KR20180068423A - 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화 세륨 입자, 폴리옥시알킬렌 중합체 및 용매를 포함하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 상기 산화 세륨 입자는3개의 {100}면이 직교하는 꼭지점을 1개 이상 포함하고, 1차 입자의 종횡비가 2.0 이하인 육면체 형상인 것을 특징으로 한다. 이에 따르면 비교적 높은 산화규소 및 질화규소의 제거 속도를 유지하면서 폴리규소의 연마속도를 억제하여 향상된 연마효율을 갖는 슬러리를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 높은 산화규소 및 질화규소의 제거속도를 유지하면서 폴리규소의 연마속도를 억제하여 높은 연마 효율을 갖는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 부재들을 절연하기 위한 방법으로서, 에칭 또는 포토리소그래피를 통해 쉘로우 트렌치(shallow trench)를 형성하고, 유전층을 침착시켜 트렌치를 충전하는 쉘로우 트렌치 분리(STI) 공정이 최근 사용되고 있다. 이러한 STI 공정의 한 단계로서 과량의 절연물질로 인하여 생긴 단차를 제거하는 평탄화 공정이 포함되며, 상기 평탄화 공정을 위해서 최근에는 화학적 기계적 연마 공정(Chemical Mechanical Polishing, CMP)방법이 가장 널리 사용되고 있다.
화학적 기계적 연마 공정은 표면 평탄화 공정으로 플래시 메모리 소자등과 같은 반도체 소자의 평탄화에 일반적으로 이용되는 방법 중의 하나이다. 화학적 기계적 연마 공정에서는 회전판 상에 평탄화 공정을 수행할 웨이퍼를 안착시키고, 이 웨이퍼의 표면과 연마기의 패드를 접촉시킨 후, 슬러리의 공급과 함께 회전판 및 연마기의 패드를 회전시켜 연마 공정을 수행한다. 즉, 웨이퍼 표면과 패드 사이로 슬러리가 유동 하여 슬러리 내의 연마 입자와 패드의 표면돌기에 의한 기계적 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지는 동시에, 슬러리 내의 화학적 성분과 웨이퍼 표면의 화학적 반응에 의해 화학적 제거가 이루어진다.
연마 정지막으로는 실리콘 질화막이 일반적으로 사용되고 있어서, CMP용 슬러리 조성물은 연마 정지막인 실리콘 질화막에 대한 연마율이 낮고 실리콘 산화막에 대한 연마율이 높은 연마 선택비를 나타낼 것이 요구되고 있다.
산화세륨 슬러리의 경우 비교적 높은 산화규소 연마율을 가지고 있지만 상대적으로 낮은 질화 규소 연마율을 갖고 있다. 다만, CMP 슬러리용 연마재로 사용되는 산화 세륨(CeO2) 분말은 균일하고 입자의 형상이 구형이며 입도가 작은 분말의 합성이 절실한 상황이지만, 입도 및 분산성 제어가 어려운 고온에서의 고상 합성법 이외에는 현재까지 공업적으로 적용 가능한 제조방법이 널리 알려져 있지 않다. 실리콘 질화막 및 실리콘 산화막에 대한 연마 선택비를 고려할 때, 산화 세륨 입자는 좋은 연마재 이지만 이와 같이 입도가 크고 형상이 균일하지 않은 산화 세륨 입자는 스크래치 문제가 발생하고 반면에 입도가 작고 균일한 콜로이달 산화 세륨 입자의 경우 하소 산화 세륨 입자에 비해 연마율이 크게 감소한다
한편, 그간 메모리 반도체 분야에 있어 공정 개발은 공정미세화를 통한 집적도 향상을 통하여, 동일한 면적(2D) 내 메모리 용량을 늘려오는 방향으로 발전해왔다. 하지만, 공정 미세화에 따른 기술 한계와 누설 전류 등의 문제로 인하여 공정 확보의 어려움을 느끼고 있으며, 단순 미세화만으로는 동일한 면적 내 시장이 요구하는 대용량의 메모리 확보가 문제되었다. 그러한 문제점을 해결하기 위해서 현재 공정을 사용하면서도 최대한의 용적(3D) 당 메모리 용량을 확보 할 수 있는 삼차원의 수직 적층 구조형 메모리가 개발 되면서 업계는 공정 미세화에 더불어 적층기술 발전으로 기술의 패러다임 변화가 진행중인 실정이다. 대다수의 메모리 업체가 적층기술 확보에 전력을 다하고 있는 상황이며, 일부 메모리 업체는 최근 48단까지 3D V-NAND 양산에 돌입하여 제품을 공급하고 있다. 향후 메모리 업체의 적층 단수는 64단, 128단 등 계속적으로 높아질 것으로 예상되고 있으며, 다단 적층에 따른 다층막 증착, 종횡비의 폭발적인 증가로 인해 월등히 두꺼운 박막 등의 출현이 예고되고 있다.
