KR100630678B1 - 알루미늄막의 화학적 기계적 연마용 슬러리, 그 슬러리를사용하는 화학적 기계적 연마 방법 및 그 방법을 사용하는알루미늄 배선 형성방법 - Google Patents

알루미늄막의 화학적 기계적 연마용 슬러리, 그 슬러리를사용하는 화학적 기계적 연마 방법 및 그 방법을 사용하는알루미늄 배선 형성방법 Download PDF

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Abstract

알루미늄막의 화학적 기계적 연마(CMP) 공정에 사용할 수 있는 슬러리, 이 슬러리를 사용한 CMP 방법 및 이 방법을 사용한 알루미늄 배선의 형성방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄막 CMP용 슬러리는 연마제로서 콜로이달 실리카, 산화제로서 과수, 피에이치 조절용 첨가제로서 질산 및/또는 수산화칼륨 그리고 산화막 제거 억제제로서 폴리에틸렌이민을 포함한다. 아울러, 알루미늄막 CMP용 슬러리는 결함 발생 방지제로서 EDTA염을 더 포함할 수도 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 방법을 사용하면, 먼저 결함 발생 방지제를 포함하지 않는 슬러리를 사용하여 1단계로 알루미늄막을 연마한 다음, 결함 발생 방지제를 포함하는 슬러리를 사용하여 잔류 알루미늄막과 장벽 금속층을 연마하여 제거함으로써 알루미늄 배선을 형성한다.
반도체, 화학적 기계적 연마, 알루미늄, 슬러리, 제거율 선택비

Description

알루미늄막의 화학적 기계적 연마용 슬러리, 그 슬러리를 사용하는 화학적 기계적 연마 방법 및 그 방법을 사용하는 알루미늄 배선 형성방법{Chemical mechanical polishing(CMP) slurry for aluminum layer, CMP method using the CMP slurry and forming method for aluminum wiring using the CMP method}
도 1a는 인산 및 수산화칼륨을 사용하여 슬러리의 피에이치를 변화시켰을 경우에 피에이치의 변화에 따른 알루미늄막과 PE-TEOS막의 제거율을 도시한 도면이다.
도 1b는 질산 및 수산화칼륨을 사용하여 슬러리의 피에이치를 변화시켰을 경우에 피에이치의 변화에 따른 알루미늄막과 PE-TEOS막의 제거율을 도시한 도면이다.
도 2는 슬러리에 첨가되는 산화막 제거 억제제의 종류에 따른 PE-TEOS막의 제거율을 도시한 도면이다.
도 3은 슬러리에 첨가되는 폴리에틸렌이민(PEI)의 양의 변화에 따른 알루미늄막과 PE-TEOS막의 제거율을 도시한 도면이다.
도 4는 알루미늄막에 결함이 발생하는 정도를 보여주기 위하여 서로 다른 슬러리를 사용하여 CMP 공정을 진행한 후에 촬영한 알루미늄막 표면에 대한 사진이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 2단계 CMP 방법을 사용하여 알루미늄 배선을 형성하는 방법을 공정 순서에 따라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 CMP 방법을 사용하여 알루미늄 배선을 형성하는 방법을 공정 순서에 따라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 7은 알루미늄 배선 라인의 위치에 따른 알루미늄 배선의 높이를 측정하여 도시한 도면이다.
도 8a는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 두께를 측정한 그래프이다.
도 8b는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 면저항(sheet resistance, Rs)을 측정한 그래프이다.
도 8c는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 누설 전류를 측정한 그래프이다.
본 발명은 화학적 기계적 연마 또는 평탄화(Chemical Mechanical Polishing or Planarization, 이하 'CMP'라 한다) 공정에 사용하는 슬러리 및 그 슬러리를 사용하는 CMP방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄막을 피연마 대상으로 하는 CMP용 슬러리, 그 CMP용 슬러리를 사용하는 CMP 방법 및 그 CMP 방법을 사용하는 알루미늄 배선의 형성방법에 관한 것이다.
현재 반도체 소자의 배선 또는 도전성 플러그를 형성하는데 여러 가지 도전성 물질이 사용되고 있는데, 알루미늄도 그 중의 하나이다. 본 명세서에서 알루미늄이라고 칭하는 경우, 그것은 알루미늄을 주성분으로 하는 알루미늄 합금도 포함한다. 알루미늄 배선 등을 형성하는데 있어서, 종래에는 스퍼터링법이나 CVD법 등의 사용하여 알루미늄막을 증착한 다음, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etch, RIE) 등과 방법을 이용하여 알루미늄 패턴을 형성하였다. 그러나, 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 알루미늄 패턴의 폭 및 패턴 간의 간격이 줄어들면서, 종래의 RIE법을 사용하여 알루미늄 패턴을 형성하는 경우 몇 가지 문제점이 발생하였다. 예컨대, 디자인 룰이 감소하면서 알루미늄막에 대한 RIE 공정은 공정상의 한계에 도달하여, 알루미늄 배선 라인 사이에 브리지(bridge)가 빈번하게 발생한다. 또한, 일렉트로-마이그레이션(electro-migration) 또는 후속 열 공정에 따른 스트레스법에 의한 마이그레이션(heat stress induced migration) 등으로 인하여 알루미늄 패턴에 보이드(void)를 유발시킬 수가 있다.
상기한 RIE 공정을 사용하는데 따른 문제점을 해결하기 위한 한 가지 대안은 알루미늄 배선을 형성하는데 다마신(damascene) 공정을 사용하는 것이다. 알루미늄 또는 구리 등과 같은 금속 배선의 형성을 위한 다마신 공정은 개략적으로 다음과 같은 단계로 구성된다. 먼저 층간 절연층(Inter Metal Dielectric, IMD)을 증착한 뒤 이를 패터닝하여 배선이 형성될 영역을 한정한다. 그리고, 장벽 금속층(barrier metal layer)을 형성한 다음, 장벽 금속층 상에 알루미늄을 두껍게 증착한다. 계속해서, CMP 공정을 사용하여 IMD의 상면에 형성되어 있는 알루미늄 및 장벽 금속층을 제거하면 알루미늄 배선이 만들어진다.
상기한 바와 같은 알루미늄 배선 형성을 위한 다마신 공정에서 알루미늄막에 대한 CMP 공정은 배선의 전기적 특성에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어, IMD 물질인 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율(Removal Rate, RR) 선택비가 작을 경우에는, CMP 공정에서 알루미늄막의 과도한 식각을 유발시킬 염려가 있다. 알루미늄막이 과도하게 식각되어 알루미늄 배선의 표면적이 줄어들면, 배선 저항이 증가하게 되고 결국 반도체 소자의 신호 전달 속도를 감소시켜서 반도체 소자의 스피드를 저하시키는 등 반도체 소자의 성능의 열화를 초래한다.
