되는 데 각 재질의 특성이 다르므로 CMP 공정은 웨이퍼의 종류에 따라 연마포 및 CMP 슬러리를 교환하여 연마작업을 한다. 이러한 교환작업은 작업시간을 늘려 생산수율을 저하시키는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0674927호: CMP용 슬러리 조성물 및 그 제조 방법과 이들을 이용한 기판 연마 방법
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 반도체 웨이퍼의 최종 연마공정인 CMP공정에 사용되는 슬러리에 다이아몬드 분말을 첨가하여 화학적인 식각과 함께 기계적인 연마가 효율적으로 이루어지도록 함으로써 연마시간을 단축시킬 수 있고 연마포와 슬러리의 교환 없이 다양한 재질의 웨이퍼를 단일의 설비로 연마할 수 있는 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 제 1연마제와, 제 2연마제와, 증류수를 함유하고, 상기 제 1연마제는 다이아몬드 분말이고, 상기 제 2연마제는 실리카, 알루미나, 세리아 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말인 것을 특징으로 한다.
상기 다이아몬드 분말의 입자는 30 내지 125nm인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물의 제조방법은 제 1연마제로서 다이아몬드 입자가 함유된 분산액을 준비하는 제 1단계와; 제 2연마제를 함유하는 베이스액에 증류수를 가해 희석시킨 다음 상기 다이아몬드 분산액을 혼합하는 제 2단계;를 포함하고, 상기 제 2연마제는 실리카, 알루미나, 세리아 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말인 것을 특징으로 한다.
상기 제 2단계는 상기 분산액 1 내지 5중량%와, 상기 베이스액 60 내지 70중량%, 상기 증류수 25 내지 35중량%의 비로 혼합한다.
상기 제 2단계는 완충제를 더 혼합하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 웨이퍼의 연마시 표면 조도를 최소한으로 감소시키고 평탄도를 향상시키는 동시에 우수한 연마 속도를 가지며, 사파이어 웨이퍼, 쿼츠 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼 등의 평탄도 및 표면 조도의 표면 가공 상태를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 경도가 우수한 다이아몬드 분말을 첨가하여 화학적인 식각과 함께 기계적인 연마가 효율적으로 이루어지도록 함으로써 연마포나 슬러리의 교환 없이 다양한 재질의 웨이퍼를 단일의 설비로 연마할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 CMP 연마 후 표면조도를 측정하고자 하는 웨이퍼의 표면 위치를 나타낸 도면이고,
도 2 내지 도 6은 사파이어 웨이퍼의 5군데 포인트의 표면조도 측정결과를 차례대로 나타낸 이미지이고,
도 7 내지 도 11은 사파이어 웨이퍼의 5군데 포인트의 표면조도 측정결과를 차례대로 나타낸 이미지이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물과 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 제 1연마제와, 제 2연마제와, 증류수를 혼합하여 형성한다.
가령, 제 1연마제가 함유된 분산액 1 내지 5중량%와, 제 2연마제가 함유된 베이스액 60 내지 70중량%와, 증류수 25 내지 35중량%를 혼합하여 형성할 수 있다.
제 1연마제로 다이아몬드 분말을 이용한다. 다이아몬드 분말의 입자는 나노사이즈인 것이 바람직하다. 가령, 입자의 평균입경은 30 내지 125nm일 수 있다. 제 1연마제는 분산액에 함유된 형태로 이용한다. 분산액은 물이나 에탄올, 수산화칼륨 등과 같은 분산매에 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 것으로서, 이러한 분산액으로 상업화된 제품을 구입하여 이용할 수 있다.
제 2연마제는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 세리아(CeO2) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말이다. 실리카를 사용할 때 분산안정성이 우수하고 스크래치가 적어 CMP 공정에 적용 시 많은 장점을 갖는다.
상기 금속산화물 분말은 입경이 10 내지 200㎚인 나노 사이즈인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속산화물은 베이스액에 함유된 상태로 이용할 수 있다. 이러한 베이스액은 금속산화물 40중량%, 물 60중량%로 조성될 수 있다.
본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 완충제 또는 증점제 등이 더 첨가될 수 있다.
액상의 완충제(buffer solution)는 pH를 조절하여 연마제의 침전이나 변질을 막아 연마제의 안정성을 향상시키기 위한 것으로서, 수산화암모늄이나 염화암모늄을 이용할 수 있다. 완충제는 CMP 슬러리 조성물 전체 중량에서 1 내지 5중량% 혼합될 수 있다.
