탄탈 ＣＭＰ용 조성물 및 방법 document_id A220623064224

기판의 표면을 평탄화 또는 연마시키기 위한 조성물 및 방법은 종래 기술에 잘 공지되어 있다. 연마 조성물 (연마 슬러리로도 공지됨)은 전형적으로 수용액 중 연마재를 함유하고, 표면을 슬러리 조성물로 포화된 연마 패드와 접촉시킴에 의해 표면에 도포된다. 전형적인 연마재로서 이산화규소, 산화세륨, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 및 산화주석을 들 수 있다. 미국 특허 5,527,423은, 예를 들어, 표면을 수성 매질 중 고순도의 미세 금속 옥시드 입자를 포함하는 연마 슬러리와 접촉시킴에 의해 금속 층을 화학적-기계적으로 연마시키는 방법을 기술한다. 대안으로, 연마재는 연마 패드에 도입될 수 있다. 미국 특허 5,489,233은 소정의 표면 조직 또는 패턴을 갖는 연마 패드의 용도를 개시하고, 미국 특허 5,958,794는 고정 마모성 연마 패드를 개시한다. 통상의 연마 시스템 및 연마 방법은 전형적으로 반도체 웨이퍼를 평탄화시키기에 전적으로 만족스러운 것은 아니다. 특히, 연마 조성물 및 연마 패드는 바람직한 연마 속도보다 낮은 연마 속도를 가질 수 있어, 반도체 표면의 화학적-기계적 연마에 사용한다면 불량한 표면 품질을 초래할 수 있다. 반도체 웨이퍼의 성능이 이의 표면 평탄도와 직접적으로 관련되므로, 고 연마 효능, 균일성 및 제거 속도를 제공하고 최소 표면 결점을 갖는 고품질의 광택을 남기는 연마 조성물 및 방법을 이용하는 것이 중요하다. 반도체 웨이퍼에 효과적인 연마 시스템 제조의 어려움은 반도체 웨이퍼의 복잡성에서 기인한다. 반도체 웨이퍼는 전형적으로, 그 상부에 다수의 트랜지스터가 형성된 기판으로 이루어진다. 집적 회로는 기판 내의 영역 및 기판 상의 층을 패터닝함에 의해 기판에 화학적 및 물리적으로 연결된다. 작동가능한 반도체 웨이퍼를 제조하고 웨이퍼의 수율, 성능, 및 신뢰성을 최대화하기 위하여, 하부 구조 또는 토포그래피 (topography)에 악영향을 미치지 않고 웨이퍼의 선택 표면을 연마시키는 것이 바람직하다. 사실상, 공정 단계가 충분히 평탄화된 웨이퍼 표면에 대하여 수행되지 않는 경우 반도체 제조에서 각종 문제점이 발생할 수 있다. 각종 금속, 금속 옥시드, 금속 니트라이드, 금속 합금 등, 예컨대 티탄, 티탄 니트라이드, 알루미늄-구리, 알루미늄-규소, 구리, 텅스텐, 백금, 백금-텅스텐, 백금-주석, 루테늄, 탄탈, 탄탈 니트라이드, 및 이의 조합물이 이용되어 상호 연결 수준 및 장치 간의 전기적 접속을 형성하여 왔다. 귀금속은 물리적으로 견고하고 화학적으로 저항성이어서 이를 화학적-기계적 연마를 통해 효과적으로 제거하는 것을 어렵게 한다는 점에서 이는 특정 과제를 제공한다. 하기 특허는 귀금속에 대한 연마 조성물을 개시한다. 미국 특허 5,691,219는 귀금속 전도층을 포함하는 반도체 메모리 소자 및 귀금속 연마용 할로-화합물을 포함하는 연마 조성물을 개시한다. 미국 특허 6,274,063은 화학적 식각액 (etchant) (예를 들어, 질산알루미늄), 마모 입자, 및 산화제를 포함하는, 니켈 기판용 연마 조성물을 개시한다. 미국 특허 6,290,736은 염기성 수용액 중 연마제 및 할로겐을 포함하는 귀금속용 화학적 활성 연마 조성물을 개시한다. JP 63096599 A2는 금속 루테늄의 용해 방법을 개시한다. JP 11121411 A2는 백금족 금속 옥시드의 미립자를 포함하는, 백금족 금속 (예를 들어, Ru, Pt)용 연마 조성물을 개시한다. JP 1270512 A2는 과산화수소, 알칼리 시아나이드, 및 포스페이트 이온 및/또는 보레이트 이온을 포함하는 귀금속용 용해액을 개시한다. WO 00/77107 A1은 연마제, 액체 담체, 산화제, 및 EDTA, 질소 함유 거대고리 (예를 들어, 테트라아자시클로테트라데칸), 크라운 에테르, 할라이드, 시아나이드, 시트르산, 포스핀, 및 포스포네이트를 포함하는 연마용 첨가제를 포함하는, 귀금속 (예를 들어, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt)용 연마 조성물을 개시한다. WO 01/44396 A1은 마모 입자의 분산을 개선하고 금속 제거 속도 및 선택성을 향상시키는 것으로 일컬어지는, 황 함유 화합물, 마모 입자, 및 수용성 유기 첨가제를 포함하는 귀금속용 연마 조성물을 개시한다. 또한, 탄탈 함유 표면의 화학적-기계적 연마, 예컨대 차단성 필름 용도에서의 탄탈의 제거는 전형적으로 산화제를 이용한다. 과산화수소는 탄탈 CMP에 이용되는 단연 가장 통상적인 산화제이다. 