따라서, 두꺼운 판막을 평탄화 하기 위한 CMP 공정의 적용을 위하여, 고단 적층 상황에서 적용 가능한 슬러리 및 산화 세륨 입자를 이용하여 기존보다 균일하고 높은 연마율을 가지며, 더 높은 질화규소 제거 속도를 갖는 CMP슬러리 제공이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 높은 산화규소 및 질화규소의 제거 속도를 유지하면서 폴리규소의 연마속도를 억제하는 슬러리 조성물을 제공하고, 그 결과 높은 연마 효율을 갖는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 산화 세륨 입자, 1종 이상의 폴리옥시알킬렌 중합체 및 용매를 포함하고, 상기 산화 세륨 입자는 3개의 {100}면이 직교하는 꼭지점을 1개 이상 포함하고, 종횡비가 2.0 이하 인 육면체 형상인 것을 포함한다.
상기 산화 세륨 입자는 등축정계(cubic system)일 수 있다.
상기 산화 세륨 입자는 1차 입자의 크기가 40 내지 60nm이며, 2차 입자의 크기가 200nm이하인 것 일 수 있다.
상기 산화 세륨 입자는 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 하여 0.1 내지 5 중량부로 포함되는 것 일 수 있다.
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 폴리에틸렌글리콜 중합체, 폴리프로필렌글리콜 중합체, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 블록 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 랜덤 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있다.
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 폴리에틸렌글리콜 중합체인 것 일 수 있다.
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 20 내지 4,000 단량체인 것 일 수 있다.
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 상기 조성물 내에 1 내지 5,000 ppm으로 포함되는 것 일 수 있다.
상기 조성물의 pH는 3 내지 7 인 것 일 수 있다.
상기 용매는 탈이온수인 것 일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 상기 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 산화 세륨의 형상이 균일하며, 산화규소 및 질화규소의 제거 속도를 유지하면서 폴리규소의 연마속도를 억제하여 향상된 연마 효율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 육면체 형상의 입자에 관한 격자 이미지이다.
도2는 등축정계(큐빅) 형상의 입자에 관한 격자 이미지 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 세륨 입자의 SEM 이미지이다.
도4는 육각형 구조의 산화 세륨 입자의 SEM이미지이다.
도2는 등축정계(큐빅) 형상의 입자에 관한 격자 이미지 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화 세륨 입자의 SEM 이미지이다.
도4는 육각형 구조의 산화 세륨 입자의 SEM이미지이다.
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.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 산화 세륨 입자 및 용매를 포함한다.
연마입자로서 포함되는 상기 산화 세륨 입자는, 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 제타 포텐셜 값이 10 내지 50mV일 수 있다. 상기 산화 세륨 입자의 제타 포텐셜 값이 양의 값을 가짐으로써, 실리콘 산화막 표면의 극성이 음의 값을 나타냄에 따라 산화 세륨 입자와 실리콘 산화막의 표면 사이의 인력에 의하여 연마 효율이 증대되어 단차를 가지는 패턴에서의 초기 연마 속도가 느린 로딩 이펙트(loading effect)가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 산화 세륨 입자는 실리카 입자나 알루미나 입자에 비해 경도가 낮지만, 실리카와 세륨간에 Si-O-Ce 결합이 형성되는 화학적 연마 메커니즘에 의해 유리나 반도체 기판과 같은 규소를 포함하는 면의 연마속도가 매우 빨라 반도체 기판의 연마에 유리하다.
