KR20220029489A - 반도체 공정용 연마 조성물, 연마 조성물의 제조 방법 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

반도체 공정용 연마 조성물, 연마 조성물의 제조 방법 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 공정용 연마 조성물 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 비정질탄소막(Amorphous carbon layer)의 CMP 공정에 적용되어, 높은 연마율을 나타내고, CMP 공정 상에서의 탄소 잔여물(Carbon residue)의 반도체 기판에 대한 재흡착의 방지 및 연마 패드의 오염을 방지하며, 연마 조성물 내 가속화제를 안정화하여, 보관 안정성이 우수한 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 반도체 공정용 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Description

반도체 공정용 연마 조성물, 연마 조성물의 제조 방법 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법{POLISHING COMPOSTION FOR SEMICONDUCTOR PROCESS, MANUFACTURING METHOD OF POLISHING COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE BY USING THE SAME}
본 발명은 반도체 공정용 연마 조성물, 연마 조성물의 제조 방법 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 더욱 미세화, 고밀도화됨에 따라 더욱 미세한 패턴 형성 기술이 사용되고 있으며, 그에 따라 반도체 소자의 표면 구조가 더욱 복잡해지고 층간 막들의 단차도 더욱 커지고 있다. 반도체 소자를 제조하는 데 있어서 기판 상에 형성된 특정한 막에서의 단차를 제거하기 위한 평탄화 기술로서 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 이하 "CMP"라 칭함) 공정이 이용된다.
CMP 공정은 연마패드에 슬러리가 제공되면서 기판이 가압, 회전하며 표면이 연마된다. 공정의 단계에 따라 평탄화하고자 하는 대상이 달라지고, 이 때에 적용되는 슬러리의 물성에도 차이가 있다.
구체적으로 CMP 공정은 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(SiN) 등 유전체의 평탄화에 적용되어 왔을 뿐만 아니라 텅스텐(W), 구리(Cu) 등의 금속 배선에 대한 평탄화 공정에도 필수적으로 사용된다.
반도체 장치가 고집적화됨에 따라, 보다 미세한 패턴의 형성과 다층 구조의 회로 등이 요구되고 있다.
이를 위하여 식각 선택비 특성이 서로 다른 다양한 물질의 막들을 필요로 한다. 이러한 다양한 물질의 막들 중에 탄소 계열의 유기막은 다른 실리콘 함유막에 대하여 식각 선택비 특성이 좋아 마스크막이나 희생막으로 사용될 수 있다.
반도체 제조 공정에서 유기막에 대하여 화학적 기계적 연마(Chemical mechanical polishing) 공정을 진행하여 제거하는 것이 요구되고 있다. 그러나 반도체 제조 공정에서 적용되는 유기막에 대해, CMP 공정을 적용하여 효율적으로 연마할 수 있는 연마 조성물이 개발되지 못하고 있다.
상기의 문제를 해결할 수 있는 반도체 공정용 연마 조성물의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 반도체 공정용 연마 조성물, 연마 조성물의 제조 방법 및 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비정질탄소막(Amorphous carbon layer)의 연마 공정에 공급되어, 상기 비정질탄소막에 대한 연마율이 우수하고, 탄소 잔여물(Carbon residue)이 기판에 흡착되는 것을 방지하여 결함 발생을 방지하는 반도체 공정용 연마 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연마 조성물 내 가속화제의 안정화를 통해, 보관 안정성을 높인 연마 조성물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 공정용 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정용 연마 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며, 하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2이다:
[식 1]
Figure pat00001
여기서,
두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 공정용 연마 조성물의 제조 방법은 용매에 안정화제 및 가속화제를 넣고 혼합하여 연마 용액을 제조하는 단계; 상기 연마 용액에 pH 조절제를 혼합하여 연마 용액의 pH를 조정하는 단계; 및 상기 pH가 조정된 연마 용액에 계면활성제 및 연마 입자를 혼합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은 1) 연마층을 포함하는 연마패드를 제공하는 단계; 2) 상기 연마패드로 반도체 공정용 연마 조성물을 공급하는 단계; 및 3) 상기 연마층의 연마면에 연마 대상의 피연마면이 맞닿도록 상대 회전시키면서 상기 연마 대상을 연마시키는 단계;를 포함하며, 상기 연마 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함한다.
