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KR101693278B1 - 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법 - Google Patents

슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법 Download PDF

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KR101693278B1
KR101693278B1 KR1020150136756A KR20150136756A KR101693278B1 KR 101693278 B1 KR101693278 B1 KR 101693278B1 KR 1020150136756 A KR1020150136756 A KR 1020150136756A KR 20150136756 A KR20150136756 A KR 20150136756A KR 101693278 B1 KR101693278 B1 KR 101693278B1
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abrasive
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Abstract

본 발명은 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정에서 화학적 기계적 연마 공정으로 산화물의 평탄화에 이용될 수 있는 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 슬러리는 산화물 연마용 슬러리로서, 연마를 수행하는 연마제 및 상기 산화물과 상이한 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리; 및 상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제를 포함하는 제2 슬러리를 포함한다. 여기서, 제1 슬러리는 상기 연마제를 분산시키는 분산제를 포함할 수 있으며, 상기 연마제의 분산을 균일하게 유지하는 분산 안정제를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 슬러리는 상기 산화물과 상이한 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함할 수 있다.

Description

슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법{SLURRY AND SUBSTRATE POLISHING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조 공정에서 화학적 기계적 연마 공정으로 산화물을 효율적으로 연마할 수 있는 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 크기가 점점 축소되고 금속 배선의 층수가 점점 증가됨에 따라 각 층에서의 표면 불규칙성은 다음 층으로 전사되어 최하층 표면의 굴곡도가 중요해지고 있다. 이러한 굴곡은 다음 단계에서 포토리소그래피(photolithography) 공정을 실시하기 어려울 정도로 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 수율을 향상시키기 위해서, 여러 공정 단계에서 발생하는 불규칙한 표면의 굴곡을 제거하는 평탄화 공정이 필수적으로 이용되고 있다. 평탄화 방법으로는 박막을 형성한 후 리플로우(reflow)시키는 방법, 박막을 형성한 후 에치백(etch back)하는 방법, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: CMP) 방법 등 여러 가지가 있다.
화학적 기계적 연마 공정은 반도체 웨이퍼 표면을 연마 패드에 접촉하여 회전 운동을 실시하면서, 연마제와 각종 화합물들이 함유된 슬러리를 제공하여 평탄하게 연마하는 공정을 말한다. 즉, 기판이나 그 상부의 층의 표면이 슬러리 및 연마 패드에 의해 화학적 및 기계적으로 연마되어 평탄화되는 것을 말한다.
예를 들면, 기존의 플래시 메모리 소자의 제조 과정에서 소자 분리막을 형성하기 위하여, 폴리 실리콘막을 연마 정지막으로 하여 실리콘 산화막을 화학적 기계적 연마하는 공정이 사용된다. 즉, 기판 상부에 게이트 절연막 및 폴리 실리콘 막을 형성한 후 폴리 실리콘막 상에 질화막을 하드 마스크로 이용하여 기판을 소정 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 이후, 트렌치가 매립되도록 실리콘 산화막을 형성한 후, 폴리 실리콘 막이 노출될 때까지 실리콘 산화막을 연마하여 소자 분리막을 형성한다.
따라서, 이러한 복수의 이종 물질층에 트렌치를 형성하고, 그 내부에 실리콘 산화막을 형성하기 위하여는, 산화물에 대한 높은 연마율을 가질 뿐만 아니라, 질화막 및 폴리 실리콘막의 연마를 동시에 억제하는 최적의 연마 선택비를 가지는 슬러리가 요구된다. 그러나, 현재까지 산화물에 대한 연마 선택비를 향상시키기 위한 다양한 연구만이 이루어지고 있을 뿐, 산화물의 연마율을 보다 낮은 비율로 감소시켜 질화막 및 폴리 실리콘막에 대하여 최적의 연마 선택비를 조절하기 위한 산화물 연마용 슬러리는 개발되지 못하고 있다.
한편, 한국공개특허공보 제10-2009-0003985호에는 실리콘 질화막의 연마를 억제하여 산화물에 대한 연마 선택비를 향상시키는 실리콘 질화물 연마용 슬러리가 제시되어 있으나, 이 경우에도 질화물에 대한 산화물의 연마 선택비만을 향상시킬 수 있을 뿐, 상기한 바와 동일한 문제점은 여전히 존재한다.
KR 10-2009-0003985 A
본 발명은 산화물 연마용 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법을 제공한다.
본 발명은 산화물과 산화물 이외의 물질의 연마율을 조절하여 연마 선택비를 최적 범위로 유지할 수 있는 슬러리 및 기판 연마 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 슬러리는, 산화물 연마용 슬러리로서, 연마를 수행하는 연마제, 상기 연마제를 분산시키는 분산제 및 상기 산화물과 상이한 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리; 및 상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제를 포함하는 제2 슬러리를 포함한다.
상기 제2 슬러리는 상기 산화물 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함할 수 있다.
상기 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합될 수 있다.
상기 연마제는 산화 세륨(세리아) 입자를 포함하고, 상기 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
상기 산화물 대 상기 제1 물질의 연마 선택비는 100:1 내지 300:1의 범위이고, 상기 산화물 대 상기 제2 물질의 연마 선택비는 20:1 내지 60:1의 범위일 수 있다.
상기 제1 연마 억제제의 함유량은 상기 연마 촉진제의 함유량보다 적을 수 있다.
상기 제1 연마 억제제의 함유량은 상기 제2 연마 억제제의 함유량보다 적을 수 있다.
상기 제1 연마 억제제는 상기 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.002 중량% 내지 0.02 중량%로 포함될 수 있다.
상기 연마 촉진제는 상기 제2 슬러리 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 1.35 중량%로 포함될 수 있다.
상기 제2 연마 억제제는 상기 제2 슬러리 전체 중량에 대하여 0.15 중량% 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.
상기 제1 연마 억제제는 소수성(hydrophobic) 기와 친수성(hydrophilic) 기를 함께 가지는 비이온계 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 연마 억제제는 폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체(PEP: polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol), 폴리솔베이트(polysorbates), 옥토시놀(octoxynol), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol) 옥타데실에테르(octadecyl ether), 노닐페놀에톡실레이트(nonylphenol ethoxylate), 에틸렌옥사이드(ethylene oxide), 글리콜산(glycolic acid), 글리세롤에톡실레이트(glycerol ethoxylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 연마 촉진제는 하이드록실기와 아민기를 가지고 있는 알카놀아민(Alkanolamine) 계열의 단분자 물질을 포함할 수 있다.