상기 산화 세륨 입자는 바람직하게는 1차 입자의 크기(BET 표면적 측정)가 10내지 80nm 일 수 있고, 2차 입자의 크기가 약 200 nm이하 인 것일 수 있다.
상기 산화 세륨의 1차 입자의 크기가 10 nm 미만인 경우 세정성이 저하되고, 대상막에 대한 연마속도가 저해되어 연마효율이 떨어질 수 있고, 반대로 80 nm를 초과하는 경우 분산 안정성이 저해되어 스크래치와 같은 표면 결함 우려가 있다. 따라서 연마 대상막의 적절한 연마 속도와 상기 슬러리 조성물 내에서의 분산 안정성 등을 고려하여 10 내지 80nm 의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
상기 산화 세륨 1차 입자는 등축정계(cube) 형상, 정방정계(tetragonal) 형상, 사방정계(orthorhombic) 형상, 삼방정계(Rhombohedral) 형상, 단사정계(Monoclinic) 형상, 육방정계(hexagonal) 형상, 삼사정계(triclinic) 형상 및 육팔면체(cuboctahedron)형상으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 바람직하게는 직육면체 또는 정육면체 형상인 등축정계, 정방정계 또는 사방정계일 수 있으며, 보다 바람직하게는 정육면체인 등축정계일 수 있다.
상기 산화 세륨 입자는 도1을 참조하면 3개의 (100)면, (001)면 및 (010)면이 직교하는 꼭지점을 1개 이상 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 8개를 포함할 수 있다.
여기에서 면과 방향의 지수가 같을 경우 반드시 직교하고, 상기 (100), (001), (010)면은 좌표축에 대한 상대적 대칭성이 동일하다. 이와 같이 상대적 대칭성이 같은 면이나 방향을 결정학적으로 등가(equivalent)라고 하며, 상기 등가인 (100), (001), (010)면은 육면체를 구성하는 면으로서 이들의 음방향 면과 함께 모두 {100}면에 소속된 면이다.
상기 등축정계 형상의 산화 세륨 입자는 도2와 같이 하나의 꼭지점에 맞닿은 3개의 직교하는 선의 길이가 모두 같고 맞닿은 면의 각도는 모두 90°이다. 여기에서 등축정계(cubic) 산화 세륨 입자는 다시 말해서 a＝a=a이며, αα＝ββ＝γγ＝90˚˚이다.
상기 육면체 형상의 산화 세륨 입자는 종횡비가 2.0이하인 정방정계 또는 사방정계 일 수 있으며, 바람직하게는 종횡비가 1.0인 정육면체 형상의 등축정계 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 산화 세륨 입자는 화학적 합성을 통해 입자를 성장시키는 방법으로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 바텀 업(bottom up)방식일 수 있다. 상기 산화 세륨 입자의 합성 방법으로는 졸-겔(sol-gel)법, 초임계 반응, 수열반응 또는 공침법 등의 방법이 사용될 수 있으며 이에 한정하지는 않는다. 상기 바텀 업 방식은 최근 각광받고 있는 화학적 합성의 한 종류로서 원자나 분자들의 출발물질을 화학반응을 통하여 나노미터 크기의 입자로 성장시켜 나가는 방법이다.
연마재의 2차 입자 생성에 있어서, 용매는 각각 고유한 유전상수 값을 가지며, 용매의 유전상수는 분말 합성 시, 핵 생성 및 결정성장에 있어 표면 에너지나 표면전하 등을 변화시켜 핵의 응집 및 성장에 영향을 주고 이는 분말의 크기 및 형상 등에 영향을 주게 된다. 용매의 유전상수와 용매 내에 분산된 입자의 표면 전위(제타포텐셜)는 서로 비례관계에 있으며, 제타포텐셜이 낮으면 미세입자간 혹은 반응에 의해 생성된 핵간의 표면 반발력이 작으므로, 불안정한 상태로서 미세입자간 혹 은 핵간의 응집이 매우 빠른 속도로 일어날 수 있다. 이 때 표면 반발력의 크기는 미세입자 혹은 핵 간에 모두 비슷하므로, 균일한 크기로 응집이 가능하게 된다. 이렇게 응집된 2차 입자들은 온도, 농도 등과 같은 반응조건에 따라 1차 미세입자 혹은 핵들이 강한 응집작용 또는 오스왈드 라이프닝(Ostwald ripening)과 같은 입자 병합 과정을 거쳐 비교적 큰 사이즈의 입자들로 성장하게 된다.
