KR20200062733A - 디싱 개선용 화합물 및 구형의 연마입자를 포함하는 연마용 슬러리 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 산화세륨계 연마 입자; 분산제; 음이온성 고분자를 포함하는 제1 디싱 억제제; 및 비이온성 고분자를 포함하는 제2 디싱 억제제;를 포함하고, 상기 연마 입자는 1차 입자 및 2차 입자를 포함하고, 상기 2차 입자는 1차 입자가 자가조립된 것인, 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.

Description

디싱 개선용 화합물 및 구형의 연마입자를 포함하는 연마용 슬러리 조성물{POLISHING SLURRY COMPOSITION}
본 발명은, 디싱 개선용 화합물 및 구형의 연마입자를 포함하는 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마 입자가 포함된 슬러리를 기판 상에 투입하고 연마 장치에 장착된 연마 패드를 이용하여 실시하게 된다. 이때, 연마입자는 연마 장치로부터 압력을 받아 기계적으로 표면을 연마하게 되고, 슬러리 조성물에 포함된 화학적 성분이 기판의 표면을 화학적으로 반응시켜 기판의 표면 부위를 화학적으로 제거하게 된다. 일반적으로 슬러리 조성물은 제거 대상의 종류 및 특성에 따라 다양한 종류가 있다. 그 중에서 특정 피연마막을 선택적으로 제거하는 슬러리 조성물은 매우 다양하나 최근 반도체 장치 구조에서는 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 동시에 연마할 수 있는 슬러리 조성물이 필요하다. 그러나, 종래의 슬러리 조성물은 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 선택적으로 연마할 수 없고, 원하는 수준의 연마 속도를 얻지 못하거나 결함 및 스크래치가 발생하고 낮은 분산 안정성으로 응집이 일어나는 문제가 있다. 또한, 건식 세리아 입자는 제조 방식의 한계로 인해 각진 결정립 형상과 광범위한 입경 분포를 가지기 때문에 폴리실리콘막의 마이크로 스크래치의 발생이 불가피하게 된다. 이에 비해, 습식 세리아 입자는 건식 세리아 입자에 비해 입자 분포가 좁고 2차 입경이 큰 입자가 생성되지 않으며 다면체 구조를 가지고 있어 기존의 건식 세리아 입자에 비해 마이크로 스크래치를 크게 개선할 수 있다. 그러나, 습식 세리아 입자는 크기가 40 nm 이하일 경우 절연막 연마율이 매우 낮고, 입경이 100 nm 이상일 경우 다면체 구조의 날카로운 결정면 부분에 의해서 마이크로 스크래치 수가 급격히 증가하게 된다.
본 발명의 목적은, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막에 대한 연마율이 우수하고, 연마 후 스크래치 발생을 줄이고, 디싱이 개선된 연마용 슬러리 조성물을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 산화세륨계 연마 입자; 분산제; 음이온성 고분자를 포함하는 제1 디싱 억제제; 및 비이온성 고분자를 포함하는 제2 디싱 억제제; 를 포함하고, 상기 연마 입자는 1차 입자 및 2차 입자를 포함하고, 상기 2차 입자는 1차 입자가 자가조립된 것인, 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해, 상기 연마 입자 0.1 내지 10 중량부; 상기 분산제 0.001 내지 10 중량부; 상기 제1 디싱 억제제 0.001 내지 5 중량부; 및 상기 제2 디싱 억제제 0.001 내지 5 중량부; 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 1차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 70 m2/g이고, 상기 2차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 150 m2/g인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 1차 입자의 입경은, 1 nm 내지 100 nm이고, 상기 2차 입자의 입경은, 10 nm 내지 300 nm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자의 입경비는 1:10 내지 300이고, 상기 연마 입자의 평균 입경은, 50 nm 내지 150 nm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 1차 입자 대 상기 2차 입자의 비율은, 1:1 내지 500인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 2차 입자의 기공율은, 1 % 내지 40 %인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 입자는, 구형, 각형, 침상(針狀) 형상 및 판상(板狀) 형상으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 입자는, 구형이며, 상기 제1 입자의 구형도는, 0.4 이상이고, 상기 제2 입자의 구형도는, 0.6 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 입자는, 1차 입자 및 2차 입자가 자가 조립된 3차 입자를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 디싱 억제제는, 10,000 내지 100,000 범위의 분자량을 갖는 음이온성 고분자를 포함하고, 상기 음이온성 고분자는, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 암모늄염, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 암모늄염, 폴리아크릴 말레익산, 아크릴 스티렌 공중합체, 폴리스티렌/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴아마이드/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴산/술폰산 공중합체, 폴리아크릴산/말론산 공중합체, 폴리술폰산/아크릴아마이드 공중합체, 폴리술폰산, 폴리스티렌술폰산, 폴리비닐술폰산, 폴리아크릴아미드메틸프로판술폰산, 폴리-α-메틸스티렌술폰산, 폴리-ρ-메틸스티렌술폰산, 폴리아크릴산/스티렌 공중합체 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제2 디싱 억제제는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 