KR20210092376A - 연마제 및 이를 이용한 평탄화 방법 - Google Patents

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KR20210092376A
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Abstract

본 발명은 연마제 및 이를 이용한 평탄화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 흄드 실리카를 포함한다. 상기 흄드 실리카의 BET 비표면적은 200 m2/g 내지 450 m2/g이고, 연마제 내에 분산된 응집체의 형상은 길쭉한 형태 또는 둥근 형태를 가지며, 상기 응집체의 상기 둥근 형태의 비율은 50% 내지 90%이다.

Description

연마제 및 이를 이용한 평탄화 방법{Abrasive and method fop planarization using the same}
본 발명은 연마제 및 이를 이용한 평탄화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CMP 용 연마제 및 이를 이용한 평탄화 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화는 해마다 진행되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조 공정에 있어서도, 각 층 표면에 요구되는 품질은 해마다 엄격해지고 있다. 본 요구에 따라 반도체 표면 가공 기술인 화학기계연마법(이하, CMP)에 있어서는, 연마 대상에 대하여, 오염이 적은 것, 스크래치가 적은 것, 연마율이 높은 것, 및 목적의 연마 대상물에 대한 선택비가 높은 것 등이 요구되고 있다. 일반적으로, 상기 CMP의 연마 입자로서, 실리카나 산화세륨 등이 사용된다.
흄드 실리카는, 기본 입자들이 융착에 의해 서로 강하게 응집하여 2차 입자를 형성할 수 있다. 2차 입자들이 서로 약하게 응집하여 3차 입자를 형성할 수 있다. 일반적으로 분말 상태의 흄드 실리카에서는, 상기 3차 입자로서 존재할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 흄드 실리카를 포함하는 CMP 용 연마제를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 연마제를 이용한 평탄화 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 개념에 따른, CMP 용 연마제는, 흄드 실리카를 포함할 수 있다. 상기 흄드 실리카의 BET 비표면적은 200 m2/g 내지 450 m2/g이고, 연마제 내에 분산된 응집체의 형상은 길쭉한 형태 또는 둥근 형태를 가지며, 상기 응집체의 상기 둥근 형태의 비율은 50% 내지 90%일 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따른, 평탄화 방법은, 웨이퍼 상에 연마 대상 막을 형성하는 것; 및 본 발명의 개념에 따른 연마제를 이용하여, 상기 웨이퍼의 표면이 노출될 때까지 상기 연마 대상 막을 평탄화하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연마제는, 비표면적이 상대적으로 크며 둥근 형태의 응집체로 이루어진 흄드 실리카를 포함할 수 있다. 이로써, 우수한 연마율을 유지함과 동시에 연마 대상의 표면 거칠기를 낮출 수 있다. 본 발명에 따른 연마제는 웨이퍼 표면의 손상을 방지할 수 있어, 반도체 소자의 제조 공정 중 전단 공정(FEOL)에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 흄드 실리카의 입자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 연마제를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 흄드 실리카로부터 단일 응집체를 분리 및 포집하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 흄드 실리카로부터 슬러리를 형성하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 에어로졸에서 흄드 실리카의 단일 응집체를 포집하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6a 내지 도 6d는 다양한 형상의 단일 응집체들을 각각 나타낸 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 단일 응집체의 형상을 분류하기 위한 알고리즘이다.
도 8은 단일 응집체의 종횡비를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 단일 응집체의 원형도를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 단일 응집체의 고형성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 연마제의 연마율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 연마제의 연마 대상에 대한 표면 거칠기를 나타낸 그래프이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 웨이퍼 상의 CMP 공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 흄드 실리카의 입자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 분말 상태의 흄드 실리카는, 도 1에 나타난 바와 같이, 덩어리(agglomerate, AGL) 형태의 입자를 포함할 수 있다. 흄드 실리카 분말의 입자를 확대하면, 도 1에 나타난 덩어리(AGL)를 확인할 수 있다. 덩어리(AGL)는 흄드 실리카의 3차 입자(tertiary particle)일 수 있다.
흄드 실리카의 덩어리(AGL)는 복수개의 응집체들(AG, aggregate)이 모여 형성된 것일 수 있다. 응집체(AG)는 흄드 실리카의 2차 입자(secondary particle)일 수 있다. 응집체(AG)는 복수개의 기본 입자들(PP, primary particles, 1차 입자)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기본 입자들(PP)의 평균 직경은 5 nm 내지 50 nm일 수 있다.
