KR100430949B1 - 무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법 - Google Patents

무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 무전해 은 도금액은, 은 화합물과; 마그네슘 화합물과: 상기 은 이온 및 상기 마그네슘 이온을 환원시키는 환원제를 포함하는 것을 특징으로 하고, 본 발명에 따른 금속 배선 형성방법은, 상술한 무전해 은 도금액을 이용하여 반도체 기판 상에 은-마그네슘 합금으로 이루어진 배선을 형성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 은이 함유된 평평하고 연속적인 양질의 박막을 용이하게 얻을 수 있으므로 배선의 전기전도도를 향상시켜 반도체 소자의 고집적화에 기여할 수 있다.

Description

무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법 {Electroless silver plating solution and method of forming metal interconnects using the same}
본 발명은 무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법에 관한 것으로서, 특히 은이 함유된 양질의 금속 배선을 형성하도록 마그네슘 이온이 첨가된 무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화에 따라 금속 배선의 최소 선폭은 계속적으로 축소되고 있다. 이에 따라, 금속 배선의 저항이 커져 RC 지연에 따라 반도체 소자의 동작속도를 더 빠르게 할 수 없는 것이 문제가 되고 있다. 지금까지 반도체 소자의 금속 배선에 주로 쓰인 알루미늄보다 전기전도성이 높은 구리를 배선 재료로 써서 이 문제를 해결할 수 있다.
그런데, 구리는 알루미늄처럼 표면 산화막에 의한 보호막 효과가 크지 않아 산화가 계속 진행되는 것으로 알려져 있으며, Si 또는 SiO2내에서의 확산계수가 커서 열처리하는 동안 소자의 파괴를 막기 위해서는 장벽 금속의 개발이 필수적이다. 특히, 구리는 비저항 면에서 재료상의 한계점이 있다.
하지만, 은(Ag)은 산화에 대한 저항성이 크고 실리사이드(Silicide)가 형성되지 않으며 비저항이 가장 낮으므로 배선 재료로서 매우 유용한 재질이다. 그런데, 무전해 도금을 이용하여 은 박막을 증착하는 경우에 은은 표면 확산(Surface Diffusion)이 잘되기 때문에 평평하고 연속적인 박막을 얻기가 어렵고, 열처리시 서로 덩어리를 형성하게 된다. 따라서, 무전해 도금으로 증착된 은 박막은 배선으로 사용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 은이 함유된 양질의 금속 박막을 증착시킬 수 있는 무전해 은 도금액을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반도체 기판에 은이 함유된 양질의 금속 배선을 형성시킬 수 있는 금속 배선 형성방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무전해 은 도금액을 이용하여 반도체 기판 상에 금속 배선을 형성하는 공정을 설명하기 위한 흐름도; 및
도 2a 및 도 2b는 반도체 기판 상에 증착된 은-마그네슘 합금 박막을 주사전자현미경으로 촬영한 사진들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 무전해 은 도금액은: 은 화합물과; 마그네슘 화합물과: 상기 은 이온 및 상기 마그네슘 이온을 환원시키는 환원제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 은 화합물은 질산은이고, 상기 마그네슘 화합물은 수산화마그네슘이며, 상기 환원제는 황산코발트(Ⅱ)칠수화물이고, 상기 수산화마그네슘은 0.8M 이하의 농도가 되도록 포함되는 것을 특징으로 한다.
나아가, 착화제, PH 완충용액 또는 가속제를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 착화제는 수산화암모늄이며, 상기 PH 완충제 또는 상기 가속제는 황산암모늄인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 금속 배선 형성방법은: 상술한 무전해 은 도금액을 이용하여 반도체 기판 상에 은-마그네슘 합금으로 이루어진 배선을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 무전해 은 도금액은 0.04M의 상기 질산은, 0.0004M의 상기 수산화마그네슘, 0.1M의 상기 황산코발트(Ⅱ)칠수화물, 4M의 상기 수산화암모늄 및 0.38M의 상기 황산암모늄((NH4)2SO4)을 혼합하여 이루어지며 18∼100℃로 유지되는 것을 특징으로 하여도 좋다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
무전해도금은 금속이온이 포함된 화합물과 환원제가 혼합된 용액을 사용하여 기판 등에 금속을 환원 석출시키는 것이다.
무전해 도금의 원리는 하기의 반응식 1과 같다.
환원제의 산화 : R + H20 → Ox+ 2H++ 2e
금속이온의 환원 : M2++ 2e → M
반응식 1에서 R은 환원제이고, Ox는 환원제의 산화물이며, M은 환원된 금속이다.
본 실시예에서는 은 무전해 도금을 위한 소스로서 은 이온이 포함된 질산은(AgNO3)과, 마그네슘 이온이 포함된 0.8M 이하의 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 사용하고 질산은에 포함된 은 이온과 수산화마그네슘에 포함된 마그네슘 이온을 환원시키기 위한 환원제로서 황산코발트(Ⅱ)칠수화물(CoSO47H2O)을 사용한다.
그리고, 착화제(Complexing agent)로서 수산화암모늄(NH4OH)과 PH 완충제 또는 가속제로서 황산암모늄((NH4)2SO4)을 더 첨가한다. 여기서, 착화제는 은 및 마그네슘 이온과 리간드를 형성하여 액상 반응을 억제한다. 황산암모늄은 PH 완충제로서 상술한 화합물들이 혼합된 용액(이하에서 무전해 은 도금액이라 한다.)의 PH를 유지시켜주며 가속제로서 은 및 마그네슘의 증착속도, 즉 도금되는 속도를 높여준다.
계속해서, 상술한 무전해 은 도금액을 이용한 무전해 도금으로 반도체 기판 상에 금속 배선을 형성하는 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 무전해 은 도금액을 이용하여 반도체 기판 상에 금속 배선을 형성하는 공정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 TiN 박막(250Å)/Ti(100Å)/Si(p형)으로 이루어진 기판을 마련한다.
이어서, 불산(HF)과 탈이온수(De Ionized Water, DI Water)를 혼합하여 기판에 형성되었을 수 있는 Ti 산화물을 제거하고, 탈이온수를 이용하여 세정한다. 그리고, 아세톤(Acetone)과 에탄올(Ethanol)과 탈이온수를 혼합한 용액으로 기판 표면의 유분을 제거하고 다시 탈이온수를 이용하여 세정한다.
다음에, 염화제일주석(2수화물)(SnCl2·2H20)과 염산(HCl)을 탈이온수에 혼합하여 감수성 부여 처리(Sensitizing) 용액을 만든다. 그리고, 상술한 공정에 의하여 세정된 기판을 감수성 부여 처리 용액에 침지시킴으로써 환원제인 Sn2+이온을 TiN 박막 상에 흡착시켜 기판에 감수성을 부여한다. 이어서, 탈이온수를 이용하여 Sn2+이온이 흡착된 기판을 세정한다.
그 다음에, Sn2+이온이 흡착된 기판을 질산은 용액에 침지하여 무전해 도금을 위한 촉매층을 형성한다. 이것은 기판 상에 흡착되어 있던 Sn2+이온에 의하여은이 기판 상에 환원 석출되는 것이다. 이렇게 형성된 은은 무전해 은 도금액을 이용하여 무전해 도금을 실시할 때에 환원제를 산화시키는 촉매제로서 역활하게 된다. 이어서, 탈이온수를 이용하여 은이 환원 석출된 기판을 세정한다.
계속해서, 은이 환원 석출된 기판을 0.04M의 질산은, 0.0004M의 수산화마그네슘, 0.1M의 황산코발트(Ⅱ)칠수화물, 4M의 수산화암모늄 및 0.38M의 황산암모늄((NH4)2SO4)이 혼합되어 이루어진 18∼100℃의 무전해 은 도금액에 침지한다. 그러면, 환원제인 황산코발트(Ⅱ)칠수화물에 포함된 코발트(Co)는 기판에 환원 석출되어 있는 은에 의하여 산화되고, 코발트가 산화되면서 방출된 전자를 질산은에 포함된 은 이온 및 수산화 마그네슘에 포함된 마그네슘 이온이 받아들임으로써 반도체 기판 상에 은과 마그네슘의 합금으로 이루어진 박막이 증착되게 된다.
도 2a 및 도 2b는 상술한 방법으로 반도체 기판 상에 1.5㎛의 두께로 증착된 은-마그네슘 합금 박막을 주사전자현미경으로 촬영한 사진들이다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 마그네슘 이온에 의하여 은-마그네슘 합금이 형성됨으로써, 박막 증착 초기단계에서 은이 서로 뭉치는 것이 방지되고 밀도가 높아지며, 크기가 작은 핵(Nucleation)들이 형성됨으로써 박막이 평평하고 연속적으로 증착됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 무전해 은 도금액 및 이를 이용한 금속 배선 형성방법에 의하면, 은이 함유된 평평하고 연속적인 양질의 박막을 용이하게 얻을 수 있으므로 배선의 전기전도도를 향상시켜 반도체 소자의 고집적화에 기여할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (9)

