KR100214749B1 - 동계 금속용 연마액 및 반도체장치의 제조방법 - Google Patents

동계 금속용 연마액 및 반도체장치의 제조방법 Download PDF

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니시무로 타이죠
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Abstract

본 발명은 동계 금속용 연마액 및 반도체장치의 제조방법에 관한 것으로서, 동계 금속용 연마액은 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동보다도 기계적으로 위약한 동착체를 생성하는 수용성 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하고, 동(Cu)또는 동 합금(Cu합금)의 침지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해하지 않고, 동시에 연마처리시에 상기 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도로 연마하는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

동계 금속용 연마액 및 반도체장치의 제조방법
제1도는 본 발명의 연마공정에 사용되는 폴리싱(polishing)장치를 도시한 개략도.
제2도는 본 발명의 연마액 및 연마숫돌가루만을 포함하는 종래의 연마액을 이용하여 기판위에 형성된 Cu막을 연마처리했을 때의 연마속도(가공속도)를 상기 연마액의 온도와의 관계로 나타낸 특성도.
제3도는 2-키놀린카르본산, 과산화수소, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성의 연마액에 있어서 2-키놀린카르본산의 양과 Cu막의 연마속도와의 관계를 나타낸 특성도.
제4도는 2-키놀린카르본산, 과산화수소, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성의 연마액에 대한 과산화수소의 양과 Cu막의 연마속도와의 관계를 나타낸 특성도.
제5a~c도는 요철을 가진 Cu막을 2-키놀린카르본산, 과산화수소, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성의 연마액에 담그었을때, 폴리싱 장치를 이용하여 연마처리했을 때의 상태를 나타내는 단면도.
제6도는 본 발명의 pH 조정된 연마액에 의한 Cu막의 연마속도를 나타낸 특성도.
제7도는 연마액에 의한 Cu막, P-SiN막 및 SiO2막의 연마에 있어서, 계면활성제(황산도데실나트륨)의 첨가량과 상기 각 막의 연마속도와의 관계를 나타낸 특성도.
제8도는 연마액에 의한 Cu막, P-SiN막 및 SiO2막의 연마에 있어서, 첨가되는 계면활성제의 종류와 상기 각 막의 연마속도와의 관계를 나타낸 특성도.
제9a~c도는 본 발명의 실시예 1에 있어서 반도체장치의 제조공정을 나타낸 단면도.
제10a~c도는 본 발명의 실시예 5에 있어서 반도체장치의 제조공정을 나타낸 단면도.
제11a도~제11f도는 발명의 실시예 6에 있어서 반도체장치의 제조공정을 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 턴테이블 2 : 연마패드
3 : 공급관 4 : 지지축
5 : 기판홀더 6 : 11, 21, 32 : 기판
7 : 연마액 12, 36, 41 : Cu막
21, 32 : 실리콘기판 22, 33 : SiO2막
23, 39 : 홈 24, 35 : 장벽층 (barrier layer)
33 : 제 1 층간 절연막 34 : 비어홀 (via hole)
37 : 비어필 (via fill) 38 : Si3N4막
39 : 제 2 층간 절연막 40 : 스루홀 (through hole)
42 : Cu배선층
본 발명은 동계 금속용 연마액 (coppeγ-based metal polishing solution) 및 반도체장치의 제조방법에 관한 것이다.
반도체장치의 제조공정중의 하나인 배선층 형성에 있어서는, 표면의 단차를 해하는 목적으로 에치백(etch back)기술이 채용되고 있다. 이 에치백 기술은 반도체기판위의 절연막에 배선 형상의 홈을 형성하고, 상기 홈을 포함하는 상기 절연막위에 Cu막을 퇴적하고, 상기 Cu막을 폴리싱장치 및 연마액을 이용하여 연마처리하고, 상기 홈안에만 Cu막을 잔존시켜 매립 배선층을 형성하는 방법이 있다.
따라서, 상기 연마액으로서는 종래부터 콜로이드성 실리카(colloidal silica)와 같은 연마숫돌가루가 분산된 순수(純水)로 이루어진 것이 이용되고 있다. 그러나, 상기 연마액을 폴리싱장치의 연마패드에 공급하여 기판위에 형성된 Cu막을 상기 연마패드에 소정의 무게를 가하면서 연마하는 경우에는 단지 상기 연마숫돌 가루와 연마패드에 의한 기술적인 연마가 상기 Cu막으로 이루어질 뿐이다. 이 때문에, 연마속도가 10nm/분으로 낮은 문제가 있었다.
한편, J.Electrohem. Soc., Vol.138. No11, 3460(1991), VMIC Conference, ISMIC-101/92/0156(1992) 또는 VMIC Conference, ISMIC-102/93/0205(1993)에는 아민계 콜로이드성실리카의 슬러리 또는 K3Fe(CN)6, K4(CN)6, Co(NO3)2가 첨가된 슬러리로 이루어진 Cu막 또는 Cu합금막의 연마액이 개시되어 있다.
그러나, 상기 연마액은 침지(浸漬)시와 연마시 사이에 Cu막의 에칭속도에 차가 없다. 그 결과, 상기한 에칭공정후에 있어서 상기 홈내의 Cu 배선층은 연마액에 접촉되면, 침지시와 연마시 사이에 Cu막의 에칭 속도에 차가 없기 때문에 상기 Cu배선층이 더욱 상기 연마액에 의해 에칭된다.
따라서, 상기 홈내의 Cu배선층의 표면 위치가 상기 절연막의 표면보다 낮아지기 때문에 상기 절연막의 표면과 면이 일치된 배선층의 형성이 곤란해져 평탄성이 손실된다. 또한, 형성된 매입 Cu 배선층은 절연막의 표면과 면이 일치되게 메워진 Cu 배선층에 비해 저항값이 높아진다.
일본국 특개평 7-233485호 공보에는 아미노초산 및 아미드황산에서 선택되는 적어도 1종류의 유기산과 산화제와 물을 함유하는 동계 금속용 연마액이 개시되어 있다. 이 동계연마액은 동(Cu) 또는 동합금(Cu합금)의 침지시와 연마처리시 사이에 수배 내지 수십배의 에칭 속도차를 나타낸다. 즉, 상기 연마액의 한 성분인 아미노초산은 하기 반응식으로 나타낸 바와 같이 Cu의 수화물(水和物)과 반응하여 물에 용해되는 착체를 생성한다.
Cu(H2O)4 2++ 2H2NCH2COOH
→ Cu(H2NCH2COOH)2+ 4H2O + 2H+
Cu는 상기 아미노초산과 물과의 혼합액과는 반응하지 않는다. 이와 같은 반응계에 있어서, 산화제(예를 들면 과산화수소)를 첨가함으로써 상기 반응식의 화살표로 나타낸 방향으로 반응이 진행되고, Cu의 에칭이 이루어진다. 상기 연마액에 예를 들면 Cu막을 침지하면 그 표면에 산화층이 생성되어 Cu의 에칭(용해)이 억제된다. 한편, 상기 Cu막을 상기 연마액이 존재하는 연마패드로 연마하면 산화층이 상기 연마 패드에 의해 기계적으로 연마되어 순Cu가 표면에 노출되어 연마액중의 아미노초산 및 과산화수소의 작용에 의해 화학적 연마가 급격하게 이루어진다. 즉, 연마처리공정에서는 Cu막의 연마면에 항상 순Cu가 노출되어 연마액중의 아미노초산 및 과산화수소에 의한 화학적 에칭이 이루어진다. 단, 상기 연마액은 Cu 또는 Cu 합금의 연마 직후의 표면에 산화층이 생성되지 않는 기간에 Cu 또는 Cu합금이 다소 용해될 우려가 있다.