흄드 실리카는 염화실란이 산소와 수소로 형성된 1000℃ 이상의 불꽃 내에서 가수분해되어 형성될 수 있다. 불꽃에서 만들어진 기본 입자들(PP)간의 충돌로 인해 서로 연결되면서, 2차 입자인 응집체(AG)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 응집체(AG)는 복수개의 기본 입자들(PP)을 포함할 수 있다. 응집체(AG)는 3차원의 구조를 가질 수 있다. 이후 응집체들(AG)이 서로 뭉쳐지면서, 3차 입자인 덩어리(AGL)가 형성될 수 있다.
반도체 공정(예를 들어, CMP 공정)에서 사용되는 연마제(abrasive)에 실리카가 이용될 수 있다. 상기 실리카는, 흄드 실리카 또는 콜로이달 실리카를 포함할 수 있다. 예를 들면, 흄드 실리카는 순도가 좋고 연마율(Material Removal Rate, MRR)이 높지만, 연마 표면에 스크래치가 많이 발생하여 표면 거칠기(surface roughness)가 커질 수 있다. 콜로이달 실리카는 연마 표면의 스크래치가 저감되어 표면 거칠기가 상대적으로 작지만, 흄드 실리카와 비교하여 연마율이 낮고, 순도도 낮을 수 있다.
흄드 실리카를 사용하는 연마제 내에서, 흄드 실리카 덩어리(AGL)는 2차 입자인 응집체들(AG)로 분산될 수 있다. 즉, 흄드 실리카의 응집체들(AG)이 CMP 공정에서 연마에 사용되는 입자들이다. 따라서, 응집체들(AG) 각각의 형상 및 크기에 따라 연마제의 성능이 결정될 수 있다.
흄드 실리카는, 기본 입자들이 융착에 의해 서로 강하게 응집하여 2차 입자(응집체, AG)를 형성할 수 있다. 2차 입자들이 서로 약하게 응집하여 3차 입자(덩어리, AGL)를 형성할 수 있다. 일반적으로 분말 상태의 흄드 실리카에서는, 상기 3차 입자로서 존재할 수 있다. 흄드 실리카를 물 속에서 강하게 분산시키면, 2차 입자의 크기까지 분산되지만, 1차 입자까지는 분산되지 않는다. 따라서, CMP는 2차 입자의 상태로 실시되는 것으로 알려져 있다. 연마제 내의 2차 입자의 거대화가 억제된다면, 연마 표면의 스크래치의 발생은 감소하여 표면 거칠기가 줄어들 수 있다.
연마제의 성능을 분석하기 위해서는, 연마제 또는 연마제에 사용된 흄드 실리카로부터 단일(single) 응집체(AG)를 별도로 포집하여 이를 분석하는 작업이 필요할 수 있다. 그러나, 흄드 실리카의 표면 수소 결합, 농밀화 효과(thickening effect) 및 pH 등의 영향으로, 흄드 실리카로부터 단일 응집체(즉, 단일 2차 입자)를 분리 및 포집하는 것은 기술적으로 어렵다. 본 발명에서 사용하는 용어 "단일 응집체"란, 흄드 실리카의 2차 입자인 응집체(AG)가 다른 응집체(AG)와 응집되지 않고 단독으로 하나의 2차 입자로 존재하는 것을 의미할 수 있다.
단일 응집체를 분석하여 그의 형상을 체계적으로 분류할 경우, 연마제 성능 분석에 도움을 줄 수 있다. 그러나, 흄드 실리카의 단일 응집체의 형상을 분류하기 위한 체계적인 알고리즘은 확립되지 않은 실정이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연마제 또는 흄드 실리카로부터 단일 응집체를 분리 및 포집하는 방법을 제공할 수 있다. 포집된 단일 응집체를 이미지 분석으로 분석하고, 이를 본 발명에서 제시하는 알고리즘에 따라 단일 응집체의 형상을 선형, 가지형, 타원형 및 원형 중 하나로 분류할 수 있다. 단일 응집체의 형상을 분석하여, 흄드 실리카의 등급(grade)을 분석할 수 있고, 나아가 연마제의 성능을 분석하는 지표로 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 연마제를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 연마제(ABR)는 흄드 실리카를 포함할 수 있다. 구체적으로, 연마제(ABR)는 흄드 실리카가 수분산된 슬러리일 수 있다. 연마제(ABR) 내에서, 흄드 실리카는 2차 입자인 응집체들(AG)로 분산될 수 있다. 이상적으로는, 연마제(ABR) 내에서 응집체들(AG)은 서로 응집되지 않고 서로 이격될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 응집체들(AG)은 기본 입자들(PP)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 연마제(ABR)에 사용된 상기 흄드 실리카는, BET(Brunauer Emmett Telle) 법에 따른 비표면적이 170 m2/g 내지 500 m2/g일 수 있다. 바람직하기로, 흄드 실리카의 비표면적은 200 m2/g 내지 450 m2/g일 수 있다. 보다 바람직하기로, 흄드 실리카의 비표면적은 200 m2/g 내지 400 m2/g일 수 있다.
