KR20190064319A - 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마 입자, 하기 화학식 1 및 하기 화학식 2를 포함하여, 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 평탄도가 높은 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
(상기 n은 1 내지 10의 정수이다)로 표시되는 화합물
[화학식 2]
(상기 R1 내지 R4는 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 상기 m은 1 내지 10의 정수이다)로 표시되는 화합물
[화학식 1]
(상기 n은 1 내지 10의 정수이다)로 표시되는 화합물
[화학식 2]
(상기 R1 내지 R4는 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 상기 m은 1 내지 10의 정수이다)로 표시되는 화합물
Description
본 발명은 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 다양해지고 고집적화됨에 따라 더욱 미세한 패턴 형성 기술이 사용되고 있으며, 그에 따라 반도체 소자의 표면 구조가 더욱 복잡해지고 표면 막들의 단차도 더욱 커지고 있다. 최근 반도체 소자를 제조하는 데 있어서 기판 상에 형성된 특정한 막에서의 단차를 제거하기 위한 평탄화 기술로서 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이 이용되고 있다.
상기 CMP 공정에 있어서 연마 속도, 연마 표면의 평탄화도, 스크래치의 발생 정도가 중요하며, CMP 공정 조건, 슬러리의 종류, 연마 패드의 종류 등에 의해 CMP 공정이 결정된다.
일반적으로 패턴이 작고 밀도가 높은 곳은 국부적으로 평탄화되고, 패턴이 크고 넓은 지역은 초기 단차를 그대로 반영하게 된다. 결국, 패턴 상에서 고단차 영역과 저단차 영역에서 단차를 완전히 제거하지 못하여 연마 후에도 잔여단차가 남아있게 되어 평탄화 효율을 떨어뜨린다.
이와 같이, 종래의 기술에서는 연마 공정 시 단일 슬러리와 단일 조건으로 연마 목표(Target)까지 한 번에 연마함으로써, 슬러리 소모량이 증가하여 연마 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 연마가 완료된 후에도 고단차 영역과 저단차 영역에서 제거되지 않은 잔여단차가 존재하여 후속 공정을 어렵게 하고 이로부터 반도체 소자의 수율을 감소시키는 문제가 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 연마 입자; b) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물; 및 c) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물;을 포함하는 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 ⅰ) 3 내지 5 중량% 농도의 연마 입자 분산액; 및 ⅱ) 0.3 내지 1.5 중량% 농도의 첨가제 혼합액;을 포함하되, 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 연마용 슬러리 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
(상기 n은 1 내지 10의 정수이다)
[화학식 2]
(상기 R1 내지 R4는 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 상기 m은 1 내지 10의 정수이다)
또한, 본 발명은 상기 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 반도체 박막을 연마하는 방법으로서, 상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:1 내지 1:3인 연마용 슬러리 조성물로 1차 연마하는 단계; 및 상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:4 내지 1:10인 연마용 슬러리 조성물로 2차 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막의 연마 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 연마용 슬러리 조성물을 이용한 고단차 반도체 박막의 연마 공정을 간략히 나타낸 도면이다.
이하 본 기재의 연마용 슬러리 조성물 및 고단차 반도체 박막의 연마 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 소정 히드록시 카르복시산 화합물 및 소정 디아민 화합물을 동시에 포함하는 연마용 슬러리 조성물의 경우, 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 것을 확인하고 이를 토대로 더욱 연구에 매진하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 연마용 슬러리 조성물은 a) 연마 입자; b) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물; 및 c) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물;을 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
또 다른 예로, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물은 ⅰ) 3 내지 5 중량% 농도의 연마 입자 분산액; 및 ⅱ) 0.3 내지 1.5 중량% 농도의 첨가제 혼합액;을 포함하되, 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
[화학식 1]
(상기 n은 1 내지 10의 정수이다)
[화학식 2]
(상기 R1 내지 R4는 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 상기 m은 1 내지 10의 정수이다)
이하에서는 본 기재의 연마용 슬러리 조성물을 각 성분별로 상세히 설명하기로 한다.