또한, 상기 일본국 특개평 7-233485호 공보에는 상기 동계 금속용 연마액을 이용하여 동 또는 동합금으로 이루어진 배선재료막을 에치백하여 매립 배선을 형성하는 반도체장치의 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 동(Cu) 또는 동합금(Cu합금)의 침지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해하지 않고, 연마처리시에 상기 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도로 연마하는 것이 가능한 동계 금속용 연마액을 제공하려고 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체기판위의 절연막에 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 하나의 부재를 형성하고, 상기 절연막위에 퇴적된 동(Cu) 또는 동합금(Cu합금)으로 이루어진 배선재료막을 단시간에 에칭할 수 있음과 동시에 절연막 표면과 면이 일치되게 고정밀도의 매립 배선층을 형성하는 것이 가능한 반도체장치의 제조방법을 제공하려고 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 동계 금속용 연마액 (coppeγ-based metal polishing solution)이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 반도체기판위의 절연막에 배선층의 형상에 해당되는 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 하나의 부재(member)를 형성하는 공정과, 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 포함하는 상기 절연막위에 동 또는 동합금으로 이루어진 배선재료막을 퇴적하는 공정과, 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 상기 배선재료막을 상기 절연막의 표면이 노출할때까지 연마처리함으로써 상기 배선재료막을 상기 절연막에 그 표면과 면이 일치된 매립 배선층을 형성하는 공정을 구비한 반도체장치의 제조방법이 제공된다.
지금부터, 본 발명에 따른 동계 금속용 연마액을 상세하게 설명한다.
이 동계 금속용 연마액은 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유한다.
상기 유기산으로서는, 예를 들면 2-키놀린카르본산(키날딘산), 2-피리딘카르본산, 2, 6-피리딘카르본산, 키논 등을 예로 들 수 있다.
상기 유기산은 상기 연마액중에 0.1중량% 이상 함유되는 것이 바람직하다.
상기 유기산의 함유량을 0.1중량% 미만으로 하면, Cu 또는 Cu합금의 표면에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 충분히 생성하는 것이 곤란해진다. 그 결과, 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금의 연마속도를 충분히 높이는 것이 곤란하게 된다.
보다 바람직한 상기 유기산의 함유량은 0.3 ~ 1.2중량%이다.
상기 연마숫돌가루는 실리카, 지르코니아, 산화세륨 및 알루미나에서 선택되는 적어도 1개의 재료로 만들어진다. 상기 연마숫돌가루는 특히 연마에 적합한 경도를 가진 알루미나 입자를 기초로 하는 것이 바람직하다. 즉, 알루미나 입자 단독 또는 알루미나 입자와 콜로이드성실리카와 같은 실리카 입자와의 혼합 입자로 연마숫돌가루를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 연마숫돌가루는 0.02 ~ 0.1㎛의 평균 입자 직경을 가지며, 구형상 또는 구에 근사한 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 연마숫돌가루를 포함하는 연마액에 의해 Cu 또는 Cu합금에 연마처리를 실시하면 Cu 또는 Cu합금 표면으로의 손상을 억제할 수 있다. 특히, γ - 알루미나입자는 그 제조상, 구형상인 것을 간단하게 만들기 위해 가장 적합하다.
상기 연마숫돌가루는 상기 연마액중에 1~20중량% 함유되는 것이 바람직하다.
상기 연마숫돌가루의 함유량을 1중량% 미만으로 하면, 그 효과를 충분히 달성하는 것이 곤란하게 된다. 한편, 상기 연마숫돌가루의 함유량이 20중량%를 초과하면 연마액의 점도 등이 높아져 취금이 어려워진다. 보다 바람직한 연마숫돌가루의 함유량은 2~10중량%이다.
본 발명에 따른 연마액은 또한 동착체 생성 촉진제를 함유하는 것을 허용한다.
이와 같은 동착체 생성 촉진제로서는 예를 들면 과산화수소(H2O2), 아염소산나트륨(NaC10)와 같은 산화제를 이용할 수 있다.
상기 산화제는 상기 연마액중에 상기 유기산에 대해 중량비율로 10배 이상 함유하는 것이 바람직하다. 상기 산화제의 함유량을 중량 비율로 상기 유기산에 대해 10배 미만으로 하면 Cu 또은 Cu합금의 표면으로의 동착체 생성을 충분히 촉진하는 것이 곤란하게 된다. 보다 바람직한 상기 산화제의 함유량은 상기 유기산에 대해 중량 비율로 30배 이상, 더욱 바람직하게는 50배 이상이다.
본 발명에 따른 연마액은 또한 알칼리제와 같은 pH조절제를 함유하는 것을 허용한다. 이와 같은 알칼리제로서는 예를 들면 수산화칼륨, 콜린이 가장 적합하다.
본 발명에 따른 연마액은 또한 비이온성, 양성이온성, 음이온성, 양이온성의 계면활성제가 첨가되는 것을 허용한다. 상기 비이온성 계면활성제로서는 예를 들면 폴리에틸렌글리콜페닐에테르, 에틸렌글리콜지방산 에스테르를 예로 들 수 있다. 상기 양성이온성 계면활성제로서는 예를 들면 이미다졸리베타인 등을 예로 들 수 있다. 상기 음이온성 계면활성제로서는 예를 들면 황산 도데실 나트륨 등을 예로 들 수 있다. 상기 양이온성 게면 활성제로서는 예를 들면 스테아린트리메틸 암모늄 염화물 등을 예로 들 수 있다. 이들 계면활성제는 2종류 이상의 혼합물의 형태로 이용해도 좋다. 이와 같은 계면활성제를 더욱 포함하는 연마액은 후술하는 바와 같이 Cu 또는 Cu합금과 SiN막 및 SiO2과 같은 절연막과의 선택 연마성을 높이는 것이 가능하게 된다.
상기 계면활성제는 상기 연마액중에 1몰/리터 이상 첨가되는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제의 첨가량을 1몰/리터 미만으로 하면 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금과 SiO2와 같은 절연막과의 선택 연마성을 높이는 것이 곤란하게 된다.
보다 바람직한 계면활성제의 첨가량은 10 ~ 100몰/리터의 범위이다.
본 발명에 따른 동계 금속용 연마액에 의해 예를 들면 기판위에 형성된 Cu막 또는 Cu합금막을 연마하는데는 제1도에 나타낸 폴리싱장치가 이용된다. 즉, 턴테이블(10)위에는 예를 들면 천으로 만들어진 연마패드(2)가 피복되어 있다.
연마액을 공급하기 위한 공급관(3)은 상기 연마패드(2)의 위쪽에 배치되어 있다. 윗면에 지지축(4)을 가진 기판 홀더(5)는 연마패드(2)의 윗쪽에 상하 이동이 자유롭고 동시에 회전이 자유롭게 배치되어 있다.