일반적으로, 연마제(ABR)에는 비표면적이 150 m2/g 보다 낮은 흄드 실리카를 사용하고 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 연마제(ABR)는, 비표면적이 상대적으로 큰 흄드 실리카를 사용할 수 있다. 비표면적이 150 m2/g 보다 큰 흄드 실리카를 본 발명의 연마제(ABR)에 사용할 경우, 연마 표면의 거칠기(surface roughness)가 크게 감소할 수 있다.
본 발명의 연마제(ABR) 내에 분산된 응집체(AG)의 형상은, 크게 길쭉한 형태(ES) 또는 둥근 형태(RS)로 분류될 수 있다. 세부적으로, 응집체(AG)의 형상은 길쭉한 형태로 선형 또는 가지형이 있으며, 둥근 형태로 타원형 또는 원형이 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 연마제(ABR) 내의 응집체(AG)의 형상은 대부분이 둥근 형태(RS, 즉, 타원형 또는 원형)일 수 있다. 연마제(ABR) 내의 응집체(AG)의 형상이 둥근 형태(RS)인 비율은 50% 내지 90%일 수 있다. 나머지는 길쭉한 형태(ES)일 수 있다.
예를 들어, 도 2를 살펴보면 둥근 형태(RS)의 응집체(AG)의 개수는 7개지만, 반면 길쭉한 형태(ES)의 응집체(AG)는 1개로서, 둥근 형태(RS)의 비율이 길쭉한 형태(ES)의 비율보다 더 큼을 확인할 수 있다.
만약 응집체(AG)의 둥근 형태(RS)의 비율이 50% 미만일 경우, 연마 표면의 거칠기가 크게 증가하여 미세 공정이 적용되는 웨이퍼 표면의 연마 용도로는 사용되기 어려운 문제가 있다.
연마제(ABR) 내의 응집체(AG)의 형상 분포 비율을 측정하는 구체적인 방법은 후술한다.
연마제(ABR)는, 분산제, pH 조절제, 계면 활성제, 점도 조절제 및 기타 첨가제 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 pH 조절제는, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화마그네슘, 수산화루비듐, 수산화세슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 암모니아, AMP(ammonium methyl propanol) 및 TMAH(tetra methyl ammonium hydroxide)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 계면 활성제는, 글리신, 알라닌, 세린, 페닐알라닌, 트레오닌, 발린, 류신, 이소류신, 프롤린, 히스티딘, 리신, 아르기닌, 아스파르트산, 트립토판, 글루타민, 베타인, 코코미도프로필베테인 및 라우릴프로필베테인으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 점도 조절제는, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리옥시알킬렌알킬에테르, 폴리옥시알킬렌알킬에스테르, 폴리옥시에틸렌메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜술포닉산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리알킬옥사이드, 폴리옥시에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌옥사이드-프로필렌옥사이드 공중합체, 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 메틸히드록시에틸셀룰로오스, 메틸히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시메틸히드록시에틸셀룰로오스, 설포에틸셀룰로오스 및 카르복시메틸설포에틸셀룰로오스로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 점도 조절제의 함량은, 연마제(ABR)의 총 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 1.0 중량%일 수 있다. 상기 점도 조절제가 1.0 중량% 초과인 경우 흄드 실리카의 분산 안정성이 저하되어 입자의 크기가 커지고 연마 표면에 스크래치가 발생하는 문제가 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 기타 첨가제는, 연마제(ABR)의 연마 대상 물질의 식각 선택비를 높일 수 있도록 하는 식각 물질을 포함할 수 있다.
이하, 앞서 설명한 연마제(ABR) 내의 응집체(AG)의 형상 분포 비율을 측정하기 위한 방법을 설명한다.
먼저, 연마제 또는 흄드 실리카 분말로부터 단일 응집체를 분리 및 포집하는 방법에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 흄드 실리카로부터 단일 응집체를 분리 및 포집하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4는 흄드 실리카로부터 슬러리를 형성하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다. 도 5는 에어로졸에서 흄드 실리카의 단일 응집체를 포집하는 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 흄드 실리카가 수분산된 슬러리를 준비할 수 있다(ST1).