a) 연마 입자
상기 연마 입자는 일례로 통상의 슬러리 조성물에 사용되는 연마 입자이면 크게 제한되지 않으나, 구체적인 예로는 금속산화물 입자, 유기 입자 및 유기-무기 복합 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 금속산화물 입자는 일례로 산화세륨 입자, 실리카 입자, 알루미나 입자, 지르코니아 입자, 티타니아 입자 및 제올라이트 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 산화세륨 입자일 수 있으며, 이 경우 연마 대상막의 스크래치 발생을 감소시키면서, 연마율을 크게 향상시키는 효과가 있다.
상기 유기 입자는 일례로 스티렌계 중합체 입자, 아크릴계 중합체 입자, 폴리염화비닐 입자, 폴리아미드 입자, 폴리카보네이트 입자 및 폴리이미드 입자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기-무기 복합 입자는 일례로 유기물과 무기물을 복합시켜 형성될 수 있다.
본 기재에서 복합은 본 발명이 속한 기술 분야에서 사용되는 '복합'의 의미와 다르지 않고, 일례로 2종 이상의 물질이 물리적으로 결합(bonding)된 것을 의미할 수 있다.
상기 연마 입자는 일례로 연마용 슬러리 조성물에 대하여 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 또는 0.2 내지 1 중량%로 포함할 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성이 우수하고 연마율이 우수한 효과가 있다.
상기 연마 입자는 일례로 1차 입자크기가 10 내지 90 nm, 20 내지 80 nm, 또는 30 내지 60 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 연마율이 우수하며, 연마용 슬러리 조성물이 좁은 선폭의 반도체 공정에 적용되는 경우에도 연마 대상막의 스크래치 발생을 감소시키는 효과가 있다.
상기 연마 입자는 일례로 a) 연마 입자, b) 히드록시 카르복시산 화합물 및 c) 디아민 화합물 총 100 중량%에 대하여는 70 내지 95 중량%, 또는 75 내지 92 중량%로 포함될 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성 및 연마율이 우수한 효과가 있다.
본 기재에서 1차 입자는 하소 단계에서 성장한 산화세륨 개개의 입자(결정)를 의미하고, 이러한 1차 입자크기는 SEM 혹은 TEM을 이용하여 측정할 수 있고, 구체적으로 SEM 혹은 TEM에 있는 입도 측정하는 프로그램 툴(tool)을 이용하여 한 화면상에 보이는 500 내지 1000 개의 입자 크기를 측정한 평균값으로 한다.
상기 연마 입자는 일례로 2차 입자크기가 120 내지 250 nm, 또는 150 내지 250 nm일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성이 우수하고 연마율이 우수한 효과가 있다.
본 기재에서 2차 입자는 응집 형태의 입자군으로서, 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 것을 의미하고, 이러한 2차 입자크기는 레이저 회절 입도분석기를 이용하여 측정할 수 있다.
b) 히드록시 카르복시산 화합물
본 기재의 히드록시 카르복시산 화합물은 하기 화학식 1일 수 있고, 이 경우 연마 속도가 우수하고, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
[화학식 1]
(상기 n은 1 내지 10의 정수이다)
상기 화학식 1에서 n은 일례로 1 내지 10, 3 내지 5, 또는 6 내지 8일 수 있고, 이 범위 내에서 연마 속도가 우수하고, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 b) 화학식 1로 표시되는 화합물은 구체적인 예로는 글루콘산(Gluconic acid), 글루쿠론산(Glucuronic acid), 글리콜산(glycolic acid), 글루카르산(glucaric acid), 및 글루콘산나트륨(Sodium Gluconate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 이 경우 연마 속도가 우수하고, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 b) 화학식 1로 표시되는 화합물은 일례로 연마용 슬러리 조성물에 대하여 0.01 내지 1.0 중량%, 0.05 내지 0.5 중량%, 또는 0.1 내지 0.5 중량%로 포함할 수 있고, 이 범위 내에서 연마 속도가 우수하고, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 b) 화학식 1로 표시되는 화합물을 일례로 a) 연마 입자, b) 히드록시 카르복시산 화합물 및 c) 디아민 화합물 총 100 중량%에 대하여는 3 내지 15 중량%, 또는 4 내지 11 중량%로 포함될 수 있고, 이 범위 내에서 연마 속도 및 평판도가 우수한 효과가 있다.