알루미늄막을 피연마 대상으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리에 대한 일 예는 미국특허 제5,209,816호 또는 일본 특개평 제10-44047호 등에 개시되어 있다. 하지만, 상기한 문헌에 개시된 슬러리는 슬러리는 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 20이하이다. 따라서, 디자인 룰이 지속적으로 감소하고 있는 상황을 고려할 때, 종래 기술에 따른 슬러리를 사용할 경우에는, 전술한 바와 같은 알루미늄막의 과도 식각으로 초래되는 알루미늄 배선의 저항이 증가하는 문제가 더욱 심화될 수가 있다.
한편, 알루미늄막 CMP용 슬러리로서 EP-A5680(Cabot사의 제품) 또는 CMP9003(EKC사의 제품) 등이 현재 사용되고 있다. 이 중에서 EP-A5680을 예로 들면, 알루미나를 연마제로, H2O2와 (NH4)2S2O8를 산화제로 포함하며, 슬러리의 피에이치는 약 3정도이다. EP-A5680을 사용한 경우의 알루미늄막의 제거율은 분당 약 1500Å 내지 6000Å 정도로서 제거율의 편차가 크다. 그리고, 알루미늄막의 표면에는 스크래치 결함 및 부식 결함이 대량으로 발생하는 문제점이 있다. 스크래치 결함은 연마제 등에 의하여 알루미늄막의 표면에 부분적인 손상이 발생하여 막의 표면이 거칠어지는 현상이며, 심한 경우에는 알루미늄막의 표면에 피팅(pitting)이 형성되기도 한다. 그리고, 부식 결함은 알루미늄 이온이 화학적으로 반응하여 알루미늄막으로부터 떨어져 나가는 현상이다.
이러한 결함들은 알루미늄막이 경도가 상당히 낮은 소프트 물질이고 스트레스에 취약하기 때문에 발생하는 것이다. 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 생기게 되면 알루미늄막의 반사율(reflective index, RI)을 저하시키게 될 뿐만이 아니라 알루미늄 배선의 신뢰도가 떨어지고 경우에 따라서는 알루미늄 배선이 중간에서 끊어지는 문제가 발생할 수가 있다.
한편, CMP9003을 사용하여 CMP 공정을 진행할 경우에는 스크래치 결함 등은 대량으로 발생하지 않지만, 알루미늄막의 제거율이 낮아서, 실리콘산화막에 대한 제거율의 선택비가 작은 단점이 있다. 제거율의 선택비가 낮은 경우에는 전술한 바와 같이 알루미늄 배선이 얇아지는 현상 등이 초래될 수 밖에 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 식각 선택비가 큰 알루미늄의 CMP 슬러리, 그 슬러리를 사용하는 CMP방법 및 그 방법을 사용하는 알루미늄 배선 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 피연마 알루미늄막에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있는 알루미늄의 CMP 슬러리, 그 슬러리를 사용하는 CMP방법 및 그 방법을 사용하는 알루미늄 배선 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 피연마 알루미늄막에 디슁(dishing) 및/또는 침식(erosion) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 알루미늄의 CMP 슬러리, 그 슬러리를 사용하는 CMP방법 및 그 방법을 사용하는 알루미늄 배선 형성방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄막의 CMP용 슬러리는 연마제, 산화제, 피에이치(pH) 조절용 첨가제 및 산화막 제거 억제제를 포함한다.
연마제는 알루미늄막의 연마를 위한 것이다. 연마제로서 예를 들어, 실리카[SiO2], 알루미나[Al2O3], 세리아[CeO2], 망가니아[MnO2] 또는 지르코니아[ZrO2] 등이 있으며, 이것들이 조합된 조성물도 연마제로 사용할 수 있다. CMP 공정 후에 알루미늄막의 표면에 스크래치가 생기는 것을 최소화하기 위해서는 연마제로서 콜로이달(colloidal) 실리카를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
산화제는 알루미늄막의 표면에 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 것이다. 산화제로서 예를 들어, 과수[H2O2], 암모니움 세륨 나이트레이트(IV)(ammonium cerium nitrate)[(NH4)2Ce(NO3)6], 하이드록실아민(hydroxylamine)[NH2OH] 또는 암모니움 퍼설페이트(ammonium persurfate)[(NH4)2S2O8] 등이 있다. 상기 산화제 중에서 과수가 가장 바람직하다.
피에이치(pH) 조절용 첨가제는 슬러리의 피에이치를 조절하기 위한 것이다. 피에이치 조절용 첨가제로서 예를 들어, 황산[H2SO4], 염산[HCl], 인산[H3PO4], 질산[HNO3], 구연산(citric acid), 숙신산(succinic acid), 글루탄산(glutaric acid), 타르타르산(tartaric acid) 등의 무기산, 유기산 및 수산화칼륨[KOH], 수산화나트륨[NaOH] 등의 염기가 있다. 실리콘산화막의 제거 속도는 CMP 공정에 사용하는 슬러리의 피에이치에 의존하기 때문에, 피에이치 조절용 첨가제는 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율이 높은 선택비를 가질 수 있게 한다. 실리콘산화막의 제거 속도는 슬러리가 중성인 경우에 낮기 때문에, 예를 들어 슬러리의 피에이치가 4 내지 9가 되도록 피이에치 조절용 첨가제를 사용하는 것이 바람직하다.
산화막 제거 억제제는 실리콘산화막의 제거율을 감소시켜서 실리콘산화막이 제거되는 것을 억제하기 위한 것이다. 산화막 제거 억제제는 실리콘산화막 표면의 실라놀기(silanol radical)와 수소 결합 또는 정전기적 결합을 하는 물질을 사용한다. 예를 들어, 산화막 제거 억제제로는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine, PEI), 콜린 하이드록사이드(choline hydroxide) 또는 콜린 염(choline salt), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetra-methylammonium hydroxide) 또는 테트라알킬암모늄염(tetra-alkylammonium salt)이 있다. 상기 산화막 제거 억제제 중에서 폴리에틸렌이민이 가장 바람직하다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄막의 CMP용 슬러리는 연마제, 산화제, 피에이치(pH) 조절용 첨가제, 산화막 제거 억제제 및 결함 발생 방지제를 포함한다.