분말 형태의 흄드 실리카를 이용하여 슬러리를 준비하는 예를 먼저 설명한다. 물(예를 들어, DI WATER)에 흄드 실리카 분말을 혼합하여 슬러리(SDS)가 준비될 수 있다. 흄드 실리카 분말이 고속 균질기인 로터/스태터(R/S)를 통하여 슬러리(SDS) 내에서 고르게 분산될 수 있다. 예를 들어, 로터는 3,000 RPM 내지 4,000 RPM으로 회전하며, 10분 내지 30분 동안 작동될 수 있다.
로터/스태터(R/S)는 입자들을 물리적으로 충돌시켜 작게 분쇄하기 때문에, 3차 입자인 덩어리(AGL)가 분쇄되어 2차 입자인 응집체(AG) 형태로 슬러리(SDS) 내에 분산될 수 있다.
이후 슬러리(SDS)에 수산화칼륨(KOH) 및/또는 수산화나트륨(NaOH)와 같은 염기성의 pH 조절제를 첨가하여, 슬러리(SDS)의 pH를 10 내지 12로 조절할 수 있다. 슬러리(SDS)의 pH를 10 내지 12로 조절할 경우, 슬러리(SDS) 내에 분산된 흄드 실리카(예를 들어, 응집체들(AG))가 안정화될 수 있다.
슬러리(SDS)를 형성하는 동안, 로터/스태터(R/S)에 의해 슬러리(SDS)의 온도가 상승할 수 있다. 이때, 냉각 장치를 이용하여 슬러리(SDS)의 온도가 10℃ 내지 25℃가 유지되도록 할 수 있다.
다른 예로, 흄드 실리카가 수분산된 슬러리는, 앞서 설명한 연마제(ABR)일 수 있다. 연마제(ABR)는 이미 흄드 실리카가 수분산된 슬러리이기 때문에, 앞서 도 4를 참조하여 설명한 흄드 실리카 분말을 물에 강하게 분산시키는 단계가 생략될 수 있다. 연마제(ABR)에 pH 조절제를 첨가하여, pH를 10 내지 12로 조절해줌이 바람직할 수 있다. 필요할 경우, 연마제(ABR)에 물을 더 첨가하여 점도를 낮춰줄 수도 있다.
도 3을 참조하면, 슬러리(SDS)를 에어로졸화 시킬 수 있다(ST2). 슬러리(SDS)로부터 에어로졸을 형성하는 것은, 용액을 미립자화(atomization)하는 방식을 이용할 수 있다. 예를 들어, 노즐을 이용하여 슬러리(SDS)를 미스트 형태로 분사하여, 에어로졸을 형성할 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 에어로졸(ARS)을 포집 장치(CD)에 투입하여, 에어로졸(ARS)에서 단일 응집체(SAG, single aggregate)를 포집할 수 있다(ST3). 구체적으로, 에어로졸(ARS)이 포집 장치(CD)의 입구(IL)로 투입될 수 있다. 투입된 에어로졸(ARS)은, 포집 장치(CD)의 제1 전극(EL1)과 제2 전극(EL2) 사이를 흐를 수 있다. 제1 전극(EL1)과 제2 전극(EL2) 사이에는 전기장이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(EL1)에는 양의 전압이 인가되고, 제2 전극(EL2)에는 접지 전압이 인가될 수 있다. 제1 전극(EL1)과 제2 전극(EL2) 사이의 전위차에 의해 전기장이 형성될 수 있다.
에어로졸(ARS) 내의 단일 응집체(SAG)는 그 크기가 300nm 이하로 매우 미세하므로, 전기장에 의해 제1 전극(EL1)에 가깝게 이동할 수 있다. 예를 들어, 단일 응집체(SAG)는 음의 전하를 띄게 되므로, 전기적 인력을 통해 양의 전압이 인가된 제1 전극(EL1)을 향해 이동할 수 있다. 이로써, 제1 전극(EL1) 아래에 위치한 포집구(OL)를 통해 단일 응집체(SAG)가 포집되어 배출될 수 있다.
단일 응집체(SAG)를 제외한 다른 입자들은 크기가 상대적으로 크므로, 포집구(OL)를 통해 포집되지 못하고 포집 장치(CD)의 바닥을 향해 떨어질 수 있다.
이후, 복수개의 단일 응집체들(SAG)이 서로 분리된 형태로 포집될 수 있다. 분리된 단일 응집체들(SAG) 각각에 대해 이미지 분석을 수행할 수 있다(ST4). 예를 들어, 단일 응집체들(SAG) 각각에 대해 현미경 분석(microscopy)을 수행할 수 있다. TEM 분석을 진행해 그 결과 이미지를 도 6a 내지 도 6d에 나타내었다. 도 6a 내지 도 6d에 나타난 바와 같이, 단일 응집체들(SAG)은 다양한 형상을 가질 수 있다.