본 발명은 비정질탄소막(Amorphous carbon layer) 막의 CMP 공정에 적용되어, 연마율이 우수하고, 연마 공정 시 발생되는 탄소 잔여물(Carbon residue)이 반도체 기판에 흡착되는 것 및 연마 패드의 오염을 방지할 수 있고, 보관 안정성이 우수하다.
또한, 반도체 공정용 연마 조성물을 적용한 반도체 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 공정의 개략적인 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 장력 측정 결과이다.
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.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
반도체 소자는 더욱 미세화되고, 고밀도화됨에 따라, 표면 구조가 더욱 복잡해지고 있다. 상기 표면 구조의 복잡화는 반도체 선폭이 좁아짐을 의미하는 것으로, Aspect ratio(가로 대 세로 비율)도 점점 증가되고 있고, 증가되는 Aspect ratio를 맞추기 위해, 포토레지스트(Photoresist)가 점점 얇아지고 있다.
다만, 얇고 길어진 포토레지스트는 에칭(Etching) 공정에서 견디지 못하고 무너지는 현상이 나타나며, 이를 방지하기 위해, 하드 마스크(Hardmask) 공정이 도입되었다.
상기 하드 마스크 재료로, 비정질탄소(Amorphous carbon) 및 SiON이 사용되었다.
상기 비정질탄소는 하드마스크로 사용 시 우수한 에칭 내성을 갖고 있음에도 불구하고, 종래 연마 조성물을 이용하여 화학 기계적 연마 공정을 적용하면, 낮은 연마율 및 탄소 잔여물(Carbon residue)의 발생으로, 탄소 잔여물이 막질 표면에 흡착하여, 반도체 기판의 결함을 발생한다.
본 발명의 반도체 공정용 연마 조성물은 종래 연마 조성물과 비교하여, 상기 비정질탄소막에 대한 연마율이 우수하고, 탄소 잔여물이 막질 표면에 흡착하는 것을 방지하여, 반도체 기판의 결함 발생을 방지할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 반도체 공정용 연마 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며, 하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2이다:
[식 1]
Figure pat00002
여기서,
두께가 2,000
Figure pat00003
인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
상기 본 발명의 반도체 공정용 연마용 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며, 상기 비정질탄소막에 대한 연마 공정에서 연마율이 우수하고, 표면 장력을 감소시켜, 반도체 기판에 대한 탄소 잔여물의 재흡착을 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 종래 연마 조성물은 비정질탄소막에 대한 연마율이 낮아, 연마 공정에 적용 시, 연마 시간이 오래 걸려, 연마 효율이 낮은 문제가 있다.
이에, 비정질탄소막에 대한 연마율을 높이기 위해, 연마 조성물에 후술하는 가속화제를 포함시켜 비정질탄소막에 대한 연마율을 높이는 방법이 제시되었다. 상기 연마 조성물은 가속화제를 포함함에 따라, 비정질탄소막에 대한 연마율이 증가하였으나, 연마 공정에서 발생한 탄소 잔여물이 반도체 기판에 재흡착하여, 반도체 기판에의 결함 발생이 증가하였다.
상기 결함 발생 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 반도체 공정용 연마 조성물은 계면활성제를 포함하여, 연마 조성물의 표면 장력이 감소시켰다. 상기와 같이 계면활성제를 포함함에 따라, 연마 공정 상 발생되는 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 것을 방지하고, 이로 인해 반도체 기판에의 결함 발생을 방지할 수 있다.
반도체 제조 공정에 이용되는, 연마 조성물은 비정질탄소막에 대한 연마율이 200Å/min이며, 바람직하게는 200Å/min 내지 300Å/min이며, 보다 바람직하게는 210Å/min 내지 250Å/min이지만, 상기 예시에 국한되지 않는다. 상기 본 발명의 범위 내에서 비정질탄소막에 대한 연마 공정이 진행 시, 효율성이 높은 연마 조성물로의 제공될 수 있다.
하기 식 1은 본 발명의 연마 조성물에 대한 연마율, 연마 입자 및 계면활성제에 대한 관계에 관한 것이다:
[식 1]
Figure pat00004
여기서,
두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
구체적으로, 상기 식 1의 값이 0.5 내지 2이며, 바람직하게는 0.7 내지 1.4이며, 상기 식 1의 값이 본 발명의 범위 내에 포함되는 경우, 비정질탄소막에 대한 연마율을 높이고, 반도체 기판에 대한 표면 결함을 방지할 수 있다.
