KR20200058017A - 연마 슬러리 및 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

탄소 연마 입자 및 발열 물질을 포함하는 연마 슬러리 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

연마 슬러리 및 반도체 소자의 제조 방법{POLISHING SLURRY AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
연마 슬러리 및 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 공정에서 평탄한 표면을 갖는 구조물을 형성할 것이 요구되며, 이러한 구조물은 연마 공정으로 수행될 수 있다. 연마 공정 중 하나로 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)를 들 수 있다. 화학 기계적 연마는 연마 공정을 수행할 기판과 연마 패드 사이에 연마 입자를 포함한 연마 슬러리(polishing slurry)를 제공한 후 반도체 기판을 연마 패드에 접촉시키고 회전시켜 가압 및 회전에 의해 기판의 표면을 평탄화하는 공정이다.
근래 고성능 고집적화된 반도체 소자는 약 10nm 이하의 미세 피치(fine pitch)의 구조물이 요구된다. 기존의 수십 나노미터 입경의 연마 입자를 포함한 연마 슬러리는 미세 피치의 구조물의 손상 및 형태 변형을 일으킬 수 있다. 이에 따라 미세 피치의 구조물을 효과적으로 연마하기 위하여 기존의 수십 나노미터 입경의 연마 입자 대신 수 나노미터 입경의 미세 연마 입자가 연구되고 있다. 그러나 이러한 미세 연마 입자는 연마 속도가 낮아 연마 성능을 개선할 필요가 있다.
일 구현예는 구조물의 손상 및 형태 변형을 줄이면서 연마 속도를 개선할 수 있는 연마 슬러리를 제공한다.
다른 구현예는 상기 연마 슬러리를 사용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 탄소 연마 입자 및 발열 물질을 포함하는 연마 슬러리를 제공한다.
상기 발열 물질은 기계적 마찰에 의해 발열하는 물질일 수 있다.
상기 발열 물질은 약 150 J/g 내지 400 J/g의 응고열을 가질 수 있다.
상기 발열 물질은 친수성 물질일 수 있다.
상기 발열 물질은 아세트산나트륨(sodium acetate, CH3COONA), 티오황산나트륨(sodium thiosulfate, Na2S2O3), 수산화바륨(barium hydroxide, Ba(OH)2), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 인산수소이나트륨(disodium phosphate, Na2HPO4), 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2) 및 이들의 수화물에서 선택될 수 있다.
상기 발열 물질은 과포화 상태로 존재할 수 있다.
상기 발열 물질은 약 30 mol/ℓ 내지 120 mol/ℓ의 농도로 포함될 수 있다.
상기 탄소 연마 입자는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 탄소 연마 입자는 적어도 하나의 친수성 작용기를 가진 친수성 플러렌을 포함할 수 있고, 상기 친수성 작용기는 히드록실기, 아미노기, 카르보닐기, 카르복실기, 설프히드릴기 및 포스페이트기에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소 연마 입자는 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78이고 y는 12 내지 44이다)로 표현되는 수산화 플러렌을 포함할 수 있다.
상기 탄소 연마 입자의 평균 입경은 약 10nm 이하일 수 있다.
상기 탄소 연마 입자는 상기 연마 슬러리에 대하여 약 0.01중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
상기 연마 슬러리는 킬레이트제, 산화제, 계면활성제, 분산제 또는 이들의 조합을 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 반도체 기판과 연마 패드를 마주하도록 배치하는 단계, 상기 반도체 기판과 상기 연마 패드 사이에 상기 연마 슬러리를 공급하는 단계, 그리고 상기 반도체 기판의 표면과 상기 연마 패드를 접촉시켜 연마를 수행하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 연마 슬러리를 공급하는 단계는 상기 연마 슬러리를 약 10ml/min 내지 100ml/min의 속도로 공급할 수 있다.
상기 연마를 수행하는 단계에서 상기 연마 슬러리의 온도는 초기 공급된 상기 연마 슬러리의 온도보다 약 2℃ 이상 상승할 수 있다.
상기 연마를 수행하는 단계에서 상기 연마 슬러리의 온도는 약 26 내지 80℃일 수 있다.
상기 연마를 수행하는 단계에서 약 1psi 내지 5psi의 압력을 인가할 수 있다.