연마제는 알루미늄막의 연마를 위한 것이다. 연마제로서 예를 들어, 실리카[SiO2], 알루미나[Al2O3], 세리아[CeO2], 망가니아[MnO2] 또는 지르코니아[ZrO2] 등이 있으며, 이것들이 조합된 조성물도 연마제로 사용할 수 있다. CMP 공정 후에 알루미늄막의 표면에 스크래치가 생기는 것을 최소화하기 위해서는 연마제로서 콜로이달(colloidal) 실리카를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
산화제는 알루미늄막의 표면에 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 것이다. 산화제로서 예를 들어, 과수[H2O2], 암모니움 세륨 나이트레이트(IV)(ammonium cerium nitrate)[(NH4)2Ce(NO3)6], 하이드록실아민(hydroxylamine)[NH2OH] 또는 암모니움 퍼설페이트(ammonium persurfate)[(NH4)2S2O8] 등이 있다. 상기 산화제 중에서 과수가 가장 바람직하다.
피에이치(pH) 조절용 첨가제는 슬러리의 피에이치를 조절하기 위한 것이다. 피에이치 조절용 첨가제로서 예를 들어, 황산[H2SO4], 염산[HCl], 인산[H3PO4], 질산[HNO3], 구연산(citric acid), 숙신산(succinic acid), 글루탄산(glutaric acid), 타르타르산(tartaric acid) 등의 무기산, 유기산 및 수산화칼륨[KOH], 수산화나트륨[NaOH] 등의 염기가 있다. 실리콘산화막의 제거 속도는 CMP 공정에 사용하는 슬러리의 피에이치에 의존하기 때문에, 피에이치 조절용 첨가제는 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율이 높은 선택비를 가질 수 있게 한다. 실리콘산화막의 제거 속도는 슬러리가 중성인 경우에 낮기 때문에, 예를 들어 슬러리의 피에이치가 4 내지 9가 되도록 피이에치 조절용 첨가제를 사용하는 것이 바람직하다.
산화막 제거 억제제는 실리콘산화막의 제거율을 감소시켜서 실리콘산화막이 제거되는 것을 억제하기 위한 것이다. 산화막 제거 억제제는 실리콘산화막 표면의 실라놀기(silanol radical)와 수소 결합 또는 정전기적 결합을 하는 물질을 사용한다. 예를 들어, 산화막 제거 억제제로는 폴리에틸렌이민(polyethylenimine), 콜린 하이드록사이드(choline hydroxide) 또는 콜린 염(choline salt), 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetra-methylammonium hydroxide) 또는 테트라알킬암모늄염(tetra-alkylammonium salt)이 있다. 상기 산화막 제거 억제제 중에서 폴리에틸렌이민이 가장 바람직하다.
결함 발생 방지제는 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 결함 발생 방지제는 알루미늄막의 표면에 흡착하여 알루미늄 양이온과 킬레이트 화합물을 형성하는 화학 작용기를 포함하는 물질을 사용할 수 있다. 이러한 화학 작용기로서 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2) 또는 아조기(-N=N-) 등이 있다. 결함 발생 방지제로는 예를 들어, 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylendiaminetetraacetic acid, EDTA), 벤조트리아졸(benzotriazole, BTA), 프롤린 또는 그것들의 염이 있다. 상기 결함 발생 방지제 중에서 EDTA 또는 그의 염이 가장 바람직하다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 알루미늄막의 CMP 방법은 반도체 기판 상에 형성되어 있는 알루미늄막에 대한 CMP 공정으로서, 연마제, 산화제, 피에이치 조절용 첨가제, 산화막 제거 억제제 및 결함 발생 방지제를 포함하는 알루미늄막 CMP용 슬러리를 제공하는 단계 및 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 연마제로서 콜로이달 실리카를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 산화제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.5중량% 내지 5중량%의 과수를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 피에이치가 4 내지 9일 수 있다. 그리고, 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 산화막 제거 억제제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.1중량% 내지 5중량%의 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 결함 발생 방지제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.01중량% 내지 1중량%의 이디티에이 또는 이디티에이염을 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 알루미늄막의 CMP 방법은 반도체 기판 상에 형성되어 있는 알루미늄막에 대한 2단계 CMP 방법으로서, 연마제, 산화제, 피에이치 조절용 첨가제 및 산화막 제거 억제제를 포함하지만, 상기 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 결함 발생 방지제는 포함하지 않는 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리를 제공하는 단계, 상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 제1 CMP 단계, 연마제, 산화제, 피에이치 조절용 첨가제, 산화막 제거 억제제와 결함 발생 방지제도 포함하는 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리를 제공하는 단계 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 제2 CMP 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 및 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 연마제로서 콜로이달 실리카를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 산화제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.5중량% 내지 5중량%의 과수를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 피에이치가 4 내지 9일 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 산화막 제거 억제제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.1중량% 내지 5중량%의 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 결함 발생 방지제로서 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.01중량% 내지 1중량%의 이디티에이 또는 이디티에이염을 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 배선 형성방법은 먼저 반도체 기판 상에 실리콘산화물로 층간 절연층을 형성한 다음, 상기 층간 절연층을 패터닝하여 알루미늄 배선이 형성될 영역을 한정하는 층간 절연층 패턴을 형성한다. 그리고, 상기 층간 절연층 패턴 상에 장벽 금속층을 형성한 다음, 상기 장벽 금속층 상에 알루미늄을 도포하여 알루미늄막을 형성한다. 계속해서, 상기한 본 발명의 바람직한 첫 번째 실시예에 따른 알루미늄막 CMP 방법 즉, 연마제, 산화제, 피에이치 조절제, 산화막 제거 억제제 및 결함 발생 방지제를 포함하는 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 연마함으로써 알루미늄 배선을 형성한다.
상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 배선 형성방법은 먼저 반도체 기판 상에 실리콘산화물로 층간 절연층을 형성한 다음, 상기 층간 절연층을 패터닝하여 알루미늄 배선이 형성될 영역을 한정하는 층간 절연층 패턴을 형성한다. 그리고, 상기 층간 절연층 패턴 상에 장벽 금속층을 형성한 다음, 상기 장벽 금속층 상에 알루미늄을 도포하여 알루미늄막을 형성한다, 계속해서, 상기한 본 발명의 바람직한 두 번째 실시예에 따른 알루미늄막 CMP 방법 즉 알루미늄막에 대한 2단계 CMP 방법을 사용하여 상기 알루미늄막을 연마함으로써 알루미늄 배선을 형성한다. 이 경우에, 제1 CMP 단계는 상기 층간 절연층의 상면에 형성되어 있는 상기 장벽 금속층이 노출되기 전까지 수행하는 것이 바람직하다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 예시적으로 제공되어지는 것들이다. 도면에 있어서, 층의 두께 및/또는 영역들의 크기 등은 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
알루미늄막 CMP용 제1 슬러리
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄막 CMP용 제1 슬러리는 콜로이달 실리카, 과수, 질산 및/또는 수산화 칼륨 그리고 폴리에틸렌이민을 포함하는 조성물이다.