상기 연마 촉진제는 아미노메틸 프로판올(AMP: Aminomethyl propanol), 에탄올아민(Ethanolamine), 헵타미놀(Heptaminol), 이소에타린(Isoetharine), 메탄올아민(Methanolamine),다이에틸에탄올아민(Diethylethanolamine) 및 메킬에탄올아민(N-methylethanolamine) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 연마 억제제는 카르복실기를 가지는 음이온계 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 연마 억제제는 폴리아크릴산(PAA: poly(acrylic acid)), 폴리알킬메타크릴레이트(poly(alkyl methacrylate)), 아크릴아미드(acrylamide), 메타크릴아미드(methacrylamide) 및 에틸-메타크릴아미드(ethyl-methacrylamide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 연마 방법은, 산화물층 및 산화물 이외의 복수의 이종 물질로 형성되는 이종 물질층이 형성된 기판을 마련하는 과정; 연마제와, 상기 연마제를 분산시키는 분산제 및 상기 복수의 이종 물질 중 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리를 마련하는 과정; 상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제 및 상기 복수의 이종 물질 중 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함하는 제2 슬러리를 마련하는 과정; 및 상기 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 상기 기판 상에 공급하면서 상기 산화물층을 연마하는 과정을 포함한다.
상기 기판을 마련하는 과정은, 상기 기판 상에 상기 제1 물질로 형성되는 제1 물질층을 형성하는 과정; 상기 제1 물질층 상에 상기 제2 물질로 형성되는 제2 물질층을 형성하는 과정; 상기 제1 물질층 및 제2 물질층에 트렌치를 형성하는 과정; 및 상기 트렌치를 포함하는 전체면 상에 산화물층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 연마 과정은, 상기 산화물층의 연마 속도를 상기 제2 물질의 연마 속도보다 빠르게 하고, 상기 제2 물질의 연마 속도를 상기 제1 물질의 연마 속도보다 빠르게 할 수 있다.
상기 연마 과정은, 상기 산화물 대 상기 제1 물질의 연마 선택비를 100:1 내지 300:1의 범위로 유지하고, 상기 산화물 대 상기 제2 물질의 연마 선택비를 20:1 내지 60:1의 범위로 유지할 수 있다.
상기 연마 과정은 상기 제1 슬러리와 제2 슬러리를 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합하여 상기 기판 상에 공급할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리와 연마 촉진제를 포함하는 제2 슬러리를 혼합한 슬러리를 이용함으로써 산화물에 대한 높은 연마율을 가질 뿐만 아니라, 산화물 이외의 물질 예컨대 폴리 실리콘 또는 질화물의 연마율을 최적 범위로 조절할 수 있다. 또한, 산화물 이외의 복수의 서로 다른 물질에 대하여 각기 고선택비를 가지도록 조절함과 동시에, 일정 수준의 연마율 차이를 가지도록 서로 다른 각 물질에 대한 연마 선택비를 각각 조절하여 연마 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 연마 억제제는 산화물의 연마율을 완만하게 감소시켜 산화물의 연마율 조절이 용이할 뿐만 아니라, 폴리 실리콘 상에 패시베이션막을 형성하여 폴리 실리콘막이 연마되는 것을 막을 수 있어 과식각(overpolish)을 방지할 수 있다.
예를 들면, 반도체 소자의 제조 공정에서 연마 정지막으로 사용되는 폴리 실리콘막 상에 질화막을 마스크로 이용하여 기판을 소정 깊이로 식각하는 경우, 이러한 각 이종 물질층에 대하여 산화막의 연마 선택비를 향상시킬 수 있다. 또한, 산화막의 각 물질층에 대한 연마 선택비를 최적 범위로 유지하여 에로젼(erosion) 및 디싱(dishing)을 억제하고, 한 번의 공정으로 연마 공정을 완료할 수 있게 되어 공정 단순화 및 비용 절감에 따른 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명 실시 예에서 제1 연마 억제제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표.
도 2는 제1 연마 억제제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명 실시 예에서 연마 촉진제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표.
도 4는 연마 촉진제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명 실시 예에서 제2 연마 억제제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표.
도 6은 제2 연마 억제제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프.
도 7은 제1 연마 억제제의 종류에 따른 산화물의 연마율을 비교하기 위한 그래프.
도 8은 제1 연마 억제제의 종류에 따른 산화물의 연마 결과를 나타내는 표.
도 9는 제1 연마 억제제의 종류에 따른 제타 포텐셜 값을 나타내는 표.
도 10은 제1 연마 억제제의 종류에 따른 제타 포텐셜의 변화를 비교하기 위한 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도.
본 발명에 따른 슬러리 및 이를 이용한 기판 연마 방법은 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리와 연마 촉진제를 포함하는 제2 슬러리를 혼합한 슬러리를 이용함으로써 산화물(SiO2)에 대한 높은 연마율을 가질 뿐만 아니라, 산화물 이외의 물질 예컨대 폴리 실리콘(poly-Si) 또는 질화물(Si3N4)의 연마율을 최적 범위로 조절할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예에 따른 슬러리는 산화물 연마용 슬러리로서, 연마를 수행하는 연마제 및 상기 산화물과 상이한 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리; 및 상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제를 포함하는 제2 슬러리를 포함한다. 여기서, 제1 슬러리는 상기 연마제를 분산시키는 분산제를 포함할 수 있으며, 상기 연마제의 분산을 균일하게 유지하는 분산 안정제를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 슬러리는 상기 산화물과 상이한 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함할 수 있다.
제1 슬러리에 포함되는 연마제, 분산제, 분산 안정제, 제1 연마 억제제는 제1 용액 내에 함유될 수 있다. 예를 들어, 물 특히 순수(DI water)에 연마제, 분산제, 분산 안정제 및 제1 연마 억제제가 분산되어 분포한다. 또한, 제1 슬러리의 pH를 조절하기 위하여 제1 pH 조절제가 더 포함될 수 있다. 이러한 제1 슬러리는 액체에 연마제가 분산된 형태이며 각 성분의 함량이 적절하게 조절된다.
또한, 제2 슬러리에 포함되는 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제는 제2 용액 내에 함유될 수 있다. 즉, 물 특히 순수(DI water)에 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제가 분산되어 분포하며, 제2 슬러리의 pH를 조절하기 위하여 제2 pH 조절제가 더 포함될 수 있다.