상기 제조 방법은 상기 연마 슬러리에 포함된 발열 물질과 같거나 다른 발열 물질을 추가로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연마 슬러리는 상기 반도체 기판 내의 금속 배선을 연마할 수 있다.
미세 피치의 구조물의 손상 및 형태 변형을 줄이면서 연마 속도를 개선할 수 있다.
도 1 내지 4는 일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 일 구현예에 따른 연마 슬러리를 설명한다.
일 구현예에 따른 연마 슬러리는 연마제 및 발열 물질을 포함한다.
연마제는 탄소 연마 입자를 포함할 수 있다. 탄소 연마 입자는 탄소로 이루어지거나 탄소를 포함하는 연마 입자일 수 있으며 예컨대 탄소로 이루어지거나 탄소를 주성분으로 포함하는 2차원 또는 3차원 형태의 입자일 수 있다.
탄소 연마 입자는 미세 연마 입자일 수 있으며, 예컨대 탄소 연마 입자의 평균 입경은 약 10nm 이하일 수 있다. 상기 범위의 작은 평균 입경을 가짐으로써 약 10nm 이하의 폭을 가진 미세 피치의 구조물에 효과적으로 적용될 수 있다. 탄소 연마 입자의 평균 입경은 상기 범위 내에서 약 8nm 이하, 약 7nm 이하, 약 5nm 이하, 예컨대 약 3nm 이하, 예컨대 약 2nm 이하, 예컨대 약 1nm 이하일 수 있으며, 예컨대 약 0.01nm 내지 10nm, 약 0.01nm 내지 8nm, 약 0.01nm 내지 7nm, 약 0.01nm 내지 5nm, 약 0.01nm 내지 3nm, 약 0.01nm 내지 2nm 또는 약 0.01nm 내지 1nm의 입경을 가질 수 있다.
일 예로, 탄소 연마 입자는 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다. 플러렌은 예컨대 C60, C70, C74, C76 또는 C78 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 플러렌 유도체는 친수성 플러렌일 수 있으며, 친수성 플러렌은 플러렌 코어에 적어도 하나의 친수성 작용기가 결합된 구조일 수 있다. 플러렌 코어는 예컨대 C60, C70, C74, C76 또는 C78 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 친수성 작용기는 예컨대 히드록실기(hydroxyl group), 아미노기(amino group), 카르보닐기(carbonyl group), 카르복실기(carboxylic group), 설프히드릴기(sulfhydryl group) 및 포스페이트기(phosphate group)에서 선택된 적어도 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 친수성 작용기는 예컨대 히드록실기일 수 있다.
친수성 플러렌은 플러렌 코어 당 평균 2개 이상의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 2개 내지 44개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 8개 내지 44개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 12개 내지 44개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 24개 내지 44개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 24개 내지 40개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있고, 예컨대 평균 24개 내지 38개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있고, 예컨대 평균 32개 내지 44개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있으며, 예컨대 평균 32개 내지 40개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있고, 예컨대 평균 32개 내지 38개의 친수성 작용기가 결합되어 있을 수 있다.
일 예로, 친수성 플러렌은 수산화 플러렌일 수 있으며, 예컨대 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78일 수 있고 y는 2 내지 44일 수 있다)로 표현될 수 있다. 여기서 수산화 플러렌의 수산기 평균 개수는 원소 분석, 열중량 분석, 분광 분석, 질량 분석 등의 방법으로 확인할 수 있으며, 예컨대 액체 크로마토그래피 질량 스펙트럼(LCMS)에서 가장 높은 두 개의 피크들의 평균값일 수 있다.
일 예로, 친수성 플러렌은 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78일 수 있고 y는 12 내지 44일 수 있다)로 표현되는 수산화 플러렌일 수 있다.
일 예로, 친수성 플러렌은 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78일 수 있고 y는 24 내지 44일 수 있다)로 표현되는 수산화 플러렌일 수 있다.
일 예로, 친수성 플러렌은 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78일 수 있고 y는 32 내지 44일 수 있다)로 표현되는 수산화 플러렌일 수 있다.
수산화 플러렌은 물에 효과적으로 분산될 수 있다.
탄소 연마 입자는 연마 슬러리에 대하여 약 0.01중량% 내지 5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 탄소 연마 입자는 약 0.01중량% 내지 3중량%, 약 0.01중량% 내지 2중량%, 약 0.01중량% 내지 1중량%, 약 0.01중량% 내지 0.8중량% 또는 약 0.01중량% 내지 0.5중량%로 포함될 수 있다.