글리세린, 폴리프로필렌글리콜 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비이온성 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분산제는, 피콜리닉산, 니코틴산, 이소니코틴산, 퓨자릭산, 디니코틴산, 디피코니릭산, 루티디닉산, 퀴노릭산, 글루탐산, 알라닌, 글리신, 시스틴, 히스티딘, 아스파라긴, 포름산, 아세트산, 벤조산, 옥살산, 숙신산, 말산, 말레산, 말론산, 시트르산, 젖산, 트리카발산, 타르타르산, 아스파트산, 글루타르산, 아디프산, 수베르산, 푸마르산, 프탈산, 피리딘카르복실산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온성 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물은, pH 조절제를 더 포함하고, 상기 pH 조절제는, 산성 물질 또는 염기성 물질을 포함하고, 상기 산성 물질은, 질산, 염산, 인산, 황산, 불산, 브롬산, 요오드산, 포름산, 말론산, 말레인산, 옥살산, 초산, 아디프산, 구연산, 아디프산, 아세트산, 프로피온산, 푸마르산, 유산, 살리실산, 피멜린산, 벤조산, 숙신산, 프탈산, 부티르산, 글루타르산, 글루타민산, 글리콜산, 락트산, 아스파라긴산, 타르타르산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 염기성 물질은, 암모늄메틸프로판올(ammonium methyl propanol; AMP), 테트라메틸암모늄하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide; TMAH), 수산화암모늄, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 이미다졸 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 조성물의 연마 이후 1차 입자의 증가율은, 50 % 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물의 pH는 6 내지 9인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물의 제타전위는, 10 mV 내지 60 mV인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 상기 연마용 슬러리 조성물은, 산화막, 질화막 및 폴리막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마막을 동시에 연마하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물을 이용한 피연마막 각각의 연마량은, 50 Å/min 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 시, 산화막에 대한 질화막 또는 폴리막의 연마 선택비가 10:1 내지 40:1인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 질화막과 폴리막을 포함하는 기판의 연마 후, 디싱 발생량이 200 Å이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 질화막과 폴리막을 포함하는 기판의 연마 시, 단위 당 결함 수가 120 이하이고, 단위 당 스크래치 수가 10 이하인 것일 수 있다.
본 발명은, 1차 입자의 구형도 0.4 이상 및 2차 입자의 구형도 0.6 이상인 구형의 연마입자 및 디싱억제제를 포함함으로써, 산화막과 질화막 또는 폴리막의 연마에 있어서, 높은 선택비를 가지며, 연마 후 마이크로 스크래치, 결함 및 디싱의 발생을 최대한 억제할 수 있는 연마용 슬러리 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명은, 고단차 영역에서 연마속도가 빠르고, 실리콘산화막과 폴리실리콘막의 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄이고, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라, 구형도의 개념을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 제조된 슬러리 조성물의 산화세륨 연마입자의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 제조된 슬러리 조성물의 산화세륨 연마입자의 TEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하에서, 상세한 설명을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
이하에서 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 발명의 범위를 설명된 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 출원을 통해 권리로서 청구하고자 하는 범위는 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소(element) 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에(on)", "에 연결된(connected to)", 또는 "에 결합된(coupled to)" 것으로서 나타낼 때, 이것이 직접적으로 다른 구성 요소 또는 층에 있을 수 있거나, 연결될 수 있거나 결합될 수 있거나 또는 간섭 구성 요소 또는 층(intervening elements and layer)이 존재할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은, 연마용 슬러리 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물은, 산화세륨계 연마 입자; 분산제; 이온성 고분자를 포함하는 제1 디싱 억제제; 및 비이온성 고분자를 포함하는 제2 디싱 억제제; 를 포함하는 연마용 슬러리 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해, 상기 연마 입자 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다. 상기 연마 입자의 함량이 0,1 중량부 미만이면 높은 수준의 연마 속도를 확보하는 것이 어렵고, 10 중량부를 초과하면 연마 입자의 분산 안정성이 낮아지고, 패턴 밀도에 따른 디싱 발생의 개선 효과를 얻는 것이 어렵다.