상기 산화 세륨 입자는 2차 입자의 크기가 80 내지 200nm 일 수 있으며, 2차 입자의 크기가 80 nm 미만인 경우에는 1차 입자 또는 핵의 응집작용이 충분하지 않아서 균일한 크기로 응집이 어려워지며 연마제로서 역할이 미미해지고, 200nm 초과하는 경우에는 지나친 응집으로 인한 핵간의 표면 반발로 인해 불안정해질 수 있다.
상기 산화 세륨 입자는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.1 내지 5 중량%, 보다 바람직하게는 0.2 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 슬러리 조성물은 폴리옥시알킬렌 중합체를 포함한다. 폴리옥시알킬렌 중합체는 폴리옥시알킬렌쇄를 갖는 비이온성 고분자 첨가제로서, 폴리옥시알킬렌쇄 중의 산소 원자가 지립의 실라놀기와 수소 결합되기 때문에, 적절하게 사용할 수 있다. 상기 비이온성 고분자 첨가제는 2이상의 폴리에틸렌글리콜 반복단위를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 폴리에틸렌글리콜 반복단위가 분지형으로 이루어진 폴리올레핀-폴리에틸렌글리콜 중합체일 수 있다. 폴리옥시알킬렌쇄를 갖는 비이온성 화합물의 구체예로서는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, POE 알킬렌디글리세릴에테르, POE 알킬에테르, POE 소르비탄 지방산에스테르, POE 알킬페닐에테르, POE 글리콜 지방산에스테르, POE 헥시탄 지방산에스테르, POE 폴리프로필렌 알킬에테르 및 폴리옥시프로필렌/폴리옥시에틸렌의 블록/랜덤 공중합체 등을 들 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한 폴리옥시에틸렌/폴리옥시프로필렌의 (공)중합체의 경우, 슬러리 조성물의 폴리 옥시에틸렌/폴리옥시프로필렌 글리콜 (공)중합체의 웨이퍼 내의 분산성 및 침투력을 보다 향상시킬수 있는 바, 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜 중합체일 수 있다. 일반적으로 폴리에틸렌글리콜 중합체는 하기의 화학식1의 구조식을 가진다.
[화학식1]
H-(OCH2CH2)n-OH
여기에서, n은 에틸렌 글리콜의 부가물 수를 나타내는 정수이다.
폴리에틸렌글리콜 중합체를 첨가함에 따라 슬러리의 저장안정성이 크게 향상되어 장기 보관후 사용시에도 스크래치 등의 결함 발생이 적고, 연마속도가 유지되어 연마 재현성을 일정하게 유지할 수 있다. 또한 폴리옥시알킬렌 중합체는 연마과정에서 습윤제(wetting agent)로 작용하여, 보다 효율적으로 CMP용 슬러리 조성물이 웨이퍼 내의 넓은 영역에 고르게 분산 및 침투할 수 있도록 도와준다. 이에 따라, 상기의 화학식 1 로 표시되는 폴리에틸렌글리콜 비이온성 고분자 첨가제를 포함하는 CMP용 슬러리 조성물은 연마 대상막에 대한 높은 연마율 및 우수한 연마 선택비를 나타내면서도, 보다 향상된 연마 균일도를 달성할 수 있게 하여, 실리콘 산화막 등의 연마 대상막에 대한 과잉 연마 현상인 디싱 발생을 최소화 할 수 있다. 이 때, 디싱이나 에로젼이라 함은 연마에 의해 제거되어서는 안 될 부분에서 일부가 제거됨으로서 연마면상에 오목 부가 생기는 현상으로서, 이러한 디싱 또는 에로젼 등에 의해 반도체 소자의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
상기 폴리옥시알킬렌 중합체의 단량체 개수는 평균 20 내지 4,000 범위일 수 있으며, 바람직하게는 1,000 내지 4,000범위일 수 있다. 상기범위보다 적은 20 단량체 미만일 경우 슬러리의 연마특성이 저하될 수 있으며 또한 상기범위보다 많은 4,000단량체 초과의 경우 슬러리 안정성이 감소해 응집 및 침전이 발생할 수 있다.
