KR100538301B1 - 기판도금방법및장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 방법 및 장치는 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 이 미세공동을 도금액으로 매끄럽게 채우는 예비도금 처리공정을 통하여 양호한 금속용착을 발생시킬 수 있도록 한다. 상기 방법은, 기밀챔버 안에 기판을 배치하는 단계, 정상온도 및 압력에서는 액체인 처리매체로 챔버를 채우는 단계, 챔버 내부의 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태에서 유지시키는 단계를 포함한다. 챔버 내부의 처리매체는 챔버 내부의 압력 및 온도를 제어함으로써 기상을 통과하지 않고도 액상으로 변환되어, 미세공동 안으로 이 처리매체를 스며들게 한다.

Description

기판 도금방법 및 장치
본 발명은 차세대 소자를 위한 금속배선 제조공정에 관한 것으로, 특히 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착(metal deposit)을 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 반도체 집적회로에서, 트랜지스터, 레지스터 및 커패시터와 같은 소자들은 알루미늄 배선에 의해 접속된다. 알루미늄 배선은, 스퍼터링 공정에 의해 기판 상에 알루미늄 필름을 형성하고, 알루미늄 필름 상에 포토레지스트 필름을 형성하고, 포토레지스트 필름 상에 배선패턴을 프린트하고, 알루미늄 필름을 에칭하여 배선라인을 남기는 공정에 의해 제작된다. 집적밀도가 증가함에 따라, 더 미세한 상호접속 라인을 요구하게 되었지만, 알루미늄 재료 자체의 성질에 의해 초래되는 몇 가지 문제가 있었다. 그러나, 다른 종류의 금속을 사용한 배선패턴을 형성하는 데에는 에칭방법을 적용할 수 없는 있어, 다른 접근방법이 요구되었다. 이러한 경우를 대체하기 위한 방법으로는, 기판 상에 배선 목적의 홈 및 구멍을 만들고, 화학 기상 성장(CVD), 스퍼터링 또는 도금과 같은 방법을 사용하여 금속으로 공동을 채운 다음, 화학 기계적 폴리싱(CMP)와 같은 방법을 사용하여 불필요한 표면층을 제거한다.
금속필름 형성 기술로서 도금이 범용적으로 사용되고, 이는 많은 장점을 가지고 있다. 도 7은 기본적인 도금장치를 도시한다. 도금실(1) 안에 도금액(9)이 유지되고, 기판(W)을 유지하는 양극(4)이 음극(3)의 반대편에 놓인다. 도금 공정 도중에 도금액(9)을 교반시키기 위한 교반기(11)가 제공된다. 도금을 위한 예비도금 처리는 기판의 세척 또는 에칭을 포함한다. 도금은 비교적 비용이 낮고 또한 도금된 제품에 열적 열화의 역효과가 발생되지 않는 저온 공정을 사용하여 고순도의 재료가 생산될 수 있기 때문에 유리하다.
그러나, 웨이퍼 상에 생기는 미세공동 안으로 도금액이 강제로 들어가도록 하는 것이 어렵기 때문에, 현재의 도금기술로는 종횡비가 큰 깊은 공동을 금속으로 완전히 채우는 것은 어려운 일이다. 기판이 도금액 안에 잠겨있는 경우일지라도, 공동이 잔여기포(63)에 의해 점유되어, 도 6에 도시된 바와 같이, 도금면(61)이 완전히 스며들게 하는 것은 불가능하고 용착된 금속 안에 공간이 생기게 된다. 금속이 스며드는데 있어서 기판재료의 습윤성과 도금액의 표면장력이 많은 영향을 주고, 공동의 폭이 감소함에 따라 그 어려움도 커진다.
본 발명의 목적은 예를 들어, 도금액으로 미세공동을 매끄럽게 충전하기 위한 예비도금을 거쳐, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 생기는 미세공동 안으로 확실한 금속용착을 발생시켜, 집적회로 소자의 배선을 제작하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 방법에 의해 달성되는데, 이 방법은; 기밀챔버 내에 기판을 배치하는 단계; 정상온도 및 압력에서는 액체인 처리매체로 챔버를 채우는 단계; 챔버 내부의 처리매체를 아임계(subcritical) 또는 초임계(supercritical) 상태에서 유지시키는 단계; 및 챔버 내부의 온도 및 압력을 제어함으로써 기상을 통과하지 않고도 챔버 내부의 처리매체를 액상으로 변환시켜, 미세공동 안으로 액상의 처리매체를 채우는 단계를 포함한다.