단일 응집체(SAG)의 형상을 체계적으로 분류하기 위한 형상 분류가 수행될 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 단일 응집체의 형상을 분류하기 위한 알고리즘이다.
도 7을 참조하면, 먼저 단일 응집체(SAG)의 형상 분류 알고리즘에 사용되는 여러 파라미터들을 측정할 수 있다. 알고리즘에 사용되는 파라미터로는, 종횡비(aspect ratio), 원형도(roundness), 및 고형성(solidity)이 있다.
도 8을 참조하여 단일 응집체(SAG)의 종횡비를 설명한다. 이미지 분석을 통해 얻어진 TEM 이미지를 참조하면, 단일 응집체(SAG)는 제1 방향으로 가장 긴 제1 길이(L1)를 가질 수 있다. 단일 응집체(SAG)는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 가장 짧은 제2 길이(L2)를 가질 수 있다. 제1 길이(L1)에 대한 제2 길이(L2)의 비(L2/L1)가 종횡비로 정의될 수 있다.
도 9를 참조하여 단일 응집체(SAG)의 원형도를 설명한다. TEM 이미지에 나타난 단일 응집체(SAG)는 이차원적으로 제1 면적(AR1)을 가질 수 있다. 한편, 앞서 도 8에 나타난 단일 응집체(SAG)의 제1 길이(L1)를 지름으로 하는 제1 원(CIC1)이 정의될 수 있다. 제1 원(CIC1)은 제2 면적(AR2)을 가질 수 있다. 원형도는 제2 면적(AR2)에 대한 제1 면적(AR1)의 비(AR1/AR2)일 수 있다.
구체적으로, 제2 면적(AR2)은 아래의 값을 가질 수 있다.
Figure pat00001
따라서, 원형도는 아래의 수학식 1로 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
도 10을 참조하여 단일 응집체(SAG)의 고형성을 설명한다. TEM 이미지에 나타난 단일 응집체(SAG)는 이차원적으로 제1 면적(AR1)을 가질 수 있다. 단일 응집체(SAG)의 최외곽을 직선으로 연결하여, 단일 응집체(SAG)를 포함시키는 다각형(POG)을 정의할 수 있다. 다각형(POG)은 제3 면적(AR3)을 가질 수 있다. 고형성은 제3 면적(AR3)에 대한 제1 면적(AR1)의 비(AR1/AR3)일 수 있다.
일 실시예로, 도 6a에 나타난 제1 단일 응집체(SAG1)의 TEM 이미지를 바탕으로 도 7의 알고리즘을 수행하여, 제1 단일 응집체(SAG1)의 형상을 분류함을 설명한다. 제1 단일 응집체(SAG1)의 종횡비를 측정하여, 제1 값보다 큰지 여부를 확인한다. 예를 들어, 제1 값은 0.533일 수 있다. 제1 단일 응집체(SAG1)의 종횡비는 제1 값(0.533)보다 작으므로, 제1 단일 응집체(SAG1)의 형상은 선형으로 분류될 수 있다.
일 실시예로, 도 6d에 나타난 제4 단일 응집체(SAG4)의 TEM 이미지를 바탕으로 도 7의 알고리즘을 수행하여, 제4 단일 응집체(SAG4)의 형상을 분류함을 설명한다. 제4 단일 응집체(SAG4)의 종횡비를 측정하여, 제1 값보다 큰 여부를 확인한다. 제4 단일 응집체(SAG4)의 종횡비는 제1 값(0.533)보다 크므로, 다음 단계인 원형도를 측정한다. 제4 단일 응집체(SAG4)의 원형도가 제2 값보다 큰지 여부를 확인한다. 예를 들어, 제2 값은 0.7일 수 있다. 제4 단일 응집체(SAG4)의 원형도는 제2 값(0.7)보다 크므로, 제4 단일 응집체(SAG4)의 형상은 원형으로 분류될 수 있다.