이와 같은 폴리싱장치에 있어서, 상기 홀더(5)에 의해 기판(6)을 그 연마면 (예를 들면 Cu막)이 상기 연마패드(2)에 대향하도록 유지하고, 상기 공급관(3)으로부터 상기한 조성의 연마액(7)을 공급하면서 상기 지지축(4)에 의해 상기 기판(6)을 상기 연마패드(2)를 향해서 원하는 압력을 가하고 또한 상기 홀드(5) 및 상기 턴테이블(1)을 서로 반대방향으로 회전시킴으로써 상기 기판위의 Cu막이 연마된다.
이상 설명한 본 발명에 따른 동계 금속용연마액은 동과 반응하여 물에 난용성이고 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하기 때문에 Cu 또는 Cu합금의 침지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해시키지 않고 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도로 연마할 수 있다. 여기서, 실용적인 연마속도는 종래의 연마숫돌가루만을 함유하는 연마액을 이용한 경우의 3배이상인 것을 의미한다.
즉, 상기 연마액의 한 성분인 유기산, 예를 들면 2-키놀린카르본산은 하기 반응식에 나타낸 바와 같이 Cu의 수화물(Cu이온)과 반응하여 물에 난용성의 착체를 생성하는 성질을 가진다.
상기 반응식에 의해 Cu 또는 Cu합금의 표면에 생성된 동착체는 물에 용해되지 않지만 Cu에 비해 취약하기 때문에 연마처리에 의해 용이하게 연마된다.
또한, 산화제와 같은 동착체 생성 촉진제를 함유하는 상기 연마액은 상기 반응식에 의한 동착체의 생성이 촉진되며, 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금을 종래의 연마숫돌가루만을 함유하는 연마액에 비해 5배이상의 속도로 연마하는 것이 가능하게 된다.
제2도는 본 발명의 연마액과 종래의 연마액을 이용하여 기판위에 형성된 Cu막을 연마처리했을 때의 연마속도(가공속도)를 상기 연마액의 온도와의 관계로 도시한 것이다. 본 발명의 연마액은 유기산(예를 들면 2-키놀린카르본산) 0.3중량%, 동착체 생성 촉진제(예를 들면 과산화수소), 16.7중량%, γ-알루미나입자 1.3중량%, 콜로이드성실리카 4.0중량% 및 물로 이루어진 조성을 가진다. 종래의 연마액은 γ-알루미나입자 1.3중량%, 콜로이드성실리카 4.0중량% 및 물로 이루어진 조성을 가진다. 제2도중의 a는 본 발명의 연마액에 의한 특성선, b는 종래의 연마액에 의한 특성선이다. 또한, 연마처리는 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치를 이용하여 실시하였다. 즉, 기판홀더(5)에 Cu막이 형성된 기판을 그 Cu막이 예를 들면 로델·니터사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)측에 대향하도록 역으로 유지하며, 지지축(4)에 의해 상기 기판을 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가하고, 또한 턴테이블(1) 및 상기 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전하면서 연마액을 공급관(3)에서 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급함으로써 연마처리를 실시하였다.
제2도로 명확해진 바와 같이, 본 발명의 연마액에 의한 Cu막의 연마속도(특성선 a)는 연마숫돌가루만을 포함하는 종래의 연마액에 의한 연마속도(특성선 b)의 약 6배정도가 된다는 것을 알 수 있다.
제3도는 2-키놀린카르본산, 과산화수소, 연마숫돌가루(γ-알루미나입자와 콜로이드성실리카) 및 물로 이루어진 조성의 연마액에 있어서, 과산화수소, γ-알루미나입자 및 콜로이드성실리카의 함유량을 각각 16.7중량%, 1.3중량%, 4.0중량%로 일정하게 하고, 2-키놀린카르본산의 함유량을 변화시켰을 때의 기판위에 형성된 Cu막의 연마처리시의 연마속도(가공속도)를 도시한 것이다. 또한, 연마처리는 제1도에 나타낸 폴리싱처리를 이용하여 상기한 것과 같은 순서로 실시하였다.
제3도로 명확해진 바와 같이 연마액중의 2-키놀린카르본산의 함유량이 많아질수록 Cu의 연마속도가 증대한다는 것을 알 수 있다.
제4도는 2-키놀린카르본산, 과산화수소, 연마숫돌가루(γ-알루미나입자와 콜로이드성실리카) 및 물로 이루어진 조성의 연마액에 있어서 2-키놀린카르본산, γ-알루미나입자 및 콜로이드성실리카의 함유량을 각각 0.3중량%, 1.3중량%, 4.0중량%로 일정하게 하고, 과산화수소의 함유량을 변화시켰을 때의 기판위에 형성된 Cu막의 연마처리시의 연마속도(가공속도)를 도시한 것이다. 또한, 연마처리는 제1도에 도시한 폴리싱장치를 이용하여 전술한 것과 같은 순서로 실시하였다.
제4도로 명확해진 바와 같이, Cu막의 연마처리시에 있어서, 과산화수소를 함유하지 않은 연마액을 이용한 경우에는 Cu막의 가공속도는 약 51nm/분이지만, 과산화수소의 함유량의 증가에 따라서 Cu막의 가공속도는 상승하고, 9중량%이상 함유한 연마액으로는 약90nm/분까지 도달한다. 즉, 과산화수소수는 상기 착체형성의 촉진제로서 기여하고, 연마패드 및 연마액중의 연마숫돌가루에 의한 기계적인 연마과정으로 노출되는 밑바탕의 Cu 또는 Cu합금이 신속하게 상기 반응식에 따라서 취약한 성질을 가진 동(Cu)착체를 생성하는 것이라고 생각된다.
사실, 제5a도에 도시한 바와 같이 기판(11)위에 요철을 가진 Cu막(12)을 형성하고, 이 기판(11)을 제4도에 나타낸 연마속도가 높은 조성의 연마액(2-키놀린카르본산, γ-알루미나입자, 콜로이드성실리카 및 과산화수소가 각각 0.3중량%, 1.3중량%, 4.0중량%, 16.7중량% 함유)에 3분간 침지하면 제5b도에 도시한 바와 같이 Cu막(12)표면에 동착체층(13)이 생성된다.
상기 연마액 침지후의 Cu막 표면을 XPS(X선광전자분광법)으로 분석했다. 그 결과, Cu막 표면에 있어서 다량의 탄소가 검출되며, Cu는 소량밖에 검출되지 않았다. 또한, AES(Auger Electron Spectroscopy)에 의해서 상기 동착체층의 두께를 조사했다. 그 결과, 상기 동착체층의 두께는 약 20nm이였다.
제1도에 나타낸 폴리싱장치 및 상기 조성의 연마액을 이용하여 제5b도에 나타낸 변질층(13)이 표면에 형성된 Cu막(12)을 상기 연마액이 존재하는 연마패드로 연마하면, 제5c도에 도시한 바와 같이 Cu막(12)의 볼록부에 대응하는 동착체층(13)이 상기 패드에 의해 기계적으로 용이하게 연마되어 순 Cu가 표면에 노출된다. 이 연마직후의 Cu표면을 XPS(X선광전자분광법)로 분석하면, Cu만이 검출되며, 산화도 거의 이루어지지 않았다. 즉, 연마철리공정은 Cu막 표면에 Cu보다도 취약한 동착체층이 생성되면서 그 동착체층을 연마패드 등으로 기계적으로 제거(연마)함으로써 Cu막의 표면 가공이 진행된다.