여기서, 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 희석제와 함께 혼합되어 산화물 연마용 슬러리로 연마 대상물의 표면에 공급되며, 희석제는 물 특히 순수(DI Water)일 수 있다. 제1 슬러리에 포함되는 연마제, 분산제, 분산 안정제 및 제1 연마 억제제와 제2 슬러리에 포함되는 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제는 하나의 슬러리로 제조될 수도 있으나, 연마제, 분산제, 분산 안정제 및 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리와 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제를 포함하는 제2 슬러리로 각각 제조되어 연마 전에 희석제와 함께 혼합되어 연마 대상물에 공급될 수 있다. 이는 제1 슬러리와 제2 슬러리를 분리하여 사용하지 않고, 장기간 반복하여 연마 공정을 수행하는 경우 제2 슬러리의 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제의 이온성에 의하여 슬러리의 분산 안정성과 유효 사용 기간이 감소할 수 있기 때문이다.
연마제는 실리카(SiO2), 세리아(CeO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 게르마니아(GeO2)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물일 수 있다. 여기서, 연마제는 산화물의 연마 선택비가 높은 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연마제는 제1 슬러리 100 중량%를 기준으로 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 연마제가 0.1 중량% 미만으로 포함되면 연마의 효과가 미미하며, 10 중량%를 초과하여 포함되면 연마율이 너무 높아져 대상막의 과잉 연마가 이루어질 수 있으며, 스크래치가 발생할 수 있다.
상기 연마제를 구성하는 연마 입자는 XRD 측정을 통해 결정 구조를 분석할 수 있으며, 습식 세리아(wet ceria)와 같은 결정 구조를 가지며, 다면체(polyhedral) 결정면을 갖는다.
연마 입자의 평균 입경은 5 내지 100 nm로 마련될 수 있다. 여기서, 연마 입자의 평균 입경이 5 nm 미만인 경우 연마 대상막이 충분하게 연마되지 않아 연마율이 낮아지며, 연마 입자의 평균 입경이 100 nm를 초과하면, 연마 대상막에 마이크로 스크래치를 발생시킨다. 또한, 연마제를 구성하는 연마 입자의 평균 입경은 20 내지 80 nm으로 마련될 수 있다. 이는 연마 대상막의 연마를 저하시키지 않으면서 연마 정지막에 마이크로 스크래치를 발생시키지 않기 때문이다.
분산제는 제1 슬러리 내에서 연마제를 균일하게 분산시켜 연마 입자 간의 응집을 방지하는 역할을 하며, 양이온계 고분자 물질, 음이온계 저분자 물질, 하이드록실기를 포함하는 산 또는 아미노기를 포함하는 산을 이용할 수 있다. 또한, 분산제는 연마제의 제타 전위를 조절할 수 있다. 즉, 양이온계 분산제는 연마제의 제타 전위를 플러스 즉, 양 전위로 증가시킬 수 있고, 음이온계 분산제는 연마제의 제타 전위를 마이너스 즉, 음 전위로 감소시킬 수 있다. 따라서, 슬러리에 포함되는 분산제에 따라 연마제의 제타 전위를 그대로 유지하거나, 양 전위 또는 음 전위 쪽으로 미세하게 조절할 수 있다.
양이온계 고분자 분산제로는 폴리리신(Polylysine), 폴리에틸렌이민(Polyethylenime), 염화벤제토늄(Benzethonium Chloride), 브롬화세트리모늄(Cetrimonium bromide), 염화세트리모늄(Cetrimonium chloride), 수산화테트라메틸암모니윰 (Tetramethylammonium hydroxide), 디스테아릴디메틸염화암모늄(Distearyl dimethyl ammonium chloride), 디메틸아민과 에피클로로히드린의중합물(Polydimethylamine-co-epichlorohydrin), 폴리아릴아민(Poly allyl amine)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 음이온계 저분자 분산제로는 옥살산(oxalic acid), 구연산(citric acid), 폴리설퍼닉산(polysulfuric acid), 폴리아크릴산(polyacrylic acid) 폴리메타크릴산(Darvan C-N) 및 이들의 염을 적어도 하나 이상 함유하는 물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하거나, 이들의 공중합체산(copolymer acid)을 포함할 수 있다.
그리고, 하이드록실기를 포함하는 산은 하이드록실벤조산(hydroxylbenzoic acid), 아스코빅산(ascorbic acid) 및 이들의 염을 적어도 하나 이상 함유하는 물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 아미노기를 포함하는 산은 피콜리닉산(picolinic acid), 글루타민산(glutamic acid), 트립토판(tryptophane), 아미노부티르산(aminobutyric acid) 및 이들의 염을 적어도 하나 이상 함유하는 물질을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
분산제는 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.01 중량% 내지 1 중량% 범위로 포함될 수 있다. 분산제의 함량이 0.01 중량% 미만이면 분산이 잘되지 않고 침전이 일어날 수 있으며, 분산제의 함량이 1 중량%를 초과하면 고분자 물질의 응집 및 높은 이온화 농도에 의하여 슬러리의 분산 안정성이 저하될 우려가 있다. 또한, 분산제는 슬러리 전체 중량에 대하여 0.05 중량% 내지 0.3 중량%의 범위로 포함될 수도 있다. 이는 분산 안정성이 매우 우수하고 연마제의 제타 전위를 미세하게 조절하는데 더욱 유리하기 때문이다.
분산 안정제는 슬러리 내에서 pH 완충 작용을 함으로써 외부 변화 인자에 의한 제1 슬러리의 화학 변화를 억제하여 연마 입자 간의 응집을 방지하고, 연마 입자를 균일하게 분산시켜 스크래치의 발생을 억제하는 역할을 한다. 분산 안정제는 유기산을 포함할 수 있으며, 이 경우 해리 상수의 절대치인 pKa 값이 9 내지 12의 값을 가지며, 아미노산 중에서 카르복실기(COOH)와 아민기(NH2)가 동일한 카본(C) 원자에 결합되어 있는 α-아미노산을 포함할 수 있다. 여기서 α-아미노산은 카르복실기(COOH)와 아민기(NH2)의 수에 따라 중성 아미노산, 산성 아미노산 및 염기성 아미노산으로 분류할 수 있는데, 중성 아미노산은 같은 수의 아민기와 카르복실기를 가지는 알라닌(Alanine), 글라이신(Glycine), 타이로신(Tyrosine) 및 발린(Valine)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 산성 아미노산은 카르복실기의 수가 아민기의 수보다 많은 아스파틱산(Aspartic acid), 글루타믹산(Glutamic acid) 및 구연산(Citric acid)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 염기성 아미노산은 아민기의 수가 카르복실기의 수보다 많은 라이신(Lysine)을 포함할 수 있다.