연마제는 탄소 연마 입자 외에 다른 연마 입자를 더 포함할 수 있다.
발열 물질은 기계적 마찰과 같은 외부 힘에 의해 발열하는 물질일 수 있으며, 예컨대 상 전이하면서 소정의 잠열(latent heat)을 방출하여 연마 슬러리의 온도를 상승시킬 수 있다.
발열 물질은 연마 슬러리 내에서 액상(liquid phase)으로 존재하다가 기계적 마찰과 같은 외부 힘에 의해 고상(solid phase)으로 상 전이할 수 있으며 이때 소정의 잠열, 즉 응고열(latent heat of condensation)을 방출할 수 있다. 응고열은 융해열과 같을 수 있다.
발열 물질은 약 150 J/g 내지 400 J/g의 응고열을 가지는 물질 중에서 선택될 수 있으며, 예컨대 무기 물질, 유기 물질 및/또는 유무기 물질일 수 있다.
발열 물질은 상기 응고열을 가지는 친수성 물질일 수 있으며, 예컨대 아세트산나트륨(sodium acetate, CH3COONA), 티오황산나트륨(sodium thiosulfate, Na2S2O3), 수산화바륨(barium hydroxide, Ba(OH)2), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 인산수소이나트륨(disodium phosphate, Na2HPO4), 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2) 및 이들의 수화물에서 선택될 수 있으니, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열 물질은 연마 슬러리 내에서 과포화 상태로 존재할 수 있으며, 예컨대 연마 슬러리에 과포화 상태의 발열 물질을 첨가하거나 연마 슬러리에 과포화 상태의 발열 물질이 포함된 용액을 첨가할 수 있다. 예컨대 발열 물질은 연마 슬러리 내에 약 30 mol/ℓ 내지 120 mol/ℓ의 농도로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 30 mol/ℓ 내지 110 mol/ℓ, 약 30 mol/ℓ 내지 100 mol/ℓ, 약 30 mol/ℓ 내지 95 mol/ℓ, 예컨대 약 30 mol/ℓ 내지 90 mol/ℓ의 농도로 포함될 수 있다.
발열 물질은 연마 수행시 기계적 마찰에 의해 발열할 수 있으며 이에 따라 연마 슬러리의 온도를 상승시킬 수 있다. 예컨대 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리의 온도는 초기 온도보다 약 2℃ 이상 높아질 수 있으며, 예컨대 약 3℃ 이상, 약 5℃ 이상, 약 7℃ 이상, 약 10℃ 이상 높아질 수 있다. 이와 같이 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리의 온도가 높아짐으로써 화학반응속도가 상승하여 연마 효율 및 연마 속도를 개선할 수 있다.
연마 슬러리는 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 첨가제는 예컨대 킬레이트제, 산화제, 계면활성제, 분산제, pH 조절제 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
킬레이트제는 예컨대 인산, 질산, 구연산, 말론산, 이들의 염 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
산화제는 예컨대 과산화수소, 과산화수소수, 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
계면활성제는 이온성 또는 비이온성 계면활성제일 수 있으며, 예컨대 에틸렌 산화물의 공중합체, 프로필렌 산화물의 공중합체, 아민 화합물 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
분산제는 탄소 연마 입자의 분산을 촉진시킬 수 있으며, 예컨대 수용성 모노머, 수용성 올리고머, 수용성 고분자, 금속 염 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 수용성 고분자의 중량평균분자량은 예컨대 약 10,000 이하일 수 있으며, 예컨대 약 5000 이하, 예컨대 약 3000 이하일 수 있다. 금속 염은 예컨대 구리 염, 니켈 염, 코발트 염, 망간 염, 탄탈륨 염, 루테늄 염 또는 이들의 조합일 수 있다. 분산제는 예컨대 폴리(메타)아크릴산, 폴리(메타)아크릴 말레익산, 폴리아크릴로니트릴-co-부타디엔-아크릴산, 카르복시산, 술포닉 에스테르, 술폰산, 포스포릭 에스테르, 셀룰루오즈, 디올, 이들의 염 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
pH 조절제는 연마 슬러리의 pH를 조절할 수 있으며, 예컨대 무기산, 유기산, 이들의 염 또는 이들의 조합일 수 있다. 무기산은 예컨대 질산, 염산, 인산, 황산, 불산, 브롬산, 요오드산 또는 이들의 염을 포함할 수 있고, 유기산은 예컨대 포름산, 말론산, 말레인산, 옥살산, 아디프산, 구연산, 아세트산, 프로피온산, 푸마르산, 락트산, 살리실산, 벤조산, 숙신산, 프탈산, 부티르산, 글루타르산, 글루타민산, 글리콜산, 락트산, 아스파라긴산, 타르타르산 또는 이들의 염을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 첨가제는 독립적으로 예컨대 약 1ppm 내지 100,000ppm의 미량으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연마 슬러리는 상술한 성분들을 용해 또는 분산시킬 수 있는 용매를 더 포함할 수 있으며, 용매는 예컨대 물일 수 있다. 물은 예컨대 증류수 및/또는 탈이온수일 수 있다.