본 발명은 기판의 성질이 초임계 상태에 있을 때 유용하다. 도 3은 물의 포화증기압 곡선을 나타내는 그래프로서 증기와 액체 사이의 상변화가 도시된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 1Kg 중량의 물이 실린더(81) 내에 피스톤(83)상에 추(82)를 얹어놓음으로써 가압하도록 배치되어 가열된다고 가정하면, 이러한 시스템은 온도와 압력에 따라 액상(52), 액상(52)과 기상(50)의 공존상태, 및 기상(50)과 같은 여러 상태를 거치게 된다. 이와 같은 시스템의 상태관계는 도 5에 도시된 그래프에서 '압력'과 '비체적(specific volume)'에 관련하여 설명될 수 있다. 특정 압력을 초과하면 상기 시스템은 기상과 액상이 공존하는 상태가 될 수 없으며, 기화 없이 균일한(homogeneous) 단일상으로 변하게 된다. 이러한 현상이 시작되는 점을 "임계점"이라 부르고, 압력과 온도면에서 상기 임계점을 초과하게 되면, 상기 시스템은 "초임계 상태"가 되며, 임계점 근처에서는 "아음계 상태"에 있게 된다.
온도가 상승함에 따라 액체는 그 표면장력이 낮아져, 임계점에서 표면장력은 영이 되고, 시스템은 액상과 기상이 분리되지 않는 균일한 단일상이 된다. 또한, 임계압력 보다 높은 압력을 받는 액체가 상기 압력이 유지되는 동안 가열되면, 액상과 기상이 공존하는 상태인 기화과정을 거치지 않고 액체가 기체로 변화된다. 반대로, 이러한 초임계 증기는, 임계점 이상으로 가열 가압된 증기가 초임계 압력에서 순차적으로 냉각되었을 때에는 응축공정을 거치지 않고도 액화된다.
도금액 또는 물(도금액의 용매)이 22 MPa(226 Kgf/cm2) 이상의 압력과 374℃(647 K) 이상의 온도로 되었을 때, 임계 또는 초임계 상태에 진입하게 된다. 이러한 상태에서, 공기의 주요성분인 질소와 산소는 초임계 상태로 가게 되므로, 챔버 내부의 시스템은 물과 공기의 균일한 단일상이 된다. 미세공동을 갖는 기판이 이러한 초임계 상태에 위치하게 되면, 공동 안에 잔류하는 공기는 주변으로 분산되고 공동은 초임계 상태에 있는 물로 거의 채워지게 된다. 초임계 압력을 유지시키는 동안 챔버 온도를 상온으로 낮춘 다음, 내부 압력을 정상압으로 낮춤으로써, 챔버 내부의 처리매체는 기화단계를 거치지 않고도 물 또는 도금액의 액상으로 변환되므로, 표면장력 또는 기포형성의 영향을 받지 않고도 공동이 물 또는 도금액으로 채워질 수 있게 된다.
상기 처리매체는 후속되는 일련의 도금공정에 사용되는 도금액 또는 불에서 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 매체는 다음과 같은 제조단계 중 어느 단계에서도 해를 끼치지 않는다. 고온 고압의 상태에서, 물, 산소 및 질소는 단일 액상을 형성하여, 표면장력 또는 기포형성의 영향을 받지 않고도 공동이 액체매체로 채워질 수 있게 된다.
상기 처리매체는 임계압력 또는 임계온도가 물의 임계압력 또는 임계온도 보다 낮은 것이 바람직하다. 따라서, 공동은 보다 손쉬운 상태에서, 즉, 나중에 도금액으로 대체될 수 있는 물의 임계온도 및 압력 보다 낮은 온도 및 압력에서 액체물질로 채워질 수 있게 된다. 그러므로, 매체를 선택하는 기준은, 도금액으로 용이하게 대체가능하여야 한다는 것과, 도금공정에 해로운 영향을 주지 않아야 한다는 것이다.
상기 처리매체는 알코올이 될 수도 있다. 따라서, 공동은 낮은 온도 및 압력에서 액체알코올로 채워질 수 있고, 이는 예비처리 물질을 도금액 안에 담그기만 함으로써 도금액에 의해 대체되어 도금공정을 수행하게 된다.