상기 산화세륨계 연마 입자는, 1차 입자 및 2차 입자를 포함하고, 상기 2차 입자는 1차 입자가 자가조립된 것일 수 있다. 상기 자가 조립은, 연마 입자의 앙상블 구조 및 성질을 조절하고, 연마 입자의 형태 및 크기의 조절이 가능할 수 있다. 상기 복수의 1차 입자들이 서로 응집(aggregation)되어 2차 입자를 형성할 수 있고, 복수의 2차 입자들이 응집되어 3차 입자를 형성하거나, 복수의 1차 및 2차 입자가 응집되어 3차 입자를 더 형성하는 것일 수 있다. 상기 1차 입자는, 반응에서 초기에 형성된 입자로서 비-응집된 입자를 의미한다. 2차 입자는, 예를 들어, 3개 이상, 5개 이상의 상기 1차 입자가 응집된 것일 수 있다. 5개 이상의 1차 입자에 의해 응집된 응집체인 2차 입자는, 5개 이상의 1차 입자가 결합제 또는 1차 입자 자체의 물리적 화학적 성질에 의해 자기조립된 것을 포함하는 개념일 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물 내의 2차 입자는 임의의 적합한 응집성을 가질 수 있고, 2차 입자는 1차 입자를 포함할 수 있다는 점에서 비-응집된 것일 수도 있다. 또한, 부분 응집된 것일 수 있다. 부분 응집이란, 2차 입자의 50 % 이상이 2개 이상의 응집된 1차 입자를 포함하거나 또는 2차 입자의 30 % 이상이 3개 이상의 응집된 1차 입자를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 이와 같이, 응집된 2차 입자는 예를 들어, 자기 조립 (self assembly)에 의해 형성되는 것일 수 있다. 또한, 2차 입자는 1차 입자를 먼저 용액 중에서 성장시키는 다단계 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 이어서, 용액의 pH를 응집 (또는 부분 응집)을 촉진시키기 위해 미리 결정된 시간 동안 소정의 산가 (acidic value)로 조절할 수 있다. 임의적 최종 단계는 응집체 (및 임의의 잔류 1차 입자)의 추가 성장을 고려할 수 있게 한다.
상기 산화 세륨 입자는, 당 업계에 알려진 금속 산화물 입자 제조 방법이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 고상법 또는 액상법 등이 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 고상법을 사용할 수 있다. 상기 고상법으로 제조된 산화 세륨 입자(이하, 고상 세리아)는 탄산 세륨, 수산화 세륨 등의 원료를 소성 및 산화시켜 산화 세륨을 수득한 후, 분쇄함으로써 XRD를 이용하여 측정한 결정 입자의 사이즈가 미세한 미세 산화 세륨 분말을 제조하는 것일 수 있다.
상기 1차 입자 및 2차 입자의 크기가 상이할 수 있으며, 상기 상이한 1차 입자 및 2차 입자는 그 크기에 따라서 각각 다른 용도를 가질 수 있고, 자가 조립 성질이 우수한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 1차 입자의 입경은, 1 nm 내지 100 nm이고, 상기 2차 입자의 입경은, 10 nm 내지 300 nm인 것일 수 있다. 상기 1차 입자 및 상기 2차 입자의 입경비는 1:10 내지 300이고, 상기 연마 입자의 평균 입경은, 50 nm 내지 150 nm인 것일 수 있다. 상기 입경비 범위 내에 포함되면 연마 조성물 내에서 분산 안정성이 우수하고, 장기간의 연마 공정에서 성능 저하를 방지하고, 디싱 발생을 개선시킬 수 있다.
상기 1차 입자 및 2차 입자의 비표면적은 상이할 수 있으며, 예를 들어, 상기 1차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 70 m2/g이고, 상기 2차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 150 m2/g인 것일 수 있다. 상기 비표면적 범위 내에 포함되면 높은 수준의 연마 속도를 제공하고, 디싱 발생량을 낮출 수 있다.