또한, 상기한 제3도에 나타낸 2-키놀린카르본산 무첨가의 연마액을 이용했을때의 Cu연마속도(약15nm/min)와 제4도에 나타낸 과산화수소 무첨가의 연마액(2-키놀린카르본산, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성)을 이용했을 때의 Cu연마속도 (약51nm/min)를 비교하면 명확해진 바와 같이 2-키놀린카르본산, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성을 가진 본 발명의 연마액은 2-키놀린카르본산이 첨가되지 않았던 종래의 연마액에 비해 3배 이상의 높은 연마속도를 가진다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연마액은 Cu 또는 Cu합금의 침지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해시키지 않고 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도 (종래의 연마숫돌가루를 포함하는 연마액을 이용한 경우의 3배이상의 속도)로 연마할 수 있다. 이 때문에, 연마처리공정에 있어서 연마액의 공급 타이밍시에 의해 Cu의 에칭량이 변동하는 등의 문제를 피할 수 있어 그 조작을 간단하게 실시할 수 있다.
또한, 상기 폴리싱장치에 의해 상기 기판위의 Cu막을 연마할 때, 상기 Cu막은 연마패드가 소정의 압력으로 맞닿아져(섭접)있는 사이에만 연마되며, 상기 연마패드가 상기 Cu막에서 떨어지면 연마가 바로 정지되기 때문에 연마처리후에 있어서 Cu막이 더욱 에칭된다. 이른바 오버 에칭(over etching)을 저지할 수 있다.
또한, 제5c도에 도시한 바와 같이 요철을 가진 Cu막(12)은 연마공정에 있어서 측면으로부터의 에칭이 이루어지지 않고, 상기 연마패드와 맞닿는 볼록부 표면에서 차례로 에칭할 수 있기 때문에 후술하는 에칭 기술에 가장 적합하다. 또한, 연마가공이 실시된 Cu막 표면은 연마액에 접촉하여 상기한 동착체층이 생성되지만 그 두께는 20nm으로 매우 얇기 때문에 상기 동착체층을 제거하여 순 Cu표면을 노출시킬때 Cu막이 과도하게 얇아지는 것을 피할 수 있다.
본 발명에 따른 연마액에 있어서, 콜린과 같은 알칼리제를 가해 pH를 조절함으로써 Cu의 연마속도(가공속도)를 제어할 수 있다. 제6도는 예를 들면 2-키놀린카르본산, γ-알루미나입자, 콜로이드성실리카 및 과산화수소가 각각 0.3중량%, 1.3중량%, 4.0중량%, 16.7중량%를 포함하고, 콜린을 첨가하여 pH를 4~9.5로 조절한 연마액을 이용하여 기판위에 형성된 Cu막을 연마처리했을 때의 상기 Cu막의 연마속도(가공속도)를 나타낸 특성도이다. 이 제6도에 도시한 바와 같이 pH가 높아짐에 따라서 Cu막의 연마속도가 저하하고, 특히 pH가 8이상으로 연마속도가 극단적으로 저하한다.
본 발명에 따른 연마액에 있어서, 비이온성, 양성이온성, 음이온성, 양이온성의 계면활성제를 첨가함으로써 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금과 SiO2와 같은 절연막과의 선택 연마성을 높일 수 있다. 제7도는 예를 들면 2-키놀린카르본산, γ-알루미나입자, 콜로이드성실리카 및 과산화수소가 각각 0.3중량%, 1.3중량%, 4.0중량%, 16.7중량%를 포함하고, 음이온성 계면활성제인 황산도데실나트륨(SDS)의 첨가량을 변화시킨 연마액을 이용하여 기판위에 형성된 Cu막, 플라즈마질화실리콘막(P-SiN막) 및 SiO2막을 연마처리했을때의 그 막들의 연마속도(가공속도)를 나타내는 특성도이다. 또한, 제7도의 A는 Cu막의 연마속도를 나타낸 특성선, B는 P-SiN막의 연마속도를 나타낸 특성선, C는 SiO2막의 연마속도를 나타낸 특성선이다. 이 제7도에 도시한 바와 같이 SDS의 첨가량의 증가에 따라서 Cu막의 연마속도는 상승한다. 한편, SDS의 첨가량의 증가에 따라서 상기 P-SiN막 및 SiO2막의 연마속도는 저하하고, SDS의 첨가량이 10m몰/리터가 되면,상기 P-SiN막 및 SiO2막의 연마속도는 거의 0이 된다. 따라서, SDS의 첨가에 의해서 Cu와 P-SiN막 및 SiO2와 같은 절연막과의 선택 연마성을 높일 수 있다. 이와 같은 선택연마성을 높이는 계면활성제는 음이온성 계면활성제인 SDS뿐만 아니라 제8도에 도시한 바와 같이 양성계면활성제, 양이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제라도 마찬가지로 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연마액에 있어서 2-키놀린카르본산 이외의 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산인 2-피리딘카르본산, 2, 6-피리딘카르본산, 키논을 이용한 경우라도 상기한 바와 같이 Cu 또는 Cu합금의 침지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해하지 않고, 연마시에 있어서 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도로 연마할 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 반도체장치의 제조방법을 설명한다.
이 반도체장치의 제조방법은 반도체기판위의 절연막에 배선층의 형상에 해당하는 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재(member)를 형성하는 공정과, 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 포함하는 상기 절연막 위에 동 또는 동합금으로 이루어진 배선재료막을 퇴적하는 공정과,
동과 반응하여 물에 난용성이고 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 상기 배선재료막을 상기 절연막의 표면이 노출될때까지 연마처리함으로써 상기 배선재료막을 상기 절연막에 그 표면과 면이 일치된 매립 배선층을 형성하는 공정을 구비한다.
상기 절연막으로서는 예를 들면 실리콘산화막, 붕소첨가 유리막(BPSG막), 인첨가 유리막(PSG막)등을 이용할 수 있다. 이 절연막위에는 질화실리콘, 탄소, 알루미나, 질화붕소, 다이아몬드 등으로 이루어진 연마 스토퍼막이 피복되는 것을 허용한다.
상기 Cu합금으로서는 예를 들면 Cu-Si합금, Cu-Al합금, Cu-Si-Al합금, Cu-Ag합금 등을 이용할 수 있다.
상기 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 배선재료막은 스패터증착, 진공증착 등에 의해 퇴적된다.
상기 연마액중의 상기 유기산의 함유량은 상기한 동계 금속용 연마액과 같은 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 연마액중의 상기 연마숫돌가루로서는 예를 들면 알루미나입자, 실리카입자, 산화셀륨입자, 질코니아입자 등을 예로 들 수 있다. 상기 연마숫돌가루는 특히 연마에 적합한 경도를 가진 알루미나입자를 기초로 하는 것이 바람직하다.
즉, 알루미나 입자 단독 또는 알루미나입자와 콜로이드성실리카와 같은 실리카 입자와의 혼합 입자로 연마숫돌가루를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 연마숫돌가루는 0.02~0.1㎛의 평균 입자직경을 가지며, 구형상 또는 구에 근사한 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 연마숫돌가루를 포함하는 연마액에 의해 연마처리를 실시하면 Cu 또는 Cu 합금표면으로서의 손상을 억제할 수 있다. 특히 γ-알루미나입자는 그 제조상, 구형상의 것을 간단하게 만들기 위해 가장 적합하다.