분산 안정제는 제1 슬러리에 포함되는 연마제 5 중량%을 기준으로 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.001 중량% 내지 0.1 중량% 범위로 포함될 수 있다. 분산 안정제의 함량이 0.001 중량% 미만이면 분산 안정제의 pH 완충능(buffer capacity)가 낮아 분산 안정제의 효과가 불충분하며, 분산 안정제의 함량이 0.1 중량%를 초과하면 연마제의 분산 안정성이 낮아져 침전이 일어날 우려가 있다. 또한, 분산 안정제는 슬러리 전체 중량에 대하여 0.005 중량% 내지 0.05 중량%의 범위로 포함될 수도 있다. 이는 pH 완충능이 매우 우수하고 분산 안정성을 유지하는데 더욱 유리하기 때문이다.
제1 연마 억제제는 연마 대상 이외의 물질의 연마를 억제한다. 즉, 각 물질의 연마를 억제하여, 연마 선택비를 조절한다. 여기서, 연마 대상 이외의 물질은 성분이 서로 다른 복수의 이종 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물을 연마하는 경우, 제1 연마 억제제는 복수의 이종 물질에 포함되는 제1 물질 및 제2 물질의 연마를 각각 억제하여 선택비를 조절할 수 있다.
이러한 제1 연마 억제제는 산화물에 비하여 제1 물질, 예를 들어 폴리 실리콘에 대한 결합력이 우수한 물질로서 소수성(hydrophobic)기와 친수성(hydrophilic)기를 동시에 가지는 비이온계 물질을 사용할 수 있다. 이러한 제1 연마 억제제는 소수성과 친수성을 동시에 가지게 되어 소수성을 갖는 폴리 실리콘의 막 표면에 흡착하여 패시베이션(passivation) 막을 형성하게 되고, 결과적으로 폴리 실리콘의 연마율을 상대적으로 큰 비율로 감소시켜 연마 선택비를 조절할 수 있다.
제1 연마 억제제로는 각종 비이온계 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 제1 연마 억제제는 폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체(PEP: polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol), 폴리솔베이트(polysorbates), 옥토시놀(octoxynol), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol) 옥타데실에테르(octadecyl ether), 노닐페놀에톡실레이트(nonylphenol ethoxylate), 에틸렌옥사이드(ethylene oxide), 글리콜산(glycolic acid), 글리세롤에톡실레이트(glycerol ethoxylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 연마 억제제의 함량은 제1 슬러리 전체 중량의 0.002 중량% 내지 0.02 중량% 정도일 수 있다. 제1 연마 억제제의 함량이 0.002 중량% 미만이면, 예를 들어 연마 정지막으로 사용되는 폴리 실리콘막의 연마율이 과다하게 높게 되며, 0.02 중량%를 초과하면 폴리 실리콘막에 과다하게 흡착되어 산화막과 폴리 실리콘막의 연마 선택비를 적정 범위로 유지할 수 없다. 또한, 제1 연마 억제제의 함량이 0.005 중량% 내지 0.015 중량%의 범위일 경우 충분한 선택비 조절의 효과를 가짐과 동시에 폴리 실리콘막의 연마율을 적정 수준으로 유지시킬 수 있다.
연마 촉진제는 제2 슬러리에 포함되어 연마 대상 물질의 연마를 촉진시킨다. 즉, 연마 촉진제에 의하여 연마 대상 물질의 연마를 촉진시키고, 연마 대상 이외의 물질의 연마를 억제하여 연마 선택비를 조절한다. 예를 들어, 산화물을 연마하는 경우, 연마 촉진제는 산화물의 연마를 촉진시키고, 산화물 이외의 폴리 실리콘 및 질화물의 연마를 각각 억제하여 선택비를 조절할 수 있다.
이러한 연마 촉진제로는 하이드록실기(OH)와 아민기(NH2)를 모두 가지고 있는 알카놀아민(Alkanolamine) 계열의 단분자 물질을 사용할 수 있다. 이러한 연마 촉진제는 해리 상수의 절대치인 pKa 값이 약 9.7의 값을 가지게 되어, pH 9.7 이하의 용액 내에서 플러스 차지를 띠는 양의 전하인 NH3 +로 해리된다. 해리된 NH3 +는 용액 내에서 마이너스 차지를 띠는, 예를 들어 산화막(SiOH-)과 작용하여 산화막이 Si(OH)4 형태로 반응하는 것을 촉진시켜 산화막의 연마율을 증가시킨다.
연마 촉진제로서는 알카놀아민(Alkanolamine) 계열의 단분자 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 연마 촉진제는 아미노메틸 프로판올(AMP: Aminomethyl propanol), 에탄올아민(Ethanolamine), 헵타미놀(Heptaminol), 이소에타린(Isoetharine), 메탄올아민(Methanolamine),다이에틸에탄올아민(Diethylethanolamine) 및 메킬에탄올아민(N-methylethanolamine) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 단분자 물질은 작용기로 하이드록실기와 아민기를 가질 수 있다.
연마 촉진제의 함량은 제2 슬러리 전체 중량의 0.1 중량% 내지 1.35 중량% 정도일 수 있다. 연마 촉진제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 연마 대상물, 예를 들면 산화막의 연마율이 너무 낮거나 연마 대상물 이외의 물질, 예를 들어 질화막의 연마율이 너무 높아 산화막과 질화막의 적정 연마 선택비 수준을 만족할 수 없으며, 1.35 중량%를 초과하면 질화막의 연마율이 급격하게 감소하게 되어 연마 효율이 저하될 수 있다. 또한, 연마 촉진제의 함량이 0.5 중량% 내지 1 중량%의 범위일 경우 산화막과 질화막의 연마율을 최적 수준으로 조절할 수 있다.
제2 연마 억제제는 제2 슬러리에 포함되어 연마 대상 이외의 물질의 연마를 억제한다. 즉, 각 물질의 연마를 억제하여, 연마 선택비를 조절한다. 예를 들어, 산화물을 연마하는 경우, 제2 연마 억제제는 복수의 이종 물질에 포함되는 제1 물질 및 제2 물질의 연마를 각각 억제하여 선택비를 조절할 수 있다.