상술한 연마 슬러리는 다양한 구조물 형성시 적용될 수 있으며, 예컨대 금속 배선과 같은 도전체의 연마 공정 또는 얕은 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation, STI) 또는 절연막과 같은 절연체의 연마 공정에 적용될 수 있다. 일 예로 연마 슬러리는 반도체 기판 내의 금속 배선과 같은 도전체를 연마하기 위하여 사용될 수 있으며, 예컨대 구리(Cu), 텅스텐(W) 또는 이들의 합금과 같은 도전체를 연마하기 위하여 사용될 수 있다.
이하 상술한 연마 슬러리를 사용한 반도체 소자의 제조 방법의 일 예를 설명한다.
도 1 내지 4는 일 구현예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 반도체 기판(10) 상에 층간 절연막(20)을 형성한다. 층간 절연막(20)은 산화물, 질화물 및/또는 산질화물을 포함할 수 있다. 이어서 층간 절연막(20)을 식각하여 트렌치(20a)를 형성한다. 트렌치(20a)는 약 10nm 이하의 폭을 가질 수 있다. 이어서 트렌치의 벽면에 배리어층(30)을 형성한다. 배리어층(30)은 예컨대 Ta 및/또는 TaN을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참고하면, 트렌치 내부에 구리(Cu)와 같은 금속으로 매립하여 금속층(40)을 형성한다.
도 3을 참고하면, 금속층(40)의 표면을 층간 절연막(20)의 표면과 일치하도록 평탄화하여 매립된 금속층(40a)을 형성한다. 평탄화는 화학 기계적 연마(CMP) 장비를 사용한 화학 기계적 연마로 수행할 수 있으며, 전술한 연마 슬러리를 사용할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다. 일 예로, 배리어층(30)이 Ta 층이고 금속층(40)이 Cu 층일 때, 연마 슬러리의 Cu에 대한 Ta의 연마 선택성은 높을수록 좋으며, 예컨대 약 50:1 보다 높을수록 좋다.
도 4를 참고하면, 매립된 금속층(40)과 층간 절연막(20) 위에 캡핑층(50)을 형성한다. 캡핑층(50)은 SiN 및/또는 SiC를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 매립된 금속층(40a)을 형성하기 위한 평탄화 단계를 설명한다. 평탄화 단계는 전술한 바와 같이 화학 기계적 연마(CMP) 장비를 사용한 화학 기계적 연마로 수행할 수 있다.
화학 기계적 연마 장비는 예컨대 하부 베이스; 하부 베이스의 상면에 회전 가능하게 제공되는 플레이튼(platen); 플레이튼 상에 배치되는 연마 패드; 패드 컨디셔너; 연마 패드에 인접하게 배치되어 연마 패드에 연마 슬러리를 공급하기 위한 적어도 하나의 연마 슬러리 공급 장치를 포함할 수 있다.
플레이튼은 하부 베이스의 표면에서 회전 가능하게 제공될 수 있다. 예컨대 플레이튼은 하부 베이스 내에 배치된 모터로부터 회전 동력을 전달 받을 수 있다. 이에 따라 플레이튼은 플레이튼의 표면과 수직한 가상의 회전축을 기준으로 회전할 수 있다. 가상의 회전축은 하부 베이스의 표면과 수직할 수 있다.