c) 디아민 화합물
본 기재의 디아민 화합물은 하기 화학식 2일 수 있고, 이 경우 친수성과 소수성을 적절히 조절하여 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 있다.
[화학식 2]
(상기 R1 내지 R4는 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기이고, 상기 m은 1 내지 10의 정수이다)
상기 화학식 2에서 m은 일례로 1 내지 10, 1 내지 6, 또는 2 내지 4일 수 있고, 이 범위 내에서 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 있다.
상기 화학식 2에서 R1 내지 R4는 일례로 독립적으로 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 탄소수 1 내지 5 의 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 2 의 알킬기일 수 있고, 이 범위 내에서 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 있다.
상기 c) 화학식 2로 표시되는 화합물은 일례로 유기아민 화합물, 그의 염 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 디아민류 화합물이며, 더 바람직하게는 테트라메틸프로필렌디아민(tetramethyl propylene diamine; TMPDA)이며, 이 경우 친수성과 소수성을 적절히 조절하여 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 있다.
상기 c) 화학식 2로 표시되는 화합물은 일례로 연마용 슬러리 조성물에 대하여 0.01 내지 1.0 중량%, 0.05 내지 0.5 중량%, 또는 0.1 내지 0.5 중량%로 포함할 수 있고, 이 범위 내에서 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 있다.
상기 c) 화학식 2로 표시되는 화합물을 일례로 a) 연마 입자, b) 히드록시 카르복시산 화합물 및 c) 디아민 화합물 총 100 중량%에 대하여는 3 내지 15 중량%, 또는 4 내지 11 중량%로 포함될 수 있고, 이 범위 내에서 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키는 효과가 크다.
상기 화학식 1로 표시되는 화합물과 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 중량비는 일례로 10:1 내지 1:10, 또는 5:1 내지 1:5일 수 있고, 바람직하게는 2:1 내지 1:2, 1.5:1 내지 1:1.5, 또는 1.2:1 내지 1:1.2일 수 있으며, 이 범위 내에서 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
본 기재의 연마용 슬러리 조성물은 일례로 d) 음이온계 고분자 및/또는 e) 탈이온수를 더 포함할 수 있고, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
d) 음이온계 고분자
상기 연마용 슬러리 조성물은 일례로 표면 전하가 음전하일 수 있고, 이 경우 분산 안정성이 우수하고 연마 대상막의 디싱, 부식 및 스크래치를 감소시키는 효과가 있다.
상기 연마용 슬러리 조성물은 일례로 음이온계 고분자를 포함할 수 있고, 이 경우 분산 안정성이 우수하고 연마 대상막의 디싱, 부식 및 스크래치를 감소시키는 효과가 있다.
상기 음이온계 고분자는 일례로 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴 말레익산, 폴리스티렌설페이트, 폴리인산, 폴리글루탐산, 폴리포스페이트, 폴리헥산, 폴리아스파틱산, 폴리소듐스티렌설포네이트, 폴리비닐설포닉산, 폴리소듐염, 폴리아미노산, 폴리비닐포스폰산, 폴리아스팔트산 및 폴리아네톨술폰산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 분산 안정성이 우수하고 연마 대상막의 디싱, 부식 및 스크래치를 감소시키는 효과가 있다.
