KR100851235B1 - 평탄도 개선제를 함유한 화학기계적 연마 조성물 및 이를이용한 연마 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 산화규소막 함유 기판의 연마방법에 관한 것으로서, 상기 슬러리 조성물은 연마입자로서 산화세륨, 평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성계면활성제, 및 산성고분자를 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연마 조성물은 연마 평탄도가 우수하며 연마속도가 높은 장점을 가지고 있다.
화학기계적 연마, 평탄도, 산화세륨, 평탄도개선제
Description
도 1은 본 발명에 따른 평탄도개선제 첨가량에 따른 산화규소막의 연마 프로파일(profile)을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 평탄도 개선제를 함유한 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물 및 이를 이용한 연마방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정의 고집적화에 따라 리소그라피 공정 마진의 확보가 중요한 기술적 과제로 여겨지고 있다. 리소그라피 공정 마진 확보를 위한 중요한 요소 중의 하나가 반도체 제조 기판의 평탄화 공정이며 이러한 기판 평탄화 방법으로서 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정이 폭넓게 사용되고 있다.
반도체 제조 공정에서 반도체 제조 기판의 평탄도가 우수할수록 후속 공정의 마진이 넓어지고, 반도체 제품의 수율 측면에서 매우 유리하게 된다. 이러한 CMP 공정에서의 기판의 평탄도를 보다 향상시키기 위한 기술로서 종래에는 화학기계적 연마 장치나 연마 방법을 개선하는 기술들이 공지되어 있으나, 연마 장치나 연마 방법의 개선으로 어느 정도는 기판의 평탄도 향상을 가져올 수 있으나, 그 개선 폭이 크지 않아 보다 근본적인 해결 방안이 요구되는 실정이다.
한편, CMP용 슬러리 조성물은 기판 연마면의 평탄도에 중요한 영향을 미친다. 특히 산화세륨 슬러리는 기판의 중앙부가 많이 연마되고 가장자리는 상대적으로 적게 연마되는 센터-패스트(Center-fast)형 연마특성을 가진다. 예를 들면, STI(Shallow Trench Isolation) 형성 공정에서 산화규소막을 연마할 때 기판 중앙부가 많이 연마되면서 디싱(Dishing) 및 에로젼(Erosion)이 증가하고 웨이퍼 내 두께 산포가 커져 생산수율을 감소시키게 된다. 종래에는 고선택성을 가진 연마조성물을 사용하여 질화규소막과 같은 연마 정지막(stopping layer)을 사용해서 이러한 문제점을 극복해 왔지만 소자가 고집적화 됨에 따라 기판의 센터(center)와 에지(edge)의 연마량 불균일에 의한 기판 내의 공정 산포 불량이 해결해야 할 과제로 대두되었다.
또한, STI 공정이 아닌 다른 산화규소막 연마 공정에서도 평탄도 확보는 후속 공정인 리소그라피 공정 마진 확보 및 수율 향상 측면에서 그 필요성이 더욱 증대되고 있는 실정이다.
이러한 기판의 센터(center)와 에지(edge)의 연마불균일을 해소하기 위한 연 마조성물로서 대한민국 공개특허 제2006-0064946호에서는 비이온성 수용성 고분자 또는 알콜류 화합물로 이루어지는 점도 증가제를 함유하는 CMP용 슬러리 조성물이 개시되어 있다. 그러나 상기 특허에서는 연마평탄도가 개선되는 경우 점도가 증가하며 연마속도가 저하되고 세정성이 나빠지는 문제점이 있어서 연마평탄도 및 연마속도 측면에서 모두 우수한 연마용 슬러리의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 산화규소막에 대한 연마 속도가 우수하면서 우수한 평탄도를 가지는 CMP용 조성물을 제공하는 것이다. 구체적으로는 본 발명은 산화규소막을 함유하는 기판의 연마용 조성물에서 기판의 연마평탄도, 특히 기판의 센터와 에지 사이의 연마속도차이가 적으면서도 산화규소막에 대한 연마속도가 우수한 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 조성물을 제공하는 데 목적이 있으며, 또한, STI(Shallow Trench Isolation) 형성 공정에 사용하는 경우 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마선택도도 우수한 화학기계적 연마용 조성물을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 CMP용 조성물을 이용하여 기판을 연마하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 산화규소막에 대한 연마 속도가 우수하면서 연마 후 우수한 평탄 도를 가지는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마(CMP)용 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 CMP용 조성물은 STI(Shallow Trench Isolation) 형성 공정에 사용하는 경우 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마선택도도 우수한 화학기계적 연마용 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 CMP용 조성물은 연마입자로서 산화세륨, 평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성 계면활성제 및 산성고분자를 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 CMP용 조성물은 아미노알콜, pH 조절제, 소포제 또는 알콜류 화합물로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 함유할 수 있다.