상기 1차 입자 대 상기 2차 입자의 비율은, 1:1 내지 500이며, 상기 입자의 비율 내에 포함되면 연마 선택비의 조절이 용이하고, 디싱 및 스크래치 발생을 낮출 수 있다.
상기 2차 입자의 기공률은, 1 % 내지 40 %일 수 있고, 상기 2차 입자의 기공률은 연마 속도와, 연마되는 피연마막의 표면 스크래치 발생 여부와 관계있는 요소일 수 있다. 이 때, 상기 기공률을 적절한 정도로 제어하면, 연마 후의 마이크로 스크래치 및 디싱의 발생을 최대한 억제할 수 있고, 또한 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄이고 생산성을 향상시킬 수 있다. 상기 2차 입자의 기공률이 1 % 미만이면, 피연마막을 고속으로 연마할 수 있으나, 표면에 스크래치의 발생 확률이 상당히 높아지는 문제가 생길 수 있고, 기공률이 40 %를 초과하면 연마 속도가 장시간 지속되고 너무 쉽게 부서지게 되어 연마를 진행하는데 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 기공률을 조절하여 2차 입자의 연마 고정 중에 1차 입자로 부서지는 정도를 조절하여 디싱 및 결함의 발생을 개선시킬 수 있다.
상기 연마 입자는, 구형, 각형, 침상(針狀) 형상 및 판상(板狀) 형상으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 연마 입자는, 높은 수준의 연마 속도 및 디싱 발생량을 저감시키기 위해서 구형이며, 상기 제1 입자의 구형도는, 0.4 이상이고, 상기 제2 입자의 구형도는, 06 이상인 것일 수 있다. 즉, 타원체 또는 일부 돌출된 부분을 갖는 다면체 형상을 갖는 입자를 포함할 수 있으며, 그 밖의 입자의 형태 또한 이에 제한됨 없이 가능한 모든 형태를 포함할 수 있다.
본 발명에서 "구형"이라는 것은 표면이 평활한 완전한 구뿐만 아니라, 완전한 구에 가까운 다면체를 포함하는 개념이다. 도 1을 참조하면, 여기서 "구형도" 라는 것은, R: 입자의 투영면적과 동일한 원의 직경, r : 입자의 투영상에 외접하는 최소 원의 직경이라 하면, r/R 로서 정의된다. 구형도의 값이 1 에 가까울수록 완전한 구의 형상을 나타내고, 0 에 가까울수록 구의 형상에서 벗어난다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물은, 3차 입자를 더 포함하고, 상기 3차 입자는 임의의 적합한 응집성을 가질 수 있고, 1차 입자 및/또는 2차 입자를 포함할 수 있다는 점에서 비-응집 또는 부분 응집된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 3차 입자는, 3개 이상, 5개 이상의 상기 1차 입자 및/또는 2차 입자가 응집된 것일 수 있으며, 5개 이상의 1차 입자 및/또는 2차 입자에 의해 응집된 응집체인 3차 입자는, 5개 이상의 1차 입자 및/또는 2차 입자가 결합제 또는 1차 입자 및/또는 2차 입자 자체의 물리적 화학적 성질에 의해 자기 조립된 것을 포함하는 개념일 수 있다.
여기서, 부분 응집이란, 3차 입자의 50 % 이상이 100개 이상의 응집된 1차 입자 및/또는 2차 입자를 포함하거나 또는 3차 입자의 30 % 이상이 100개 이상의 응집된 1차 입자 및/또는 2차 입자를 포함하는 것을 의미할 수 있다. 이와 같이, 응집된 3차 입자는 예를 들어, 자기 조립(self assembly)에 의해 형성되는 것일 수 있다. 또한, 3차 입자는 1차 입자를 먼저 용액 중에서 성장시키는 다단계 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 이어서, 용액의 pH를 응집 (또는 부분 응집)을 촉진시키기 위해 미리 결정된 시간 동안 소정의 산가(acidic value)로 조절할 수 있다. 임의적 최종 단계는 응집체 (및 임의의 잔류 1차 입자 및/또는 2차 입자)의 추가 성장을 고려할 수 있게 한다.