상기 식 1의 관계에서 분모 값은 연마 입자 및 계면활성제의 함량에 관한 것으로, 상기 계면활성제는 연마 조성물에 소량 포함되어, 연마 조성물의 표면 장력을 감소시킨다.
구체적으로, 상기 분모 값 중 100은 연마 입자의 함량 범위인 100 중량부를 의미하는 것이다. 또한, 상기 분모 값 중 100S의 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부를 의미하는 것이며, 상기 100은 계면활성제에 의한 연마 공정 시, 반도체 기판의 표면 결함 발생을 억제하는 효과를 반영하기 위한 계수이다.
상기 식 1의 값이 본 발명의 범위 내에 포함되면, 비정질탄소막에 대한 연마율이 우수하고, 연마 공정에서 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 것을 방지하여, 반도체 기판의 결함 발생을 억제할 수 있다.
상기 연마 조성물은 금속 산화물 입자 100 중량부에 대하여, 계면활성제를 0.5 내지 5 중량부로 포함하고, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량부로 포함된다. 상기 범위 내에서 혼합하여 사용하는 경우, 식 1에 따른 값이 본 발명의 범위 내로 포함되고, 상기 비정질탄소막에 대해 연마율이 우수하고, 연마 공정에서 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 것을 방지하여, 반도체 기판의 결함 발생을 억제할 수 있다.
상기 계면활성제는 연마 공정에서 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 등의 현상을 방지하는 역할을 하는 물질이면 특별히 제한되지 않는다.
구체적으로, 상기 계면활성제는 비이온성 불소계 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 상기 계면활성제는 불소계 고분자 화합물을 포함하며, 비정질탄소막에 대한 연마 공정에 이용 시, 발생되는 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 계면활성제는, 불소를 포함하고 있어, 세균 및 곰팡이와 같은 미생물의 번식을 억제할 수 있다. 연마 조성물은 장시간 보관 시, 세균 및 곰팡이가 발생할 수 있고, 상기 세균 및 곰팡이가 발생한 연마 조성물은 연마 공정에 이용이 불가하여 폐기해야 한다. 본 발명의 연마 조성물은 상기 계면활성제가 비이온성 불소계 고분자 화합물을 포함하는 것으로, 연마 조성물을 장시간 보관 시, 세균 및 곰팡이 발생을 방지하여, 장시간 보관 안정성을 높일 수 있다.
상기 본 발명의 계면활성제는 구체적으로, Chemourstm 사의 FS-30, FS-31, FS-34, ET-3015, ET-3150, ET-3050 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 연마 공정에서 탄소 잔여물이 반도체 기판의 표면에 재흡착되는 등의 현상을 방지하는 역할을 하는 물질이면 특별히 제한되지 않는다.
상기 본 발명의 계면활성제는 비이온성 계면활성제로, 비이온성 불소계 고분자 화합물을 포함하는 계면활성제를 단독으로 사용할 수도 있으며, 다른 비이온성 계면활성제와 혼합하여 사용도 가능하다.
상기 비이온성 계면활성제는 폴리에틸렌글리콜(polyethylen glycol), 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol), 폴리에틸렌-프로필렌 공중 합체(polyethylene-propylene copolymer), 폴리알킬 옥사이드(polyalkyl oxide), 폴리옥시에틸렌 옥사이드 (polyoxyethylene oxide; PEO), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리프로필렌 옥사이드(polypropylene oxide), 불소계 계면활성제는 술폰산 나트륨 불소계 계면활성제(sodium sulfonate fluorosurfactant), 인산 에스테르 불소계 계면활성제(phosphate ester fluorosurfactant), 산화 아민 불소계 계면활성제(amine oxide fluorosurfactant), 베타인 불소계 계면활성제(betaine fluorosurfactant), 카르복시산 암모늄 불소계 계면활성제(ammonium carboxylate fluorosurfactant), 스테아르산 에스테르 불소계 계면활성제(stearate ester fluorosurfactant), 4급 암모늄 불소계 계면활성제(quaternary ammonium fluorosurfactant), 에틸렌옥사이드/프로필렌옥사이드 불소계 계면활성제(ethylene oxide/propylene oxide fluorosurfactant) 및 폴리옥시에틸렌 불소계 계면활성제(polyoxyethylene fluorosurfactant)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 연마 입자는 반도체 공정용 연마 조성물에 적용될 수 있는 연마 입자로, 예를 들어, 금속 산화물, 유기 입자, 유기-무기 복합 입자 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 금속 산화물은 콜로이달 실리카, 흄드 실리카, 세리아, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 제올라이트 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 상기 예시에 국한되지 않고 통상의 기술자에 의해 선택 가능한 연마 입자는 제한 없이 모두 사용 가능하다.