증점제는 연마제의 분산성을 향상시키고, 웨이퍼 표면에 대한 젖음 특성을 유도하기 위하여 사용되는 것으로서, 수용성 고분자를 이용할 수 있다. 가령, 수용성 고분자로 수산화에틸셀룰로오스(Hydroxyethylcellulose), 수산화프로필셀룰로오스(Hydroxypropylcellulose), 폴리비닐알콜(Polyvinylalcohol), 폴리비닐피롤리돈Polyvinylpolypyrrolidone) 및 폴리옥시에틸렌(Polyoxyethylene) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 증점제는 CMP 슬러리 조성물 전체 중량에서 1 내지 5중량% 혼합될 수 있다.
상술한 완충제, 증점제 외에도 통상적인 슬러리 조성물에 첨가되는 공지의 첨가물들이 더 첨가될 수 있음은 물론이다.
이하, 상술한 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 CMP 슬러리 조성물의 제조방법은 제 1연마제로서 다이아몬드 입자가 함유된 분산액을 준비하는 제 1단계와, 제 2연마제를 함유하는 베이스액에 증류수를 가해 희석시킨 다음 상기 다이아몬드 분산액을 혼합하는 제 2단계를 포함한다.
먼저, 제 1연마제인 다이아몬드 입자가 함유된 분산액을 준비한다. 다이아몬드 입자는 상술한 바와 같이 평균입경이 30 내지 125nm인 나노사이즈인 것인 바람직하다. 분산액으로 상업화된 제품을 구입하여 이용할 수 있다. 분산액 중의 다이아몬드는 0.5 내지 5중량%가 함유될 수 있다.
다음으로, 베이스액을 준비한다.
베이스액은 제 2연마제와 물을 함유할 수 있다. 가령, 베이스액은 물 20 내지 90중량%, 제 2연마제 10 내지 80중량%로 조성될 수 있다. 제 2연마제는 상술한 바와 동일하다.
준비된 베이스액에 증류수를 가해 희석시킨 다음 분산액을 혼합하여 CMP 슬러리 조성물을 제조한다. 가령, 베이스액 60 내지 70중량%, 증류수 25 내지 35중량%, 분산액 1 내지 5중량%의 비로 혼합하여 CMP 슬러리 조성물을 제조할 수 있다.
또한, 완충제를 더 혼합하여 CMP 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. 가령, 베이스액에 증류수를 가해 희석시킨 다음 다이아몬드 분산액과 완충제를 혼합한다. 이때, 완충제는 1 내지 5중량%의 비로 혼합될 수 있다.
상술한 본 발명의 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물은 웨이퍼의 연마시 표면 조도를 최소한으로 감소시키고 평탄도를 향상시키는 동시에 우수한 연마 속도를 가지며, 사파이어 웨이퍼, 쿼츠 웨이퍼, 탄화규소 웨이퍼 등의 평탄도 및 표면 조도의 표면 가공 상태를 향상시킨다. 또한, 경도가 우수한 다이아몬드 분말을 첨가하여 화학적인 식각과 함께 기계적인 연마가 효율적으로 이루어지도록 함으로써 연마포나 슬러리의 교환 없이 다양한 재질의 웨이퍼를 단일의 설비로 연마할 수 있는 장점을 갖는다.
종래의 CMP 슬러리를 이용할 경우, 4인치 혹은 6인치 직경의 사파이어 웨이퍼의 경우 연마하는 CMP 공정에서 미세한 표면 스크래치를 제거하기 위해 4시간 이상의 연마작업을 하더라도 수율 80% 정도로 생산성이 낮다.
하지만, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물을 이용하는 경우 화학적인 식각에 의한 연마보다는 기계적인 연마에 의해 연마속도를 높일 수 있어서 CMP 공정시간을 1시간 이내로 줄일 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
그리고 4인치 혹은 6인치 직경의 쿼츠 웨이퍼 연마공정에서는 종래에 세리아 연마제가 분산된 슬러리를 사용하는데, 쿼츠의 기계적인 강도가 약해 500미크론 이하의 두께를 갖는 제품을 연마할 경우 공정 중 파손이 많아 수율이 60% 이하로 매우 낮다. 하지만, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물을 이용하는 경우 화학적인 식각에 의한 연마를 적절히 가미함과 동시에 다이아몬드 입자에 의한 기계적인 가공에 의해 연마속도가 빨라 공정 중 웨이퍼의 파손율이 크게 줄어 수율을 향상시킬 수 있다.