상기 1차 입자 및 2차 입자의 평균 입경 : 3차 입자의 평균 입경은, 1 : 3 내지 1 : 500 이고, 상기 3차 입자의 기공률은 1 % 내지 40 % 이고, 상기 3차 입자의 비표면적은, 50 m2/g 내지 180 m2/g일 수 있다. 또한, 상기 3차 입자의 입경은, 50 nm 내지 400 nm일 수 있다. 상기 2차 입자 : 3차 입자의 기공률은 1:1 내지 20일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 조성물의 연마 이후 1차 입자의 증가율은, 30 % 이상; 또는 50 % 이상;일 수 있다. 즉, 상기 연마용 조성물 내의 2차 입자 및/또는 3차 입자는 연마 과정에서 1차 입자 및/또는 2차 입자로 부서지면서 연마 공정을 진행할 수 있다. 예를 들어, 2차 입자는 1차 입자로 부서지거나 3차 입자는 1차 입자 및/또는 2차 입자로 부서지므로, 큰 입자에 의한 연마와 더 작은 입자에 의한 정밀한 연마가 동시 또는 연속으로 이루어지므로, 높은 연마율을 가지면서 디싱 발생을 개선시킬 수 있다.
상기 1차 입자, 2차 입자 및 3차 입자의 입경은 레이저 회절법으로 측정할 수 있고, 측정 장치는 말번 인스투르먼츠(Malvern Instruments)®로부터 입수가능한 제타사이저(Zetasizer)®에 의해 측정되는 바와 같이 규정된 것일 수 있다. 연마입자는 실질적으로 특정 CMP 작업에 적합한 임의의 입자 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물에서 상기 연마 입자의 전체 평균 입경은, 50 nm 내지 150 nm이며, 상기 범위 내에 포함되면 연마율이 향상되고, 디싱 및 결함을 발생을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 디싱 억제제는, 상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해 상기 제1 디싱 억제제 0.001 내지 5 중량부로 포함하고, 상기 제1 디싱 억제제의 함량이 0.001 중량부 미만이면 디싱의 억제하는 성능이 저하되고, 5 중량부를 초과하면 연마 입자의 표면에 흡착량이 증가하여 연마 입자의 응집이 발생이 높고, 분산성이 낮아질 수 있다.
상기 제1 디싱 억제제는, 10,000 내지 100,000 범위의 분자량을 갖는 음이온성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 음이온성 고분자는, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 암모늄염, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 암모늄염, 폴리아크릴 말레익산, 아크릴 스티렌 공중합체, 폴리스티렌/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴아마이드/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴산/술폰산 공중합체, 폴리아크릴산/말론산 공중합체, 폴리술폰산/아크릴아마이드 공중합체, 폴리술폰산, 폴리스티렌술폰산, 폴리비닐술폰산, 폴리아크릴아미드메틸프로판술폰산, 폴리-α-메틸스티렌술폰산, 폴리-ρ-메틸스티렌술폰산, 폴리아크릴산/스티렌 공중합체 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제2 디싱 억제제는, 상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해, 0.001 내지 5 중량부를 포함하고, 상기 제2 디싱 억제제의 함량이 0.001 중량부 미만이면 디싱의 억제하는 성능이 저하되고, 5 중량부를 초과하면 연마입자 표면이 연마 대상막에 접촉되기가 어려워 연마속도가 낮아지고, 디싱 및 스크래치의 발생이 증가할 수 있다.
상기 제2 디싱 억제제는, 비이온성 고분자를 포함하고, 상기 비이온성 고분자는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 글리세린, 폴리프로필렌글리콜 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비이온성 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 분산제는, 상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해 0.001 내지 10 중량부를 포함하고, 상기 분산제의 함량이 0.001 중량부 미만이면 연마입자의 분산력이 낮아 침전이 발생될 수 있고, 10 중량부를 초과하면 연마입자에 분산제의 흡착량이 증가되어 연마 입자의 분산 안정성이 저하될 수 있다.