상기 유기 입자는 폴리스티렌, 스티렌계 공중합체, 폴리(메타)아크릴레이트, (메타)아크릴레이트계 공중 합체, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드 고분자; 또는 상기 고분자가 코어, 쉘, 또는 둘 다를 구성하는 코어/쉘 구조의 입자가 있으며, 이들은 단독 또는 혼합 사용될 수 있으며, 상기 유기 입자는 유화 중합법, 현탁 중합법 등에 의해 제조될 수 있다.
상기 본 발명의 연마 입자는 구체적으로 콜로이달 실리카, 흄드 실리카, 세리아 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 연마 입자는 직경(D50)이 10nm 내지 120 nm이며, 바람직하게는 직경(D50)이 20nm 내지 100 nm이며, 보다 바람직하게는 직경(D50)이 20nm 내지 60 nm일 수 있다. 상기 연마 입자 직경(D50)이 상기 범위 내에 있을 경우, 연마대상 기판 등에 스크래치 등의 결함을 감소시키고, 연마 입자의 분산성이 개선 될 수 있다. 구체적으로 상기 직경 범위 내의 연마 입자를 사용하는 경우, 입자의 분산성을 개선하여, 연마 조성물 내 입자 간 뭉침 현상이 발생하지 않고, 연마 입자에 의한 스크래치 등의 결함 발생을 방지할 수 있다.
상기 연마 조성물은 가속화제, 안정화제 및 pH 조절제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 가속화제는 음이온계 저분자, 음이온계 고분자, 하이드록실산, 아미노산 및 세륨염으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 구체적으로 상기 세륨염은 3가 세륨염 또는 4가 세륨염일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 4가 세륨염은 황산세륨(Ⅳ)(Ce(SO4)2), 암모늄세륨설페이트디하이드레이트 및 세륨암모늄나이트라이트(Cerium Ammonium Nitrate)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나 상기 예시에 국한되지 않는다.
상기 가속화제는 연마 조성물에 포함되어 비정질탄소막의 표면층을 산화물 또는 이온으로 산화시켜 비정질탄소막의 표면층의 제거를 용이하게 하게 할 수 있다.
또한, 연마 정지막층에 존재하는 유기막 물질의 잔류물(Residue)이 쉽게 제거될 수 있게 함으로써 보다 균일한 연마를 가능하게 하는 장점이 있다.
상기 세륨암모늄나이트라이트는 이온 화합물 또는 킬레이트 화합물 형태로 슬러리 조성물 내 존재할 수 있으며, 상기 형태로 사용하는 경우 비정질탄소막에 대하여 높은 연마 속도를 제공할 수 있다.
본 발명의 연마 조성물은 비정질탄소막에 대한 연마율을 높이기 위해, 가속화제 및 안정화제를 포함하여, 가속화제에 의한 비정질탄소막의 높은 연마율을 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 안정화제에 의해, 장시간 보관을 가능하게 하고, 연마 공정의 진행 시, 탄소 잔여물이 반도체 기판에 재흡착함에 의한 반도체 기판의 표면 결함을 방지할 수 있다.
이에 본 발명은 가속화제 및 안정화제를 포함하여, 상기 가속화제에 의한 비정질탄소막에 대한 연마율을 높일 수 있고, 상기 안정화제에 의해 연마 조성물의 안정성을 높이며, 연마 공정 상에서 탄소 잔여물이 반도체 기판에 재흡착하는 것을 방지하여, 결함 발생을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 안정화제는 아미노산이며, 보다 구체적으로 상기 아미노산은 아르기닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), 리신(Lysine), 아스파트산(Aspartic acid), 글루타믹 산(Glutamic acid), 글루타민(Glutamine), 시스테인(Cysteine), 프로린(Proline), 아스파라긴(Asparagine), 트레오닌(threonine) 알라닌(Alanine), 글리신(Glycine), 발린(Valine), 류신(Leucine), 이소류신(Isoleucine) 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 알라닌이지만 상기 예시에 국한되지 않고 가속화제화 함께 혼합하여 사용하여 연마 조성물의 안정성을 높일 수 있고, 연마 공정 상에서 결함 발생을 억제할 수 있는 아미노산은 제한 없이 모두 사용 가능하다.