제2 연마 억제제로는 카르복실기를 하나 이상 가지는 음이온계 물질을 사용할 수 있다. 이러한, 제2 연마 억제제는 해리 상수의 절대치인 pKa 값이 약 4의 값을 가지게 되어, pH 4 이상의 용액에서 마이너스 차지를 띠는 음의 전하인 COO-로 해리된다. 해리된 COO-기는 연마 대상 이외의 물질 예를 들면, 플러스 차지를 띠는 질화물에 흡착될 수 있다.
제2 연마 억제제는 카르복실기를 가지고 있는 음이온계 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들면 제2 연마 억제제는 폴리아크릴산(PAA: poly(acrylic acid)), 폴리알킬메타크릴레이트(poly(alkyl methacrylate)), 아크릴아미드(acrylamide), 메타크릴아미드(methacrylamide) 및 에틸-메타크릴아미드(ethyl-methacrylamide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 각 음이온계 물질은 적어도 하나의 카르복실기를 포함하고 있으며, 이러한 음이온계 물질은 작용기로 카르복실기만을 가질 수도 있고, 카르복실기 외에 다른 작용기를 더 가질 수도 있다.
제2 연마 억제제의 함량은 제2 슬러리 전체 중량의 0.15 중량% 내지 1 중량% 정도일 수 있다. 연마 촉진제의 함량이 0.15 중량% 미만이면 질화물막에 충분히 흡착되지 않아 선택비 조절의 효과가 충분하지 않게 되고, 1 중량%를 초과하면 질화물막에 과다하게 흡착되어 질화물막의 연마율이 과다하게 감소되어 산화물 대 제2 물질, 예를 들어, 질화물과의 연마 선택비가 목표 수치인 20:1 내지 60:1 범위를 벗어날 수 있다.
제1 pH 조절제 및 제2 pH 조절제는 제1 슬러리 및 제2 슬러리에 각각 포함되어 각 슬러리의 pH를 조절할 수 있다. 이러한, pH 조절제로, 질산, 암모니아수 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 pH 조절제를 이용하여 제1 슬러리 및 제2 슬러리의 pH를 4 내지 8의 범위로 동일하게 조절할 수 있다. pH가 4 미만인 경우 슬러리의 분산 안정성이 악화되고, pH가 8을 초과하는 경우 강 염기성으로 인하여 연마 대상 이외의 물질 예를 들면, 연마 정지막으로 사용되는 폴리 실리콘막의 연마율이 급격하게 상승할 수 있다. 또한, 제1 슬러리 및 제2 슬러리의 pH는 6 내지 7의 범위로 조절될 수 있는데, 이 경우 분산 안정성을 유지함과 동시에 연마 대상 물질과 연마 대상 이외의 물질의 연마 선택비를 최적으로 유지할 수 있기 때문이다.
또한, 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합될 수 있으며, 이때 제1 슬러리 및 희석제는 1:3 내지 1:8의 비율로 혼합될 수 있다. 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합하고, 제1 슬러리 및 희석제를 1:3 내지 1:8의 비율로 혼합하여 산화물 슬러리를 제조하는 경우 산화물에 대한 연마율을 2000 Å/min 이상, 나아가 2500 Å/min 이상으로 유지할 수 있으며, 질화물에 대한 연마율을 50 내지 150 Å/min, 바람직하게는 50 내지 100 Å/min의 범위로 유지할 수 있다. 또한, 이때 폴리 실리콘의 연마율은 50 Å/min 이하, 나아가 20 Å/min 이하로 유지되어, 산화물 대 제1 물질, 예를 들어 폴리 실리콘의 연마 선택비를 100:1 내지 300:1의 범위로 유지하고, 산화물 대 제2 물질, 예를 들어, 질화물의 연마 선택비를 20:1 내지 60:1의 범위로 유지할 수 있다.
하기에서는 상기 실시 예의 슬러리를 제조하고, 반도체 기판에 적용하여 연마 특성을 평가한 결과를 설명한다.
[실험 예]
슬러리의 제조 과정은 일반적인 슬러리의 제조 과정과 크게 다르지 않으므로, 간단히 설명한다.
우선 제1 슬러리를 제조하기 위하여는 제1 슬러리를 제조할 용기를 준비하고, 용기에 원하는 양의 초순수(DI Water)와 음이온계 분산제 및 분산 안정제로 유기산을 넣어 충분히 혼합하고, 다면체 결정면을 가지며 소정의 연마 입자의 평균 크기를 갖는 습식 세리아 입자를 연마제로 소정량 측량하여 투입하여 균일하게 혼합하였다. 또한, 제1 연마 억제제로 폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체(PEP: polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol)를 용기에 소정량 투입한 후 균일하게 혼합하였다. 이어서, 질산 등의 pH 조절제를 용기에 투입하여 제1 슬러리의 pH를 조절하였다.
또한, 제2 슬러리를 제조하기 위하여는 제2 슬러리를 제조할 용기를 준비하고, 용기에 원하는 양의 초순수(DI Water)와 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제를 소정량 측량하여 투입하여 균일하게 혼합하였다. 여기서, 연마 촉진제로는 아미노메틸프로판올(AMP: Aminomethyl propanol)을 사용하였으며, 제2 연마 억제제로는 폴리아크릴산(PAA: poly(acrylic acid))를 사용하였다. 이어서, 질산 등의 pH 조절제를 용기에 투입하여 제2 슬러리의 pH를 조절하였다.
이후, 용기에 희석제로 원하는 양의 초순수(DI Water)와 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 혼합하여 산화물 슬러리를 제조하였다. 이러한 각 물질들의 투입 및 혼합 순서는 특별히 한정되지 않는다.
본 실험 예에서 산화 세륨 즉, 세리아 입자는 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 5 중량% 함유되도록 투입하였고, 분산제 및 분산 안정제는 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 각각 0.15 중량% 및 0.02 중량% 함유되도록 투입하였다. 또한, 제1 연마 억제제는 제1 슬러리의 전체 중량에 대하여 0 중량%에서 0.02 중량% 까지 다양하게 투입하였으며, 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제는 제2 슬러리의 전체 중량에 대하여 각각 0 중량%에서 1.35 중량% 및 0 중량%에서 0.3 중량% 까지 다양하게 투입하였다.