과산화수소는 다른 슬러리 성분과 반응하여 연마 슬러리 조성물의 가사 시간 (pot-1ife) 안정성을 제한할 수 있는 강한 산화제이다. 전자 전달 촉매, 예컨대 Fe, Os, 또는 Ru는 낮은 pH에서 첨가되어 과산화수소와 협동으로 작용하여 연마될 표면 상에 존재하는 금속의 산화 및 제거를 가속화할 수 있다. 상승된 pH에서, 상기 금속 전자 전달 촉매는 옥시드 및 히드록시드 화합물로서 침전되며, 전자 전달 촉매로서의 효능을 잃는다. 구리의 존재 하에 탄탈을 선택적으로 산화시키는 것도 종종 바람직하다. 다수의 통상적 산화제는 탄탈 및 구리 간에 선택적이지 않다. 다공성 저-k 물질을 마이크로칩 소자에 도입하는 것은 "저 하향압 (down-pressure)" (저-P) 평탄화를 매우 중요한 인자로 만들었다. 비록 저-P 작업을 CMP의 현재 이용가능한 틀 구조로 도입하기는 어렵지만, 전기화학적으로 제어되는 물질 제거를 저-P 기계적 연마와 조합하는 것은 가능하며, 여기서 후자 단계의 주요 역할은 샘플 표면에 걸쳐 균일한 평탄화를 제공하는 것이다 (즉, 표면의 오목한 영역에 걸친 돌출부로부터 선택적 물질 제거를 용이하게 함). 산업적 용도로 어플라이드 머티리얼즈사 (Applied Materials)에 의해 도입된 상기 접근법은 전기화학적 기계적 평탄화 (ECMP)로서 일컬어지고, 현재 실행되는 화학적 기계적 평탄화 (CMP)보다 더 효과적인 평탄화 기술을 잠재적으로 유도할 수 있다. ECMP의 대부분의 용도에 있어서, 기계적 마모 단계는 산화물 및/또는 표면 착물의 얇은 부동 피막 (하부 벌크 금속의 것이 아님)의 제거를 수반하므로, 낮은 하향압 (003c# 1 psi)에서 수행될 수 있다. 전기화학적 기술은 종종 각종 CMP 시스템의 부식/침식 거동을 분석하기 위한 CMP 메커니즘의 "탐식자 (probe)"로서만 이용될 뿐, 상기 기술이 실제 CMP 공정에 빈번하게 적용되지는 않는다. ECMP에 있어서, 물질 제거의 메커니즘(들)의 활성화 및 이해 모두를 위하여 전기화학적 기술이 이용될 수 있다. ECMP의 저-P 가공 능력 이외에, 또다른 주요 특징은 마모 입자가 없거나 이를 매우 저농도로 갖는 전해질을 이용하여 수행될 수 있다는 점이다. 이는 고농도의 마모 입자를 함유하는 슬러리의 이용, 예컨대 웨이퍼 내의 균일성의 결핍, 입자 응고, 슬러리 취급 및 폐기물 처리와 관련된 CMP의 몇몇 단점을 제거하는 것을 돕는다. 인가된 전압 또는 전류를 간단히 조절하여 평탄화도를 정확하게 조절할 수 있는 ECMP에 있어서 종점 검출 작업은 상대적으로 간단하다. ECMP는 특정 고가의, 불안정하고/거나 부반응성인 화학 물질 (산화제, 계면활성제 등)의 필요성을 제거하는 것도 가능할 것이다. 그러나, 기판의 연마 및 평탄화 동안 바람직한 평탄화 효능, 균일성, 및 제거 속도를 나타내면서, 연마 및 평탄화 동안 하부 구조 및 토포그래피에 대한 손상 및 표면 결함과 같은 불완전성을 최소화할 연마 시스템 및 연마 방법에 대한 필요성이 남아있다. 개선된 연마 조성물 및 방법, 특히 화학적-기계적 연마 (CMP) 동안 구리의 존재 하에 탄탈을 선택적으로 산화시킬 수 있는 조성물 및 방법이 탄탈 함유 기판의 연마에 요구된다. 본 발명은 상기 개선된 화학적-기계적 연마 조성물 및 방법을 제공한다. 본 발명의 상기 및 기타 이점은 본원에 제공된 본 발명의 설명으로부터 명백할 것이다. 본 발명의 간단한 요약 본 발명은 연마제, 유기 산화제, 및 상기 연마제 및 유기 산화제에 대한 액체 담체를 포함하는, 탄탈 CMP에 적절한 조성물을 제공한다. 유기 산화제는 표준 수소 전극에 대하여 0.5 V 이하의 표준 산화 환원 전위 (EO)를 갖는다. 산화제는 고리에 직접 결합된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 하나 이상의 파이-공액 고리 (pi-conjugated ring)를 포함한다. 헤테로원자는 N, O, S, 또는 이의 조합물일 수 있다. 바람직하게는, 유기 산화제는 구리의 존재 하에 탄탈을 선택적으로 산화시킬 수 있다. 탄탈 함유 기판의 연마 방법은 상기 기술한 바와 같은, 연마제, 표준 수소 전극에 대하여 0.7 V 이하의 표준 산화 환원 전위 (EO)를 갖는 유기 산화제, 및 상기 연마제 및 유기 산화제에 대한 액체 담체를 포함하는 본 발명의 CMP 조성물을 이용하여 기판의 표면을 마모시키는 것을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 유기 산화제는 표준 수소 전극에 대하여 0.5 V 이하의 EO를 갖는다. 전형적으로, 연마 패드를 이용하여 CMP 조성물을 연마될 기판의 표면과 접촉시킴에 의해 기판이 연마된다.