상기 챔버는 처리매체로 채워지기 이전에 배기되는 것이 바람직하다. 따라서, 공동에 부착되는 공기와 같은 비응축성 가스가 기판의 예비도금 처리 공정을 수행하기 이전에 제거될 수 있고, 따라서, 물 또는 도금액과 같은 처리매체가 공동 안에 좀더 완전하게 그리고 더 신속하게 채워질 수 있게 된다.
상기 처리매체는 액체상태 또는 증기상태로 챔버에 공급될 수 있다. 이러한 다양성은 상기 방법에 유연성을 부여한다. 챔버의 내부환경은 기상의 처리매체를 도입하는 공정 도중에 다양한 압력변화를 갖는다. 따라서, 공동에 부착되는 비응축성 가스가 예비도금 공정 이전에 제거될 수 있고, 따라서, 물 또는 도금액이 기포가 없이 좀더 완전하게 그리고 더 신속하게 공동 안에 채워질 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 장치로서, 이 장치는: 정상온도 및 압력에서는 액체인 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태로 유지시키는 기밀챔버; 챔버 안으로 처리매체를 공급하는 공급장치; 및 챔버 내부의 온도 및 압력을 제어하여, 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태에서 유지시킨 다음, 이 처리매체를 기상을 통과하지 않고도 액상으로 변환시키도록 챔버 내의 온도 및 압력을 제어하는 상태제어장치를 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태는 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시켜 배선을 제조하는 방법으로서, 이 방법은: 기판을 기밀챔버 안에 배치하는 단계; 정상온도 및 압력에서는 액체인 처리매체를 챔버 안으로 도입하는 단계; 챔버 내부의 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태에서 유지시키는 단계; 챔버 내부의 압력 및 온도를 제어하여 기상을 통과하지 않고도 챔버 내부의 처리매체를 액상으로 변환시켜 미세공동 안으로 채우는 단계; 기판을 도금하여 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 단계; 및 화학적 기계적 폴리싱에 의해 기판 상에 용착된 원치 않는 금속영역을 제거하는 단계를 포함한다.
상술된 바와 같이, 초임계 상태에 있는 기판의 성질에 기초하는 본 방법은 미세공동에 도금액이 스며드는 것을 가능하게 한다. 이러한 방법은 또한 무결점 도금을 위해 적절히 처리된 기판을 준비하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 도금성능이 향상되어, 제어할 수 없는 국부적인 결점이 없는 고폼질의 반도체 기판의 생산성을 향상시키고, 따라서 미래에 예상되는 고집적 회로를 얻을 수 있는 기술을 제공하게 된다.
도 1은 예비도금 처리장치의 일실시예를 도시하는 것으로, 이 장치는 주로 기밀실인 처리챔버(53)와, 액체(예비도금 처리매체)이송관(55)과, 처리챔버(53)에 각각 연결되는 가스배출관(57) 및 액체배출관(58)을 포함한다. 압력게이지(7)와 압력스위치(8)가 처리챔버(53)에 부착되고, 처리온도 제어기(78)와 기판(W)을 유지시키는 홀더(2)가 챔버(53) 내부에 수용된다.
액체이송관(55)은 저장탱크(76), 펌프(74), 조절밸브(71), 체크밸브(75), 온도조절기(77) 및 온도센서(6)를 구비하여, 압력을 받은 액체를 처리챔버(53)로 도입하는데 사용된다. 가스배출관(57)은 차단밸브(23)와 릴리프밸브(36)를 구비하여, 처리챔버(53)로부터 가스를 안전하게 배출할 수 있게 한다. 액체배출관(58)은 차단밸브(24)와 조절밸브(72)를 구비하고, 조절된 압력으로 처리챔버(53)로부터 액체의 배출을 관리한다.