상기 음이온계 고분자는 일례로 연마용 슬러리 조성물(a+b+c+d+e)에 대하여 0.1 내지 5.0 중량%, 0.1 내지 3.0 중량%, 또는 0.1 내지 1.0 중량%일 수 있고, 이 범위 내에서 분산 안정성이 우수하고 연마 대상막의 디싱, 부식 및 스크래치를 감소시키며, 연마율이 우수한 효과가 있다.
e) 탈이온수
상기 탈이온수는 일례로 연마용 슬러리 조성물(a+b+c+d+e)에 대하여 85 내지 99.9 중량%, 또는 95 내지 99.9 중량%일 수 있으며, 이 범위 내에서 입자 분산성이 우수하고 안정적인 연마 효과를 낼 수 있다.
ⅰ) 연마 입자 분산액
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액은 일례로 농도가 3 내지 5 중량%, 또는 4 내지 5 중량%일 수 있고, 이 범위 내에서 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
본 기재에서 농도는 중량% 농도로 용액 총 중량에 대한 해당 입자 총 중량의 % 비율을 의미한다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액은 일례로 연마 입자, 탈이온수 및 분산제를 포함할 수 있고, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액에 있어서, 연마 입자는 일례로 전술한 a) 연마 입자일 수 있고, 이 경우 연마율이 우수하며, 연마용 슬러리 조성물이 좁은 선폭의 반도체 공정에 적용되는 경우에도 연마 대상막의 스크래치 발생을 감소시키는 효과가 있다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액에 있어서, 탈이온수는 통상적으로 본 발명이 속한 기술분야에서 사용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액에 있어서, 분산제는 통상의 연마 입자 분산액에 사용되는 분산제이면 크게 제한되지 않으나, 일례로 폴리비닐알코올, 에틸렌글리콜, 글리세린, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 암모늄염, 폴리아크릴 말레익산, 비이온성 분산제 및 음이온성 분산제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 슬러리 조성물의 침전이나 변질을 막아 분산성을 높이는 효과가 있다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액의 pH는 일례로 7 내지 10, 또는 8 내지 9일 수 있고, 이 범위 내에서 슬러리 조성물의 침전이나 변질을 막아 슬러리 조성물의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
본 기재에서 pH는 별도의 기재가 없는 한 상온 하에서 일반적인 pH 측정장치를 이용하여 측정할 수 있다.
ⅱ) 첨가제 혼합액
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액이 0.3 내지 1.5 중량%, 0.5 내지 1.2 중량%, 또는 0.8 내지 1.2 중량%일 수 있고, 이 범위 내에서 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액은 일례로 전술한 b) 화학식 1로 표시되는 화합물 및 c) 화학식 2로 표시되는 화합물을 모두 포함할 수 있고, 이 경우 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키면서 연마 속도가 우수하여 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액은 일례로 음이온계 고분자, 안정화제 및 pH 조절제를 더 포함할 수 있고, 이 경우 연마제의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액에 있어서, 음이온계 고분자는 일례로 전술한 d) 음이온계 고분자일 수 있고, 이 경우 분산 안정성이 우수하고 연마 대상막의 디싱, 부식 및 스크래치를 감소시키는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액에 있어서, 안정화제는 이 기술분야에서 사용되는 것이면 제한없이 사용 가능하나, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜일 수 있고, 이 경우 연마율이 우수하고 연마 성능을 장기간 유지시키는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액에 있어서, pH 조절제는 일례로 암모니아수, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 황산, 염산, 질산, 인산, 구연산, 암모니아, 인산칼륨 및 염화암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 pH를 원하는 범위 내로 조절하여 연마제의 침전이나 변질을 막아 연마제의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 pH는 일례로 4 내지 8, 또는 5 내지 7일 수 있고, 이 범위 내에서 슬러리 조성물의 침전이나 변질을 막아 슬러리 조성물의 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 ⅱ) 첨가제 혼합액은 물성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 방부제 및 윤활제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 방부제는 일례로 아이소티아졸계 화합물일 수 있다.
상기 윤활제는 일례로 글리세린, 에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있고, 이 경우 분산 안정성이 우수한 효과가 있다.