상기 연마숫돌가루의 함유량은 상기한 동계 금속용연마액과 같은 1~20중량%, 보다 바람직하게는 2~7중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 연마액은 또한 동착체 생성 촉진제를 함유하는 것을 허용한다. 이와 같은 동착체 생성 촉진제로서는 예를 들면, 과산화수소(H2O2), 아염소산나트륨(NaC10)과 같은 산화제를 이용할 수 있다.
상기 산화제는 상기 연마액중에 상기 유기산에 대해 중량 비율로 10배 이상 함유하는 것이 바람직하다. 상기 산화제의 함유량을 중량 비율로 상기 유기산에 대해 10배 미만으로 하면 Cu 또는 Cu 합금의 표면으로의 동착체 생성을 충분히 촉진하는 것이 곤란하게 된다. 보다 바람직한 상기 산화제의 함유량은 상기 유기산에 대해 중량 비율로 30배이상, 더욱 바람직하게는 50배 이상이다.
상기 연마액은 또한 알칼리제와 같은 pH조절제를 함유하는 것을 허용한다. 이와 같은 알칼리제로서는 예를 들면 수산화칼륨, 트리메틸암모늄하이드록신이 가장 적합하다.
상기 연마액은 또한 비이온성, 양성이온성, 음이온성, 양이온성의 계면활성제가 첨가되는 것을 허용한다. 상기 비이온성 계면활성제로서는 예를 들면 폴리에틸렌글리콜페닐에테르, 에틸렌글리콜지방산 에스테르를 예로 들 수 있다. 양성이온성계면활성제로서는 예를 들면 이미다졸리베타인 등을 예로 들 수 있다. 음이온성 계면활성제로서는 예를 들면 황산도데실나트륨 등을 예로 들수 있다.
양이온성 계면활성제로서는 예를 들면 스테아린트리메틸암모늄염화물 등을 예로 들 수 있다. 이들 계면활성제는 2종류 이상의 혼합물의 형태로 이용해도 좋다.
상기 연마액에 의한 연마처리는 예를 들면 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치를 이용하여 실시된다.
제1도에 나타낸 폴리싱장치를 이용하는 연마처리에 있어서, 기판홀더로 유지된 기판을 상기 연마패드에 가하는 압력은 연마액의 조성에 의해 적절하게 선정된다. 예를 들면, 유기산인 2-키놀린카르본산, 연마숫돌가루 및 물로 이루어진 조성의 연마액은 상기 압력을 50~1000g/㎠으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체장치의 제조에 있어서, 상기 반도체기판위의 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 포함하는 상기 절연막에는 상기 배선 재료막을 퇴적하기 전에 장벽층을 형성하는 것을 허용한다. 이와 같은 장벽층을 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 포함하는 상기 절연막에 형성함으로써 Cu와 같은 배선재료막의 퇴적, 에치백에 의해 상기 장벽층으로 둘러싸인 매립 배선층을 상기 홈 개구부의 적어도 한쪽에 형성하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 배선재료인 Cu가 상기 절연막에 확산하는 것을 상기 장벽층으로 저지하고, Cu에 의한 반도체기판의 오염을 방지하는 것이 가능하게 된다.
상기 장벽층은 예를 들면 TiN, Ti, Nb, W 또는 CuTa 합금으로 이루어진다.
이와 같은 장벽층은 15~50nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이상 설명한 본 발명에 따른 반도체장치의 제조방법은 반도체기판위의 절연막에 배선층에 해당하는 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 1개의 부재를 형성하고, 상기 부재를 포함하는 상기 절연막위에 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 배선재료막을 퇴적하고, 또한 동과 반응하여 물에 난용성이고 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 연마액과 예를 들면 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치를 이용하여 상기 배선재료막을 상기 절연막의 표면이 노출할 때까지 연마한다. 상기 연마액은 이미 설명한 바와 같이 Cu막 또는 Cu합금막의 침지시에 있어서 상기 Cu막 또는 Cu합금막을 전혀 용해하지 않고, 동시에 연마시에 있어서 Cu막 또는 Cu합금막을 실용적인 속도(종래의 연마숫돌가루를 포함하는 연마액을 이용한 경우의 3배이상의 속도)로 연마할 수 있다. 특히, 산화제와 같은 동착체 생성 촉진제를 더욱 함유하는 연마액을 이용한 경우에는 Cu막 또는 Cu합금막을 종래의 연마숫돌가루를 포함하는 연마액에 비해 5배 이상의 속도로 연마하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 상기 연마공정에 있어서 상기 배선재료막은 그 표면으로부터 차례로 폴리싱된다.
이른바 에치백이 이루어지기 때문에 상기 절연막의 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 1개의 부재에 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 매립 배선층을 상기 절연막 표면과 면이 일치되게 형성할 수 있다. 또한, 에치백공정후의 상기 배선층은 상기 연마액과 접촉되지만 상기한 바와 같이 Cu 또는 Cu합금을 전혀 용해하지 않기 때문에 상기 배선층이 용해(에칭)되는 것을 피할 수 있다.
따라서, 고정밀도의 매립 배선층을 가짐과 동시에 표면이 평탄한 구조를 가진 반도체장치를 제조할 수 있다.
또한, 상기 절연막에 형성된 매립 배선층의 표면은 연마액에 접촉하여 앞에서 설명한 동착체층이 생성되지만 그 두께는 20nm으로 매우 얇기 때문에 상기 동착체층을 제거하여 순Cu표면을 노출시킬때 매립 배선층이 과도하게 막이 얇아지는 것을 피할 수 있다.
또한, 구형상 또는 구에 근사한 형상의 연마숫돌가루를 포함하는 연마액을 이용함으로써 상기 에치백공정에 있어서 배선재료막의 갈라짐과 상처의 발생을 억제할 수 있기 때문에 상기 절연막에 신뢰성이 높은 매립 배선층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 절연막위에 미리 질화실리콘, 탄소, 알루미나, 질화붕소, 다이아몬드등으로 이루어진 연마스토퍼막을 피복하면 상기 배선재료막의 에치백 공정에 있어서 절연막이 연마되는 것을 방지할 수 있다.
그 결과, 밑바탕의 절연막의 막이 얇아지는 것(thinning)을 억제할 수 있어 절연내압이 높은 반도체장치를 제조할 수 있다.
또한, 비이온성, 양성이온성, 음이온성, 양이온성의 계면활성제가 더욱 함유된 연마액을 이용하면, 상기 에치백공정에 있어서 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 배선재료막과 SiO2와 같은 절연막과의 선택연마성을 높일 수 있다. 그 결과, 밑바탕의 절연막이 얇아지는 것을 억제할 수 있어 절연내압이 높은 반도체장치를 제조하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이와 같은 계면활성제를 포함하는 연마액을 이용함으로써 상기 에치백공정후의 세정에 있어서 상기 절연막위에 잔류한 미세한 배선재료 및 유기물 등의 오염물질을 용이하게 제거하는 것이 가능하게 된다.