  1. 수용액 내에서 1가의 은 양이온을 생성하는 수용성의 은 화합물과;
    수용액 내에서 2가의 마그네슘 양이온을 생성하는 수용성의 마그네슘 화합물과;
    상기 1가의 은 양이온 및 상기 2가의 마그네슘 양이온을 환원시키며, 금속 은의 표면에 의해 자신의 산화 반응이 촉매화되는 수용성의 환원제
    를 포함하며, 상기 은 화함물, 마그네슘 화합물, 환원제는 반응을 일으키기에 적합한 중량비로 혼합되어 있는 무전해 은 도금액.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 은 화합물은 질산은이고, 상기 마그네슘 화합물은 수산화마그네슘이며, 상기 환원제는 황산코발트(Ⅱ)칠수화물인 것을 특징으로 하는 무전해 은 도금액.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 수산화마그네슘은 0.8M 이하의 농도가 되도록 포함되는 것을 특징으로 하는 무전해 은 도금액.
  4. 제 1항에 있어서, 착화제, PH 완충용액 또는 가속제를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무전해 은 도금액.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 착화제는 수산화암모늄인 것을 특징으로 하는 무전해 은 도금액.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 PH 완충제 또는 상기 가속제는 황산암모늄인 것을 특징으로 하는 무전해 은 도금액.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 무전해 은 도금액을 이용하여 반도체 기판 상에 은-마그네슘 합금으로 이루어진 배선을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 금속 배선 형성 방법은,
    상기 반도체 기판을 마련하는 단계와;
    상기 반도체 기판에 감수성을 부여하는 단계와;
    상기 반도체기판 상에 촉매층을 형성하는 단계와;
    상기 반도체 기판 상에 상기 무전해 도금액을 이용하여 무전해 도금을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 무전해 은 도금액은 0.04M의 상기 질산은, 0.0004M의 상기 수산화마그네슘, 0.1M의 상기 황산코발트(Ⅱ)칠수화물, 4M의 상기 수산화암모늄 및 0.38M의 상기 황산암모늄((NH4)2SO4)을 혼합하여 이루어지며 18∼100℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 금속 배선 형성 방법.
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