즉, 제1 슬러리 및 제2 슬러리에 함유되는 제1 연마 억제제, 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제의 투입량에 따라 복수의 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 준비하였다. 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 질산을 이용하여 각각의 pH가 6.5가 되도록 하였다. 상기 성분 외에 나머지는 불가피하게 들어간 불순물 및 순수를 포함할 수 있으며, 이와 같이 제조된 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 초순수(DI Water)에 혼합하였으며, 제1 슬러리, 제2 슬러리 및 초순수를 0.7:0.8:3.5의 비율로 혼합하여 산화물 슬러리를 제조하였다.
도 1은 본 발명 실시 예에서 제1 연마 억제제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표이고, 도 2는 제1 연마 억제제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프이다. 또한, 도 3은 본 발명 실시 예에서 연마 촉진제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표이고, 도 4는 연마 촉진제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프이다. 도 5는 본 발명 실시 예에서 제2 연마 억제제를 다양하게 투입한 슬러리의 연마 결과를 나타내는 표이고, 도 6은 제2 연마 억제제의 농도에 따른 산화물의 연마율을 도시한 그래프이다. 여기서, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 폴리 실리콘의 연마율은 실리콘 산화막 웨이퍼, 실리콘 질화막 웨이퍼 및 폴리 실리콘막 웨이퍼를 각각 연마하여 산출한 것이고, 연마 선택비는 실리콘 산화막의 연마율과 실리콘 질화막 또는 폴리 실리콘막의 연마율의 비율이다. 즉, 실리콘 산화막의 연마율을 실리콘 질화막 또는 폴리 실리콘막의 연마율로 나눈 값이다.
도 1 내지 도 2에서 알 수 있듯이, 제1 연마 억제제의 양이 증가하면 실리콘 산화물의 연마율과 실리콘 질화물 및 폴리 실리콘 모두 연마율이 전체적으로 감소하였다. 또한, 실리콘 산화물의 연마 속도는 실리콘 질화물의 연마 속도보다 빠르며, 실리콘 질화물의 연마 속도는 폴리 실리콘의 연마 속도보다 전체적으로 빠르게 조절됨을 알 수 있었다. 제1 연마 억제제는 폴리 실리콘의 연마율을 큰 폭으로 감소시키며, 이와 관련된 원리는 이미 설명하였다.
제1 슬러리에 포함되는 제1 연마 억제제의 함량이 0.002 중량%이고, 제2 슬러리에 포함되는 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제의 함량이 각각 0.9 중량% 및 0.2 중량%인 경우 실리콘 산화물과 폴리 실리콘의 연마 선택비는 약 236으로, 제1 연마 억제제의 함량이 0 중량%인 경우의 연마 선택비인 46에 비하여 매우 높은 값을 나타내었다.
또한, 도 3 내지 도 4에서 알 수 있듯이, 연마 촉진제의 양이 증가하면 실리콘 질화물과 폴리 실리콘의 연마율은 다소 감소하나, 실리콘 산화물의 연마율은 크게 증가하였다. 이와 관련된 원리는 이미 설명하였으며, 제1 슬러리에 포함되는 제1 연마 억제제의 함량이 0.01 중량%이고, 제2 슬러리에 포함되는 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제의 함량이 각각 0.1 중량% 및 0.2 중량%인 경우 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 연마 선택비는 25이고, 실리콘 산화물과 폴리 실리콘의 연마 선택비는 153으로, 연마 촉진제의 함량이 0 중량%인 경우의 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 연마 선택비인 13 및 실리콘 산화물과 폴리 실리콘의 연마 선택비인 92에 비하여 매우 높은 값을 나타내었다.
뿐만 아니라, 도 5 내지 도 6에서 알 수 있듯이, 제2 연마 억제제의 양이 증가하면 실리콘 산화물의 연마율과 실리콘 질화물 및 폴리 실리콘 모두 연마율이 전체적으로 감소하였다. 제2 연마 억제제는 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물의 연마율을 큰 폭으로 감소시키며, 이 중 실리콘 질화물의 연마율 감소율이 가장 큰 것을 알 수 있었다. 이와 관련된 원리는 이미 설명하였다.
즉, 제1 슬러리에 포함되는 제1 연마 억제제의 함량이 0.01 중량%이고, 제2 슬러리에 포함되는 연마 촉진제 및 제2 연마 억제제의 함량이 각각 0.9 중량% 및 0.15 중량%인 경우 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 연마 선택비는 약 30으로, 제2 연마 억제제의 함량이 0 중량%인 경우의 연마 선택비인 5에 비하여 매우 높은 값을 나타내었다.
도 7은 별도의 실험에 의하여 제1 연마 억제제의 종류에 따른 산화물의 연마율을 비교하기 위한 그래프이고, 도 8은 제1 연마 억제제의 종류에 따른 산화물의 연마 결과를 나타내는 표이다.
도 7 및 도 8에서 알 수 있듯이, 제1 연마 억제제로 폴리 실리콘에 대한 결합력이 우수한 물질로서 소수성(hydrophobic) 기와 친수성(hydrophilic) 기를 동시에 가지는 비이온계 물질인 폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체(PEP: polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol)(이하, PEP라 함)를 사용하는 경우 종래의 폴리 실리콘의 연마 억제제로 사용하는 폴리비닐피롤리돈(PVP: poly vinyl pyrrolidone)(이하, PVP라 함)에 비하여, 실리콘 산화물의 연마율 감소 폭이 -9.4에서 -6.7로 더 작아질 뿐만 아니라, 폴리 실리콘의 연마율은 오히려 더 많이 감소하는 것을 알 수 있었다.
제1 연마 억제제로 PEP를 사용하는 경우에 종래 PVP를 사용하는 경우에 비하여 실리콘 산화물의 연마율 감속 폭이 작아지는 이유는 도 9 및 도 10으로부터 알 수 있다. 즉, 도 9는 세리아 입자에 PVP 및 PEP를 각각 첨가한 경우 세리아 입자의 표면 전위, 즉 제타 포텐셜 값을 나타낸 표이고, 도 10은 상기 제타 포텐셜의 변화를 비교하기 위한 그래프이다.