콜로이달 실리카는 상기 제1 슬러리의 연마제이다. 연마제로 사용할 수 있는 화합물로는 실리카이외에 예컨데, 알루미나, 세리아, 망가니아 또는 지르코니아나, 이들이 2가지 이상 혼합되어 있는 조성물 등이 있다. 연마제를 선택할 때는 강도가 낮고 표면이 소프트한 알루미늄막의 특성을 고려하는 것이 바람직하다. 즉, CMP 공정을 진행한 다음에, 피연마 알루미늄막의 표면에 스크래치가 발생하는 것을 최소화할 수 있어야 한다. 이를 위하여 연마제의 입자 크기가 작고 균일한 것이 바람직하다. 콜로이달 실리카는 이와 같은 특성을 만족시킬 수가 있다. 연마제는 상기 제1 슬러리 총중량을 기준으로 했을 때, 약 2중량% 내지 약 20중량%의 범위로 포함되어 있는 것이 바람직하며 보다 바람직하게는 약 8중량% 내지 약 12중량%, 가장 바람직하게는 약 10중량% 정도가 포함되어 있을 수 있다.
과수는 상기 제1 슬러리의 산화제이다. 산화제는 알루미늄과 반응을 하여 알루미늄막의 표면에 산화알루미늄막을 형성시키는 물질이다. 산화제로 사용할 수 있는 화합물로는 예컨대 과수, 암모늄 세륨 나이트레이트, 하이드록실아민 또는 암모늄 퍼설페이트 등이 있다. 산화제를 선택할 때에는 알루미늄의 제거율, 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비 및/또는 CMP 공정을 완료한 다음의 알루미늄막의 표면 특성 등을 고려한다. 상기한 제반 특성을 고려하면, 산화제로서 과수가 가장 바람직하다. 과수는 알루미늄막 CMP용 제1 슬러리의 총중량을 기준으로 했을 때, 약 0.5중량% 내지 5중량%의 범위로 포함되어 있을 수 있다.
< 제1 실험예 >
본 발명의 실험예들은 CMP 설비로서 에바라(EBARA)사의 F-REX 200 설비를 사용하였다. 실험에 사용한 F-REX 설비의 연마 패드로서, 상부 연마 패드(top polishing pad)는 IC 1000을, 그리고 하부 연마 패드(sub polishing pad)는 SUBA 4을 사용하였다. 후술된 실험 데이터들은 연마 패드에 대한 웨이퍼의 접촉 압력(연마 로드)을 250헥토파스칼(hPa), 연마 패드가 부착된 연마 플레이트의 회전 속도는 80rpm으로 설정하고 실험을 진행하여 얻어진 것들이다. 이하, 후술되어 있는 실험예들 모두 동일한 조건에서 얻어진 것들이다.
제1 실험예에서는 산화제의 종류를 변화시켜 가면서, 알루미늄막의 제거율, 층간 절연층 물질의 하나인 PE-TEOS막의 제거율 및 CMP 공정 후의 알루미늄막의 반사율(Reflexive Index, RI)을 측정하였다. CMP 공정에서는 상기 산화제가 CMP 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 10중량%의 콜로이달 슬러리를 주성분으로 산화제만을 변화시킨 것을 슬러리로 사용하였다. 첨가된 산화제는 모두 0.1M 농도였다. 상기한 제1 실험예의 실험 결과가 표 1에 도시되어 있다. 표 1을 참조하면, 알루미늄막의 제거 속도, 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비 및 CMP 공정 후의 알루미늄막 표면의 특성을 전체적으로 고려했을 때, 산화제로서 과수가 가장 적합한 것을 알 수 있다.
Al의 제거율 (Å/분) PE-TEOS의 제거율(Å/분) 제거율 선택비(Al:PE-TEOS) Al의 반사율 (RI)
과수 2836 134 21 : 1 205
하이드록실아민 2466 154 16 : 1 46
암모늄 퍼설페이트 2238 821 3 : 1 208
암모늄 세륨 나이트레이트 1793 862 2 : 1 208
피에이치 조절용 첨가제는 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비를 크게 하기 위한 물질의 하나이다. 알루미늄막 및 실리콘산화막의 제거율은 CMP 공정에서 사용하는 슬러리의 피에이치에 따라 변하는데, 특히 실리콘산화막의 제거율이 슬러리의 피에이치값에 따라서 크게 차이가 난다. 특히, 슬러리가 중성에 가까운 경우 예컨데 슬러리의 피에이치가 4 내지 9 사이인 경우에 실리콘산화막의 제거율이 낮기 때문에 상기 제거율 선택비도 크다. 피에이치 조절용 첨가제로 사용할 수 있는 적정제(titrant)로는 황산, 염산, 인산, 질산, 시트릭산, 숙신산, 글루탄산 또는 타아르타아르산 등과 같은 무기산, 유기산 또는 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등과 같은 염기가 있다.
< 제2 실험예 >
제2 실험예에서는 슬러리의 피에이치를 변화시켜 가면서, 알루미늄막의 제거율 및 층간 절연층 물질의 하나인 PE-TEOS막의 제거율을 측정하였다. 피에이치 제거용 첨가제로서의 적정제는 질산 및 수산화칼륨을 사용하였다. 본 실험예의 CMP 공정에서는 슬러리의 피에이치가 CMP 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 10중량%의 콜로이달 연마제 및 1중량%의 과수를 함유한 슬러리를 주성분으로 한 다음, 적정제를 사용하여 슬러리의 피에이치만을 변화시킨 것을 슬러리로 사용하였다. 상기한 제2 실험예의 실험 결과가 표 2 및 도 1a에 도시되어 있다. 표 2 및 도 1a를 참조하면, 알루미늄막의 제거율 및 실리콘산화막의 제거율은 슬러리의 피에이치에 따라서 변하며, 특히 슬러리의 피에이치가 4 내지 9사이인 경우에 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 큰 것을 알 수 있다.
슬러리의 피에이치 Al의 제거율 (Å/분) PE-TEOS의 제거율(Å/분) 제거율 선택비(Al : PE-TEOS)
2.1 2543 1165 2 : 1
4.5 3109 469 7 : 1
6.0 3375 297 11 : 1
7.6 2863 173 16 : 1
8.5 2328 222 11 : 1
9.9 1614 335 5 : 1
10.7 1617 453 4 : 1
그리고, 도 1b에는 적정제로서 질산 및 수산화칼륨을 사용하여 동일한 실험을 진행한 결과가 그래프로 도시되어 있다. 도 1b를 참조하면, 제거율 선택비가 최대가 되는 슬러리의 피에이치는 도 1a의 그것과 다른 것을 알 수 있다. 그러나, 적정제의 종류가 달라도 높은 제거율 선택비가 나타나는 피에이치 구간은 도 1a의 그것과 거의 비슷한 것을 알 수 있다.