상기 장치를 사용한 예비도금 처리방법이 이하에 설명된다. 도 6에 도시된 미세공동(62)을 갖는 기판(W)이 처리챔버(53)의 내부에 배치되고, 액체이송관(55)을 통해 액체가 처리챔버(53) 안으로 도입되고, 이와 동시에, 가스배출관(57)을 통해 공기가 처리챔버(53)로부터 제거된다. 처리챔버(53)가 액체로 채워진 이후에, 가스배출관(57)의 차단밸브(23)가 폐쇄되고, 액체이송관(57)의 펌프(74)를 사용하여, 임계압력 22MPa(226Kgf/cm2) 이상의 압력으로 처리챔버(53)가 가압된다. 이 시점에서, 처리온도 제어기(78)를 사용하여 처리챔버(53) 내의 액체 온도가 임계온도 374℃(647K) 이상의 온도로 상승된다. 액체의 온도상승과 함께 상승되는 압력은 액체배출관(58)의 조절밸브(72)를 통해 잉여액체를 제거함으로써 조절된다.
이러한 순서에 따라, 상기 챔버(53)는 초임계 상태로 유지되고, 처리챔버(53) 내부의 액체 및 소량의 공기는 균일한 단일상을 형성하게 되고, 미세공동(62)은 액체매체를 주로 포함하는 유체로 채워진다. 이어서, 처리온도 제어기(78)를 사용하여, 처리챔버(53)의 온도가 낮아지고, 이와 동시에 액체이송관(55)으로부터 액체가 도입되어 챔버(53) 내부의 압력을 조절하므로, 챔버(53) 내부의 액체가 기화상태를 거치지 않고 상온 또는 정상압력의 정상상태로 복귀된다. 이러한 순서에 따라, 기판(W) 상에 형성되는 공동(62)을 예비도금 처리매체로 채우는 것이 가능하게 된다. 미세공동을 액체로 채운 이후에, 기판은 도금액으로 대체된 액체를 갖도록 도금액 안에 잠기게 되어 도금동작을 수행하게 된다.
도 2는 다른 형태의 예비도금 처리장치를 도시하는 것으로, 이 장치는 도 1에 도시된 장치와 거의 동일하지만, 예비도금 처리매체로서의 고온 증기를 챔버(53) 안으로 도입하여 초임계 환경을 만들도록 설계되었다는 점에서 상이하다. 이러한 경우, 기밀챔버인 처리챔버(53)는: 증기(예비도금 처리매체)이송관(91), 처리챔버(53)에 각각 연결되는 가스배출관(57) 및 액체배출관(58)을 포함한다. 압력게이지(7) 및 압력스위치(8)가 상기 챔버(53)에 부착되고, 기판홀더(2) 및 처리온도 제어기(78)가 챔버(53) 안에 수용된다.
상기 증기이송관(91)은 펌프(74), 보일러(79), 차단밸브(31), 조절밸브(71) 및 온도조절기(80)를 포함하고, 고온고압의 증기뿐만 아니라 초임계 상태의 증기를 챔버(53) 안으로 도입한다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(53)의 내부환경을 기상을 경유하여 초임계상태로 변환시키고, 챔버 내부의 액체가 챔버 내에서 기화됨이 없이 챔버(53) 내부의 물질을 정상온도 및 압력으로 다시 되돌리는 것이 가능하게 된다.
전술한 실시예들에서는, 도금액 처리매체가 초임계 상태에서 사용되었지만, 이 매체를 아임계상태에서 사용하는 것도 가능하다. 또한, 상기 경우 물 또는 도금액이 사용되었지만, 알코올과 같은 다른 매체가 사용될 수도 있다. 예비도금 처리매체로 알코올을 사용함으로써, 낮은 온도 또는 낮은 압력에서도 초임계 상태가 달성될 수 있다. 또한, 미세공동을 알코올로 채운 이후에는, 예비도금 처리매체가 도금액으로 대체되도록 기판이 동일한 또는 다른 챔버에 잠기게 되어 도금동작을 수행하게 된다.
또한 상기 실시예에서는 단지 하나의 기판만이 취급되었지만, 에너지 절약 및 생산성의 관점에서 하나 이상의 기판을 동시에 처리하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 기판은 몇 개의 기판을 유지할 수 있는 카세트 안에 배치되어 액체 안에 잠기게 되고, 이는 예비도금 처리챔버로부터 도금챔버로 기판의 용이한 이송을 가능하게 한다. 또한, 이러한 처리를 하나의 연속적인 공정으로 통합시켜 챔버가 예비도금챔버 및 도금챔버 모두로 사용할 수 있게 설계하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 도금액으로 미세공동을 매끄럽게 충전하기 위한 예비도금을 거쳐, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 생기는 미세공동 안으로 확실한 금속용착을 발생시켜, 집적회로 소자의 배선을 제작하는 방법 및 장치를 제공하게 된다.