도 9 및 도 10에서 알 수 있듯이, 슬러리 내의 세리아 입자의 표면 전위는 -45 내지 -50 mV의 범위의 값을 가지며, 비이온성인 PEP 또는 PVP를 슬러리 내에 첨가하는 경우 세리아 입자의 표면 전위는 증가하게 된다. 여기서, 농도에 따른 표면 전위 증가율을 보면, PVP의 경우 약 127의 기울기 값을 가져, 28의 기울기 값을 가지는 PEP에 비하여 표면 전위의 증가율이 크다. 따라서, 산화물 연마시 산화물의 표면 전위는 -50 내지 -60 mV의 범위의 값을 가지므로 PVP의 경우 PEP에 비하여 산화물과의 정전기력(electrostatic force), 즉 정전기적 척력이 적게 작용하여 산화물과 흡착이 되기 쉽다. 따라서, 상기와 같은 정전기력 차이에 의하여 PEP의 실리콘 산화물의 연마율 감소폭이 PVP에 비하여 작아지게 된다.
또한, 제1 연마 억제제로 PEP를 0.005 중량%로 함유하는 경우의 실리콘 산화물 대 폴리 실리콘의 연마 선택비는 160으로, 같은 양의 PVP를 함유하는 경우의 실리콘 산화물 대 폴리 실리콘의 연마 선택비인 11에 비하여 월등하게 높은 연마 선택비를 가짐을 알 수 있었다.
따라서, 종래의 폴리 실리콘의 연마 억제제로 사용되었던 PVP는 실리콘 산화물의 연마율을 급격하게 감소시켜 최적의 연마 선택비의 범위를 찾기가 어려운 반면에, 본 발명 실시 예에 따른 PEP를 제1 연마 억제제로 사용하는 경우에는 실리콘 산화물의 연마율을 완만하게 감소시켜 실리콘 산화막의 연마율 조절이 용이할 뿐만 아니라 실리콘 산화물 대 폴리 실리콘의 연마 선택비를 향상시켜 고선택비를 가지도록 조절할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 슬러리는 반도체 소자의 제조 공정에서 산화물의 연마 공정에 이용할 수 있다. 예를 들어 플래시 메모리 소자의 제조 과정에서 소자 분리막을 형성하기 위하여 폴리 실리콘막을 연마 정지막으로 사용하고, 폴리 실리콘막 상에 실리콘 질화막을 하드 마스크로 이용하여 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 이러한 패턴이 형성된 복수의 이종 물질층 상에 실리콘 산화막을 형성하는 경우 연마할 패턴 및 연마 정지막의 종류에 따라 적절한 연마 선택비를 가지는 슬러리를 선택하여 연마 공정을 실시할 수 있다. 즉, 실리콘 산화막에 대하여 높은 연마율을 가질 뿐만 아니라, 실리콘 질화막에 대하여 연마 속도를 감소시키고 폴리 실리콘막에서 연마를 정지시키기 위하여 실리콘 질화막의 연마율을 폴리 실리콘막의 연마율보다 일정 수준 높게 유지하는 최적 범위의 연마 선택비를 가지는 슬러리를 반도체 소자의 제조 공정에 이용할 수 있다. 이러한 본 발명의 슬러리를 이용한 반도체 소자의 제조 방법을 도 11을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명에서 전술한 슬러리와 관련하여 이미 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 11(a)를 참조하면, 기판(110) 상에 제1 물질층(120) 및 제2 물질층(130)을 형성한다. 여기서, 기판(110)은 반도체 소자의 제조에 이용되는 다양한 기판을 이용할 수 있는데, 실리콘 기판을 이용할 수 있다. 기판(110) 상에는 제1 물질층(120) 및 제2 물질층(130)이 형성되는데, 제1 물질층(120)은 연마 정지막으로 사용되는, 예를 들면, 폴리 실리콘 계열의 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 제2 물질층(130)은 패턴 형성을 위한 마스크층으로 사용되는, 예를 들면 실리콘 질화물 계열의 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제1 물질층(120) 및 제2 물질층(130)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법, MOCVD(Metal Organic CVD) 방법, ALD(Atomic Layer Deposition) 방법 또는 CVD 방법과 ALD 방법을 혼합한 AL-CVD 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 11(b)를 참조하면, 상기 기판(110) 상에 제1 물질층(120)을 형성한 후 제1 물질층(120) 상에 제2 물질층(130)을 마스크로 이용하여 기판을 소정 깊이로 식각하여 패턴(115)을 형성한다. 패턴(115)은 소자 분리막을 형성하기 위한 라인 형상의 트렌치일 수 있다.
그리고, 도 11(c)에 나타낸 바와 같이, 패턴(115)를 포함하는 제2 물질층(130)의 전체면 상에 패턴(115)이 매립되도록 산화물층(140)을 형성한다.
도 11(d)를 참조하면, 산화물층(140)에 대하여 높은 연마율을 가질 뿐만 아니라, 제2 물질층(130)에 대하여 연마 속도를 감소시키고 제1 물질층(120)에서 연마를 정지시키기 위하여 제2 물질층(130)의 연마율을 제1 물질층(120)의 연마율보다 일정 수준 높게 유지하는 최적 범위의 연마 선택비를 가지는 슬러리를 이용하여 산화물층(140) 및 제2 물질층(130)을 연마한다. 제2 물질층(130)은 소자의 특성 향상을 위하여 산화물층(140)의 연마와 함께 제거될 필요가 있으며, 슬러리는 산화물층(140) 대 제1 물질층(120)의 연마 선택비를 100:1 내지 300:1의 범위로 유지하고, 산화물층(140) 대 제2 물질층(130)의 연마 선택비를 20:1 내지 60:1의 범위로 유지한다.