상기 분산제는, 피콜리닉산, 니코틴산, 이소니코틴산, 퓨자릭산, 디니코틴산, 디피코니릭산, 루티디닉산, 퀴노릭산, 글루탐산, 알라닌, 글리신, 시스틴, 히스티딘, 아스파라긴, 포름산, 아세트산, 벤조산, 옥살산, 숙신산, 말산, 말레산, 말론산, 시트르산, 젖산, 트리카발산, 타르타르산, 아스파트산, 글루타르산, 아디프산, 수베르산, 푸마르산, 프탈산, 피리딘카르복실산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온성 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물은, pH 조절제를 더 포함하고, 상기 pH 조절제는, 산성 물질 또는 염기성 물질을 포함하고, 상기 산성 물질은, 질산, 염산, 인산, 황산, 불산, 브롬산, 요오드산, 포름산, 말론산, 말레인산, 옥살산, 초산, 아디프산, 구연산, 아디프산, 아세트산, 프로피온산, 푸마르산, 유산, 살리실산, 피멜린산, 벤조산, 숙신산, 프탈산, 부티르산, 글루타르산, 글루타민산, 글리콜산, 락트산, 아스파라긴산, 타르타르산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 염기성 물질은, 암모늄메틸프로판올(ammonium methyl propanol; AMP), 테트라메틸암모늄하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide; TMAH), 수산화암모늄, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 이미다졸 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물의 pH는 6 내지 9이며, 상기 pH 범위 내에 포함되면, 연마 입자의 분산 안정성 및 연마 성능이 향상될 수 있고, pH가 급격하게 변화(pH Shock)하여 발생할 수 있는 연마입자의 침전 또는 응집을 방지하여, 연마과정에서 유발될 수 있는 마이크로 스크래치 및 디싱의 발생을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마 슬러리 조성물의 제타전위는, 10 mV 내지 60 mV인 것일 수 있다. 상기 범위에서 높은 연마율을 달성할 수 있다. 상기 제타 전위는 0.001M NaCl 염 용액에 각 시료를 0.01 중량% 넣고 Dynamic electrophoretic light scattering method (ELS-8000, Otsuka Electronics)을 사용하여 측정한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 연마용 슬러리 조성물은, 실리콘산화막, 실리콘질화막 및 폴리실리콘막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마막을 동시에 연마하는 것일 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물은, 산화막, 질화막 및 폴리막에 대한 연마 선택비를 자유롭게 조절하고, 각 피연마막에 적합한 각각의 슬러리를 선택할 필요가 없기 때문에 생산 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 연마 후 마이크로 스크래치 발생을 최대한 억제할 수 있다. 예를 들어, 실리콘산화막과 폴리실리콘막의 연마 시 실리콘산화막의 연마율을 향상시킬 수 있고, 실리콘산화막과 폴리실리콘막의 연마 선택비를 향상시킬 수 있어 연마 공정의 시간을 줄일 수 있고, 그에 따라 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물에 의한 피연마막의 연마율은 각각50 Å이상이며, 예를 들어, 상기 산화막의 연마율(removal rate; RR)은 1,000 Å내지 20,000 Å질화막의 연마율(RR)은 50 Å내지 1,000 Å상기 폴리막의 연마율(RR)은 50 Å내지 2,000 Å인 것일 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 시, 산화막에 대한 질화막 또는 폴리막의 연마 선택비가 10:1 내지 40:1인 것일 수 있다. 상기 연마용 슬러리 조성물이 상기 선택비를 초과할 경우에 디싱 발생량이 증가될 수 있다. 또한, 산화막이 노출되는 반도체 공정에서 실리콘질화막 및 폴리실리콘막을 높은 연마 선택비로 연마할 수 있기 때문에 실리콘질화막 및 폴리실리콘막의 선택적인 제거가 요구되는 반도체 제조 공정에 유용하게 적용될 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 후, 디싱 발생량이 200 Å이하인 것일 수 있다.
상기 연마 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 후, 단위 당 결함 수가 120 이하이고, 단위 당 스크래치 수가 10 이하인 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
용매 초순수에 표 1에 제시한 산화세륨 연마입자 5 중량%, 디싱 억제제 폴리아크릴산 0.3 중량% 및 폴리에틸렌글리콜 0.3 중량% 및 분산제로서 젖산 0.05 중량%를 혼합하여 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다.
도 2 및 도 3에서 제시한 SEM 이미지 및 TEM 이미지를 통하여 확인한 결과, 실시예의 슬러리 조성물에는 단일 입자인 1차 입자, 다수의 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 2차 입자를 포함하는 것을 확인하였다.
실시예 2
표 1에 제시한 산화세륨 입자를 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. 상기 산화세륨의 기공율은 18 %이다.
실시예 3
표 1에 제시한 산화세륨 입자를 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. 상기 산화세륨의 기공율은 30 %이다.
실시예 4
표 1에 제시한 산화세륨 입자를 적용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. 상기 산화세륨의 기공율은 35 %이다.