본 발명에 따른 평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성 계면활성제는 0.1중량% 이하의 소량을 사용하여도 평탄도 개선효과를 나타내며, 점도와 같은 슬러리 조성물의 물리적 특성의 변화가 없으며, 산화규소막의 연마속도가 우수할 뿐만 아니라, 산성고분자를 함유함으로써 산화규소막의 연마속도 향상 및 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마속도비를 향상시켜 더욱 우수한 연마특성을 나타내게 되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 CMP용 조성물에 함유되는 평탄도 개선제로서 음이온성 계면활성제는 설폰산계, 카르복실산계, 또는 인산계 계면활성제가 포함되고, 비이온성 계면활성제로는 에틸렌옥시드(EO) 단위(-CH2CH2O-)를 포함하는 계면활성제가 포함된다. 평탄도 개선제로서는 도데실벤젠설폰산이 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 CMP용 조성물에 함유되는 산성고분자는 설폰산기, 카르복시기, 인산기, 또는 아인산기를 함유하는 고분자물질이 포함되며, 예로서, 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 공중합체, 폴리카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리(4-스타이렌설폰산)[poly(4-styrenesulfonic acid)] 등을 들 수 있다. 본 발명에 따른 산성고분자로서는 폴리아크릴산 및 폴리아크릴산 공중합체가 보다 바람직하다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마(CMP)용 슬러리 조성물은 연마입자로서 산화세륨, 평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성계면활성제 및 산성고분자를 함유하는 것을 특징으로 하며, 아미노알콜, pH 조절제, 소포제 또는 알콜류 화합물로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 함유할 수 있다. 상기 성분 이외에 전체 연마용 슬러리 조성물이 100중량%가 되도록 하는 탈이온수를 포함한다.
1) 평탄도 개선제
상기 평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성 계면활성제를 사용하는데, 양이온성 계면활성제를 사용하는 경우 산성고분자와의 반응에 의해 침전물이 생성되므로 바람직하지 못하다. 상기 음이온성 계면활성제는 설폰산계, 카르복실산계, 또는 인산계 계면활성제가 포함되고, 상기 비이온성 계면활성제로는 에틸렌옥시드(EO) 단위(-CH2CH2O-)를 포함하는 계면활성제가 포함된다. 상기 평탄도 개선제의 예로서 도데실벤젠설폰산(DBS;dodecylbenzene sulfonic acid)[C12H25C6H4SO3H], 폴리옥시에틸렌(23) 라우릴 에테르(Polyoxyethylene(23) lauryl ether)로서 제품명 Brij 35[C12H25(OCH2CH2)nOH, n ~ 23], 하기 화학식 1의 폴리에틸렌글리콜 소르비탄 모노라우레이트(Polyethylene glycol sorbitan monolaurate, 제품명 : Tween 20), 폴리옥시에틸렌 이소옥틸페닐 에테르(Polyoxyethylene isooctylphenyl ether)계 계면활성제로서 다우케미컬(Dow Chemical)사 Triton X-100[4-(C8H17)C6H4(OCH2CH2)nOH, n ~10]를 들 수 있으며, 다우케미컬(Dow Chemical)사 Triton DF-16, GALE (Glycolic acid ethoxylate lauryl ether, CH3(CH2)x(OCH2CH2)yOCH2COOH x=11~13, y=3~10), 듀폰(Dupont)사 Zonyl-FSP( Rf(CH2CH2O)xPO(O-NH4 +)y, x+y=3, Rf=CF3(CF2CF2)n n = 2~4 ), 듀폰(Dupont)사 Zonyl-FSN( Rf(CH2CH2O)yH, Rf=CF3(CF2CF2)n n = 2~4 )를 들 수 있다. 상기 평탄도 개선제로는 도데실벤젠설폰산이 가장 바람직하다.