폴리에틸렌이민은 상기 제1 슬러리의 산화막 제거 억제제이다. 산화막 제거 억제제는 실리콘산화막의 제거율을 감소시키기 위한 물질이다. 산화막 제거 억제제는 실리콘산화막 표면의 실리놀기와 수소 결합 또는 정전기적 인력에 의하여 결합하여 실리콘산화막의 표면에 흡착이 되는 물질이다. 산화막 제거 억제제로 사용할 수 있는 화합물로는 폴리에틸렌이민이외에 예컨데, 콜린 하이드록사이드, 콜린 염, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 및 테트라알킬암모늄 등이 있다. 슬러리에 산화막 제거 억제제가 존재하면, 이것이 실리콘산화막의 표면에 흡착되어 연마 공정의 완충작용을 하기 때문에, 실리콘산화막의 제거율이 감소하게 된다. 산화막 제거 억제제는 상기 제1 슬러리 총중량을 기준으로 했을 때, 약 0.1중량% 내지 약 5중량%의 범위로 포함되어 있는 것이 바람직하며, 약 0.15중량% 내지 약 0.5중량% 정도 포함되어 있는 것이 보다 바람직하다.
< 제3 실험예 >
제3 실험예에서는 산화막 제거 억제제의 종류를 변화시켜 가면서, 알루미늄막의 제거율 및 층간 절연층 물질의 하나인 PE-TEOS막의 제거율을 측정하였다. 본 실험예의 CMP 공정에서는, 산화막 제거 억제제의 종류가 CMP 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 10중량%의 콜로이달 연마제, 1중량%의 과수를 함유한 슬러리를 주성분으로 슬러리에 산화막 제거 억제제의 종류를 변화시킨 것을 슬러리로 사용하였다. 산화막 제거 억제제는 0.5중량%을 첨가하였다. 상기한 제3 실험예의 실험 결과는 표 3에 개시되어 있다. 표 3을 참조하면, 폴리에틸렌이민을 첨가한 경우에, 슬러리의 피에이치가 중성에 가까우며 그 결과 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 가장 큰 것을 알 수 있다.
산화막 제거 억제제 슬러리의 pH Al의 제거율 (Å/분) PE-TEOS의 제거율(Å/분) 제거율 선택비(Al : PE-TEOS)
PEI 7.7 2151 17 123 : 1
콜린 10.6 3569 93 37 : 1
TMAH 10.8 4483 134 34 : 1
도 2에는 제3 실험예의 결과가 그래프로 도시되어 있다. 도 2에는 산화막 제거 억제제가 첨가되었을 경우의 효과를 보여주기 위하여 산화막 제거 억제제를 아무것도 첨가하지 않은 경우와 비교하여 나타내었다. 도 2를 참조하면, 폴리에틸렌이민을 첨가하면, PE-TEOS막의 제거율이 현저하게 작고, 그 결과 제거율 선택비가 증가하는 것을 알 수 있다.
< 제4 실험예 >
제4 실험예에서는 폴리에틸렌이민의 첨가량을 변화시켜 가면서, 알루미늄막의 제거율 및 층간 절연층 물질의 하나인 PE-TEOS막의 제거율을 측정하였다. 본 실험예의 CMP 공정에서는, 폴리에틸렌이민의 양이 CMP 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 10중량%의 콜로이달 연마제, 1중량%의 과수를 함유한 슬러리를 주성분으로 슬러리에 폴리에틸렌이민의 첨가량을 변화시킨 것을 슬러리로 사용하였다. 상기한 제4 실험예의 실험 결과는 표 4에 개시되어 있다. 표 4를 참조하면, 폴리에틸렌이민을 0.1중량% 이상을 첨가한 경우에, PE-TEOS의 제거율이 현저하게 작아지고 그 결과, 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 크게 나오는 것을 알 수 있다. 도 3에는 제4 실험예의 결과가 그래프로 도시되어 있다.
PEI첨가량(중량%) Al의 제거율 (Å/분) PE-TEOS의 제거율(Å/분) 제거율 선택비(Al : PE-TEOS)
0 2836 134 21 : 1
0.01 2612 202 13 : 1
0.03 2886 214 13 : 1
0.05 2293 167 14 : 1
0.1 1187 24 50 : 1
0.3 1849 16 119 : 1
0.5 2151 17 123 : 1
1 2237 21 107 : 1
알루미늄막 CMP용 제2 슬러리
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄막 CMP용 제2 슬러리는 콜로이달 실리카, 과수, 질산 및/또는 수산화칼륨, 폴리에틸렌이민 및 EDTA를 포함하는 조성물이다. 제2 슬러리는 상기 제1 슬러리에 EDTA를 더 포함하고 있다. 즉, 제2 슬러리 조성물에 포함되어 있는 콜로이달 실리카, 과수, 질산 및/또는 수산화칼륨 및 폴리에틸렌이민의 구성, 함량 및 그것의 작용 등은 제1 슬러리 조성물과 동일하다.
EDTA는 제2 슬러리의 결함 발생 방지제이다. 결함 발생 방지제는 피연마 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지 또는 억제하는 역할을 한다. 제1 슬러리 조성물은 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율의 고선택비를 확보할 수 있으며, CMP 공정 후에 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및 부식 결함이 발생하는 것을 어느 정도 억제할 수는 있지만 상기한 결함의 발생을 충분하게 방지할 수는 없다.
도 4에는 세 가지 다른 종류의 슬러리를 사용하여 CMP 공정을 실시한 후에, 피연마 알루미늄막에 상기한 결함이 나타나는 정도를 알아보기 위하여 알루미늄막의 표면을 촬영한 사진이 도시되어 있다. 도 4의 (A)는 10중량%의 콜로이달 실리카 및 1중량%의 과수를 포함하고, 피에이치가 7이 되게 조절된 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용한 경우이고, 도 4의 (B)는 (A)의 슬러리에 0.5중량%의 폴리에틸렌이민을 더 첨가한 경우 즉 상기한 제1 슬러리를 사용한 경우이고, 그리고 도 4의 (C)는 (B)의 슬러리에 0.1중량%의 EDTA를 더 첨가한 경우 즉 상기한 제2 슬러리를 사용한 경우이다. 도 4를 참조하면, (B)에 도시된 알루미늄막의 표면에도 많은 결함이 존재하지만,(A)에 도시된 알루미늄막의 표면 보다는 결함이 적게 존재하며, (C)에 도시된 알루미늄막의 표면에는 결함이 거의 존재하지 않는 것을 알 수 있다.