비교예
표 1에 제시한 산화세륨 연마입자 5 중량%, 디싱 억제제 폴리아크릴산 0.3 중량% 및 폴리에틸렌글리콜 0.3 중량% 및 분산제로서 젖산 0.05 중량%를 혼합하여 CMP용 슬러리 조성물을 제조하였다. 비교예의 슬러리 조성물에서 연마 입자는, 대부분 불균일한 모양의 단일의 입자, 즉 1차 입자로 존재하고 일부 5-10 개의 1차 입자가 뭉쳐서 형성된 2차 입자를 포함하는 것을 확인하였다.
세륨 전구체 물질로서 탄산세륨 1000 g을 85 ℃의 온도로 열풍 건조기를 이용하여 건조하였다. 이어서 건조된 입자를 박스형 전기로에서 750 ℃의 온도로, 4 시간 동안 대기압 상태에서 하소함으로써 산화세륨 입자를 제조하였다.
1차 입자
입경
(nm)		 2차 입자
입경
(nm)		 2차 입자
비표면적
(m2/g)		 2차입자
구형도
(r/R)
비교예 51 180 43 0.35
실시예1 3 133 86 0.73
실시예2 4 138 79 0.69
실시예3 3 145 112 0.81
실시예4 7 150 161 0.88
상기 실시예 및 비교예의 CMP용 슬러리 조성물을 이용하여 하기와 같은 조건으로 CMP 평가를 진행하였다.
1. 연마기: AP-300 (300mm, CTS 社)
2. 패드: IC1010 (Rohm&Hass 社)
3. 연마 시간: 60 s(블랭킷 웨이퍼(blanket wafer))
4. 플레이튼 RPM (Platen RPM): 110
5. 헤드 RPM (Head RPM): 108
6. 유량 (Flow rate): 200 ml/min
7. 사용된 웨이퍼: 8인치 SiO2 블랭킷 웨이퍼 (PE-TEOS)
8. 압력: 3.5 psi
[Defect 평가]
상기 실시예 및 비교예의 CMP용 슬러리 조성물을 이용하여 하기와 같은 조건으로 세정 전, 후에 대한 Defect 평가를 진행하였다.
1. 연마기: UNIPLA 231 (Doosan Mechatech 社)
2. 패드: IC1010 (Rohm&Hass 社)
3. 연마 시간: 60 s(블랭킷 웨이퍼(blanket wafer))
4. 플레이튼 RPM (Platen RPM): 24
5. 헤드 RPM (Head RPM): 90
6. 유량 (Flow rate): 200 ml/min
7. 사용된 웨이퍼: 8인치 SiO2 블랭킷 웨이퍼 (PE-TEOS,Poly)
8. 압력: 4.0 psi
[연마 입자의 부서짐]
상기 실시예의 CMP용 슬러리 조성물의 상기 CMP 평가 전후 슬러리 조성물의 1차 입자 증가율을 입경 분석을 통하여 평가하였다.

실리콘
산화막 연마율
(
Figure pat00001
/min)
실리콘 질화막 연마율
(
Figure pat00002
/min)
폴리실리콘막 연마율
(
Figure pat00003
/min)
디싱
발생율
(
Figure pat00004
)
결함 수
(ea)
1차 입자 증가율
(%)
비교예 3500 153 120 100 150 -
실시예 1 3200 78 48 40 50 52
실시예 2 3250 70 42 35 45 68
실시예 3 3600 66 51 54 35 70
실시예 4 3800 80 53 45 32 72
본 발명의 실시예에 따른 CMP용 슬러리 조성물을 이용할 경우에 연마 성능이 우수하고, 선택적 연마가 가능하고, 디싱 발생량 및 결함의 발생량이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예에 따른 CMP용 슬러리 조성물은 연마 과정에서 2차 입자가 1차 입자로 부서짐이 증가되어 높은 연마율을 유지하면서 디싱 및 결함 수의 발생을 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 산화세륨계 연마 입자;
    분산제;
    음이온성 고분자를 포함하는 제1 디싱 억제제; 및
    비이온성 고분자를 포함하는 제2 디싱 억제제;
    를 포함하고,
    상기 연마 입자는 1차 입자 및 2차 입자를 포함하고,
    상기 2차 입자는 1차 입자가 자가조립된 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물 100 중량부에 대해,
    상기 연마 입자 0.1 내지 10 중량부;
    상기 분산제 0.001 내지 10 중량부;
    상기 제1 디싱 억제제 0.001 내지 5 중량부; 및
    상기 제2 디싱 억제제 0.001 내지 5 중량부; 를 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 70 m2/g이고,
    상기 2차 입자의 비표면적은, 5 m2/g 내지 150 m2/g인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 입자의 입경은, 1 nm 내지 100 nm이고,
    상기 2차 입자의 입경은, 10 nm 내지 300 nm인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 입자 및 상기 2차 입자의 입경비는 1:10 내지 300이고,
    상기 연마 입자의 평균 입경은, 50 nm 내지 150 nm인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 입자 대 상기 2차 입자의 비율은, 1:1 내지 500인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 입자의 기공율은, 1 % 내지 40 %인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연마 입자는, 구형, 각형, 침상(針狀) 형상 및 판상(板狀) 형상으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연마 입자는, 구형이며,