[화학식 1]
상기 평탄도 개선제의 함량은 CMP용 슬러리 조성물 총 중량에 대하여 0.01 내지 1000ppm이 바람직하고, 0.1 내지 100ppm이 보다 바람직하며, 1 ~ 50ppm이 가장 바람직하다. 상기 평탄도 개선제의 함량이 0.01ppm 미만으로 적으면, 연마평탄도 개선효과가 약하며, 1000ppm을 초과하여 많으면 거품 많이 발생하며, 연마속도가 감소할 수 있다.
2) 산성 고분자
상기 산성 고분자는 산성을 나타내는 작용기가 있어 수용액 상태에서 산성을 나타내는 고분자이며, pH를 중성으로 할 경우 고분자 사슬에 음전하를 띠는 이온성 고분자를 의미한다. 설폰산기, 카르복시기, 인산기, 또는 아인산기를 함유하는 고분자물질이 포함되며, 예로서, 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 공중합체, 폴리카르복시메틸셀루로오스(CMC), 폴리(4-스타이렌설폰산) [poly(4-styrenesulfonic acid] 등이 있다. 상기 산성고분자로는 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 공중합체가 보다 바람직하다. 상기 산성고분자의 함량은 슬러리 총 중량에 대하여 0.01 내지 20중량%인 것이 바람직하며, 0.05 내지 10중량%가 보다 바람직하며, 0.2 내지 3중량%가 가장 바람직하다. 상기 산성 고분자의 함량이 20중량%를 초과하여 많으면 연마속도가 저하되고, 0.01중량% 미만으로 너무 적으면 평탄도 개선제의 기능이 약화될 수 있어서 바람직하지 못하다.
시판되는 폴리아크릴산의 경우 공중합되어 있거나 치환기가 일부 바뀌어 있는 순수한 폴리아크릴산이 아닌 경우가 많다. 또한, 시판되는 폴리아크릴산 제품은 분자량이 명시되어 있지 않은 경우가 많으며, 주로 수용액의 형태로 판매되므로 제 품마다 폴리아크릴산의 함량이 다르기 때문에 본 발명에서는 2.5중량%의 수용액을 제조하고 이들의 점도를 측정하여 분자량의 크고 작은 순서를 정하여 사용하였다. 폴리아크릴산 용액의 점도는 분자량과 탄소사슬에 붙어있는 치환기, 사슬내의 아크릴산외의 다른 모노머와의 공중합 여부와 공중합의 정도에 의존한다.본 발명에 따른 CMP용 슬러리에 함유되는 상기의 폴리아크릴산은 2.5중량%의 수용액의 점도가 0.8 내지 50 cP(centi-poise)인 것을 사용하며, 이들 폴리아크릴산 중 두 가지 또는 세 가지 이상을 조합하여 사용하면, 산화규소막의 연마속도 및 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마선택비 면에서 더욱 우수한 효과를 볼 수 있게 된다. 또한, 반도체공정에서 금속 불순물로 작용하여 소자의 기능을 파괴할 수 있는 금속 이온들, 즉, Na, K, Al, Fe, Ca, Cr, Cu, Mg, Mn, Ni, Pb, Zn의 함량이 1ppm 이하인 폴리아크릴 산을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 5.0~8.0 cP의 폴리아크릴산 0.1~10중량%, 1.5~2.0 cP의 폴리아크릴산 1~40중량%, 및 1.0~1.5 cP의 폴리아크릴산 40~98.9중량%로 이루어진 폴리아크릴산을 사용하는 경우 상기 산화규소막의 연마속도 및 연마선택비가 더욱 우수하여 보다 더 바람직하고, 5.0~8.0 cP의 폴리아크릴산 0.5~5중량%, 1.5~2.0 cP의 폴리아크릴산 3~30중량%, 및 1.0~1.5cP의 폴리아크릴산 60~96.5중량%로 이루어진 폴리아크릴산을 사용하는 경우 가장 바람직하다. 상기 폴리아크릴산의 점도는 상온에서 2.5중량% 수용액인 폴리아크릴산의 점도를 나타낸다.