상기 pH 조절제는 염산, 인산, 황산, 불산, 질산, 브롬산, 요오드산, 포름산, 말론산, 말레인산, 옥살산, 초산, 아디프산, 구연산, 아디프산, 아세트산, 프로피온산, 푸마르산, 유산, 살리실산, 피멜린, 벤조산, 숙신산, 프탈산, 부티르산, 글루타르산, 글루타민산, 글리콜산, 락트산, 아스파라긴산, 타르타르산 및 수산화칼륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 pH 조절제는 반도체공정용 연마 조성물의 pH를 2 내지 5이거나, 바람직하게는 2 내지 4로 나타낼 수 있다. 이러한 범위로 산성 환경을 유지하는 경우, 금속성분이나 연마장치의 지나친 부식은 방지하면서 연마속도와 품질을 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다.
상기 가속화제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 400 중량부 내지 800 중량부의 양으로 사용 될 수 있다. 구체적으로, 상기 가속화제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 450 중량부 내지 700중량부, 예를 들어, 450 중량부 내지 550 중량부의 양으로 사용 될 수 있다.
상기 안정화제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 350 중량부 내지 750 중량부의 양으로 사용 될 수 있다. 구체적으로 상기 안정화제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 400 중량부 내지 600 중량부, 예를 들어, 430 중량부 내지 500 중량부의 양으로 사용 될 수 있다.
상기 계면활성제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 0.4 중량부 내지 5 중량부의 양으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 계면활성제는 상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부를 기준으로 0.5 중량부 내지 2 중량부, 예를 들어, 0.6 중량부 내지 1.5 중량부의 양으로 사용 될 수 있다.
상기 가속화제, 상기 안정화제 및 상기 계면활성제는 용매에 혼합되어 상기 연마 조성물로 제공될 수 있다.
상기 용매는 초순수이지만, 상기 예시에 국한되지 않고, 연마 조성물의 용매로 사용할 수 있는 것은 제한 없이 모두 사용 가능하다.
상기 범위 내에서 연마 조성물에 포함되는 경우, 안정화제에 의해 가속화제가 안정화되어, 연마 조성물 내에서 가속화제에 의한 연마율이 높일 수 있고, 또한 장기 보관성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 안정화제 및 계면활성제는 연마 조성물을 이용한 연마 공정 상에서의 결함 발생을 방지할 수 있다.
상기 계면활성제는 범위 값 미만으로 포함하는 경우, 연마 공정 상에서 반도체 기판의 표면 결함의 발생이 증가하게 되며, 상기 범위 값을 초과하여 포함하는 경우에는 연마 조성물의 제조 시 거품이 다량 발생하는 문제가 있다.
상기 반도체 공정용 조성물은 고형분 함량이 약 5중량% 내지 약 20중량%일 수 있다. 상기 고형분 함량이 지나치게 적을 경우, 비정질탄소막에 대한 연마율이 충분히 확보되지 않을 우려가 있으며, 지나치게 많을 경우, 상기 연마 입자의 응집 등에 의한 결함 발생의 우려가 있다. 즉, 상기 반도체 공정용 조성물이 전술한 각 성분들과 상기 용매를 포함하면서, 상기 범위의 고형분 함량을 만족하는 경우, 상기 반도체 공정용 조성물을 연마 공정에 적용할 때 균일한 유량으로 주입하기에 유리할 수 있으며, 또한, 상기 반도체 공정용 조성물의 유통 및 저장 과정에서 균일한 분산성 및 저장 안정성을 확보하기에 유리할 수 있다.
본 발명의 반도체 공정용 연마 조성물의 제조 방법은, 용매에 안정화제 및 가속화제를 넣고 혼합하여 연마 용액을 제조하는 단계; 상기 연마 용액에 pH 조절제를 혼합하여 연마 용액의 pH를 조정하는 단계; 및 상기 pH가 조정된 연마 용액에 계면활성제 및 연마 입자를 혼합하는 단계를 포함하며, 하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2이다:
[식 1]
Figure pat00005
여기서,
두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
상기 연마 용액을 제조하는 단계는 가속화제의 안정화를 위해, 용매에 안정화제를 혼합하여 제1 연마 용액으로 제조하고, 이후 가속화제를 혼합하여 연마 용액으로 제조할 수 있다.
