KR20220120585A - 화학적 기계적 연마액 및 구리 연마에서 이의 용도 - Google Patents
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Abstract
화학적 기계적 연마액 및 구리 연마에서 이의 용도에 있어서, 상기 화학적 기계적 연마액은 비이온성 계면활성제, 연마 입자 및 산화제를 포함하고, 상기 비이온성 계면활성제는 (에톡시)x화(부톡시)y화 알킬 알코올이되, x는 5 내지 20이고, y는 5 내지 20이며, 알킬은 탄소원자수 11 내지 15의 직쇄형 또는 분지쇄형이다.
Description
본 발명은 화학적 기계적 연마액 및 구리 연마에서 이의 용도에 관한 것이다.
집적 회로의 제조 과정에서, 실리콘 웨이퍼 기판 위에는 종종 수천 개의 구조 단위가 구축되고, 이러한 구조 단위는 다층 금속 인터커넥트를 통해 기능성 회로 및 소자를 더 형성한다. 금속 인터커넥트 기술의 발전 및 배선 층수의 증가에 따라 화학적 기계적 연마(CMP)는 칩 제조 과정의 표면 평탄화에 널리 사용되었다. 이러한 평탄화된 칩 표면은 다층 집적 회로의 생산에 도움이 되고, 유전체층이 고르지 않은 표면에 코팅되어 야기되는 왜곡을 방지한다.
CMP 공정은 연마제를 포함하는 혼합물 및 연마 패드를 사용하여 집적 회로 표면을 연마하는 것이다. 전형적인 화학적 기계적 연마 방법에서, 기질을 회전하는 연마 패드에 직접 접촉시키고, 하중 물질로 기질 후면에 압력을 가한다. 연마하는 동안 패드와 테이블은 회전되고, 동시에 기질 후면에 하향력을 유지하며, 연마제 및 화학적 활성 용액(통상적으로 연마액 또는 연마 슬러리라고 함)을 패드에 코팅하고, 상기 연마액은 연마되는 박막과 화학 반응을 일으켜 연마 과정을 수행하기 시작한다.
소자 특징 크기의 지속적인 감소에 따라, 인터커넥트 성능은 칩의 전체 성능을 제한하는 핵심이 되었고, 인터커넥트 성능을 제한하는 가장 큰 문제는 크기 효과로 인한 저항-커패시턴스 지연 현상(RC delay)이므로, RC 지연의 감소는 집적 회로 발전에서 중요한 내용이 되었다. 구리는 저항률이 낮고 전자 이동에 대한 저항성이 높으며 RC 지연 시간이 짧은 장점을 갖고, 집적 회로의 주요 인터커넥트 금속으로 알루미늄을 대체하였다. 그러나 구리 재료에 대해 효과적인 플라즈마 식각 또는 습식 식각을 수행할 수 없으므로, 구리를 인터커넥트 재료로 사용하는 배선 공정의 경우 현재 일반적으로 사용되는 기술적 해결수단은 듀얼 다마신(Dual Damascene) 공정으로, 즉 첫 번째 층에 트렌치를 형성하고 트렌치에 구리 장벽층 "G 구리를 충진하여, 금속 와이어를 형성하고 유전체층에 피복한다. 그런 다음 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 통해 유전체층의 과도한 구리/구리 장벽층을 제거하여 트렌치에 단일 인터커넥트 라인을 남긴다. CMP 기술은 구리 인터커넥트 공정에 사용되어 0.13 μm의 백엔드 구리 제조 공정을 구현하도록 하고, 상이한 공정 및 제조 공정은 구리 화학적 기계적 연마액에 대해 상이한 기술적 요구사항이 있으며, 집적 회로의 발전에 따라 구리 화학적 기계적 연마 공정에 대한 요구사항도 점점 더 높아지고 있고, 상이한 공정 및 제조 공정의 요구사항의 구리의 제거율을 충족해야 할 뿐만 아니라, 연마 후의 구리의 표면 품질도 보장해야 한다. 구리의 재질은 비교적 부드럽고 쉽게 산화되며, 연마 과정에서 CuO, Cu2O 및 Cu(OH)2로 구성된 다공성 산화물 층이 형성된다. 따라서, 구리는 이산화규소(TEOS)와 같은 실리콘 재료 또는 텅스텐과 같은 다른 재료보다 더 약하고, 연마 과정에서 스크래치와 같은 표면 손상을 쉽게 일으킬 수 있다.