3) 산화세륨
산화세륨은 실리카 입자나 알루미나 입자에 비해 경도가 낮지만 Si와 Ce 원 자 간에 Si-O-Ce 결합이 형성되는 화학적 연마 메커니즘에 의해 유리나 반도체 기판과 같은 규소를 포함하는 면의 연마속도가 매우 빨라 반도체 기판의 연마에 유리하기 때문에 산화세륨을 연마입자로 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 산화세륨은 자동정지 기능, 선택비 증가 등 연마용 조성물에 기능성을 부여하기 용이한 장점이 있다.
본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물에 함유되는 연마제로서 산화세륨은 탄산세륨 수화물을 500℃ 내지 1200℃에서 공기 중에서 하소하여 제조된 것을 사용하며, 스크래치를 줄이기 위해 분쇄하고 분급하여 사용하는 것이 바람직하고, 상기 분급법은 원심 분리나 중력 침강법(sedimentation)을 사용할 수 있다.
산화세륨 연마 입자의 크기는 연마속도와 스크래치를 고려하여 분산액내의 2차 입자의 입경이 30nm내지 500nm 크기가 바람직하며, 입경이 70nm 내지 300nm이면 더욱 바람직하다. 입자 크기가 작으면 연마속도 느리며, 크면 스크래치 발생 빈도가 잦아진다.
산화세륨 함유량은 CMP용 슬러리 총 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%이며, 바람직하게는 0.05 내지 5 중량%이며 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%이다. 산화세륨 함량이 0.01중량%미만으로 적으면 연마속도가 저하되고, 상기 함량이 10중량%를 초과하여 많으면 스크래치가 발생할 가능성이 높다.
본 발명에 따른 CMP용 조성물은 아미노알콜, pH 조절제, 소포제 또는 알콜류 화합물로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 함유할 수 있다.
4) 아미노알콜
본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물은 하기 화학식 2로 표현되는 아미노알콜을 더 함유할 수 있다.
[화학식 2]
[R1, R2 및 R3는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, R1은 C2 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이며, R2 및 R3 수소, C1 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 C1 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이다.]
본 발명의 반도체 연마 슬러리에 포함되는 또 다른 화합물인 아미노알코올은 친수성과 염기성의 성질을 갖는 작용기인 아민기와 친수성이며 수소결합이 가능한 작용기인 히드록시기를 동시에 가지고 있는 화합물로서, 상기 아미노알코올의 이러한 두개의 친수성기로 인하여 물에 용해되기가 용이하며 디싱(Dishing) 및 에로젼(Erosion) 감소 기능, pH 조절 기능, 웨이퍼 상에서 연마입자 부착 억제 기능을 가지고 있다.
상기 화학식 2에서 R1, R2 및 R3는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, R1은 C2 내지 C7의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이며, R2 및 R3 수소, C1 내지 C7의 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 C1 내지 C7의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이 더 바람 직하다.