상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비는 일례로 1:1 내지 1:10, 1:1.5 내지 1:8, 또는 1:2 내지 1:6일 수 있고, 이 범위 내에서 연마 대상막의 디싱 및 부식을 감소시키면서 연마 속도가 우수하여 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
연마용 슬러리 조성물
상기 연마용 슬러리 조성물은 일례로 32단 이상, 36단 이상, 64단 이상, 또는 64단 내지 128단의 고단차 반도체 박막을 연마하는데 사용될 수 있고, 이 범위 내에서 본 발명의 효과가 확연히 드러난다.
고단차 반도체 박막의 연마 방법
본 기재의 고단차 반도체 박막의 연마 방법은 상기 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 32단 이상, 36단 이상, 64단 이상, 또는 64단 내지 128단의 고단차 반도체 박막을 연마하는 것일 수 있고, 이 경우 연마 속도 및 평탄도가 뛰어난 효과가 있다.
또 다른 예로, 본 기재의 반도체 박막의 연마 방법은 일례로 앞서 설명한 본 기재의 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 고단차 반도체 박막을 연마하는 방법으로서, 상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:1 내지 1:3인 연마용 슬러리 조성물로 1차 연마하는 단계; 및 상기 ⅰ) 연마 입자 분삭액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:4 내지 1:10인 연마용 슬러리 조성물로 2차 연마하는 단계;를 포함할 수 있고, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 고단차 반도체 박막의 연마 방법은 일례로 기판 상의 연마 대상막과 연마 패드를 접촉시킨 상태로 상대적으로 이동시켜 상기 연마 대상막을 연마하는 화학적 기계적 연마 방법일 수 있다.
상기 연마용 슬러리 조성물로 1차 연마하는 단계 및 2차 연마하는 단계는 이하에서 각각 P1 공정, P2 공정이라 한다.
상기 P1, P2 공정에서 ⅰ) 연마 입자 분산액은 일례로 전술한 연마 입자 분산액 일 수 있고, ⅱ) 첨가제 혼합액은 일례로 전술한 첨가제 혼합액일 수 있으며, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
상기 P1 공정은 일례로 잔여 단차 4,500 내지 6,000 Å, 또는 5,000 내지 6,000 Å가 되는 시점까지 진행될 수 있고, 구체적으로 자동 정지(Auto Stop) 기능을 통해 실시될 수 있으며, 이 경우 빠른 연마 속도로 고단차 영역이 제거됨과 동시에 연마 입자 및 패드(PAD)가 저단차 영역에 접촉하지 않아 저단차 영역을 보호하는 효과가 있다.
상기 자동 정지는 이 기술분야에서 통상적으로 사용하는 방법으로 특별히 제한되지 않는다.
상기 P2 공정은 일례로 P1 공정이 종료된 시점에서 잔여 단차가 0 Å가 되는 시점까지 진행될 수 있으며, 이 경우 저단차 영역을 보호하며 잔여 단차가 존재하지 않는 효과가 있다.
상기 P1 공정에서 연마 입자 분산액과 첨가제 혼합액의 부피비는 일례로 1:1 내지 1:3, 1:1.5 내지 1:2.5, 또는 1:1.5 내지 1:2일 수 있고, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하는 효과가 있다.
상기 P2 공정에서 연마 입자 분산액과 첨가제 혼합액의 부피비는 일례로 1:4 내지 1:10, 1:5 내지 1:8, 또는 1:6 내지 1:7일 수 있고, 이 경우 저단차 영역을 보호하면서 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
본 발명에서 단차 제거 속도는 일례로 9,000 Å/min 이상, 12,000 Å/min 이상, 또는 15,000 Å/min 이상일 수 있고, 절연산화층(Field Oxide) 제거량은 일례로 500 Å/min 이하, 250 Å/min 이하, 또는 100 Å/min 이하일 수 있으며, 이 경우 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가짐과 동시에 저단차 영역은 보호하여, 연마가 완료된 후에 잔여단차가 존재하지 않고 높은 평탄도를 가지는 효과가 있다.