상기 가속화제는 용매인 초순수에 안정화제, pH 조절제, 계면활성제 및 연마 입자와 함께 혼합하여 제조하게 되면, 상기 가속화제가 안정화되지 않아 연마 조성물로 제조 시 장시간 보관이 어렵거나, 가속화제에 의한 비정질탄소막에 대한 연마율 상승 효과가 나타나지 않는다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 용매에 안정화제를 혼합하여 제1 연마 용액을 제조한 후, 상기 제1 연마 용액에 가속화제를 용해시켜 연마 용액으로 제조한다. 이후 상기 연마 용액에 pH 조절제를 혼합하여 연마 용액의 pH를 조정하고, 상기 pH가 조정된 연마 용액에 계면활성제 및 연마 입자를 혼합하여 연마 조성물을 제조하였다. 상기 제조 방법에 의해 제조된 반도체 공정용 연마 조성물은 가속화제에 의해, 비정질탄소막에 대한 연마율이 우수하며, 안정성이 우수하여 장시간 보관이 가능하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법은, 1) 연마층을 포함하는 연마패드를 제공하는 단계; 2) 상기 연마패드로 반도체 공정용 연마 조성물을 공급하는 단계; 및 3) 상기 연마층의 연마면에 연마 대상의 피연마면이 맞닿도록 상대 회전시키면서 상기 연마 대상을 연마시키는 단계;를 포함하며, 상기 연마 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며, 하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2이다:
[식 1]
Figure pat00006
여기서,
두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
도 1는 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조 공정의 개략적인 공정도를 도시한 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 일 실시예에 따른 연마패드(110)를 정반(120) 상에 장착한 후, 연마 대상인 반도체 기판(130)을 상기 연마패드(110) 상에 배치한다. 연마를 위해 상기 연마패드(110) 상에 노즐(140)을 통해, 연마 슬러리(150)이 분사된다.
상기 상기 노즐(140)을 통하여 공급되는 연마 슬러리(150)의 유량은 약 10 ㎤/분 내지 약 1,000 ㎤/분 범위 내에서 목적에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 약 50 ㎤/분 내지 약 500 ㎤/분일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 기판(130)의 피연마면은 상기 연마패드(110)의 연마면에 직접 접촉된다.
이후, 상기 반도체 기판(130)과 상기 연마패드(110)는 서로 상대 회전하여, 상기 반도체 기판(130)의 표면이 연마될 수 있다. 이때, 상기 반도체 기판(130)의 회전 방향 및 상기 연마패드(110)의 회전 방향은 동일한 방향일 수도 있고, 반대 방향일 수도 있다. 상기 반도체 기판(130)과 상기 연마패드(110)의 회전 속도는 각각 약 10 rpm 내지 약 500 rpm 범위에서 목적에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 약 30 rpm 내지 약 200 rpm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기판 연마 공정에 대한 일 예시로, 기판을 연마하는 것은 유기막으로, 탄소 계열의 유기막에 대한 연마 공정에 적용될 수 있다.
구체적으로 상기 탄소 계열의 유기막은 C-SOH(spin on hardmask)막, 비정질탄소막(amorphous carbon layer) 또는 NCP막을 예시할 수 있으며,　바람직하게는 선택적인 연마 효과가 우수하며, 높은 연마율을 나타낼 수 있는 비정질탄소막이다.
반도체공정용 연마 조성물에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
일 구현예에서, 상기 반도체 소자의 제조 방법은, 상기 연마패드(110)의 연마면을 연마에 적합한 상태로 유지시키기 위하여, 상기 반도체 기판(130)의 연마와 동시에 컨디셔너(170)를 통해 상기 연마패드(110)의 연마면을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
반도체 연마용 조성물의 제조
실시예 1
안정화제인 알라닌을 초순수에 혼합하여 제1 연마 용액을 제조하였다. 상기 제1 연마 용액에 가속화제로 세륨암모늄나이트라이트를 혼합하여 연마 용액을 제조하였다.
상기 연마 용액에 질산을 혼합하여 pH가 2.1이 되도록 조정하고, 계면활성제인 Chemourstm 사의 FS-30 및 직경이 75nm인 콜로이달 실리카를 혼합하여 연마 조성물을 제조하였다.