선행기술 중 연마 과정에서 구리 표면이 쉽게 손상되어 표면 거칠기 값이 크고 오염 잔류물이 많은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 비이온성 계면활성제, 연마 입자 및 산화제를 포함하는 화학적 기계적 연마액을 제공한다.
여기서, 상기 비이온성 계면활성제는 (에톡시)x화 (부톡시)y화 알킬 알코올이되, x는 5 내지 20이고, y는 5 내지 20이며, 알킬은 탄소원자수 11 내지 15의 직쇄형 또는 분지쇄형이다. 상기 비이온성 계면활성제의 질량 백분율 농도는 0.0005 내지 0.5 wt％이다. 바람직하게는 0.001 내지 0.1 wt％이다.
여기서, 상기 연마 입자는 이산화규소, 산화알루미늄, 산화세륨, 알루미늄이 도핑된 이산화규소 중 하나 또는 복수이다. 상기 연마 입자의 질량 백분율 농도는 0.1 내지 20 wt％이고, 바람직하게는 0.1 내지 10 wt％이다. 상기 연마 입자의 입경은 20 내지 200 nm이고, 바람직하게는 30 내지 120 nm이다.
여기서, 상기 산화제는 과산화수소이고, 상기 산화제의 질량 백분율 농도는 0.05 내지 5 wt％이다.
여기서, 상기 화학적 기계적 연마액의 pH 값은 4 내지 12이고, 바람직하게는 5 내지 11이다.
본 발명의 화학적 기계적 연마액에는 pH 조절제 및 살균제와 같은 본 기술분야의 다른 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 화학적 기계적 연마액은 농축하여 제조될 수 있고, 사용 전에 탈이온수로 희석하고 본 발명의 농도 범위로 산화제를 첨가할 수 있다.
본 발명은 또한 구리 연마에서 상기 화학적 기계적 연마액의 용도를 제공한다.
본 발명에서 사용되는 시약은 상업적으로 구입할 수 있다.
본 발명에 따른 wt％는 모두 질량 백분율 농도를 의미함을 이해해야 한다.
선행기술과 비교하면, 본 발명의 장점은 하기와 같다.
본 발명은 구리 연마, 장벽층 연마 및 실리콘 관통 비아(Through Silicon Via, TSV) 연마와 같은 공정에서 구리 기재를 제거해야 하는 다양한 용도에 사용될 수 있는 화학적 기계적 연마액을 제공하는 것을 목적으로 하고, 상기 화학적 기계적 연마액을 사용함으로써 공정 요구사항을 충족하는 구리의 제거율을 얻는 동시에, 연마 후 구리 표면 거칠기 및 구리 표면 오염 입자를 감소 및 개선할 수 있어, 연마 후의 구리 표면 품질이 다양한 공정 조건에서 구리 표면에 대한 요구사항을 충족할 수 있도록 보장한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더 설명하지만, 본 발명은 기재된 실시예의 범위에 한정되지 않는다.
실시예
제조 방법: 표 1의 조성에 따라 산화제를 제외한 다른 성분을 균일하게 혼합하고, KOH 또는 HNO3을 사용하여 필요한 pH 값으로 조절하였다. 사용 전에 산화제를 첨가하여 균일하게 혼합하면 된다. 물은 여분이다.