플레이튼은 액체가 주입되고 배출될 수 있는 하나 이상의 공급라인을 구비할 수 있다. 물은 공급라인을 통해 플레이튼 내부로 주입 및 배출될 수 있으며, 주입된 물에 의해 플레이튼의 온도를 조절할 수 있다. 예컨대 냉각수는 공급라인을 통해 플레이튼 내부로 주입 및 배출될 수 있으며, 이에 따라 과열된 플레이튼의 온도를 낮출 수 있다. 예컨대 고온의 물(hot water)은 공급라인을 통해 플레이튼 내부로 주입 및 배출될 수 있으며, 이에 따라 플레이튼의 온도 상승을 유도할 수 있다.
연마 패드는 플레이튼에 의해 지지되도록 플레이튼의 표면에 위치할 수 있다. 연마 패드는 플레이튼과 함께 회전할 수 있다. 연마 패드는 거칠게 형성된 연마면을 가질 수 있다. 이러한 연마면은 반도체 기판(10)과 직접 접촉하여 반도체 기판(10)의 표면을 기계적으로 연마할 수 있다. 연마 패드는 다수의 미공(microspace)을 가지는 다공성 재질 있을 수 있으며 다수의 미공은 연마 슬러리를 수용할 수 있다.
패드 컨디셔너는 연마 패드와 인접하게 배치될 수 있으며 연마 공정이 수행되는 동안 반도체 기판(10)의 표면이 효과적으로 연마되도록 연마면의 상태를 유지할 수 있다.
연마 슬러리 공급 장치는 연마 패드와 인접하게 배치될 수 있으며, 연마 패드에 연마 슬러리를 공급할 수 있다. 연마 슬러리 공급 장치는 연마 공정 중에 연마 패드 위로 연마 슬러리를 공급할 수 있는 노즐(nozzle)과 노즐에 소정의 전압을 인가할 수 있는 전압 공급 유닛을 포함할 수 있다. 전압 공급 유닛으로부터 인가된 전압에 의해 노즐 내의 연마 슬러리를 하전시켜 연마 패드를 향해 토출될 수 있다. 연마 슬러리 공급 장치는 전술한 연마 슬러리를 공급할 수 있다.
화학 기계적 연마는 예컨대 반도체 기판(10)과 연마 패드를 마주하도록 배치하는 단계, 반도체 기판(10)과 연마 패드 사이에 연마 슬러리 공급 장치로부터 전술한 연마 슬러리를 공급하는 단계, 그리고 반도체 기판(10)의 표면과 연마 패드를 접촉시켜 연마를 수행하는 단계에 의해 수행될 수 있다.
일 예로, 연마 슬러리를 공급하는 단계는 예컨대 약 10ml/min 내지 100ml/min의 속도로 공급할 수 있으며, 예컨대 약 2㎕ 내지 10㎕의 유량(flow rate)으로 공급할 수 있다.
연마를 수행하는 단계는 반도체 기판(10)의 표면과 연마 패드를 접촉시키고 회전시켜 기계적 마찰에 의해 수행될 수 있다. 예컨대 연마를 수행하는 단계에서 약 1psi 내지 5psi의 압력이 인가될 수 있다.
연마를 수행하는 단계에서 발생된 기계적 마찰에 의해 연마 슬러리 내의 발열 물질은 발열을 일으켜 연마 슬러리의 온도를 높일 수 있다. 예컨대 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리의 온도는 초기 온도보다 약 2℃ 이상 높아질 수 있으며, 예컨대 약 3℃ 이상, 약 5℃ 이상, 약 7℃ 이상, 약 10℃ 이상 높아질 수 있다. 예컨대 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리의 온도는 약 25 내지 80℃일 수 있으며, 약 26 내지 80℃일 수 있으며, 예컨대 약 27 내지 80℃, 예컨대 약 30 내지 80℃, 예컨대 약 35 내지 80℃, 약 40 내지 80℃일 수 있다.
이와 같이 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리의 온도가 높아짐으로써 화학반응속도를 상승시켜 연마 효율 및 연마 속도를 개선할 수 있다. 경우에 따라, 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리에 포함된 발열 물질과 같거나 다른 발열 물질을 추가로 공급하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
추가적으로, 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리와 접촉하는 주변 장치의 온도 상승을 유도할 수 있다. 일 예로, 플레이튼의 공급라인을 통해 고온의 물을 주입함으로써 플레이튼 및 그 위에 구비된 연마 패드의 온도 상승을 유도할 수 있다. 연마 패드의 온도가 높아짐에 따라 연마 패드에 접촉하는 연마 슬러리의 온도 또한 높아질 수 있다. 주입되는 물의 온도는 예컨대 약 50℃ 내지 100℃일 수 있으며 플레이튼 및/또는 연마 패드의 온도는 예컨대 약 30℃ 내지 80℃일 수 있다.