실시예 2
상기 계면활성제를 콜로이달 실리카 100 중량부에 대하여, 2 중량부로 포함하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
실시예3
상기 알라닌 대신 히스티딘을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
실시예4
상기 알라닌 대신 프로린을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
실시예5
상기 알라닌 대신 아르기닌을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
비교예 1
초순수를 비교예 1로 사용하였다.
비교예 2
계면활성제를 별도로 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
비교예 3
계면활성제로 양이온 계면활성제인 피리딘염을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
비교예 4
계면활성제로 비이온 계면활성제인 트윈 20을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 연마 조성물을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 비교예 4에 대한 구체적인 함량은 하기 표 1과 같다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
연마입자 콜로이달실리카 0.25
(100 중량부)		 0.25
(100 중량부)		 0.25
(100중량부)		 0.25
(100 중량부)		 0.25
(100중량부)		 0.25
(100중량부)		 0.25
(100중량부)		 0.25
(100중량부)
안정제 알라닌 1.19
(476 중량부)		 1.19
(476 중량부)		 - - - 1.19
(476중량부)		 1.19
(476중량부)		 1.19
(476중량부)
히스티딘 - - 1.19
(476 중량부)		 - - - - -
프로린 - - - 1.19(476 중량부) - - - -
아르기닌 - - - - 1.19(476 중량부) - - -
가속화제 세륨암모늄나이트라이트 1.3
(520 중량부)		 1.3
(520 중량부)		 1.3
(520 중량부)		 1.3
(520 중량부)		 1.3
(520 중량부)		 1.3 중량%
(520 중량부)		 - -
계면활성제 FS-30 0.002
(0.8 중량부)		 0.005
(2 중량부)		 0.002
(0.8 중량부)		 0.002
(0.8 중량부)		 0.002
(0.8 중량부)		 - - - -
피리딘염 - - - - - - - 0.002
(0.8 중량부)		 -
트윈 20 - - - - - - - - 0.002 (0.8 중량부)
용매 초순수 나머지
실험예 1
표면 장력의 측정
대조군으로 초순수를 사용하고, 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 대해 기포 라이프타임(Bubble life time)을 측정하여 표면 장력을 평가하였다.
계측기로 SITA Bubble Pressure Tensionmeter를 사용하였으며, 측정 시 100ml로 샘플양을 조정한 후, 표면 장력에 따른 액상의 표면에서의 기포의 라이프타임을 측정하였으며, 그 결과는 도 2와 같다.
대조군인 초순수는 기포 라이프타임이 길어지면, 특정 표면 장력 값에서 변화가 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2는 대조군에 비해 연마 조성물의 성분에 의해 기포 라이프타임의 증가에 따라 표면 장력이 감소하는 것을 확인할 수 있으나, 비교예 1에 비해, 계면활성제의 함량이 증가함에 따라 표면 장력이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 표면 장력이 감소함에 따라, 탄소잔여물의 기판 표면에 대한 재흡착을 방지할 수 있고, 이는 연마 공정 상에서 반도체 기판에 발생되는 결함의 발생을 낮출 수 있음을 의미한다고 할 것이다.
반면, 비교예 2 내지 4의 경우, 계면활성제의 종류를 달리하여 연마 조성물을 제조하였으나, 연마 조성물에 응집이 발생하여 추가 평가 실험의 진행이 불가하였다.
실험예 2
연마율 및 반도체 기판의 표면 결함 발생 여부
본 발명의 연마 조성물을 연마 공정 상에 적용하는 경우의 연마율 및 반도체 기판의 표면 결함 발생 여부를 확인하기 위하여 연마 공정을 진행하여 연마율을 측정하였으며, 표면 결함의 발생 여부를 확인하였다.
연마 공정 조건은, 구체적으로 두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min이다.
상기 연마 조건 하에서의 비정질탄소막의 연마율을 측정하고, KLA Tencor AIT-XP+ 를 사용하여 결함 발생 여부를 확인하였다.