그 결과, 절연막 표면의 유기물과 잔류배선재료가 제거된 청정한 표면을 가진 반도체장치를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
우선, 제9a도에 도시한 바와 같이 표면에 도시하지 않은 소스, 드레인 등의 확산층이 형성된 실리콘기판(21)상에 CVD법에 의해 층간절연막으로서 예를 들면 두께 1000nm의 SiO2막(22)을 퇴적한 후, 상기 SiO2막(22)에 포토에칭기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 500nm의 복수의 홈(23)을 형성했다. 계속해서, 제9b도에 도시한 바와 같이 상기 홈(23)을 포함하는 상기 SiO2막(22)위에 스패터증착에 의해 두께 15nm의 TiN으로 이루어진 장벽층(24) 및 두께 600nm의 Cu막(25)을 이 순서로 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치의 기판홀더(5)에 제9b도에 도시한 기판(21)을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 턴테이블(1)위의 로델·니터사제 상품명 : SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)에서 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판(21)에 퇴적된 Cu막(25) 및 장벽층(24)을 상기 SiO2막(22)의 표면이 노출될때까지 연마했다. 여기서, 상기 연마액으로서 2-키놀린카르본산 0.3 중량%, 평균입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.4중량% 및 콜로이드성실리카 4.1 중량%를 포함하는 순수를 이용했다. 상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu막과의 접촉시의 에칭이 전혀 일어나지 않고, 상기 연마패드에 의한 연마시의 연마속도가 약 51nm/분이였다. 이 때문에, 연마공정에 있어서 제9b도에 나타낸 볼록형상의 Cu막(25)은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 표면으로부터 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 장벽층(24)이 폴리싱되는 이른바 에치백이 이루어졌다. 그 결과, 제9c도에 도시한 바와 같이 상기 홈(23)내에 장벽층(24)이 잔존함과 동시에 상기 장벽층(24)으로 덮여진 상기 홈(23)내에 상기 SiO2막(22) 표면과 면이 일치된 매립 Cu 배선층(26)이 형성되었다.
또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지한 후에, 상기 Cu배선층(26)이 상기 연마액에 접촉되어도 용해(에칭)되는 경우가 없었다.
[실시예 2]
우선, 표면에 소스, 드레인 등의 확산층이 형성된 실리콘기판위에 CVD법에 의해 층간절연막으로서 예를 들면 두께 1000nm의 SiO2막을 퇴적한 후, 상기 SiO2막에 포토에칭기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 500nm의 복수의 홈을 형성했다. 계속해서, 상기 홈을 포함하는 상기 SiO2막위에 스패터증착에 의해 깊이 15nm의 TiN으로 이루어진 장벽층 및 깊이 600nm의 Cu막을 이 순서로 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 도시한 폴리싱장치의 기판홀더(5)에 상기 기판을 역으로 하여 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 턴테이블(1)위의 로델·니터사제상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판에 퇴적한 Cu막 및 장벽층을 상기 SiO2막의 표면이 노출할때까지 연마했다. 여기서, 상기 연마액으로서 2-키놀린카르본산 0.3중량%, 과산화수소 16.7중량%, 평균입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.3중량% 및 콜로이드성실리카 4.0중량%를 포함하는 순수로 이루어지며, 중량비율로 2-키놀린카르본산에 대해 과산화수소가 약 56배인 것을 이용했다. 상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu액과의 접촉시 에칭이 전혀 생기지 않고, 상기 연마패드에 의한 연마시의 연마속도가 약 85nm/분이였다. 이 때문에, 연마공정에 있어서 볼록형상의 Cu막은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 표면으로부터 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 상기 장벽층이 폴리싱된다. 이른바 에치백이 이루어졌다. 그 결과, 상기 홈내에 장벽층이 잔존함과 동시에 상기 장벽층으로 덮여진 상기 홈내에 상기 SiO2막 표면과 면이 일치된 매립 Cu배선층이 형성되었다.
또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지한 후에, 상기 Cu배선층이 상기 연마액에 접촉되어도 용해(에칭)되는 경우가 없었다.
[실시예 3]
우선, 표면에 소스, 드레인등의 확산층이 형성된 실리콘기판위에 CVD법에 의해 층간절연막으로서 예를 들면 두께 1000nm의 SiO2막을 퇴적한 후 , 상기 SiO2막에 포토에칭 기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 500nm이 복수의 홈을 형성했다. 계속해서, 상기 홈을 포함하는 상기 SiO2막위에 스패터증착에 의해 두께 15nm의 TiN으로 이루어진 장벽층 및 두께 600nm의 Cu막을 이 순서로 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 도시한 폴리싱장치의 기판 홀더(5)에 상기 기판을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 턴테이블(1)위의 로델·니타사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm이 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판에 퇴적된 Cu막 및 장벽층을 상기 SiO2막의 표면이 노출할 때까지 연마했다. 여기서, 상기 연마액으로서 2-키놀린카르본산 0.3중량%, 과산화수소 16.7중량%, 평균입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.3중량% 및 콜로이드성실리카 4.0중량%, 음이온성 계면활성제인 황산도데실 나트륨 10m몰/리터를 포함하는 순수로 이루어지며, 중량비율로 2-키놀린카르본산에 대해 과산화수소가 약 56배인 것을 이용했다.
상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu막과의 접촉시의 에칭이 전혀 일어나지 않고, 상기 연마패드에 의한 연마시의 연마속도가 약 85nm/분이였다. 이 때문에, 연마공정에 있어서 볼록하게 된 Cu막은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 표면으로부터 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 장벽층이 폴리싱된다. 이른바, 에치백이 이루어졌다. 그 결과, 상기 홈내에 상기 장벽층이 잔존함과 동시에 상기 장벽층으로 덮여진 상기 홈내에 상기 SiO2막 표면과 면이 일치된 매립 Cu배선층이 형성되었다.
또한, 계면활성제를 포함하는 상기 조성의 연마액은 상기한 제7도에 나타낸 바와 같이 Cu와 SiO2과의 연마선택성이 높기 때문에 상기 에치백 공정에 있어서 SiO2막(층간절연막)의 막이 얇아지는 것을 방지할 수 있었다.
또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지된 후에 있어서, 상기 Cu배선층이 상기 연마액에 접촉되어도 용해(에칭)되는 것이 없었다.
계속해서, 상기 매립 배선층의 형성후의 기판을 순수를 이용하여 초음파 세정을 실시하였다. 이와 같이 세정처리를 실시하여 SiO2막(층간절연막)등의 표면에 잔류한 Cu연마 조각, Cu착체의 연마부 및 2-키놀린카르본산과 같은 유기물이 제거되어 SiO2막의 표면을 세정화할 수 있었다.
따라서, 실시예 3에 의하면, 상기 층간절연막의 홈내에 그 깊이와 같은 두께를 가진 매립 Cu배선층을 상기 층간절연막 표면과 면이 일치되게 형성할 수 있고, 배선층의 형성후의 기판 표면을 평탄하게 할 수 있었다. 또한, 계면활성제를 포함하는 상기 조성의 연마액을 이용한 에치백 공정에 의해 Cu배선층이 형성된 후, 순수로 초음파세정을 실시함으로써 상기 연마액중의 계면활성제의 작용에 의해 층간절연막 표면이 용이하게 청정화되기 때문에 Cu 본래의 저저항성을 가진 매립 Cu배선층을 가진 고신뢰성의 반도체장치를 제조할 수 있었다.