본 발명에서 평탄도는 일례로 50 Å 이하, 5 내지 50 Å, 또는 5 내지 20 Å일 수 있고, 이 범위 내에서 본 발명의 목적하는 효과가 드러난다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
탄산세륨 수화물 2,000 g을 750 ℃에서 4 시간 동안 공기 중에서 하소하여 산화세륨 1,200 g을 제조한 후, 매체 교반식 밀로 분산제인 폴리아크릴산(Polyacrylic acid) 24 g과 탈이온수 4,000 ml 및 pH 조절제인 암모니아수 20 g과 함께 습식분쇄하고, 분급하여 산화세륨 분산액을 얻었다. 상기 산화세륨 분산액의 고형분은 4.5 중량%이며, 평균 입자크기는 140 nm였다.
또한, 초순수 991.9 g에 음이온성 고분자인 폴리아크릴산 5 g, 디아민 화합물인 테트라메틸프로필렌디아민 1 g, 히드록시 카르복시산 화합물인 글루콘산 1 g, 클루코즈 1 g 및 안정화제인 폴리에틸렌글리콜 0.1 g을 넣어 첨가제 혼합액을 제조하였다. 상기 첨가제 혼합액에 암모니아를 이용해 pH가 5.8 이 되도록 조절하였다.
이후 제조된 산화세륨 분산액과 첨가제 혼합액을 1:2의 부피비로 혼합하여 P1 공정에서 사용할 연마용 슬러리 조성물을 제조하였고, 부피비를 1:6으로 달리하여 P2 공정에서 사용할 연마용 슬러리 조성물을 제조하였다.
실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 3
상기 실시예 1에서 첨가제 혼합액의 성분과 함량을 하기 표 1, 2에 기재한 만큼 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
[P1 조성]
부피비 | 산화세륨 분산액 | 첨가제 혼합액 | ||||||||
산화세륨 분산액 | DIW | 첨가제 혼합액 | 고형분 함량 | pH | 음 이온성 고분자 |
히드록시 카르복시산 화합물 | 디아민 화합물 | 안정화제 | pH | |
실시예1 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
실시예2 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | 0.2% | 0.01% | 5.8 |
실시예3 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.2% | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
비교예1 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | - | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
비교예2 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | - | 0.01% | 5.8 |
비교예3 | 1 | 3 | 2 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | - | - | 0.01% | 5.8 |
[P2 조성]
부피비 | 산화세륨 분산액 | 첨가제 혼합액 | ||||||||
산화세륨 분산액 | DIW | 첨가제 혼합액 | 고형분 함량 | pH | 음 이온성 고분자 |
히드록시 카르복시산 화합물 | 디아민 화합물 | 안정화제 | pH | |
실시예1 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
실시예2 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | 0.2% | 0.01% | 5.8 |
실시예3 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.2% | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
비교예1 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | - | 0.1% | 0.01% | 5.8 |
비교예2 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | 0.1% | - | 0.01% | 5.8 |
비교예3 | 1 | 3 | 6 | 5.0 wt% | 8 | 0.5% | - | - | 0.01% | 5.8 |
[연마 조건]
* 연마 장비: GnP TECHNOLOGY INC 사의 POLI 400
* 연마 대상막: 4 cm X 4 cm SKW 7-2 Pattern Wafer
* 연마 패드: DOWIC1010
* 테이블(Table)/헤드(Head) 속도: 121/120 rpm
* 연마 압력: 300 g/cm2
* 슬러리 공급유량 100 ml/min
* 박막 측정 장비: K-MAC 사의 ST 5000
[시험예]
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 연마용 슬러리 조성물의 물성을 하기의 방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 3, 4에 나타내었다.