측정된 연마율, 상기 연마 입자 및 계면활성제의 중량부에 의해 계산된 식 1의 값은 하기와 같다:
[식 1]
Figure pat00007
여기서,
Ra는 연마율 측정 값이며,
S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
구분 Removal Rate
(Å/min)		 식 1의 값 총 결함
(ea)		 탄소잔류물
(ea)		 입자
(ea)
비교예 2 240 2.4 24,242 50 9
실시예 1 242 1.34 16,364 43 1
실시예 2 232 0.77 15,622 40 0
실시예 3 230 1.28 15,645 41 0
실시예 4 225 1.25 15,981 40 0
실시예 5 231 1.28 15,716 42 0
상기 표 2를 참조할 때, 비교예 2와 실시예들을 비교하면, 비정질탄소막에 대한 연마율은 큰 차이를 나타내지 않았다. 구체적으로, 실시예 1 내지 5는 비정질탄소막에 대한 연마율이 200 Å/min을 초과하였으며, 비교예 2와의 비교 결과에서도 동등한 수준의 연마율을 나타냄을 확인하였다.
다만, 비교예 2의 경우 실시예들과 비교하여 연마 공정 상에서 발생한 결함 수가 큰 차이로 발생함을 확인할 수 있다.
상기 실험 결과에 따라, 비정질탄소막에 대한 연마율은 가속화제의 포함에 의해 차이를 나타내는 것으로, 가속화제를 모두 포함하는 실시예 1 내지 5 및 비교예 2는 상기 비정질탄소막에 대해 모두 200Å/min을 초과하는 연마율을 나타냄을 확인할 수 있다. 다만, 계면활성제를 불포함하는 경우에는 탄소 잔류물이 증가하고, 이로 인해 총 결함 수도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 상기 식 1에 의한 값을 만족하는 실시예 1 내지 5는 비정질탄소막에 대해 연마율이 우수하고, 연마 공정 후, 결함 발생을 방지하는 효과가 우수함을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 연마패드
120: 정반
130: 반도체 기판
140: 노즐
150: 연마 슬러리
160: 연마 헤드
170: 컨디셔너

Claims (10)

  1. 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며,
    하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2인
    반도체 공정용 연마 조성물:
    [식 1]
    Figure pat00008

    여기서,
    두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
    상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
    상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마 조성물은 연마 입자 100 중량부에 대하여, 계면활성제를 0.5 내지 5 중량부로 포함하는
    반도체 공정용 연마 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 비이온성 불소계 고분자 화합물을 포함하는
    반도체 공정용 연마 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연마 입자는 금속 산화물, 유기 입자, 유기-무기 복합 입자 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는
    반도체 공정용 연마 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연마 조성물은 가속화제, 안정화제 및 pH 조절제를 포함하는
    반도체 공정용 연마 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가속화제는 음이온계 저분자, 음이온계 고분자, 하이드록실산, 아미노산 및 세륨염으로 이루어진 군으로부터 선택되는
    반도체 공정용 연마 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안정화제는 아미노산인
    반도체 공정용 연마 조성물.
  8. 용매에 안정화제 및 가속화제를 넣고 혼합하여 연마 용액을 제조하는 단계;
    상기 연마 용액에 pH 조절제를 혼합하여 연마 용액의 pH를 조정하는 단계; 및
    상기 pH가 조정된 연마 용액에 계면활성제 및 연마 입자를 혼합하는 단계를 포함하며,
    하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2인
    반도체 공정용 연마 조성물의 제조 방법:
    [식 1]
    Figure pat00009

    여기서,
    두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
    상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
    상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연마 용액을 제조하는 단계는,
    용매에 안정화제를 혼합하여 제1 연마 용액을 제조하고, 상기 제1 연마 용액에 가속화제를 혼합하는 것인
    반도체 공정용 연마 조성물의 제조 방법.
  10. 1) 연마층을 포함하는 연마패드를 제공하는 단계;
    2) 상기 연마패드로 반도체 공정용 연마 조성물을 공급하는 단계; 및
    3) 상기 연마층의 연마면에 연마 대상의 피연마면이 맞닿도록 상대 회전시키면서 상기 연마 대상을 연마시키는 단계;를 포함하며,
    상기 연마 조성물은 연마 입자 및 계면활성제를 포함하며,
    하기 식 1에 따른 값이 0.5 내지 2인
    반도체 소자의 제조 방법:
    [식 1]
    Figure pat00010

    여기서,
    두께가 2,000Å인 비정질탄소막(ACL, Amorphous carbon layer)을 60초 동안 2 psi로 가압하고, 캐리어 속도 87rpm, 플레이튼 속도 93rpm 및 연마 조성물의 유입 유속이 200ml/min인 조건으로 연마하였을 때,
    상기 Ra는 연마율 측정 값이며,
    상기 S는 연마 입자 100 중량부에 대한 계면활성제의 중량부이다.
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