이와 같이 연마를 수행하는 단계에서 연마 슬러리에 접촉하는 주변 장치의 온도 상승을 유도함으로써 화학반응속도를 더욱 상승시켜 연마 효율 및 연마 속도를 더욱 개선할 수 있다.
상기에서는 일 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 다양한 구조의 반도체 소자에 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
합성예 : 수산화플러렌의 합성
높이 약 100mm, 지름 약 50mm의 비즈밀용 용기(vessel)에 1/3 부피 정도 비즈를 채우고 여기에 플러렌(C60)(Nanom purple ST, Frontier Carbon 사) 1g, 분산제(폴리아크릴산, Mw 1800, Merck 사) 0.5g/L 및 물 100g을 넣는다. 비즈는 평균입경 500㎛의 지르코니아 비즈 50g, 평균입경 5mm의 지르코니아 비즈 50g 및 평균입경 10mm의 지르코니아 비즈 50g을 포함한다.
이어서 용기를 40시간 회전시킨 후 샘플을 꺼내어 입자 지름을 측정한다. 입자 지름은 동적광산란(Dynamic Light Scattering)형 입도분포계인 Zeta-Potential & Particle Size Analyzer ELS-Z(오오츠카 전자)를 사용하여 측정한다.
이어서 샘플의 입자 지름이 100nm 이하가 된 것을 확인한 후 여기에 30wt% 과산화수소수 100g을 첨가하고 비즈를 제거한다. 이어서 샘플을 약 70℃에서 8일 동안 교반하여 수산화플러렌 분산액을 제조한다.
수산화플러렌의 입경은 동적광산란형 입도분포계(Zeta-Potential & Particle Size Analyzer ELS-Z)를 사용하여 측정한다.
수산화플러렌의 히드록시기 평균 개수는 적외변환분광(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR) 방법으로 평가하며 수산화 플러렌의 질량 스펙트럼의 가장 높은 피크들(peaks) 중 둘의 평균값으로부터 구한다.
그 결과 평균입경 2.5nm이고 수산기 평균 개수 34인 C60(OH)34로 표현되는 수산화플러렌이 제조되었음을 확인한다.
제조예 : 연마 슬러리의 제조
제조예 1
합성예에서 얻은 C60(OH)34로 표현되는 수산화플러렌 0.1중량%, 벤조트리아졸(benzotriazole) 0.03wt%, 트리암모늄 시트레이트(triammonium citrate) 1.5wt% 및 인산이수소암모늄(ammonium dihydrogenphosphate) 0.4wt%을 물에서 혼합하여 수용액을 준비한다.
15ml의 탈이온수에 아세트산나트륨(응고열: 약 289 J/g) 50g (90 mol/ℓ)을 넣고 천천히 승온하면서 70℃에서 30분간 가열한 후 상온으로 충분히 천천히 냉각하여 과포화 아세트산나트륨 수용액을 제조한다.
이어서 상기 수용액에 상기 과포화 아세트산나트륨 수용액을 첨가하고 교반하여 연마 슬러리를 제조한다.
제조예 2
20ml의 탈이온수에 아세트산나트륨 70g (40 mol/ℓ)을 녹여 과포화 아세트산나트륨 수용액을 제조한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 연마 슬러리를 제조한다.
비교제조예 1
과포화 아세트산나트륨 수용액을 사용하지 않은 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 연마 슬러리를 제조한다.
평가
다음의 조건으로 연마한다.
(1) CMP 장비: MA-200e(Musashino Denshi 사)
(2) 피연마체(웨이퍼): 두께 1.5㎛의 Cu 막을 형성한 12인치 실리콘웨이퍼
(3) 연마 패드: IC1000 (Dow Chemical 사)
(4) 연마 헤드 회전 수: 87rpm
(5) 연마 플레이튼 회전 수: 93rpm
(6) 인가 압력: 2~3 psi
(7) 초기 온도: 24℃
(8) 연마 슬러리 공급 방법: 연마 패드 위에 100ml의 연마 슬러리를 올려두고 연마를 진행함.