표 1. 비교예 1 내지 2 및 실시예 1 내지 11의 조성
효과 실시예
연마 방법: 표 1의 조성에 따라 제조된 연마액으로 하기 연마 조건에 따라 구리 웨이퍼를 연마한다. 연마 조건: 연마기는 12”Reflexion LK 기기이고, 연마 패드는 IC1010 pad이며, 하향 압력은 1.0 내지 3.0 psi이고, 회전 속도는 연마 디스크/연마 헤드=93/87 rpm이며, 연마액 유속은 300 ml/min이고, 연마 시간은 1 min이다. 금속 박막 두께 측정기로 연마 전후의 구리의 저항률을 측정하고 연마 전후의 구리의 두께를 계산하여 구리의 제거율을 얻으며, 원자력현미경(AFM)으로 연마 후의 구리 웨이퍼 표면 거칠기를 시험하고, 결함 스캐너 SP2로 연마 후의 구리 웨이퍼 표면 오염 입자수를 시험하였다. 연마 및 시험 결과는 표 2와 같다.
표 2. Cu에 대한 비교예 1 내지 2 및 실시예 1 내지 11의 제거율, 표면 거칠기, 표면 오염 입자수
표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 내지 2에 비해, 본 발명의 실시예 1 내지 11에는 에톡시 부톡시화 알킬 알코올을 첨가하였고, Cu 제거율에 영향을 미치지 않으면서 연마 후 Cu의 표면 거칠기를 크게 개선하였으며, 표면 오염 잔류물을 효과적으로 감소하였다. 실시예 4 내지 5로부터 볼 수 있다시피, 3.0 psi의 높은 하향 압력의 연마 조건에서도 우수한 Cu의 표면 품질을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 연마액을 사용하여 공정 요구사항을 충족하는 구리 제거율을 얻는 동시에 연마 후 우수한 구리 표면 품질을 얻도록 보장함으로써, 다양한 공정 조건에서 구리 표면에 대한 요구사항을 충족할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 화학적 기계적 연마액은 공정 요구사항을 충족하는 구리의 제거율을 얻는 동시에, 연마 후 구리 표면 거칠기 및 구리 표면 오염 입자수를 개선 및 감소할 수 있어, 연마 후의 구리 표면 품질을 보장하며; 본 발명의 화학적 기계적 연마액은 적용 가능한 압력 범위가 크고, 보다 높은 연마 압력에서도 본 발명의 화학적 기계적 연마액은 높은 구리 제거율을 갖는 동시에, 우수한 구리 표면 품질을 얻을 수 있으므로, 선행기술의 기술적 편견을 극복하였다.
본 발명 중의 함량은 특별한 설명이 없는 한 모두 질량 백분율 함량임을 유의해야 한다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하였지만, 이는 예시에 불과하고, 본 발명은 상술한 구체적인 실시예에 한정되지 않는다. 당업자에게 있어서, 본 발명에 대한 임의의 동등한 수정 및 대체는 또한 본 발명의 범위에 속한다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이룬 균등한 변경 및 수정은 모두 본 발명의 범위에 포함되어야 한다.
Claims (9)
- 화학적 기계적 연마액으로서,
비이온성 계면활성제, 연마 입자 및 산화제를 포함하되, 상기 비이온성 계면활성제는 (에톡시)x화 (부톡시)y화 알킬 알코올이되, x는 5 내지 20이고, y는 5 내지 20이며, 알킬은 탄소원자수 11 내지 15의 직쇄형 또는 분지쇄형인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 에톡시화 부톡시화 알킬 알코올의 질량 농도는 0.0005 내지 0.5 wt％인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제2항에 있어서,
상기 에톡시화 부톡시화 알킬 알코올의 질량 농도는 0.001 내지 0.1 wt％인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 연마 입자는 이산화규소, 산화알루미늄, 산화세륨, 알루미늄이 도핑된 이산화규소 중 하나 또는 복수인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 연마 입자의 질량 농도는 0.1 내지 20 wt％인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 산화제는 과산화수소인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 산화제의 질량 농도는 0.05 내지 5 wt％인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 제1항에 있어서,
상기 화학적 기계적 연마액의 pH 값은 4 내지 12인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마액. - 구리 연마에서 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 화학적 기계적 연마액의 용도.
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