[실시예 4]
우선, 표면에 소스, 드레인 등의 확산층이 형성된 실리콘 기판위에 CVD법에 의해 층간절연막으로서 예를 들면 두께 1000nm의 SiO2막을 퇴적한 후, 상기 SiO2막에 포토에칭기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 500nm의 복수의 홈을 형성했다. 계속해서 상기 홈을 포함하는 상기 SiO2막위에 스패터증착에 의해 깊이 15nm의 TiN으로 이루어진 장벽층 및 두께 600nm의 Cu막을 이 순서로 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치의 상기 홀더(5)에 상기 기판을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 턴테이블(1)위의 로델·니터사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판에 퇴적된 Cu막 및 장벽층을 상기 SiO2막의 표면이 노출할때까지 연마했다. 여기서, 상기 연마액으로서 2-피리딘카르본산 0.6중량%, 평균 입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.4중량% 및 콜로이드성실리카 4.1중량%를 포함하는 순수로 이루어진 것을 이용했다. 상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu막과의 접촉시의 에칭이 전혀 일어나지 않고, 상기 연마패드에 의한 연마시의 연마속도가 약 30nm/분이였다. 이 때문에, 연마공정에 있어서 볼록하게 된 Cu막은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 표면으로부터 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 상기 장벽층이 폴리싱된다. 이른바 에치백이 이루어졌다. 그 결과, 상기 홈내에 장벽층이 잔존함과 동시에 상기 장벽층으로 덮여진 상기 홈내에 상기 SiO2막 표면과 면이 일치된 매립 Cu배선층이 형성되었다.
또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지된 후에, 상기 Cu 배선층이 상기 연마액에 접촉되어도 용해(에칭)되는 경우가 없었다.
[실시예 5]
우선, 제10a도에 도시한 바와 같이 표면에 도시하지 않은 소스, 드레인등의 확산층이 형성된 실리콘 기판(21)위에 CVD법에 의해 예를 들면 두께 800nm의 SiO2막(22) 및 연마스토퍼막으로서의 두께 200nm의 Si3N4막(27)을 이 순서로 퇴적하여 층간절연막을 형성한 후, 상기 Si3N4막(27) 및 상기 SiO2막(22)에 포토에칭 기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 500nm의 복수의 홈(23)을 형성했다. 계속해서, 제10b도에 도시한 바와 같이 상기 홈(23)을 포함하는 상기 Si3N4막(27)위에 스패터증착에 의해 두께 15nm의 TiN으로 이루어진 장벽층(24) 및 두께 600nm의 Cu막(25)을 이 순서로 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치의 기판 홀더(5)에 제10b도에 도시한 기판(21)을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 로델·니터사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판(21)에 퇴적된 Cu막(25) 및 상기 장벽층(24)을 상기 Si3N4막(27)의 표면이 노출할때까지 연마했다.
여기서, 상기 연마액으로서 2-키놀린카르본산 0.3중량%, 과산화수소 16.7중량%, 평균입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.3중량% 및 평균입자직경 30nm의 콜로이드성실리카 4.0중량%을 포함하는 순수로 이루어지며, 중량 비율로 2-키놀린카르본산에 대해 과산화수소가 약 56배인 것을 이용했다.
상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu막과의 접촉시의 에칭이 전혀 일어나지 않고, 상기 연마패드에 의한 연마식의 연마속도가 약 100nm/분이였다. 이 때문에 제10b도에 도시한 볼록하게 된 Cu막(25)은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 표면에서 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 상기 장벽층(24)이 폴리싱된다. 이른바 에칭이 이루어졌다.
그 결과, 제10c도에 도시한 바와 같이 상기 홈(23)내의 상기 장벽층(24)이 잔존함과 동시에 상기 장벽층(24)으로 덮여진 상기 홈(23)내에 상기 Si3N4막(27)표면과 면이 일치된 매립 Cu배선층(26)이 형성되었다. 또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더의 회전이 정지된 후에 , 상기 Cu 배선층(26)이 상기 연마액에 접촉되어 용해(에칭)되는 경우가 없었다. 또한, 연마숫돌가루를 포함하는 상기 연마액을 이용한 폴리싱공정에 있어서 상기 층간 절연막은 표면측에 연마스토퍼막으로 기능하는 Si3N4막(27)을 형성하고 있기 때문에 상기 에치백공정으로 막이 얇아지는 것을 억제할 수 있었다. 이 때문에 양호한 절연내압을 가진 층간절연막을 구비한 반도체장치를 제조할 수 있었다.
[실시예 6]
우선, 제11a도에 도시한 바와 같이 표면에 n+형 확산층(31)이 형성된 p형 실리콘기판(32)위에 CVD법에 의해 제1층간절연막으로서 예를 들면 두께 1000nm의 SiO2막(33)을 퇴적한 후, 상기 확산층(31)에 대응하는 상기 SiO2막(33)에 포토에칭기술에 의해 비어홀(34)을 형성했다. 계속해서 제11b도에 도시한 바와 같이 상기 비어홀(34)을 포함하는 상기 SiO2막(33)위에 스패터증착에 의해 두께 20nm의 TiN으로 이루어진 장벽층(35)을 퇴적한 후, 스패터증착에 의해 두께 1100nm의 Cu막(36)을 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 도시한 폴리싱장치의 홀더(5)에 제11b도에 도시한 기판(32)을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 로델·니타사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판(32)에 퇴적된 Cu막(36) 및 장벽층(35)을 상기 SiO2막(33)이 표면이 노출할때까지 연마했다. 여기에 상기 연마액으로서 2-키놀린카르본산 0.3중량%, 과산화수소 16.7중량%, 평균입자직경 30nm의 γ-알루미나입자 1.3중량% 및 콜로이드성실리카 4.0중량%, 음이온성 계면활성제인 황산도데실나트륨 10mmol/1을 포함하는 순수로 이루어지며, 중량 비율로 2-키놀린카르본산에 대해 과산화수소가 약 56배인 것을 이용했다. 상기 연마공정에 있어서, 상기 연마액은 Cu막과의 접촉시의 에칭이 전혀 일어나지 않고 상기 연마패드에 의한 연마시의 연마속도가 약 85nm/분이였다. 이 때문에, 제11b도에 나타낸 볼록하게 된 Cu막(36)은 상기 연마 패드와 기계적으로 접촉하는 표면에서 우선적으로 폴리싱되며, 또한 노출된 장벽층(35)이 폴리싱된다. 이른바 에칭이 이루어졌다.
그 결과, 제11c도에 도시한 바와 같이 상기 비어홀(34)내에 장벽층(35)이 존재함과 동시에 상기 장벽층(35)으로 덮여진 상기 비어홀(34)내에 상기 SiO2막(33)표면과 면이 일치된 Cu로 이루어진 비어필(37)이 형성되었다. 또한, 계면활성제를 포함하는 상기 조성의 연마액은 상기한 제7도에 나타낸 바와 같이 Cu와 SiO2와의 연마선택성이 높기 때문에
상기 에치백공정에 있어서 SiO2막(층간절연막)의 막이 얇아지는것을 방지할 수 있었다. 또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지한 후에 있어서, 상기 비어필(37)이 상기 연마액에 접촉되어도 에칭이 진행되는 것이 없었다. 계속해서, 상기 비어필(37)의 형성 후의 기판을 순수를 이용한 초음파세정을 실시하여 SiO2막(33)표면을 세정화하였다.