연마 슬러리의 온도 변화는 60초 동안 연마를 실시하고 연마 패드의 온도를 측정하여 확인한다.
연마 속도(material removal rate, MRR)는 60초 동안 연마를 실시하고 연마 전후의 금속막 두께를 전기 저항치로부터 환산하여 구하고 속도 환산하는 방법으로 산출한다.
그 결과는 표 1과 같다.
온도(℃) MRR(nm/min) MRR 증가율 (%)
제조예 1 28 100 47
제조예 2 40 125 84
비교제조예 1 24 68 0 (ref.)
표 1을 참고하면, 제조예 1, 2에 따른 연마 슬러리를 사용하는 경우 비교제조예 1에 따른 연마 슬러리를 사용하는 경우와 비교하여 연마 슬러리의 온도 상승이 확인되었으며 이로 인한 연마 속도가 개선되었음을 확인할 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 반도체 기판
20: 층간 절연막
20a: 트렌치
30: 배리어층
40: 금속층
50: 캡핑층

Claims (20)

  1. 탄소 연마 입자 및 발열 물질을 포함하는 연마 슬러리.
  2. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 기계적 마찰에 의해 발열하는 물질인 연마 슬러리.
  3. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 150 J/g 내지 400 J/g의 응고열을 가지는 연마 슬러리.
  4. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 친수성 물질인 연마 슬러리.
  5. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 아세트산나트륨(sodium acetate, CH3COONA), 티오황산나트륨(sodium thiosulfate, Na2S2O3), 수산화바륨(barium hydroxide, Ba(OH)2), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 인산수소이나트륨(disodium phosphate, Na2HPO4), 염화칼슘(calcium chloride, CaCl2) 및 이들의 수화물에서 선택되는 연마 슬러리.
  6. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 과포화 상태로 존재하는 연마 슬러리.
  7. 제1항에서,
    상기 발열 물질은 30 mol/ℓ 내지 120 mol/ℓ의 농도로 포함되는 연마 슬러리.
  8. 제1항에서,
    상기 탄소 연마 입자는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 연마 슬러리.
  9. 제1항에서,
    상기 탄소 연마 입자는 적어도 하나의 친수성 작용기를 가진 친수성 플러렌을 포함하고,
    상기 친수성 작용기는 히드록실기, 아미노기, 카르보닐기, 카르복실기, 설프히드릴기 및 포스페이트기에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 연마 슬러리.
  10. 제1항에서,
    상기 탄소 연마 입자는 Cx(OH)y (여기서, x는 60, 70, 74, 76 또는 78이고 y는 12 내지 44이다)로 표현되는 수산화 플러렌을 포함하는 연마 슬러리.
  11. 제1항에서,
    상기 탄소 연마 입자의 평균 입경은 10nm 이하인 연마 슬러리.
  12. 제1항에서,
    상기 탄소 연마 입자는 상기 연마 슬러리에 대하여 0.01 내지 5중량%로 포함되는 연마 슬러리.
  13. 제1항에서,
    킬레이트제, 산화제, 계면활성제, 분산제 또는 이들의 조합을 더 포함하는 연마 슬러리.
  14. 반도체 기판과 연마 패드를 마주하도록 배치하는 단계,
    상기 반도체 기판과 상기 연마 패드 사이에 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 연마 슬러리를 공급하는 단계, 그리고
    상기 반도체 기판의 표면과 상기 연마 패드를 접촉시켜 연마를 수행하는 단계
    를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 연마 슬러리를 공급하는 단계는 10ml/min 내지 100ml/min의 속도로 공급하는 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 연마를 수행하는 단계에서 상기 연마 슬러리의 온도는 초기 공급된 상기 연마 슬러리의 온도보다 2℃ 이상 상승하는 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제14항에서,
    상기 연마를 수행하는 단계에서 상기 연마 슬러리의 온도는 26 내지 80℃인 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제14항에서,
    상기 연마를 수행하는 단계에서 1psi 내지 5psi의 압력을 인가하는 반도체 소자의 제조 방법.
  19. 제14항에서,
    상기 연마 슬러리에 포함된 발열 물질과 같거나 다른 발열 물질을 추가로 공급하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  20. 제14항에서,
    상기 연마 슬러리는 상기 반도체 기판 내의 금속 배선을 연마하는 반도체 소자의 제조 방법.
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