유용한 아미노 알코올 화합물의 구체적인 예로서는, 트리에탄올 아민 (triethanol amine : TEA), 디에탄올 아민 (diethanol amine : DEA), 모노에탄올 아민 (monoethanol amine : MEA), 3-아미노-1-프로판올 (3-amino-1-propanol), 1-아미노-펜탄올 (1-amino-pentanol), 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올, 1-아미노-2-프로판올, 1-디메틸아미노-2-프로판올, 3-디메틸아미노-1-프로판올, 2-아미노-1-프로판올, 2-디메틸아미노-1-프로판올, 2-디에틸아미노-1-프로판올, 2-디에틸아미노-1-에탄올, 2-에틸아미노-1-에탄올, 1-(디메틸아미노)2-프로판올, 디에탄올아민 N-메틸디에탄올아민, N-프로필디에탄올아민, N-이소프로필디에탄올아민, N-(2-메틸프로필)디에탄올아민, N-n-부틸디에탄올아민, N-t-부틸에탄올아민, N-시아클로헥실디에탄올아민, N-도데실디에틸아민, 2-(디메틸아미노)에탄올, 2-디에틸아미노에탄올, 2-디프로필아미노에탄올, 2-브틸아미노에틴올, 2-t-부틸아미노에탄올, 2-사이클로아미노에탄올, 2-아미노2-펜타놀, 2-[비스(2-하이드록시에틸)아미노]-2-메틸-1-프로판올, 2-[비스(2-하이드록시에틸)아미노]-2-프로판올, N,N-비스(2-하이드록시프로필)에탄올아민, 2-아미노-2-메틸-1-프로판올, 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄, 트리아이소프로판올아민 등을 포함하나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
특히 바람직한 아미노알코올 화합물은 트리에탄올 아민이며, 이를 폴리아크릴산과 함께 사용하였을 경우에 산화규소의 연마속도가 높고 산화규소막과 질화규소막의 상대적 연마속도를 20 이상으로 할 수 있다.
상기 아미노알콜의 함량은 CMP용 슬러리 총 중량에 대하여 0.01 내지 20중량%이고, 보다 바람직하게는 0.05 내지 10중량%이며, 0.1 내지 3중량%가 가장 바람직하다. 상기 아미노알콜의 함량이 20중량%를 초과하여 너무 많으면 연마속도 낮아지고, 상기 함량이 0.01중량% 미만으로 너무 적으면 연마선택비(산화규소막/질화규소막)가 감소하고 디싱(Dishing) 및 에로젼(Erosion)이 증가 한다.
5) pH 조절제
본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물은 pH를 추가로 더 함유하여 pH를 4~10으로 조절하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 pH 6~8이다. 상기 pH가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 산화규소막의 연마속도가 저하되어 바람직하지 못하다.
상기 pH 조절제로는 무기산, 유기산, 암모니아수 또는 사급 아민염을 포함하며, 상기 4급 아민염으로는 수산화테트라메틸암모늄, 수산화테트라에틸암모늄, 수산화테트라프로필암모늄 등이 예시될 수 있다. 보다 바람직한 pH조절제는 암모니아수, 질산 또는 수산화 테트라메틸암모늄이고, 암모니아가 가장 바람직하다.
6) 소포제
본 발명에 따른 CMP용 슬러리조성물은 소포제를 더 함유할 수 있는데, 이는 평탄도 개선제로 인하여 발생할 수 있는 거품을 제거하는 역할을 한다. 소포제의 함량은 평탄도 개선제의 종류 및 함량에 따라 조절하여 사용할 수 있으며, CMP용 슬러리 총 중량에 대하여 0.01 내지 1000ppm이 바람직하고, 0.1 내지 100ppm이 보다 바람직하며, 1 내지 50ppm이 가장 바람직하다. 상기 소포제의 함량이 0.01ppm 미만으로 적으면 첨가에 따른 효과가 미미하고, 1000ppm을 초과하여 많으면 더 이 상의 효과가 증가되지 않아 경제적으로 불리할 수 있다. 상기 소포제로서 실록산(siloxane)계 물질을 함유한 제품을 들 수 있으며, 예로서 셀케미칼사 CELANT-DF180, CELANT-DF16, CELANT-DF23, 또는 DowCorning사의 DSP Antiform Emulsion 등이 있다.