일 실시예로, 도 6c에 나타난 제3 단일 응집체(SAG3)의 TEM 이미지를 바탕으로 도 7의 알고리즘을 수행하여, 제3 단일 응집체(SAG3)의 형상을 분류함을 설명한다. 제3 단일 응집체(SAG3)의 종횡비를 측정하여, 제1 값보다 큰 여부를 확인한다. 제3 단일 응집체(SAG3)의 종횡비는 제1 값(0.533)보다 크므로, 다음 단계인 원형도를 측정한다. 제3 단일 응집체(SAG3)의 원형도는 제2 값(0.7)보다 작으므로, 다음 단계인 고형성을 측정한다. 제3 단일 응집체(SAG3)의 고형성이 제3 값보다 큰지 여부를 확인한다. 예를 들어, 제3 값은 0.76일 수 있다. 제3 단일 응집체(SAG3)의 고형성은 제3 값(0.76)보다 크므로, 제3 단일 응집체(SAG3)의 형상은 타원형으로 분류될 수 있다.
일 실시예로, 도 6b에 나타난 제2 단일 응집체(SAG2)의 TEM 이미지를 바탕으로 도 7의 알고리즘을 수행하여, 제2 단일 응집체(SAG2)의 형상을 분류함을 설명한다. 제2 단일 응집체(SAG2)의 종횡비를 측정하여, 제1 값보다 큰 여부를 확인한다. 제2 단일 응집체(SAG2)의 종횡비는 제1 값(0.533)보다 크므로, 다음 단계인 원형도를 측정한다. 제2 단일 응집체(SAG2)의 원형도는 제2 값(0.7)보다 작으므로, 다음 단계인 고형성을 측정한다. 제2 단일 응집체(SAG2)의 고형성이 제3 값(0.76)보다 작으므로, 제2 단일 응집체(SAG2)의 형상은 가지형으로 분류될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 단일 응집체의 TEM 이미지를 통해 앞서 설명한 파라미터(종횡비, 원형도, 및 고형성)를 측정하고, 측정된 파라미터를 통해 도 6의 알고리즘을 수행하여 해당 단일 응집체의 형상을 선형, 가지형, 타원형 및 원형 중 하나로 분류할 수 있다.
분석 대상이 된 흄드 실리카로부터 분리 및 포집된 단일 응집체들 중 무작위로 20개 내지 100개의 단일 응집체들에 대해 형상 분류를 수행하여, 상기 분석 대상이 된 흄드 실리카의 단일 응집체의 형상 분포 비율을 측정할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따라 연마제(ABR)로부터 포집된 100개의 단일 응집체들에 대해 형상 분류를 수행한 결과, 2개의 단일 응집체들이 선형이고, 28개의 단일 응집체들이 가지형이며, 49개의 단일 응집체들이 타원형이고, 21개의 단일 응집체들이 원형임을 확인하였다. 이 경우, 상기 흄드 실리카는 선형 2%, 가지형 28%, 타원형 49% 및 원형 21%인 형상 분포 비율을 가짐을 확인할 수 있다. 상기 실시예에 따른 연마제(ABR) 내의 응집체는, 둥근 형태의 비율이 70%이고 길쭉한 형태의 비율이 30%로서, 둥근 형태의 비율이 상대적으로 큼을 확인할 수 있다.
아래 표 1에 나타난 흄드 실리카들을 준비하여, 이들을 바탕으로 연마제를 제조하였다.
비표면적
(m2/g)		 선형(%) 가지형(%) 타원형(%) 원형(%)
비교예 1 60 18 48 29 5
비교예 2 90 24 52 21 3
비교예 3 150 13 69 15 3
실시예 1 200 0 20 48 32
실시예 2 300 2 28 49 21
실시예 3 400 0 22 44 34
비교예 1 내지 3에 따른 흄드 실리카는, 비표면적이 150 m2/g 이하로 상대적으로 작으며, 응집체가 길쭉한 형태(선형+가지형)의 비율이 50%보다 컸다.
반면, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따른 흄드 실리카는, 비표면적이 200 m2/g 이상으로 상대적으로 컸으며, 응집체가 둥근 형태(타원형+원형)의 비율이 50%보다 컸다.
추가적으로, 흄드 실리카가 아닌 콜로이달 실리카를 이용하여 연마제를 제조하였다 (비교예 4).
비교예 1 내지 4, 실시예 1 및 실시예 3에 따른 연마제에 대해 CMP 공정을 수행하여, 연마율(MRR)을 측정해 도 11에 나타내었고, 연마 대상의 표면 거칠기(surface roughness)를 측정하여 도 12에 나타내었다.
도 11을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 3의 연마율은 비교예 1 내지 3의 연마율에 비해 상대적으로 작았다. 그러나, 실시예 1 및 실시예 3의 연마율은 콜로이달 실리카인 비교예 4의 연마율에 비해 더 큼을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 3의 표면 거칠기는, 비교예 1 내지 3의 표면 거칠기보다 더 작았다. 나아가, 실시예 1 및 실시예 3의 표면 거칠기는, 콜로이달 실리카인 비교예 4의 표면 거칠기보다도 더 작았다.