도 1은 본 발명에 따르는 예비도금 처리 공정의 실시예를 도시하는 개략도,
도 2는 본 발명에 따르는 예비도금 처리 공정의 다른 실시예를 도시하는 개략도,
도 3은 물의 포화증기압 곡선을 나타내는 그래프,
도 4는 실린더 내에서 일어나는 물의 상변화를 도시하는 도면,
도 5는 물의 상태도,
도 6은 공동 내부의 잔여기포를 도시하는 도면,
도 7은 종래의 도금장치의 개략도.

Claims (11)

  1. 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 방법에 있어서,
    기밀챔버 안에 상기 기판을 배치하는 단계;
    정상 온도 및 압력에서는 물 또는 도금액 또는 알코올 또는 물의 초임계압력이나 초임계온도보다 낮은 초임계압력이나 초임계온도를 가지는 물질인 처리매체를 상기 챔버에 채우는 단계;
    상기 챔버 내부의 상기 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태로 유지시키는 단계;
    상기 챔버 내부의 압력과 온도를 조절하여 상기 챔버 안의 처리매체를 기상을 통과하지 않고 액상으로 변환시켜, 이 액상의 처리매체가 상기 미세공동 안으로 스며들게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 방법에 있어서,
    기밀챔버 안에 상기 기판을 배치하는 단계;
    정상 온도 및 압력에서는 물 또는 알코올 또는 물의 초임계압력이나 초임계온도보다 낮은 초임계압력이나 초임계온도를 가지는 물질인 처리매체를 상기 챔버에 채우는 단계;
    상기 챔버 내부의 상기 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태로 유지시키는 단게;
    상기 챔버 내부의 압력과 온도를 조절하여 상기 챔버 안의 처리매체를 기상을 통과하지 않고 액상으로 변환시켜, 이 액상의 처리매체가 상기 미세공동 안으로 스며들게 하는 단게;
    상기 미세공동 내부의 상기 처리매체를 도금액으로 치환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버는 처리매체로 채워지기 이전에 배기되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 처리매체는 액체상태에서 상기 챔버로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 처리매체는 기체상태에서 상기 챔버로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 8항에 있어서,
    상기 챔버의 내부환경은 기상의 상기 처리매체를 도입하는 공정 도중에 압력변화가 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 장치에 있어서,
    정상온도 및 압력에서 물 또는 도금액 또는 알코올 또는 물의 초임계압력이나 초임계온도보다 낮은 초임계압력이나 초임계온도를 가지는 물질인 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태로 유지시키는 기밀챔버;
    상기 처리매체를 상기 챔버 안으로 공급하는 공급장치;
    상기 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태에서 유지시키고 또한 상기 처리매체를 기상을 통과하지 않고도 액상으로 변환시키기 위해 상기 챔버 안에서의 온도 및 압력을 조절하는 상태제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 10항에 있어서,
    상기 챔버는 도금실로 사용가능한 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 10항에 있어서
    상기 챔버에는 이 챔버를 배기시키는 배기장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 10항에 있어서,
    상기 챔버는 이 챔버 내의 압력을 변화시키는 압력변화장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 기판 상에 생기는 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 방법에 있어서,
    기밀챔버 안에 상기 기판을 배치하는 단계;
    정상 온도 및 압력에서는 물 또는 도금액 또는 알코올 또는 물의 초임계압력 이나 초임계온도보다 낮은 초임계압력이나 초임계온도를 가지는 물질인 처리매체를 상기 챔버 안으로 도입하는 단계;
    상기 챔버 내부의 상기 처리매체를 아임계 또는 초임계 상태로 유지시키는 단계;
    상기 챔버 내의 압력과 온도를 조절하여 상기 챔버 안의 처리매체를 기상을 통과하지 않고 액상으로 변환시켜, 상기 미세공동 안으로 상기 액상의 처리매체를 스며들게 하는 단계;
    상기 기판을 도금하여 미세공동 내부에 금속용착을 발생시키는 단계; 및
    화학 기계적 폴리싱에 의해 상기 기판 상에 용착되는 원하지 않는 금속영역을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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