7) 알콜류 화합물
본 발명에 따른 CMP용 슬러리조성물은 알콜류 화합물을 더 함유할 수 있는데, 이는 CMP용 슬러리 조성물에 윤활 역할을 하여 결함(defect) 및 스크래치 발생을 억제한다. 상기 알코류 화합물로는 메탄올, 에탄올, 에틸렌글리콜, n-프로판올, 이소프로판올, 1,2-프로판디올(1,2-propandiol), 1,3-프로판디올(1,3-propanediol), 글리세린, n-부탄올, 2-부탄올, 또는 t-부탄올로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 CMP용 슬러리 조성물은 하나의 패키지로 제조하거나, 아니면 분산안정성 또는 보관 안정성이 우수하도록 두 개 이상의 패키지로 분리하여 제조할 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 하기 실시 예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
연마 조성물 제조
탄산세륨 수화물을 750℃에서 4시간 동안 공기 중에서 하소하여 산화세륨을 제조한 후, 매체 교반식 밀로 습식 분쇄하고, 분급하여 산화세륨 분산액을 얻었다. 산화세륨 분산액의 고형분은 4.5중량%이며, 평균 입자크기는 140nm였다.
산성 고분자로 폴리아크릴산을 사용했다. 사용한 폴리아크릴산 2.5중량% 수용액의 점도는 폴리아크릴산 H가 6.85 cP, 폴리아크릴산 L이 1.67 cP, 폴리아크릴산 S가 1.21 cP이다. 폴리아크릴산 H, L, S는 일본순약사 제품이다.
초순수에 산성고분자, 아미노알콜, 평탄도개선제, 소포제, 알콜류 화합물 등을 평가에 필요한 만큼 혼합하여 첨가제 혼합액을 제조하였으며, 암모니아와 질산으로 pH 6.8로 조절하였다. 산화세륨 분산액과 첨가제 혼합액을 적당한 비율로 혼합하여 연마 평가 조성물로 사용하였다.
연마 조건
상기의 연마 슬러리 제조 방법으로 제조된 연마 슬러리를 이용하여 두산디앤디 사의 UNIPLA 211 CMP 장비에서 웨이퍼 압력 3 psi, 리테이너링(Retainer Ring) 압력 4psi, 다이렉트 라인(Direct Line) 압력 3psi, 스핀들(Spindle) 회전속도가 110 rpm 의 조건으로 40 sec 동안 연마를 수행하였다. 연마 시 연마 조성액의 공급 속도는 200ml/min 였다. 막의 두께는 케이맥사의 Spectrathick 4000으로 측정하였으며, 웨이퍼의 직경을 따라 직선으로 측정하였다.
연마 테스트에 사용한 웨이퍼(Wafer)는 HDP(high density plasma) 방식 산화규소막 및 질화규소막이 입혀진 8인치(200mm) 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용하였다.
웨이퍼내 연마불균일도(WIWNU, within-wafer nonuniformity)
연마 평탄도를 나타내는 값으로 아래 식과 같이 웨이퍼내 연마불균일도를 계산했으며, 이 값이 낮을수록 연마평탄도는 높다.
:웨이퍼내 연마 불균일도 (WIWNU, within-wafer nonuniformity) 계산식
= ( 연마속도의 표준편차 / 연마속도의 평균 )X 100
[실시예 1] 평탄개선제 종류 및 함량에 따른 연마특성
연마 조성물의 조성
산화세륨 : 0.64 중량%
폴리아크릴산 H : 0.014 중량%, L : 0.123 중량%, S : 0.549 중량%,
트리에탄올아민 : 0.323 중량%
pH는 6.9
상기의 연마 조성물에 첨가되는 평탄도 개선제의 종류와 첨가 되는 함량에 따른 연마 속도와 연마 평탄도의 결과를 평탄도개선제가 첨가되지 않은 조성물 실험번호(1-1)과 비교하여 표 1에 나타내었다.
[표 1]
표 1에서 알 수 있는 바와 같이 평탄도개선제를 첨가함으로써 WIWNU 값이 낮아져 웨이퍼의 연마평탄도가 개선되었다. 산화규소 연마속도는 증가하거나 동등수준으로 유지되었다.