결함 발생 방지제는 알루미늄막의 표면에 보호막을 형성함으로써 알루미늄막을 보호할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 특정한 화합물의 경우 알루미늄막의 표면에 흡착하는 물질이 존재한다. 상기 물질은 알루미늄 양이온과 킬레이트 화합물을 형성함으로써, 알루미늄막의 표면에 흡착하게 된다. 따라서, 결함 발생 방지제는 알루미늄이온과 결합하여 킬레이트 화합물을 형성할 수 있는 화학 작용기를 포함하는 물질이다. 이러한 화학 작용기로서 카르복실기(-COOH), 아민기(-NH2) 또는 아조기(-N=N-) 등이 있다. 결함 발생 방지제로 사용할 수 있는 화합물로는 EDTA외에 벤조트리아졸 또는 L-프롤린 등이나 이들의 염이 있다. 이 중에서, 결함 발생 방지제로서 EDTA 또는 그 염이 가장 바람직하다.
< 제5 실험예 >
제5 실험예는 상기한 제1 실험예 내지 제4 실험예와 동일한 CMP설비를 사용하여 동일한 공정 조건에서 실험한 것이다. 다만, 결함 발생 방지제를 첨가한 경우의 효과 및 바람직한 결함 발생 방지제를 결정하기 위하여 제2 슬러리에 첨가되는 결함 발생 방지제의 종류를 변화시켜 가면서 실험을 진행하였다. 즉, 제5 실험예에서는 10중량%의 콜로이달 실리카, 1중량%의 과수 및 0.5중량%의 폴리에틸렌이민과 0.1중량%의 결함 발생 방지제를 포함하는 슬러리를 사용하였으며, 슬러리의 피에이치는 상술한 바와 같이 4 내지 9사이의 범위가 되도록 조절하였다.
상기한 제5 실험예의 실험 결과는 표 5에 도시되어 있다. 표 5를 참조하면, 각 결함 발생 방지제에 따라서 알루미늄막의 반사율은 크게 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 각 결함 발생 방지제는 모두 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함이나 부식 결함을 발생시키는데 상당한 효과가 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 알루미늄막의 제거율 및 PE-TEOS막에 대한 제거율 선택비를 함께 고려할 경우에, EDTA염이 결함 발생 방지제로서 가장 바람직한 화합물인 것을 알 수 있다.
결함 발생 방지제 Al의 제거율 (Å/분) PE-TEOS의 제거율(Å/분) 제거율 선택비(Al : PE-TEOS) Al의 반사율 (RI)
벤조트리아졸 922 32 29 : 1 209
L-프롤린 895 23 39 : 1 209
EDTA디암모늄염 1332 20 67 : 1 210
알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하는 제1 CMP 방법 및 제1 CMP 방법을 사용하는 제1 알루미늄 배선 형성방법
도 5a 및 도 5d에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 알루미늄막에 대한 제1 CMP방법을 사용하여 알루미늄 배선을 형성하는 방법이 공정 순서에 따라 개략적으로 도시되어 있다. 후술한 실시예는 다마신 공정을 이용하여 알루미늄 배선을 형성하는 과정이 도시되어 있지만, 본 실시예는 다마신 공정에만 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예는 알루미늄막에 대한 CMP 공정을 포함하는 모든 종류의 알루미늄 배선 형성 공정에 적용이 가능하다.
도 5a를 참조하면, 먼저 반도체 기판(110) 상에 알루미늄 배선이 형성될 영역이 한정되어 있는 층간 절연층 패턴(120)을 형성한다. 층간 절연층 패턴(120)은 반도체 기판(110) 상에 층간 절연층을 형성한 다음, 포토리소그라피 공정을 실시하는 통상의 반도체 제조 방법을 이용하여 형성이 가능하다. 반도체 기판(110)과 층간 절연층 패턴(120) 사이에는 반도체 회로가 형성되어 있는 다른 물질층이 더 포함되어 있을 수 있다. 그리고, 층간 절연층은 실리콘 산화물, 인 도핑된 규소 유리(PSG), 붕소-인 도핑된 규소 유리(BPSG), 플라즈마 강화 테트라에틸오르소실리케이드(PE-TEOS) 또는 실란으로 유도된 실리콘 산화물 등과 같은 유전 물질로 형성할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 패턴이 형성되어 있는 층간 절연층(120) 상에 장벽 금속층(barrier metal layer, 130)을 형성한 다음, 장벽 금속층(130)에 알루미늄을 두껍게 도포하여 알루미늄막(140)을 형성한다. 장벽 금속층(130)은 티타늄막, 티타늄나이트라이드막, 탄탈륨막 또는 탄탈륨나이트라이드막이나 이들의 복합막으로 형성할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 상기 결과물에 대하여 제1 CMP 공정을 진행한다. 제1 CMP 단계에서는 상기한 알루미늄막 CMP용 제1 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다. 제1 CMP 단계에서는 연마 속도의 향상을 통한 처리량(throughput)을 증가시키기 위하여, 결함 발생 방지제를 포함하지 않는 제1 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 결함 발생 방지제를 포함하는 상기한 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄막 CMP용 제2 슬러리는 알루미늄막의 제거 속도를 떨어뜨리고, 따라서 CMP 공정에 소요되는 시간을 증가시킬 수 있기 때문이다.
그리고, 제1 CMP 단계는 장벽 금속층(130)이 노출되기 전까지 실시하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 제1 슬러리는 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함이나 부식 결함을 유발할 수 있는 가능성이 크기 때문에, 장벽 금속층(130)이 노출될 때까지 제1 CMP 공정을 진행하면 실제 형성될 알루미늄 배선에도 다수의 결함을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서, 본 실시예에서는 장벽 금속층(130)이 노출되기 전까지 제1 CMP 공정을 실시한 다음, 제2 CMP 공정에서는 알루미늄막에 결함이 형성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예컨데, 알루미늄막(140a)의 잔류 두께가 약 100Å 내지 약 1000Å 정도가 될 때까지 제1 CMP 공정을 실시할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 제1 CMP 공정이 완료된 결과물에 대하여 제2 CMP 공정을 진행한다. 제2 CMP 단계에서는 상기한 알루미늄막 CMP용 제2 슬러리를 사용하는 것이 바람직하다. 처리량을 증가시키기 위한 제1 CMP 단계와는 달리 제2 CMP 단계에서는 최종적으로 형성될 알루미늄 배선(140b)에 결함이 형성되는 것을 방지하는 것이 더욱 중요하기 때문이다. 따라서, 제2 CMP 단계에서는 EDTA염 등과 같은 결함 발생 방지제를 포함하고 있는 슬러리를 사용하여 연마 공정을 진행한다. 그리고, 제2 CMP 단계에서는 제2 CMP 단계에서는 잔류하는 알루미늄막(140a) 및 층간 절연층(120)의 상면에 형성되어 있는 장벽 금속층(130)을 완전히 제거할 때까지 연마 공정을 진행한다. 그 결과, e도시된 것과 같이 층간 절연층 패턴 내(120)에 장벽 금속층(130a) 및 알루미늄 배선(140b)이 완성된다.