상기 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 상기 폴리옥시알킬렌 중합체를 전체 조성물에서 1 내지 5,000ppm 포함할 수 있다. 이러한 폴리옥시알킬렌 중합체 비이온성 첨가제의 양에 의하여 단결정 실리콘막 또는 폴리실리콘막 등의 연마 속도를 조절할 수 있는데, 1ppm 미만으로 포함되는 경우, 연마 정지막의 연마율이 증가되어 단결정 실리콘막 또는 폴리실리콘막과 실리콘 산화막에 대한 연마 선택비가 낮아지게 된다. 이에 반하여, 폴리옥시알킬렌 중합체의 양이 5,000ppm 을 초과할 경우에는 실리콘 산화막의 연마율이 감소하여 연마 선택비가 낮아지고, 연마 입자의 응집 현상이 발생하여 슬러리 조성물의 분산 안정성이 떨어지게 된다.
상기 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 분산 안정성과 연마 효율 측면에서 pH7이하의 범위, 바람직하게는 3 내지 7의 범위 일 수 있다. 보다 상세하게, pH가 3미만일 경우, 실리콘 산화막의 제거율이 급격히 저하되어 바람직하지 않은 연마특성을 나타낼 수 있고, pH가 7 초과일 경우, 바람직하지 않은 연마특성을 나타내거나, pH 안정성 및 분산 안정성이 감소 하여 응집이 발생하고 이로 인해 마이크로 스크래치 및 결함(defect)이 발생할 수 있다.
상기 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물은 조성물의 최종적인 pH, 연마 속도, 연마 선택비 등을 고려하여 pH 를 조절할 수 있는 하나 이상의 산 또는 염기의 pH 조절제 및 완충제를 포함할 수 있다. 상기 pH를 조절하 기 위한 pH 조절제로는 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 특성에 영향을 미치지 않으면서 pH를 조절할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 산성 pH 조절제의 예로는 황산, 염산, 질산, 인산 등의 무기산과 아세트산, 시트르산 등의 유기산을 들 수 있다. 염기성 pH 조절제의 예로는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 4급 유기 암모늄염 등을 들 수 있다. 상기 pH 조절제의 함량은 조성물의 최종적인 pH를 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
상기 용매는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물에 사용되는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 예를 들어 탈이온수를 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 바람직하게는 초순수를 사용할 수 있다. 상기 용매의 함량은 상기 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물 전체에 대하여 상기 산화 세륨, 양이온성 중합체 및 기타 추가적인 첨가제의 함량을 제외한 나머지 함량일 수 있다.
상기 슬러리 조성물은 연마효율을 향상시킬 수 있는 첨가제를 포함할 수 있다. 두 종류 이상의 서로 다른 물질을 포함하는 연마 대상물을 연마하는 공정에서, 연마선택비 향상용 첨가제는 어느 하 나의 물질에 대하여 다른 물질을 선택적으로 연마하는 작용을 할 수 있다. 상기 첨가제의 일예로서 4급 암모늄 화합물, 윤활제 등을 필요에 따라 추가 포함할 수 있다. 상기 4급 암모늄 화합물은 방부제 기능 및 pH 조절 기능을 추가적으로 부여할 수 있으며, 그 사용양은 상기 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.01 내지 10중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5중량%일 수 있다. 상기 4급 암모늄 화합물로는 암모늄하이드록사이드, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드, 테트라에틸암모늄 하이드록사이드, 테트라프로필암모늄 하이드록사이드 또는 테트라부틸암모늄하이드록사이드 등을 들 수 있다. 상기 윤활제는 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물의 윤활 기능을 돕기 위한 것으로서, 상기 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 전체에 대하여 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게 0.1 내지 5 중량%를 사용할 수 있다.