[실시예 2] DBS 첨가량 효과
평탄도 개선제로서 DBS의 첨가량을 달리하여 산화규소막의 연마특성을 평가하였다. DBS 첨가시 다우코닝사 DSP 소포제를 DBS 첨가량의 50중량%를 첨가하였고, 나머지 조성은 실시예 1과 동일하게 하였으며 표 2에는 DBS 첨가량에 따른 연마 결과와 연마 후의 웨이퍼 연마 평탄도를 나타내었고, 도 1에 산화규소막의 연마 프로파일(profile)을 나타내었다.
[표 2]
표 2에서 알 수 있는 바와 같이 DBS 첨가시킨 연마 슬러리의 경우, 첨가되지 않은 조성물과 비교해 볼 때, 연마속도는 DBS가 적은 양이 첨가되면 약간 증가하였으며 100ppm을 첨가해도 거의 감소하지 않았으며, 웨이퍼의 연마 평탄도는 DBS가 첨가되지 않은 경우 7.62%에서 25ppm 첨가하면 2.18%로 크게 개선되는 것을 알 수 있다.
도 1은 웨이퍼의 양쪽 가장자리에서 5mm를 제외하고 직경을 따라 40등분한 지점에서 측정한 40초간 산화규소막 연마량을 도시한 것이다. x축 값이 0인 경우가 중앙점이며, -20과 20은 웨이퍼의 가장자리에서 5mm 떨어진 지점이다. DBS를 첨가하지 않을 경우 가운데 부분이 많이 연마되는 경향에서 DBS의 첨가량이 증가할수록 가장 자리 쪽의 연마량이 증가하면서 100ppm 첨가시에는 오히려 가장 자리가 더 많이 연마되는 결과를 나타내었다. 즉, DBS가 첨가되지 않은 경우에는 웨이퍼 중앙의 연마속도가 높은 경향(Center-fast)을 가지며, DBS 첨가량이 100ppm인 경우에는 웨이퍼 가장자리의 연마속도가 높은 경향(Edge-fast)을 가진다. DBS 첨가량이 25ppm인 경우에는 웨이퍼 중앙과 가장자리의 연마속도에 차이가 거의 없는 결과를 나타내었다. 즉, DBS 첨가량 조절로 Center-fast, Edge-fast 경향을 조절하여 본 발명의 CMP 조성물을 사용하기 전의 프로파일(profile)의 문제점을 보정하여 최적의 평탄도 얻을 수 있도록 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 실험번호 2-2의 연마조성물의 점도는 1.53 cP이며, 실험번호 2-1의 경우는 1.56 cP이었다. 점도는 거의 동등하므로 점도와는 무관하게 평탄도가 개선됨을 확인할 수 있다.
[실시예 3] 상용슬러리와의 비교 및 질화 규소막 평가
실험번호 3-1의 연마 슬러리 조성은 실험번호 2-2 조성에 이소프로판올을 0.05% 첨가한 것이며, 실험번호 3-2는 실험번호 2-2 조성 중 폴리아크릴산의 함량을 H 0.007 중량%, L 0.062 중량%, S 0.618 중량%로 변화시키고, 에틸렌글리콜을 0.05% 첨가한 것을 제외하고 다른 조성은 동일하게 제조하였다. 실험번호 3-1과 3- 2 연마조성물의 산화세륨의 함량은 0.64 중량%이다.
[표 3]
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 실시 예 3-1 및 3-2의 경우 연마 WIWNU 값이 3.63% 및 4.00%로 우수함을 알 수 있다. 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마선택도도 30 이상으로 높아 STI(shallow trench isolation) 연마용 슬러리로서 사용하는데 적합한 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 연마 슬러리 조성물은 연마후 기판의 평탄도가 우수한 산화세륨계 연마조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 산화규소막 함유 기판 CMP용 슬러리 조성물은 소량의 평탄도 개선제를 사용하여 점도와 같은 물리적 특성의 변화 없이 전체 기판의 평탄도를 우수하게 할 수 있으며, 산화규소막의 연마속도 및 질화규소막에 대한 산화규소막의 연마선택도도 높은 장점이 있다.