결과적으로, 연마 표면의 스크래치를 저감시키기 위해 사용되던 콜로이달 실리카 연마제에 비해, 본 발명의 실시예들에 따른 연마제는 스크래치 저감 효과가 더 뛰어남을 확인할 수 있다. 나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 연마제는 연마율 역시 콜로이달 실리카 연마제에 비해 더 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 연마제는 기본적으로 흄드 실리카를 이용하므로, 연마율이 상대적으로 우수할 수 있다. 나아가, 연마제 내의 응집체의 둥근 형태의 비율이 50% 이상으로 크므로, 둥근 형태의 2차 입자가 연마 대상의 표면을 더 부드럽게 연마시킬 수 있다. 이로써, 연마 대상의 표면 거칠기가 매우 낮아질 수 있으며, 따라서 세밀함이 요구되는 미세 반도체 공정에 본 발명의 연마제가 적용될 수 있다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시예들에 따른 웨이퍼 상의 CMP 공정을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시예에서 설명할 CMP 공정은, 웨이퍼 상에 반도체 소자를 형성하기 위해 수행되는 수많은 반도체 공정 중 하나를 예시한 것일 수 있다.
도 13을 참조하면, 웨이퍼(WAF)가 제공될 수 있다. 웨이퍼(WAF)는 반도체 웨이퍼로서, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
웨이퍼(WAF)의 상부를 패터닝하여, 웨이퍼(WAF)의 상부의 활성 영역들(ACT)을 정의하는 트렌치들(TR)이 형성될 수 있다. 트렌치들(TR)은 소정의 깊이를 가지고 웨이퍼(WAF)의 상부에 형성될 수 있다. 각각의 활성 영역들(ACT)은, 반도체 소자의 트랜지스터의 액티브로 사용될 영역일 수 있다.
도 14를 참조하면, 웨이퍼(WAF) 상에 트렌치들(TR)을 채우는 절연막(IL)이 형성될 수 있다. 절연막(IL)은, 트렌치들(TR)을 채우며 웨이퍼(WAF)의 표면을 완전히 덮도록 충분히 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연막(IL)은 화학 기상 증착 공정(CVD)을 이용하여 형성될 수 있다. 절연막(IL)은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, 또는 실리콘 질화막을 포함할 수 있다. 절연막(IL)은, 본 실시예에서의 연마 대상 막일 수 있다.
도 15를 참조하면, 절연막(IL) 상에 제1 평탄화 공정(PL1)이 수행될 수 있다. 제1 평탄화 공정(PL1)을 수행하는 것은, 제1 연마제(ABR1)를 이용할 수 있다. 제1 연마제(ABR1)는, 연마율이 높은 연마제를 사용할 수 있다. 예를 들어 제1 연마제(ABR1)는, 앞서 비교예 1 내지 비교예 3을 참조하여 설명한 비표면적이 1 m2/g 내지 150 m2/g 인 흄드 실리카 연마제를 사용할 수 있다.
제1 평탄화 공정(PL1)은 절연막(IL)의 상면이 웨이퍼(WAF)의 표면으로부터 소정의 거리(DI)에 도달할 때까지 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 거리(DI)는 50 nm 내지 200nm일 수 있다.
도 16을 참조하면, 절연막(IL) 상에 제2 평탄화 공정(PL2)이 수행될 수 있다. 제2 평탄화 공정(PL2)은, 웨이퍼(WAF)의 표면이 노출될 때까지 수행될 수 있다. 제2 평탄화 공정(PL2)의 결과로, 절연막(IL)이 트렌치(TR) 내에만 선택적으로 잔류하면서, 소자 분리막(DIL)이 형성될 수 있다.
제2 평탄화 공정(PL2)을 수행하는 것은, 제2 연마제(ABR2)를 이용할 수 있다. 제2 평탄화 공정(PL2)은 웨이퍼(WAF)의 표면을 노출시키는 세밀한 작업이 요구될 수 있기 때문에, 제2 연마제(ABR2)는 연마 표면의 표면 거칠기를 낮출 수 있는 연마제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제2 연마제(ABR2)는 본 발명의 실시예들에 따른 연마제일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연마제는 둥근 형태의 2차 입자를 이용하여 연마 표면(즉, 웨이퍼(WAF)의 표면)을 부드럽게 연마하기 때문에, 웨이퍼(WAF)의 표면에 스크래치의 발생을 현저하게 줄일 수 있다. 웨이퍼(WAF)의 표면은, 앞서 설명한 바와 같이 트랜지스터의 액티브로 사용되는 활성 영역(ACT)이기 때문에, 표면 거칠기가 줄어들 경우 최종적으로 형성될 반도체 소자의 전기적 특성이 향상될 수 있다.