제1 CMP 단계 및 제2 CMP 단계 각각의 연마 공정 시간은 금속막에 대한 CMP 공정에서의 종료점 검출(End Point Detect, EPD) 제어 방법을 사용하여 결정할 수 있다. 예를 들어, EPD 제어 방법을 사용하면 모터에 흐르는 전류량의 변화를 감지함으로써 피연마 물질막의 제거 정도를 판단할 수 있기 때문에, 상기 EPD 제어 방법을 사용하면 본 발명의 실시예와 같이 2단계 CMP 공정에서 제1 CMP 단계의 종료점 및 제2 CMP 단계의 시작점을 결정할 수가 있다.
그리고, 본 실시예에 의하면, 제1 CMP 단계 및 제2 CMP 단계에서 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 높은 슬러리를 사용하기 때문에 알루미늄 배선이 과도하게 식각되지 않으며, 종래 기술에 비하여 디슁 및 이로젼 현상이 완화된다. 도 7에는 알루미늄 배선에 나타나는 디슁 현상을 측정하기 위하여 알루미늄 배선의 위치에 따라 측정된 알루미늄 배선의 높이를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 도 7에서는 본 발명의 2단계 CMP 방법에 따른 실시예에 따라 측정된 그래프(2 Step)를 상기 제1 슬러리에 의한 1단계 CMP 방법에 따라 측정된 그래프(1 Step)가 함께 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 2단계 CMP 방법에 의할 경우에, 디슁 현상이 현저하게 완화되는 것을 알 수 있다.
도 8a 내지 도 8c에는 다마신 공정을 사용하여 동일한 패턴을 가진 구리 배선과 알루미늄 배선을 형성한 결과물에 대하여 측정한 데이터가 도시되어 있다. 알루미늄 배선 형성 공정에서는 상기한 2단계 CMP방법을 사용하였다.
도 8a에는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 두께를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 도 8a를 참조하면, 구리 배선의 두께는 약 5400Å 내지 6000Å 사이로서 편차가 약 600Å 정도가 되지만, 알루미늄 배선의 두께는 약 5800Å 내지 6000Å 사이로서 편차가 약 200Å 정도인 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 2단계 CMP방법을 사용할 경우에는 구리막에 비하여 알루미늄막의 손실이 적게 발생하도록 하는 것이 가능하며, 아울러 두께 산포가 양호한 알루미늄 배선을 형성할 수가 있다.
도 8b에는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 면저항(sheet resistance, Rs)을 측정한 그래프가 도시되어 있다. 일반적으로, 배선의 면저항은 그 물질의 비저항(구리의 비저항은 약 1.7마이크로Ωㆍcm, 알루미늄의 비저항은 약 3.2 마이크로Ωㆍcm )에 비례하고, 배선의 두께에 반비례 한다. 따라서, 도 8b를 참조하면, 본 실시예에 따른 2단계 CMP 공정을 사용하면, 알루미늄 배선의 제거량이 구리 배선의 제거량과 거의 같거나 이보다 더 적다는 것을 알 수 있다.
도 8c에는 CMP 공정을 실시한 후에 구리 배선 및 알루미늄 배선의 누설 전류를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 일반적으로, 누설 전류는 10E-11(A)이나 10E-12(A)이하인 경우에는 누설 전류 특성이 양호한 것으로 평가된다. 도 8c를 참조하면, 구리 배선이나 알루미늄 배선 모두 누설 전류 특성이 양호한 것을 알 수 있으며, 특히, 본 실시예에 의하면 알루미늄 배선의 누설 전류가 더 작음을 알 수 있다. 따라서, 알루미늄막의 과소 식각(under etch)에 의한 알루미늄 잔류물로 인하여 이웃한 알루미늄 배선이 서로 단락이 되는 현상이, 본 발명의 실시예에 따른 2단계 CMP 방법에서는 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다.
알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하는 제2 CMP 방법 및 제2 CMP 방법을 사용하는 제2 알루미늄 배선 형성방법
도 6a 및 도 6c에는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 알루미늄막에 대한 제2 CMP방법을 사용하여 알루미늄 배선을 형성하는 방법이 공정 순서에 따라 개략적으로 도시되어 있다. 제1 CMP 방법과 마찬가지로, 후술한 실시예는 다마신 공정을 이용하여 알루미늄 배선을 형성하는 과정이 도시되어 있지만, 본 실시예는 다마신 공정에만 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예는 알루미늄막에 대한 CMP 공정을 포함하는 모든 종류의 알루미늄 배선 형성 공정에 적용이 가능하다.
도 6a를 참조하면, 먼저 반도체 기판(210) 상에 알루미늄 배선이 형성될 영역이 한정되어 있는 층간 절연층 패턴(220)을 형성한다. 층간 절연층 패턴(220)은 반도체 기판(210) 상에 층간 절연층을 형성한 다음, 포토리소그라피 공정을 실시하는 통상의 반도체 제조 방법을 이용하여 형성이 가능하다. 반도체 기판(210)과 층간 절연층 패턴(220) 사이에는 반도체 회로가 형성되어 있는 다른 물질층이 더 포함되어 있을 수 있다. 그리고, 층간 절연층은 실리콘 산화물, PSG, BPSG 또는 실란으로 유도된 실리콘 산화물 등과 같은 유전 물질로 형성할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 패턴이 형성되어 있는 층간 절연층(220) 상에 장벽 금속층(230)을 형성한 다음, 장벽 금속층(230)에 알루미늄을 두껍게 도포하여 알루미늄막(240)을 형성한다. 장벽 금속층(230)은 티타늄막, 티타늄나이트라이드막, 탄탈륨막 또는 탄탈륨나이트라이드막이나 이들의 복합막으로 형성할 수 있다. 상기한 단계까지는 제1 알루미늄 배선 형성방법과 동일하다.
도 6c를 참조하면, 상기 결과물에 대하여 CMP 공정을 진행한다. 본 실시예에 적용할 수 있는 CMP 공정은 본 발명의 제2 CMP 방법으로서 상기한 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄막 CMP용 제2 슬러리로서, 결함 발생 방지제를 포함하는 슬러리를 사용한다. 즉, 상기 제2 슬러리 한 가지만을 사용하여 층간 절연층(220)의 상면에 형성되어 있는 장벽 금속층(220)을 모두 제거할 때까지 CMP 공정을 진행한다. 그 결과, 도 6c에 도시된 것과 같은 알루미늄 배선(240a)이 만들어진다.