Claims (11)
- 슬러리 조성물 총 중량에 대하여연마입자로서 산화세륨 0.01 내지 10중량%;평탄도 개선제로서 음이온성 또는 비이온성계면활성제 0.01 내지 1000ppm; 및산성고분자 0.01 내지 20중량%;를 함유하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1 항에 있어서,상기 산성 고분자는 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 공중합체인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학 기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 2 항에 있어서,상기 산성고분자는 2.5중량% 수용액의 점도가 5.0~8.0 cP인 폴리아크릴산, 1.5~2.0 cP인 폴리아크릴산, 및 1.0~1.5 cP인 폴리아크릴산으로 이루어진 폴리아크릴산 혼합물인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 평탄도 개선제는 슬러리 조성물 총 중량에 대하여 0.1 내지 100ppm의 도데실벤젠설폰산인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,상기 슬러리 조성물은 아미노알콜, pH 조절제, 소포제 또는 알콜류 화합물로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 6항에 있어서,상기 아미노알콜은 하기 화학식 2로부터 선택되는 1종 이상으로 슬러리 조성물 총 중량에 대하여 0.01 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.[화학식 2]
[R1, R2 및 R3는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, R1은 C2 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이며, R2 및 R3 수소, C1 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 알킬 또는 C1 내지 C30의 직쇄 또는 측쇄의 히드록시알킬이다.] - 제 7 항에 있어서,상기 아미노알콜은 트리에탄올 아민 (triethanol amine : TEA), 디에탄올 아민 (diethanol amine : DEA), 모노에탄올 아민 (monoethanol amine : MEA), 3-아미노-1-프로판올 (3-amino-1-propanol), 1-아미노-펜탄올 (1-amino-pentanol), 2-디메틸아미노-2-메틸-1-프로판올, 1-아미노-2-프로판올, 1-디메틸아미노-2-프로판올, 3-디메틸아미노-1-프로판올, 2-아미노-1-프로판올, 2-디메틸아미노-1-프로판올, 2-디에틸아미노-1-프로판올, 2-디에틸아미노-1-에탄올, 2-에틸아미노-1-에탄올, 1-(디메틸아미노)2-프로판올, 디에탄올아민 N-메틸디에탄올아민, N-프로필디에탄올아 민, N-이소프로필디에탄올아민, N-(2-메틸프로필)디에탄올아민, N-n-부틸디에탄올아민, N-t-부틸에탄올아민, N-시아클로헥실디에탄올아민, N-도데실디에틸아민, 2-(디메틸아미노)에탄올, 2-디에틸아미노에탄올, 2-디프로필아미노에탄올, 2-브틸아미노에틴올, 2-t-부틸아미노에탄올, 2-사이클로아미노에탄올, 2-아미노2-펜타놀, 2-[비스(2-하이드록시에틸)아미노]-2-메틸-1-프로판올, 2-[비스(2-하이드록시에틸)아미노]-2-프로판올, N,N-비스(2-하이드록시프로필)에탄올아민, 2-아미노-2-메틸-1-프로판올, 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄 또는 트리아이소프로판올아민으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 7 항에 있어서,상기 pH조절제는 무기산, 유기산, 암모니아수 또는 사급 아민염으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하여 pH 4 내지 10으로 조절하는 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 9 항에 있어서,슬러리 조성물은 평탄도 개선제로서 도데실벤젠설폰산 1~50ppm; 산화세륨 0.05~5중량%; 5.0~8.0 cP인 폴리아크릴산 0.1~10중량%, 1.5~2.0 cP인 폴리아크릴산 1~40중량%, 및 1.0~1.5cP인 폴리아크릴산 40~98.9중량%로 이루어진 폴리아크릴산 0.05~10중량%; 트리에탄올아민 0.05~10중량%; 소포제 1~50ppm; 및 pH조절제로 암모니아를 함유하며 pH 6~8인 것을 특징으로 하는 산화규소막 함유 기판의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물.
- 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항에서 선택되는 어느 한 항의 화학기계적 연마용 슬러리 조성물을 사용하여 산화규소막 함유 기판을 연마하는 방법.
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