본 발명의 CMP 공정에 따르면, 웨이퍼(WAF)의 표면으로부터 멀리 떨어진 표면을 연마할 경우에는 연마율이 높은 제1 연마제(ABR1)를 사용하여, 공정 시간을 단축시킬 수 있다. 한편, 웨이퍼(WAF)의 표면과 가까워지게 되면 더 정밀하고 부드럽게 연마할 수 있는 제2 연마제(ABR2)를 사용하여, 웨이퍼(WAF)의 표면의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 연마제를 사용한 CMP 공정은, 반도체 소자의 제조 공정 중 웨이퍼의 표면에 수행되는 전단 공정(front end of line, FEOL)에 적용될 수 있다. 본 발명의 연마제를 이용할 경우, 연마 대상 표면에 스크래치 없이 정밀한 가공이 가능하므로, 반도체 소자의 활성 영역으로 사용되는 웨이퍼 표면 가공에 적합할 수 있다.

Claims (13)

  1. 흄드 실리카를 포함하는 연마제에 있어서,
    상기 흄드 실리카의 BET 비표면적은 200 m2/g 내지 450 m2/g이고,
    연마제 내에 분산된 응집체의 형상은 길쭉한 형태 또는 둥근 형태를 가지며,
    상기 응집체의 상기 둥근 형태의 비율은 50% 내지 90%인 CMP 용 연마제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 둥근 형태는, 상기 응집체에 있어서:
    종횡비가 제1 값보다 크고; 및
    원형도가 제2 값보다 크거나 또는 고형성이 제3 값보다 큰 것인 CMP 용 연마제.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 값은 0.533이고,
    상기 제2 값은 0.7이며,
    상기 제3 값은 0.76인 CMP 용 연마제.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 응집체는 제1 방향으로 가장 긴 제1 길이를 갖고,
    상기 응집체는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 가장 짧은 제2 길이를 가지며,
    상기 종횡비는, 상기 제1 길이에 대한 제2 길이의 비인 CMP 용 연마제.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 응집체는 이차원적으로 제1 면적을 가지고,
    상기 제1 길이를 지름으로 하는 원은 제2 면적을 가지며,
    상기 원형도는 상기 제2 면적에 대한 상기 제1 면적의 비인 CMP 용 연마제.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 응집체의 최외곽을 직선으로 연결하여, 상기 응집체를 포함시키는 다각형이 정의되고,
    상기 다각형은 제3 면적을 가지며,
    상기 고형성은 상기 제3 면적에 대한 상기 제1 면적의 비인 CMP 용 연마제.
  7. 제1항에 있어서,
    분산제, pH 조절제, 계면 활성제, 점도 조절제 및 기타 첨가제 중 적어도 하나를 더 포함하는 CMP 용 연마제.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 응집체는, 상기 흄드 실리카의 3차 입자가 분해되어 수분산된 2차 입자인 CMP 용 연마제.
  9. 웨이퍼 상에 연마 대상 막을 형성하는 것; 및
    제1항의 연마제를 이용하여, 상기 웨이퍼의 표면이 노출될 때까지 상기 연마 대상 막을 평탄화하는 것을 포함하는 평탄화 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 평탄화 방법은, 반도체 소자의 제조 공정 중 전단 공정(front end of line, FEOL)에서 사용되는 평탄화 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 상기 연마 대상 막을 평탄화하는 것은:
    상기 연마 대상 막 상에 제1 연마제를 이용하여 제1 평탄화 공정을 수행하는 것; 및
    상기 연마 대상막 상에 제2 연마제를 이용하여 제2 평탄화 공정을 수행하는 것을 포함하되,
    상기 제1 연마제는 BET 비표면적이 1 m2/g 내지 150 m2/g 인 흄드 실리카를 포함하고,
    상기 제2 연마제는 상기 제1항의 연마제인 평탄화 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 평탄화 공정은, 상기 연마 대상 막의 표면이 상기 웨이퍼의 표면으로부터 소정의 거리에 도달할 때까지 수행되고,
    상기 제2 평탄화 공정은 상기 웨이퍼의 표면이 노출될 때까지 수행되는 평탄화 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 웨이퍼 상에, 활성 영역을 정의하는 트렌치를 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 연마 대상 막은 상기 트렌치를 채우는 평탄화 방법.
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