그리고 4인치 혹은 6인치 직경의 SiC 웨이퍼 연마공정의 경우 종래의 CMP 슬러리를 사용하게 되면 웨이퍼의 표면에서 규소(Si)와 탄소(C)의 선택적인 식각이 일어나 표면에 홈(pit)이 발생한다. 하지만, 본 발명의 CMP 슬러리 조성물을 이용하는 경우 화학적인 연마와 함께 다이아몬드 입자에 의한 기계적 연마가 동반되어 웨이퍼 표면의 홈(pit) 발생을 줄여 생산성을 높일 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
평균입경이 80nm인 다이아몬드 입자가 분산된 분산액(Diapol, 링크코리아, 한국)을 구입하여 준비하였다.
다음으로 실리카와 물을 4:6의 중량비로 혼합하여 베이스액을 준비하였다.
그리고 염화암모늄 67.5g을 암모니아수 570ml에 녹인 후 증류수를 첨가하여 1000ml의 액상 완충제를 만들었다.
준비한 베이스액에 대하여 증류수를 가해 희석한 후 다이아몬드 분산액, 완충제를 혼합하여 CMP 슬러리 조성물을 제조하였다. 이때, 혼합비는 베이스액 65중량%, 증류수 30중량%, 분산액 3중량%, 완충제는 2중량%로 하였다.
<연마실험>
상기 실시예에서 제조된 CMP 슬러리 조성물의 연마효과를 살펴보기 위해 4인치 크기의 사파이어 웨이퍼와 쿼츠 웨이퍼를 대상으로 연마실험을 하였다.
웨이퍼 연마 중 초반 연마 공정인 DMP 연마는 통상적인 방법으로 수행한 후 상기 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 CMP 연마공정을 수행하였다. CMP 연마공정에 사용된 장비와 연마조건은 아래 표 1 및 표 2와 같다.

carrier		 재질 template carrier
수량 총 12pcs


정반
 사이즈 710mm
재질 SUBA 600
회전수 25rpm
온도 20~25℃
슬러리 공급 20ℓ/min
구분 1st pressure 자중 가압 final pressure
run time 3분 3분 120~180분 5분
pressure 0.02MPa 0.05MPa 0.2MPa 0.05MPa
CMP 연마 후 웨이퍼의 표면을 원자현미경(AFM)을 사용하여 측정하였다. 도 1에 나타난 바와 같이 5군데의 포인트를 선택하여 non-contact mode로 표면을 스캔 측정하였다.
측정결과를 도 2 내지 도 11에 나타내었다. 도 2 내지 도 6은 사파이어 웨이퍼의 5군데 포인트의 측정결과를 순서대로 차례로 나타낸 이미지이고, 도 7 내지 도 11은 쿼츠 웨이퍼의 5군데 포인트의 측정결과를 순서대로 차례로 나타낸 이미지이다.
도 2 내지 11의 결과를 하기 표 3에 정리하였다.
위치 사파이이 웨이퍼 쿼츠 웨이퍼
1 0.252nm 0.235nm
2 0.197nm 0.270nm
3 0.235nm 0.257nm
4 0.225nm 0.250nm
5 0.220nm 0.257nm
평균 0.225nm 0.253nm
사파이어 웨이퍼와 쿼츠웨이퍼의 표면조도 측정결과 두 종류 웨이퍼 모두 목표치인 0.3nm를 상회하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 사파이어 웨이퍼는 LED 제조를 위한 Epi-Ready 표면으로 적합하다고 판단되며, 쿼츠 웨이퍼 또한 광소자 제조를위한 최적의 등급(prime grade)으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 제 1연마제와, 제 2연마제와, 증류수를 함유하고,
    상기 제 1연마제는 다이아몬드 분말이고,
    상기 제 2연마제는 실리카, 알루미나, 세리아 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다이아몬드 분말의 입자는 30 내지 125nm인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물.
  3. 제 1연마제로서 다이아몬드 입자가 함유된 분산액을 준비하는 제 1단계와;
    제 2연마제를 함유하는 베이스액에 증류수를 가해 희석시킨 다음 상기 다이아몬드 분산액을 혼합하는 제 2단계;를 포함하고,
    상기 제 2연마제는 실리카, 알루미나, 세리아 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속산화물 분말인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2단계는 상기 분산액 1 내지 5중량%와, 상기 베이스액 60 내지 70중량%, 상기 증류수 25 내지 35중량%의 비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 2단계는 완충제를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 연마용 CMP 슬러리 조성물의 제조방법.
KR1020160044938A 2016-04-12 2016-04-12 웨이퍼 연마용 cmp 슬러리 조성물과 이의 제조방법 KR20170117276A (ko)

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