연마 과정은 pH 4 내지 8의 영역에서 진행되며, 세리아 연마 입자에 의하여 산화물층(140)을 연마하는 과정, 연마 촉진제의 아민기가 해리되어 NH3 + 기가 생성되는 과정, 제2 연마 억제제의 카르복실기가 해리되어 COO- 기가 생성되는 과정 및 제1 연마 억제제의 소수성기가 흡착하여 패시베이션막을 형성하는 과정을 포함한다. 생성된 NH3 + 기는 상기에서 설명한 바와 같이 용액 내에서 마이너스 차지를 띠는 실리콘 산화막(SiOH-)과 작용하여 산화막의 연마를 촉진시키고, 생성된 COO- 기는 실리콘 질화막의 연마를 억제시킨다. 또한, 제1 연마 억제제의 소수성기는 폴리 실리콘의 막 표면에 흡착하고 패시베이션막을 형성하여 폴리 실리콘의 연마율을 억제시키고 실리콘 산화막의 연마율을 완만하게 감소시켜, 실리콘 산화막의 연마율 조절이 용이할 뿐만 아니라 실리콘 산화물 대 폴리 실리콘의 연마 선택비를 향상시켜 고선택비를 가지도록 조절할 수 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
110: 기판 120: 제1 물질층
130: 제2 물질층 140: 산화물층

Claims (21)

  1. 산화물 연마용 슬러리로서,
    연마를 수행하는 연마제와, 상기 연마제를 분산시키는 분산제와, 상기 산화물과 상이한 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리; 및
    상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제와, 상기 산화물 및 상기 제1 물질과 상이한 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함하는 제2 슬러리를 포함하고,
    상기 제1 물질은 폴리 실리콘을 포함하고,
    상기 제2 물질은 질화물을 포함하고,
    상기 제1 물질에 대한 연마율은 20 Å/min 이하의 값을 가지는 슬러리.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 슬러리 및 제2 슬러리는 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합되는 슬러리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연마제는 산화 세륨(세리아) 입자를 포함하고, 상기 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 슬러리.
  5. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화물 대 상기 제1 물질의 연마 선택비는 100:1 내지 300:1의 범위이고, 상기 산화물 대 상기 제2 물질의 연마 선택비는 20:1 내지 60:1의 범위인 슬러리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연마 억제제의 함유량은 상기 연마 촉진제의 함유량보다 적은 슬러리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연마 억제제의 함유량은 상기 제2 연마 억제제의 함유량보다 적은 슬러리.
  8. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 연마 억제제는 상기 제1 슬러리 전체 중량에 대하여 0.002 중량% 내지 0.02 중량%로 포함되는 슬러리.
  9. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 연마 촉진제는 상기 제2 슬러리 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 내지 1.35 중량%로 포함되는 슬러리.
  10. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 연마 억제제는 상기 제2 슬러리 전체 중량에 대하여 0.15 중량% 내지 1 중량%로 포함되는 슬러리.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 연마 억제제는 소수성(hydrophobic) 기와 친수성(hydrophilic) 기를 함께 가지는 비이온계 물질을 포함하는 슬러리.
  12. 청구항 1, 3, 4, 6, 7 및 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연마 억제제는 폴리프로필렌글리콜-폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 공중합체(PEP: polypropyleneglycol-b-polyethyleneglycol-b-polypropyleneglycol), 폴리솔베이트(polysorbates), 옥토시놀(octoxynol), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol) 옥타데실에테르(octadecyl ether), 노닐페놀에톡실레이트(nonylphenol ethoxylate), 에틸렌옥사이드(ethylene oxide), 글리콜산(glycolic acid), 글리세롤에톡실레이트(glycerol ethoxylate) 중 적어도 하나를 포함하는 슬러리.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 연마 촉진제는 하이드록실기와 아민기를 가지고 있는 알카놀아민(Alkanolamine) 계열의 단분자 물질을 포함하는 슬러리.
  14. 청구항 1, 3, 4, 6, 7 및 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 촉진제는 아미노메틸 프로판올(AMP: Aminomethyl propanol), 에탄올아민(Ethanolamine), 헵타미놀(Heptaminol), 이소에타린(Isoetharine), 메탄올아민(Methanolamine),다이에틸에탄올아민(Diethylethanolamine) 및 메킬에탄올아민(N-methylethanolamine) 중 적어도 하나를 포함하는 슬러리.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 연마 억제제는 카르복실기를 가지는 음이온계 물질을 포함하는 슬러리.
  16. 청구항 1, 3, 4, 6, 7 및 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연마 억제제는 폴리아크릴산(PAA: poly(acrylic acid)), 폴리알킬메타크릴레이트(poly(alkyl methacrylate)), 아크릴아미드(acrylamide), 메타크릴아미드(methacrylamide) 및 에틸-메타크릴아미드(ethyl-methacrylamide) 중 적어도 하나를 포함하는 슬러리.
  17. 기판 연마 방법으로서,
    산화물층 및 산화물 이외의 복수의 이종 물질로 형성되는 이종 물질층이 형성된 기판을 마련하는 과정;
    연마제와, 상기 연마제를 분산시키는 분산제 및 상기 복수의 이종 물질 중 제1 물질의 연마를 억제하는 제1 연마 억제제를 포함하는 제1 슬러리를 마련하는 과정;
    상기 산화물의 연마를 촉진하는 연마 촉진제 및 상기 복수의 이종 물질 중 제2 물질의 연마를 억제하는 제2 연마 억제제를 포함하는 제2 슬러리를 마련하는 과정; 및
    상기 제1 슬러리 및 제2 슬러리를 상기 기판 상에 공급하면서 상기 산화물층을 연마하는 과정을 포함하고,
    상기 제1 물질은 폴리 실리콘을 포함하고,
    상기 제2 물질은 질화물을 포함하고,
    상기 연마 과정은, 상기 제1 물질에 대한 연마율을 20 Å/min 이하의 값을 가지도록 유지하는 기판 연마 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 기판을 마련하는 과정은,
    상기 기판 상에 상기 제1 물질로 형성되는 제1 물질층을 형성하는 과정;
    상기 제1 물질층 상에 상기 제2 물질로 형성되는 제2 물질층을 형성하는 과정;
    상기 제1 물질층 및 제2 물질층에 트렌치를 형성하는 과정; 및
    상기 트렌치를 포함하는 전체면 상에 산화물층을 형성하는 과정을 포함하는 기판 연마 방법.
  19. 청구항 17 또는 청구항 18에 있어서,
    상기 연마 과정은, 상기 산화물층의 연마 속도를 상기 제2 물질의 연마 속도보다 빠르게 하고, 상기 제2 물질의 연마 속도를 상기 제1 물질의 연마 속도보다 빠르게 하는 기판 연마 방법.
  20. 청구항 17 또는 청구항 18에 있어서,
    상기 연마 과정은, 상기 산화물 대 상기 제1 물질의 연마 선택비를 100:1 내지 300:1의 범위로 유지하고, 상기 산화물 대 상기 제2 물질의 연마 선택비를 20:1 내지 60:1의 범위로 유지하는 기판 연마 방법.
  21. 청구항 17 또는 청구항 18에 있어서,
    상기 연마 과정은
    상기 제1 슬러리와 제2 슬러리를 1:0.5 내지 1:1.5의 비율로 혼합하여 상기 기판 상에 공급하는 기판 연마 방법.
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