상기 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물은 산화 세륨, 양이온성 중합체, 용매 및 기타 첨가제와 같은 모든 성분을 포함하는 1액형 슬러리 조성물 형태로 제공될 수도 있고, 필요에 따라 2-용기, 또는 3개 이상의 용기에 상기 성분들을 각기 저장된 후 사용 시점 또는 사용 시점 부근에서 이를 혼합하는 2액형 또는 3 액형 슬러리 조성물 형태로 제공될 수도 있다. 이러한 제공 형태의 선택 및 저장 성분 조합은 당해 분야에 통상 의 기술을 가진 자의 지식에 속하며, 혼합 비율을 변화시킴으로써 전체적인 연마 특성 및 연마 속도를 조정할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 사용하여 배리어 금속막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에 연마하는 단계를 포함한다. 상기 연마하는 단계를 통하여 관통 전극을 형성할 수 있다. 상기 화학 기계적 연마 슬러리 조성물을 사용하여 배리어 금속막, 실리콘 산화막 및 실리콘 질화막을 동시에 연마하는 방법은 종래 일반적으로 사용되는 연마 방법 및 조건이면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 본 명세서에서는 그 구체적인 설명에 대해서는 생략한다.
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.
입형별
산화 세륨 입자의 준비
(1) 1차 입자 크기 10~80nm 큐빅형 산화 세륨 입자
1차 입자 크기가 10 내지 80nm로서 평균 입경이 약 50nm인 등축정계 형태의 산화 세륨을 준비하였다. 상기 산화 세륨 입자는 Bottom up방식으로 화학적 합성을 통해 입자를 성장시키는 방법으로 제조되었다. 산화 세륨 입자의 화학적 합성 방법으로는 sol-gel법, 초임계반응, 수열반응, 공침법 등의 방법이 사용될 수 있으며, 모든 합성에는 세륨 입자 형상을 제어하기 위한 암모늄 계열 첨가물이 포함되었다.
(2) Hexagonal 형 산화 세륨 입자
Solvay社에서 공침법에 따라 제조된 육각형(Hexagonal)형태의 HC30 / HC60 / HC90 산화 세륨 제품을 준비하였다.
실시예1
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
전술한 방법으로 제조한, 1차 입자의 크기 분포가 약 10 내지 80nm인 큐빅형 산화 세륨 입자를 탈이온수에 첨가하여 연마재 농도를 0.1 중량%로 맞추고, 폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체 200단량체를 1,000ppm 첨가, pH 조절제로 Nitric acid를 첨가하여 최종 pH를 4로 맞추어 CMP 슬러리를 준비하였다.
실시예2
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(200 단량체, PEG200)를 2,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예3
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(400 단량체, PEG400)를 1,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예4
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(400 단량체, PEG400)를 2,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예5
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(1,000단량체, PEG1K)를 1,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예6
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(1,000단량체, PEG1K)를 2,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예7
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(4,000단량체, PEG4K)를 1,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실시예8
.
큐빅형
산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체(4,000단량체, PEG4K)를 2,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
비교예1
.
Negative
control의
제조
전술한 방법으로 준비한 1차 입자의 크기 분포가 약 10 내지 80nm인 큐빅형 산화 세륨 입자를 탈이온수에 첨가하여 연마재 농도를 0.1 중량%로 맞추고, pH 조절제로 Nitric acid를 첨가하여 최종 pH를 4로 맞추어 CMP 슬러리를 제조하였다.
비교예2
. 육각형 산화 세륨 입자를 포함하는
CMP
슬러리 조성물의 제조
육각형(hexagonal) 입형의 산화세륨 입자로서, 평균입경이65nm 인 산화 세륨 입자를 탈이온수에 첨가하여 연마제 농도를 0.1 중량%로 맞추고, pH 조절제로 Nitric acid를 첨가하여 최종 pH를 4로 맞추어 CMP 슬러리를 준비하였다.
비교예3
.
폴리옥시알킬렌 중합체로서 폴리에틸렌글리콜 중합체 200단량체를 1,000ppm 첨가한 것을 제외하고는, 상기 비교예2와 동일한 방법으로 CMP 슬러리를 제조하였다.