계속해서, 제11d도에 도시한 바와 같이 상기 비어필(37)을 포함하는 상기 SiO2막(33)위에 CVD법에 의해 제2 층간절연막으로서 예를 들면 두께 800nm의 Si3N4막(38)을 퇴적한 후, 상기 Si N 막(38)에 포토 에칭기술에 의해 배선층에 해당하는 형상을 가진 깊이 400nm의 복수의 홈(39)을 형성했다. 또한, 상기 비어필(37)위에 위치하는 상기 홈(39)에 포토에칭기술에 의해 스루홀(40)을 형성했다. 계속해서, 제11e도에 도시한 바와 같이 상기 홈(39) 및 스루홀(40)을 포함하는 상기 Si3N4막(38)위에 스패터증착에 의해 두께 900nm의 Cu막(41)을 퇴적했다.
계속해서, 상기한 제1도에 나타낸 폴리싱장치의 기판 홀더(5)에 제11E도에 나타낸 기판(32)을 역으로 유지하고, 상기 홀더(5)의 지지축(4)에 의해 상기 기판을 로델·니타사제 상품명; SUBA800으로 이루어진 연마패드(2)에 300g/㎠의 압력을 가해 상기 턴테이블(1) 및 홀더(5)를 각각 100rpm의 속도로 서로 반대방향으로 회전시키면서 상기한 에칭공정에 이용한 것과 같은 조성을 가진 연마액을 공급관(3)으로부터 12.5ml/분의 속도로 상기 연마패드(2)에 공급하여 상기 기판(32)에 퇴적된 Cu막(41)을 상기 Si3N4막(38)의 표면이 노출될때까지 연마했다.
그 결과, 제11e도에 나타낸 볼록형상의 Cu막(41)은 상기 연마패드와 기계적으로 접촉하는 면에서 우선적으로 폴리싱된다. 이른바 에치백이 이루어졌다.
이와 같은 에치백에 의해 제11f도에 도시한 바와 같이 상기 홈(39)내에 상기 Si3N4막(38) 표면과 면이 일치된 Cu배선층(42)이 형성되었다. 동시에 상기 스루홀(40)를 통하여 상기 비어필(37)과 접속되는 매립 Cu배선층(42)이 형성되었다. 또한, 상기 폴리싱장치의 홀더(5)에 의한 상기 연마패드(2)로의 압력을 해제하고, 동시에 턴테이블(1) 및 홀더(5)의 회전이 정지된 후에 있어서, 상기 Cu배선층(42)이 상기 연마액에 접속되어도 에칭이 진행되는 경우가 없었다.
따라서, 실시예 6에 의하면, 제1, 제2 층간절연막(33,39)을 가지며, 상기 제1층간절연막(33)에 그 표면과 면이 일치된 비어필(37)이 형성되며, 제2층 간절연막(39)에 그 표면과 면이 일치된 Cu 배선층(42)이 형성된 다층배선구조를 가지며, 동시에 표면이 평탄화된 반도체장치를 제조할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 동(Cu) 또는 동합금(Cu합금)의 침 지시에 있어서 상기 Cu등을 전혀 용해하지 않고, 동시에 연마처리시에 상기 Cu 또는 Cu합금을 실용적인 속도로 연마하는 것이 가능한 동계 금속용 연마액을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 반도체기판위의 절연막에 홈 및 개구부에서 선태되는 적어도 1개의 부재를 형성하고, 상기 절연막위에 퇴적된 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 배선재료를 단시간에 에칭할 수 있고, 더 나아가서는 상기 절연막에 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 매립 배선층을 상기 절연막 표면과 면이 일치되도록 형성한 표면이 평탄한 반도체장치의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 반도체기판위의 절연막에 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 1개의 부재를 형성하고, 상기 절연막위에 퇴적된 Cu 또는 Cu합금으로 이루어진 배선재료막을 단시간에 에치백하여 절연막표면과 면이 일치된 매립 배선층을 형성할 수 있고, 그 위에 에치백 공정으로 절연막이 얇아지는 것을 억제할 수 있어 평탄한 표면을 가지며, 절연내압이 우수한 반도체장치의 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (31)

  1. 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기산은 2-키놀린카르본산인 것을 특징으로 동계 금속용 연마액.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기산은 상기 연마액중에 0.1중량%이상 함유된 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유기산은 상기 연마액중에 0.3~1.2중량% 함유된 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연마숫돌가루는 실리카,질코니아,산화세륨 및 알루미나에서 선택되는 적어도 1개의 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연마숫돌가루는 0.02~0.1㎛의 평균 입자직경을 가진 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액.
  7. 제1항에 있어서, 상기 연마숫돌가루는 상기 연마액중에 1~20중량% 함유된 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마액.
  8. 제1항에 있어서, 또한 동착체 생성 촉진제를 함유하는 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  9. 제1항에 있어서, 상기 동착체 생성 촉진제는 산화제인 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화제는 과산화수소인 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유기산에 대한 산화제의 함유비율은 중량비율로 10배이상인 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  12. 제1항에 있어서, 또한 계면활성제를 함유하는 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  13. 제12항에 있어서, 상기 계면활성제는 음이온성 계면활성제인 황산도테실 나트륨인 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  14. 제12항에 있어서, 상기 계면활성제는 상기 연마액중에 1몰/리터이상 첨가된 것을 특징으로 하는 동계 금속용 연마제.
  15. 반도체기판위의 절연막에 배선층의 형상에 해당되는 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 형성하는 공정과, 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 포함하는 상기 절연막 위에 동 또는 동합금으로 이루어진 배선재료막을 퇴적하는 공정과, 동과 반응하여 물에 난용성이고, 동시에 동 보다도 기계적으로 취약한 동착체를 생성하는 수용성의 유기산, 연마숫돌가루 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 상기 배선재료막을 상기 절연막의 표면이 노출될 때까지 연마처리함으로써 상기 배선재료막을 상기 절연막에 그 표면과 면이 일치된 매립 배선층을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 홈 및 개구부에서 선택되는 적어도 한개의 부재를 형성하기 전에 상기 절연막위에 장벽층을 피복하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 장벽층은 TiN, Ti, Nb, W 또는 CuTa합금에서 선택되는 재료로 만들어진 것을 특징을로 하는 반도체장치의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 동합금은 Cu-Si합금, Cu-Al합금, Cu-Si-Al합금 및 Cu-Ag합금으로 이루어진 군에서 선택되는 재료인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서, 상기 연마액중의 상기 유기산은 2-키놀린카르본산인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 유기산은 상기 연마액중에 0.1중량%이상 함유되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 유기산은 상기 연마액중에 0.3~1.2중량% 함유되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  22. 제15항에 있어서, 상기 연마액중의 상기 연마숫돌가루는 실리카, 질코니아, 산화세륨 및 알루미나에서 선택되는 적어도 1개의 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 연마액중의 상기 연마숫돌가루는 0.02~0.1㎛의 평균 입자직경을 가진 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 연마숫돌가루는 상기 연마액중에 1~20중량% 함유되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  25. 제15항에 있어서, 상기 연마액중에는 또한 동착체 생성 촉진제를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 동착체 생성 촉진제는 산화제인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 산화제는 과산화수소인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 유기산에 대한 상기 산화제의 함유비율은 중량비율로 10배 이상인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  29. 제15항에 있어서, 상기 연마액에는 또한 계면활성제를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 계면활성제는 음이온성 계면활성제인 황산도데실 나트륨인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 계면활성제는 상기 연마액중에 1몰/리터이상 첨가된 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
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