    상기 제1 입자의 구형도는, 0.4 이상이고,
    상기 제2 입자의 구형도는, 0.6 이상인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연마 입자는, 1차 입자 및 2차 입자가 자가 조립된 3차 입자를 더 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 디싱 억제제는, 10,000 내지 100,000 범위의 분자량을 갖는 음이온성 고분자를 포함하고,
    상기 음이온성 고분자는, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 암모늄염, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 암모늄염, 폴리아크릴 말레익산, 아크릴 스티렌 공중합체, 폴리스티렌/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴아마이드/아크릴산 공중합체, 폴리아크릴산/술폰산 공중합체, 폴리아크릴산/말론산 공중합체, 폴리술폰산/아크릴아마이드 공중합체, 폴리술폰산, 폴리스티렌술폰산, 폴리비닐술폰산, 폴리아크릴아미드메틸프로판술폰산, 폴리-α-메틸스티렌술폰산, 폴리-ρ-메틸스티렌술폰산, 폴리아크릴산/스티렌 공중합체 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 디싱 억제제는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 글리세린, 폴리프로필렌글리콜 및 폴리비닐피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 비이온성 고분자를 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 분산제는, 피콜리닉산, 니코틴산, 이소니코틴산, 퓨자릭산, 디니코틴산, 디피코니릭산, 루티디닉산, 퀴노릭산, 글루탐산, 알라닌, 글리신, 시스틴, 히스티딘, 아스파라긴, 포름산, 아세트산, 벤조산, 옥살산, 숙신산, 말산, 말레산, 말론산, 시트르산, 젖산, 트리카발산, 타르타르산, 아스파트산, 글루타르산, 아디프산, 수베르산, 푸마르산, 프탈산, 피리딘카르복실산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 양이온성 화합물을 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물은, pH 조절제를 더 포함하고,
    상기 pH 조절제는, 산성 물질 또는 염기성 물질을 포함하고, 상기 산성 물질은, 질산, 염산, 인산, 황산, 불산, 브롬산, 요오드산, 포름산, 말론산, 말레인산, 옥살산, 초산, 아디프산, 구연산, 아디프산, 아세트산, 프로피온산, 푸마르산, 유산, 살리실산, 피멜린산, 벤조산, 숙신산, 프탈산, 부티르산, 글루타르산, 글루타민산, 글리콜산, 락트산, 아스파라긴산, 타르타르산 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 염기성 물질은, 암모늄메틸프로판올(ammonium methyl propanol; AMP), 테트라메틸암모늄하이드록사이드(tetra methyl ammonium hydroxide; TMAH), 수산화암모늄, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 이미다졸 및 각각의 염으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 조성물의 연마 이후 1차 입자의 증가율은, 50 % 이상인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물의 pH는 6 내지 9이고,
    상기 연마용 슬러리 조성물의 제타전위는, 10 mV 내지 60 mV인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물은, 산화막, 질화막 및 폴리막 중에서 선택되는 2종 이상으로 형성되는 피연마막을 동시에 연마하는 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물을 이용한 피연마막 각각의 연마량은, 50 Å/min 이상인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 시, 산화막에 대한 질화막 또는 폴리막의 연마 선택비가 10:1 내지 40:1인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 연마용 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판 의 연마 시, 단위 당 결함 수가 120 이하이고, 단위 당 스크래치 수가 10 이하이고,
    상기 연마용 슬러리 조성물을 이용한 산화막과 질화막 또는 폴리막을 포함하는 기판의 연마 후, 디싱 발생량이 200 Å이하인 것인, 연마용 슬러리 조성물.
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