실험예1
. 연마 특성 평가
상기 실시예와, 상기 비교예 1 및 2에서 제조된 CMP 슬러리 조성물을 이용하여 하기 연마기 및 연마조건대로 연마를 수행하여, 실리콘 산화막(플라즈마 화학 증착에 의해 형성된 PETEOS 실리콘 산화막) 및 실리콘 질화막에 대한 연마속도 및 폴리규소의 연마속도를 계산하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다
연마기 : 폴리 400(Poli 400, G&P Technology社 제조)
웨이퍼 : 4 cm * 4 cm 단결정 PETEOS
연마 패드 : IC1000(다우社)
연마 시간(Polishing time) : 60sec
박막 측정 장비 : ST5000(K-MAC)
Platen rpm : 120rpm
Head rpm : 120rpm
Flow rate : 100ml/min
Pressure : 280g/cm2
산화세륨 농도 : 0.1 중량%
슬러리 pH : 4
| 연마조성물 | PEG 200 |
PEG 400 |
PEG 1K |
PEG 4K |
TEOS R.R. (Å/min) |
SiN R.R. (Å/min) |
Poly-Si R.R. (Å/min) |
| 비교예1 | - | - | - | - | 4,538 |
875 |
254 |
| 비교예2 | 1350 | 345 | 154 | ||||
| 비교예3 | 1,000 ppm |
1387 |
333 |
149 |
|||
| 실시예1 | 1,000 ppm |
4,561 | 846 |
205 |
|||
| 실시예2 | 2,000 ppm |
4,687 | 841 |
134 |
|||
| 실시예3 | 1,000 ppm |
4,584 | 839 |
189 |
|||
| 실시예4 | 2,000 ppm |
4,618 | 822 |
108 |
|||
| 실시예5 | 1,000 ppm |
4,634 | 827 |
21 |
|||
| 실시예6 | 2,000 ppm |
4,721 | 811 |
12 |
|||
| 실시예7 | 500 ppm |
4,448 | 785 |
8 |
|||
| 실시예8 | 1,000 ppm |
4,384 | 754 |
1 |
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 비교적 높은 산화규소 및 질화규소의 제거속도를 유지하면서, 폴리 규소의 연마속도를 억제시킴으로써 두꺼운 박막을 평탄화하기에 적합함을 확인할 수 있다.
또한 큐빅형 산화 세륨입자를 쓰는 경우, 보다 높은 선택비를 갖는 것을 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 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 (11)
- 산화 세륨 입자;
폴리옥시알킬렌 중합체; 및
용매를 포함하고,
상기 산화 세륨 입자는3개의 {100}면이 직교하는 꼭지점을 1개 이상 포함하고, 종횡비가 2.0 이하인 육면체 형상인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 산화 세륨 입자는 등축정계(cubic system)인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 산화 세륨 입자는 1차 입자의 크기가 10 내지 80nm이며, 2차 입자의 크기가 200nm이하인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 산화 세륨 입자는 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 폴리에틸렌글리콜 중합체, 폴리프로필렌글리콜 중합체, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 블록 공중합체, 폴리에틸렌 글리콜-폴리프로필렌 글리콜 랜덤 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 폴리에틸렌글리콜 중합체인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 평균 20 내지 4,000 단량체 수를 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 폴리옥시알킬렌 중합체는 상기 조성물 내에 1내지 5,000 ppm 으로 포함되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 조성물의 pH는 3내지7인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 용매는 탈이온수인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마용 슬러리 조성물. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물을 이용하여 연마하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160170078A KR20180068423A (ko) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160170078A KR20180068423A (ko) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180068423A true KR20180068423A (ko) | 2018-06-22 |
Family
ID=62768492
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160170078A KR20180068423A (ko) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | 화학적 기계적 연마 슬러리 조성물 및 반도체 소자의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20180068423A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115960540A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-04-14 | 昂士特科技(深圳)有限公司 | 具有改进颗粒的化学机械抛光组合物 |
-
2016
- 2016-12-14 KR KR1020160170078A patent/KR20180068423A/ko not_active Application Discontinuation
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