* 고단차 영역 연마속도: XP-300 plus profiler 및 K-MAC 사의 ST 5000을 통한 Oxide 박막 두께 측정
* 저단차 영역 연마속도: K-MAC 사의 ST 5000을 통한 Oxide 박막 두께 측정
* 잔여단차: K-MAC 사의 ST 5000을 통한 Oxide 박막 두께 측정
* 평탄도: XP-300 plus profiler를 통해 단차 제거 유무를 확인한 후 K-MAC 사의 ST 5000을 사용하여 평탄도 측정
[P1 공정]
단차 제거 속도 [Å/min] |
Field Oxide 제거량 [Å/min] |
잔여단차 [Å] |
|
실시예 1 | 11,154 | 32 | 4,846 |
실시예 2 | 10,415 | 12 | 5,585 |
실시예 3 | 10,121 | 9 | 5,879 |
비교예 1 | 10,154 | 114 | 5,846 |
비교예 2 | 10,846 | 126 | 5,154 |
비교예 3 | 10,154 | 254 | 5,846 |
[P2 공정]
연마 시간 | Field Oxide 제거량 [Å/min] |
잔여단차 [Å] |
평탄도 [Å] |
|
실시예 1 | 60 sec | 332 | 0 | 50 이내 |
실시예 2 | 60 sec | 412 | 0 | 50 이내 |
실시예 3 | 60 sec | 429 | 0 | 50 이내 |
비교예 1 | 60 sec | 814 | 0 | 50 이내 |
비교예 2 | 60 sec | 843 | 0 | 50 이내 |
비교예 3 | 60 sec | 1,025 | 0 | 50 이내 |
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물(실시예 1 내지 3)로 연마할 경우, 비교예 1 내지 3에 비해 고단차 영역에서는 높은 연마 속도를 가지면서도, 저단차 영역에서는 낮은 연마 속도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물(실시예 1 내지 3)로 연마할 경우, 비교예 1 내지 3에 비해 절연산화층(Field oxide)은 보호하면서 잔여단차를 모두 제거하는 것을 확인하였다.
하기 도 1은 본 발명의 연마용 슬러리 조성물을 이용한 고단차 반도체 박막의 연마 공정을 간략히 나타낸 도면이다.
하기 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 두 번의 연마 공정(P1, P2 공정)을 진행할 경우, P1 공정에서는 높은 단차 제거 속도로 고단차 영역이 빠르게 연마되면서도 적은 절연산화층(Field oxide) 제거량으로 저단차 영역이 보호되고, P2 공정에서는 저단차 영역을 보호하면서 잔여단차를 모두 제거하여 높은 평탄도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (14)
- 제 1항에 있어서,
상기 a) 연마 입자는 산화세륨 입자인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 a) 연마 입자는 0.1 내지 10 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 화학식 1에서 n은 3 내지 5인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 b) 화학식 1로 표시되는 화합물은 0.01 내지 1 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 화학식 2에서 m은 2 내지 4인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 c) 화학식 2로 표시되는 화합물은 0.01 내지 1 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 b) 화학식 1로 표시되는 화합물과 상기 c) 화학식 2로 표시되는 화합물은 중량비가 10:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 연마용 슬러리 조성물은 표면 전하가 음전하인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 연마용 슬러리 조성물은 음이온계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 1항에 있어서,
상기 연마용 슬러리 조성물은 32단 이상의 고단차 반도체 박막을 연마하는데 사용되는 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 12항에 있어서,
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비를 1:1 내지 1:10인 것을 특징으로 하는
연마용 슬러리 조성물. - 제 12항의 연마용 슬러리 조성물을 이용하여 반도체 박막을 연마하는 방법으로서,
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:1 내지 1:3인 연마용 슬러리 조성물로 1차 연마하는 단계; 및
상기 ⅰ) 연마 입자 분산액과 상기 ⅱ) 첨가제 혼합액의 부피비가 1:4 내지 1:10인 연마용 슬러리 조성물로 2차 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
반도체 박막의 연마 방법.
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