본 실시예에 의하면, CMP 공정을 1단계로 실시하기 때문에 전체 공정을 단순화시킬 수가 있다. 아울러, CMP 공정의 전 과정에서 결함 발생 방지제를 포함하는 슬러리를 사용하기 때문에 알루미늄 배선이 과도하게 식각되는 문제점 및 디슁, 이로젼 현상이 발생하는 것을 보다 효율적으로 방지할 수가 있다. 본 실시예는 알루미늄막의 두께를 상대적으로 얇게 형성하는 경우에 보다 적합한 방법이 될 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘산화막에 대한 알루미늄막의 제거율 선택비가 높은 알루미늄막 CMP용 슬러리를 제공할 수가 있다. 따라서, 알루미늄막에 대한 CMP 공정에서 알루미늄막이 과도하게 식각되는 것을 방지할 수가 있으며, 그 결과 알루미늄 배선의 두께가 얇아지거나 및/또는 디슁 및 이로젼 현상에 의하여 알루미늄 배선의 저항이 증가하는 문제점을 해결할 수가 있다.
그리고, 본 발명에 의한 CMP 방법을 이용하여 알루미늄 배선을 형성하게 되면 알루미늄 배선에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지할 수가 있으며, 따라서 알루미늄 배선의 전기적 특성이 열화되는 것을 방지할 수가 있다.
그리고, 본 발명에 의한 2단계 CMP 방법을 이용하여 알루미늄 배선을 형성하게 되면 1단계 CMP 방법에 대하여 처리량을 증가시킬 수 있기 때문에, 생산성이 향상되고 생산비용을 절감할 수가 있다.

Claims (29)

  1. 알루미늄막에 대한 화학적 기계적 연마 공정에 사용하기 위한 슬러리 조성물에 있어서,
    연마제;
    산화제;
    피에이치(pH) 조절용 첨가제; 및
    실리콘산화막의 제거율을 낮추기 위한 물질로서 폴리에틸렌이민으로 이루어지는 산화막 제거 억제제를 포함하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  2. 알루미늄막에 대한 화학적 기계적 연마 공정에 사용하기 위한 슬러리 조성물에 있어서,
    연마제;
    상기 알루미늄막에 알루미늄 산화막을 형성하기 위한 산화제;
    피에이치(pH) 조절용 첨가제;
    실리콘산화막의 제거율을 낮추기 위한 물질로서 폴리에틸렌이민으로 이루어지는 산화막 제거 억제제; 및
    상기 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및 부식 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 물질로서 프롤린 또는 이들의 염 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 결함 발생 방지제를 포함하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연마제는 실리카, 알루미나, 세이라, 망가니아, 지르코니아 또는 이들의 조합으로 이루어진 조성물인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화제는 과수, 암모늄 세륨 나이트레이트, 하이드록실아민 또는 암모늄 퍼설페이트인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피에이치 조절용 첨가제는 황산, 염산, 인산, 질산, 시트릭산, 숙신산, 글루탄산 또는 타아르타아르산 중에서 선택되는 어느 하나의 무기산, 유기산, 또는 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 중에서 선택되는 어느 하나의 염기인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  9. 알루미늄막에 대한 화학적 기계적 연마 공정에 사용하기 위한 슬러리 조성물에 있어서,
    콜로이달 실리카;
    과수;
    피에이치 조절용 첨가제; 및
    폴리에틸렌이민을 포함하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 과수의 함량은 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.5중량% 내지 5중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 피에이치는 4 내지 9인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌이민의 함량은 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.1중량% 내지 5중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP용 슬러리.
  15. 반도체 기판 상에 형성되어 있는 알루미늄막을 화학적 기계적으로 연마하는 방법에 있어서,
    제2항에 기재되어 있는 알루미늄막 CMP용 슬러리를 제공하는 단계; 및
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 단계를 포함하는 알루미늄막 CMP 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 콜로이달 실리카를 연마제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.5중량% 내지 5중량%의 과수를 산화제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 피에이치가 4 내지 9인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.1중량% 내지 5중량%의 폴리에틸렌이민을 산화막 제거 억제제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 알루미늄막 CMP용 슬러리는 상기 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.01중량% 내지 1중량%의 이디티에이 또는 이디티에이염을 결함 발생 방지제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  21. 반도체 기판 상에 형성되어 있는 알루미늄막을 화학적 기계적으로 연마하는 방법에 있어서,
    상기 알루미늄막의 표면에 스크래치 결함 및/또는 부식 결함이 발생하는 것을 방지하기 위한 결함 발생 방지제를 포함하지 않는 제1항에 기재되어 있는 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 제1 CMP 단계;
    상기 제1 CMP 단계 후, 제2항에 기재되어 있는 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리를 사용하여 상기 알루미늄막을 화학적 기계적 연마하는 제2 CMP 단계를 포함하는 알루미늄막 CMP 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 각각 콜로이달 실리카를 연마제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 각각 상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.5중량% 내지 5중량%의 과수를 산화제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 각각 피에이치가 4 내지 9인 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리는 각각 상기 제1 알루미늄막 CMP용 슬러리 및 상기 제2 알루미늄막 CMP용 슬러리의 총중량을 기준으로 0.1중량% 내지 5중량%의 폴리에틸렌이민을 산화막 제거 억제제로서 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄막 CMP 방법.
  26. 삭제
  27. 반도체 기판 상에 실리콘산화물로 층간 절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연층을 패터닝하여 알루미늄 배선이 형성될 영역을 한정하는 층간 절연층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연층 패턴 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계;
    상기 장벽 금속층 상에 알루미늄을 도포하여 알루미늄막을 형성하는 단계; 및
    상기 제15항에 기재되어 있는 알루미늄막 CMP 방법을 사용하여 상기 알루미늄막을 연마하여 알루미늄 배선을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄 배선 형성방법.
  28. 반도체 기판 상에 실리콘산화물로 층간 절연층을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연층을 패터닝하여 알루미늄 배선이 형성될 영역을 한정하는 층간 절연층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 층간 절연층 패턴 상에 장벽 금속층을 형성하는 단계;
    상기 장벽 금속층 상에 알루미늄을 도포하여 알루미늄막을 형성하는 단계; 및
    상기 제21항에 기재되어 있는 알루미늄막 CMP 방법을 사용하여 상기 알루미늄막을 연마하여 알루미늄 배선을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄 배선 형성방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제21항의 상기 제1 CMP 단계는 상기 층간 절연층의 상면에 형성되어 있는 상기 장벽 금속층이 노출되기 전까지 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 배선 형성방법.
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